PFI增壓汽油機進氣道性能優化研究

王昊鵬 郝長利 李 輝 王澤宇

（1-天津大學內燃機研究所 天津 300072 2-天津特瑞捷動力科技有限公司）

引言

降低油耗的根本途徑是讓進入發動機氣缸內的燃料盡可能充分燃燒，即提高燃料的燃燒效率，而提高燃料燃燒效率首先需要燃料與氧氣按照合理的比例充分接觸，均勻混合，這樣形成的可燃混合氣對燃料能量的充分釋放十分有利，在這種高質量可燃混合氣的形成過程中，發動機進氣道起著非常重要的作用，因此進氣道開發越來越受到發動機行業的重視。在目前廣泛使用的增壓汽油機領域，由于有了增壓器對進氣量的加持，因此人們對氣道本身充氣效率的要求有所降低，而對氣缸內氣流運動的組織更加關注。缸內的湍流強度、混合氣的均勻性、殘余廢氣的分布都對燃燒效率有著重要影響，而加強缸內的氣流運動組織，可有效改善上述問題。因此，提升氣道的性能對提高汽油機燃燒效率，降低油耗具有關鍵意義[1]。采用發動機性能試驗結果評價氣道性能的方法周期長，成本高，且試驗過程中的影響因素多，不利于聚焦氣道性能的評價。而采用CFD模擬與氣道芯盒試驗相結合的方法，一方面能便捷快速地比對不同方案的缸內氣體流動特性，另一方面也能準確地獲得氣道在實際應用中的性能表現。此外，二者相互驗證，可起到對設計的有力支撐，且成本低，能有效提高開發效率，節省開發費用，縮短開發周期。

1 進氣道性能評價方法

進氣道與發動機可燃混合氣的形成直接相關，一方面氣道要能夠將足夠多的新鮮空氣送入氣缸；另一方面氣道要與燃燒室配合引導進入氣缸的氣流充分運動，使新鮮充量與燃油能夠均勻混合。通常用流量系數評價氣道輸送新鮮空氣的能力，用滾流比評價氣道引導新鮮空氣在發動機氣缸內進行滾流運動能力的強弱[2]。壓縮行程中，當活塞運行至近上止點時，可燃混合氣的滾流運動受活塞和燃燒室的共同擠壓，破碎為細小的滾流運動，使混合氣的湍動能顯著提升。湍流運動能增加燃燒過程中火焰前鋒面的物質和能量交換，提高火焰傳播速率，抑制爆震，提高燃燒效率。但由于氣道本身結構的原因，流量系數與滾流比二者很難同時優化，調整過程中往往會出現此消彼長的情況[3]。進氣道滾流比和流量系數的計算方法如式（1）和式（2）所示[4]：

式中：c(α)為實際活塞速度；cm為活塞平均速度；Tm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；α為曲軸轉角。

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

2 氣道設計方案

在Pro/E中繪制了3個氣道方案的曲面模型，如圖1所示。其中氣道方案1為原始氣道設計，以方案1作為基礎方案，設計了方案2和方案3。

這兩個改進方案的設計宗旨為在不犧牲較多流量系數的前提下，盡量提高滾流比。方案2在方案1基礎上調整氣道入口位置，將進氣道入口位置“下壓”，減小氣道沖角，使氣道與燃燒室配合，引導氣流在缸筒半徑方向獲得更大的沖量，近氣門處氣道走向不變，中間段采用平滑過渡。方案3在方案2基礎上改進近氣門處的氣道局部走向，一是氣道出口設計為近“扁平”，形成噴嘴狀，這能有效提高進氣流速度，二是兩氣道支管外壁內收，引導兩路氣流向缸壁方向運動，避免兩股氣流進入氣缸后相互干擾，從而有利于滾流的形成。

圖1 3個氣道方案曲面模型

3 進氣道模擬計算

3.1 計算模型與邊界設置

本文使用AVL公司開發的FIRE軟件進行計算，首先在Pro/E中提取分析相關的各部分三維，包括：進氣道、燃燒室、氣門、座圈、導管、缸筒，合并實體化。其中缸筒直徑尺寸與發動機缸徑相同。發動機參數如表1所示。

表1 發動機參數表

氣道入口處設置1個600 mm×600 mm立方體，以獲得穩態邊界，氣道入口位于立方體一面居中的位置，虛擬缸筒下部依據氣道試驗測試臺結構設置相同的輸出邊界，如圖2所示。設定立方體內穩態氣壓為100 kPa，虛擬缸筒內穩態氣壓為93 kPa。

圖2 氣道模擬分析模型

考慮此次分析為對比方案，以上述邊界分別對方案1～3進行CFD模擬分析。為節約計算時間，分別選取3 mm、5 mm、7 mm 3個典型氣門升程進行模擬分析。

3.2 計算結果——流場分析

由于小氣門升程點處進入缸內的新鮮充量絕對值較小，且在模擬分析中，小氣門生成點計算精度相對較低，故本文選取7 mm氣門升程點處的流場計算結果作為具體分析對象。

流場計算結果表明方案1滾流發展不充分，除滾流旋轉中心外還存在一個低壓區。導致該區域氣流流速低，不利于滾流發展和湍動能的積累。

方案2為方案1基礎上的改進方案，如圖3、圖4所示，氣道沖角下調后，滾流中心較方案1更為居中，方案1中低速區明顯改善，整個滾流分布更為均勻，有利于滾流的生成和持續發展。方案3如圖5所示，在流場分布上繼承了方案2的優點，流線整體分布均勻，由于方案3強化了氣道出口的噴嘴效應，使氣流經過出口后顯著提升了流速。并且經過數值對比發現，流量系數并未發生大幅度的下降。所以從缸內流動情況看，方案3是符合設計預期的。

圖3 方案1流場計算結果

圖4 方案2流場計算結果

圖5 方案3流場計算結果

3.3 計算結果——流量系數及滾流比

經CFD分析各方案計算結果如表2所示。對比3個方案的缸內流場模擬分析數值，方案3在3 mm、5 mm、7 mm3個升程點滾流比相對方案1和方案2均提升了15%以上，而3個氣門升程下的流量系數相對方案1和方案2下降5%左右，其中7 mm氣門升程點降幅小于5%。綜合缸內流動分析結果和定點計算數據，可以認為方案3是較好的改進方案。在工程實踐中，可直接將方案3制作氣道芯盒進行試驗驗證。本文為驗證該分析方法，分別制作了3個方案的快速成型樣件，并分別進行試驗。

表2 各方案CFD分析結果匯總表

4 試驗驗證

4.1 氣道試驗

在動量進氣道試驗臺上分別對3個方案的芯盒進行氣道試驗，試驗的氣門升程依次為2 mm至9 mm，每次間隔1 mm。3個方案氣道滾流實驗值對比如圖6所示。3個方案氣道流量系數實驗值對比如圖7所示。

圖6 3個方案進氣道滾流實驗值對比

圖7 3個方案進氣道流量系數實驗值對比

試驗結果表明方案3在3～9 mm氣門升程點處滾流均為3個方案中最高，其中與初始方案1相比各點均有較大幅度的提升，這與仿真分析結果所表征的趨勢是一致的。同時方案3流量系數下降幅度可以接受。

4.2 發動機外特性試驗對比

將方案3氣道制成缸蓋樣件，建立試驗樣機并進行性能試驗。改進方案與原方案發動機轉矩試驗數據對比如圖8所示。改進方案與原方案發動機比油耗試驗數據對比如圖9所示。

方案1原機數據在中高速段油耗較高，且在2 000 r/min附近出現了絕對值較大的油耗率峰值。方案3在原機轉矩水平上略有提升，同時，中高速段油耗率顯著降低。

圖9 改進方案與原方案發動機比油耗試驗數據對比

5 結論

1）減小氣道傾角，將氣道形狀設計為漸縮的噴嘴形狀，并優化氣道出口支管走向可顯著提高氣道滾流比，同時流量系數的下降在可接受范圍內。

2）發動機性能試驗結果表明，優化后的進氣道對發動機性能有明顯改善。

3）基于特征氣門升程點的CFD對比分析結果與試驗結果有較好的一致性，在實際工程中，可有效指導設計工作進行，縮短設計周期，降低設計成本。