缸內直噴汽油機進氣道優化設計研究

陳泓++林思聰++張宗瀾++李鈺懷++張雙

摘 要：針對一款缸內直噴汽油機的原始進氣道，應用計算流體力學軟件Converge建立了三維穩態流動計算模型，在對模型進行試驗標定后，對結構優化設計后的新進氣道進行了仿真計算。研究結果表明，所建立的三維穩態計算模型能夠較為準確的模擬計算進氣道的滾流比和流量系數；新優化設計的進氣道能夠在不明顯改變流量系數的前提下，較大幅度提升滾流比。最終獲得了提升氣道滾流比的優化設計結果。

關鍵詞：缸內直噴汽油機 進氣道 優化設計

中圖分類號：TK411 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0098-03

Research on the Optimization of Intake Port for Gasoline Direct Injection

Chen Hong Lin Sicong Zhang Zonglan Li Yuhuai Zhang Shuang

（GAC Automotive Engineering Institute， Guangzhou Guangdong， 511434， China）

Abstract： By means of CFD （computed fluid dynamics） software converge， three dimensional steady state fow calculation model of an intake port has been established for the gasoline direct injection engine. On the basis of calibration of the established model， performance of intake port was recalculated for the optimized intake port. The results indicate that the established three dimensional steady state model can simulate the tumble ratio and flow coefficient accurately. Without changing the flow coefficient remarkably， the optimized intake port can strengthen the tumble ratio sinificantly. Finally， the good result of increasing the tumble ratio is achieved.

Key Words： Gasoline Direct Injection Engine； Intake port； Optimizing design

隨著油耗法規的日益嚴格和環境保護壓力的日益嚴峻，探索和開發更加節能減排的發動機一直是發動機技術領域內的熱點課題。缸內燃油直接高壓噴射汽油機因具有良好的動力性、經濟性以及瞬態響應特性，正逐漸成為現代汽油機發展的主流技術[1，2]。

進氣道結構對缸內直噴汽油機的性能有重要影響，直接決定著燃燒改善的潛力。滾流比和流量系數是評價進氣道的兩個關鍵參數。在不明顯影響進氣道流量系數的前提下，提升進氣道的滾流比對改善缸內直噴發動機燃燒具有重要意義[3，4]。因此，該文采用氣道試驗和CAE技術相結合的方法，對一款缸內直噴汽油機的進氣道結構進行了優化設計研究，以獲取氣道結構對滾流比和流量系數影響的變化關系，為進氣道的設計提供技術參考。

1 進氣道滾流比和流量系數計算方法

進氣道滾流比和流量系數是評價氣道性能的兩個基本參數，二者之間存在矛盾的折中關系。缸內直噴汽油機進氣道設計需要保持一定流量系數的同時，盡可能提高滾流比。進氣道滾流比和流量系數的計算方法如式（1）和式（2）所示。

（1）

式中，（α）為實際活塞速度；為活塞平均速度；為平均滾流比；ωFK為相對于氣缸軸向速度旋轉的角速度；ωMot為發動機角速度；為曲軸轉角。

（2）

式中，（α）為實際活塞速度；為活塞平均速度；為流量系數；為曲軸轉角；為平均流量系數。

2 進氣道三維計算結果

2.1 三維計算模型建立

應用Converge軟件建立了直噴汽油機進氣道計算模型。邊界輸入條件：進口壓力100 000 kPa；出口壓力97 500 kPa；初始壓力98 000 kPa；溫度293.15 ℃；湍流長度0.001 m；初始湍動能1 m2/s2。

2.2 計算結果分析

采用所建立的進氣道三維穩態仿真模型，計算了不同氣門升程下（hv=1.00～7.70 mm）的進氣道性能。氣缸軸線速度與平均速度的比值分布以及各個氣門升程下的滾流比和流量系數如圖2所示。

圖3和圖4給出了進氣道三維穩態性能計算結果與試驗結果的對比。從圖3可以看出，所計算的滾流比趨勢與試驗結果吻合較好，氣門升程大于3 mm時，計算結果與試驗結果吻合更好，這主要是由于氣門升程小于3 mm時，流動不穩定性的增加導致計算模型出現偏差。而圖4的流量系數計算結果和試驗吻合較好，基本沒有偏差。

同時，應用式（1）和式（2）計算出了計算和試驗的平均滾流比和平均流量系數，結果如表1所示。表1的結果表明，平均滾流比計算值與試驗值誤差為3.3%，而流量系數則為2.5%，這說明所建立的三維穩態計算模型能夠較為精確地計算進氣道的滾流比與流量系數。

3 進氣道優化設計

為了提升進氣道的滾流比，加速燃燒改善燃燒系統的效能，對進氣道的喉口結果進行了優化設計（圖5）。圖5中白色線邊框為優化設計后的邊界，黑色線邊框線為原始設計的進氣道輪廓。

采用Converge軟件建立的模型計算了優化設計后的進氣道滾流比和流量系數，氣缸軸線速度與平均速度的比值分布以及各個氣門升程下的滾流比和流量系數如圖6所示。

從圖7和圖8可以看出，優化設計后的進氣道在基本保持流量系數不變的條件下，較大幅度地提升了滾流比。表2給出了原始進氣道和優化設計后進氣道的平均滾流比和平均流量系數。表2的數據表明，優化設計后的進氣道在平均流量系數基本不變的前提下，實現了滾流比12.7%的提升。

4 結論

（1）應用Converge軟件建立的進氣道三維穩態計算模型，在氣門升程較大（>3 mm）時，滾流比計算與試驗值吻合較好；而在氣門升程較小（<3 mm）時，由于流動不穩定性增強導致計算偏差增大。

（2）在所有計算的氣門升程范圍內，流量系數計算結果與試驗吻合較好，較為精確。

（3）針對進氣道的結構進行優化后，在保持平均流量系數不變的情況下，獲得了平均滾流比提升12.7%的效果。

參考文獻

[1] Domenic A. Santavicca，James V. Zello.Gasoline Direct Injection （GDI） Engines-Development Potentialities. SAEpaper[C]//2001SAE World Congress Detroit， Michigan：2001-01-1926.

[2] Xiangang Wang，Zhangsong Zhan，Xun Yu，et al.Experimental Study on Injector Spray Pattern Optimization for a Turbocharged GDI Engine Combustion System. SAE paper[C]//2014SAE World Congress Detroit， Michigan：2014-01-1439.

[3] 蔣德明.高等車用內燃機原理[M].西安：西安交通大學出版社，2006.

[4] 楊嘉林.車用汽油機發動機燃燒系統的開發[M].北京：機械工業出版社，2009.

[5] 劉志恩，蔣炎坤，陳國華，等.CFD輔助發動機進氣道設計方法研究[J].內燃機工程，2006，27（6）：6-10.

[6] 程莎莉，朱才朝.發動機進氣道流動特性的數值模擬[J].汽車工程，2009，29（12）：1070-1072.