高性能小型增压汽油机进气道优化设计

蓝志宝 秦际宏 梁源飞 叶年业

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心）

高性能小型增压汽油机进气道优化设计

蓝志宝 秦际宏 梁源飞 叶年业

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心）

基于某款自然吸气汽油机小型化增压改造项目，应用CFD结合试验的方法对进气道进行优化设计，以提高进气道的滚流比，改善缸内油气混合均匀性及加快燃烧速率，进而降低发动机油耗。结果表明，通过采用减小气道拐角半径、气道拐角高度、气门内径，增大气道角度及将进气道设计成渐缩的喷嘴形状等综合措施，大幅提高了该机进气道滚流比且保持流量系数仅小幅下降，并获得较优的发动机油耗水平。

1 前言

随着油耗法规对平均油耗的逐年降低，降低油耗已成为当今发动机发展的主题。降低油耗最根本的途径是提高发动机的燃烧效率，而发动机的燃烧效率与发动机的进气道紧密关联，气道的设计开发已成为发动机开发过程中最关键的步骤之一[1,2]。当前汽油机发展的主要技术路线为小型化增压直喷，充气效率是决定汽油机动力性的主要因素[3]，对于增压汽油机来说，由于增压器的使用使得充气效率获得较大提高，因此缸内气流组织也变得更加重要。燃烧效率的主要影响因素有缸内的湍流强度、混合气的均匀性、残余废气的分布，其都与缸内气流组织紧密相关。可见，气道的设计开发是提高汽油机燃烧效率、降低油耗水平的关键步骤。

通过试验的方法难以获得缸内气体流动特性，且成本较高，而CFD能便捷地获得全面的缸内气体流动特性，且成本低；试验方法和CFD模拟结合应用，能提高开发效率，节省开发费用，缩短开发周期[4]。本文采用试验和CFD模拟相结合的方法，对某款自然吸气式汽油机的进气道进行优化设计。

2 理论基础

2.1 气道设计意义

进气道与发动机的充气效率和气流组织直接相关，一般通过滚流运动来改善缸内的油气混合及燃烧速率。但由于受几何结构的限制，充气效率与滚流强度二者存在此消彼长的关系[5]。因此，为了提高充气效率，气道需设计得光顺来减少截流损失，而此种设计不利于增加滚流强度。

汽油机使用增压技术后，充气效率虽得到较大提高，但缸内的燃烧压力和燃烧温度也进一步提高，缸盖、气门等零部件的热负荷也进一步加重，导致爆震发生的可能性增加；在标定过程中，往往通过加浓混合气来抑制爆震，这不仅增加汽油机的HC排放，而且还抵消了部分增压技术带来的油耗改善。

通过进气道的合理设计，使发动机在进气过程形成较强的滚流运动，在压缩行程末期滚流运动由于受到活塞顶面和缸盖燃烧室表面的挤压，破碎为细小的湍流运动，可极大地提高燃烧室内混合气的湍动能。湍流运动能增加燃烧过程中火焰前锋面的物质和能量交换（图1），提高火焰传播速率，抑制爆震，提高燃烧效率[6]。

式中，Vt为湍流火焰传播速率；Vi为层流火焰传播速率；V′为湍流脉动速度。

2.2 气道评价方法

对气道的评价方法没有统一标准，目前最常用的评价方法有4种，分别是Ricardo方法、AVL方法、FEV方法和SWRI方法。这4种方法都采用流量系数和滚流比来评价汽油机进气道，但对二者的定义有所不同。

AVL评价方法如下。

流量系数定义为实际的质量流量与理论质量流量的比值，其反映了不同气门升程下气体通过气道的能力。

式中，Cf为流量系数；为实际测得的质量流量；mth为理论计算质量流量；z为每缸气门个数；ρ为空气密度；Δp为压降；dv为气门内径。

滚流比定义示意如图2所示。通过LDA设备或CFD模拟获得缸盖平面以下0.5D（D为气缸直径）平面的气体角速度，通过假定缸内气流平均轴向速度Vm与活塞平均速度MPS相等求得虚拟发动机角速度。因此，滚流比定义为缸内气体角速度ωFK与虚拟发动机角速度ωMot之比[7]。

式中，Tr为滚流比；fi为计算单元面积；ωLDA为气体轴向速度，来自LDA或CFD；为气体平均轴向速度；Vh为气缸工作容积；ri为计算单元中心至旋转轴线的垂直距离；s为行程；FK为活塞面积。

2.3 气道设计变量

由于汽油机进气道设计上存在流量系数和滚流比此消彼长的关系，一般将气道分为充量气道和滚流气道。充量气道常用于自然吸气汽油机，滚流气道则多用于增压或增压直喷汽油机。根据设计经验[8]，影响气道性能的主要参数有气道角度A、气道拐角半径R和气道拐角高度H，如图3所示。

通过DoE试验设计的方法研究A、R、H对进气道流量系数Cf及滚流比Tr的影响程度并进行线性回归分析，结果如图4所示。可见，对Cf的主要影响因素是R，其次是A；对Tr的主要影响因素是H，其次是R。此外，R与H的共同作用也对Tr有较大的影响。

另外，在气道设计时还需考虑气道内气体的流速。气体以合理的速度进入气缸，才能获得理想的滚流强

度，若进入气缸的气体流速很低，则不能形成较强的滚流运动。因此，对于小型增压汽油机，进入气缸的气体平均流速MGV应达到70～75 m/s。

3 气道设计方案

原机为自然吸气汽油机，在气道设计时主要考虑的是气道的流通性能，以保证尽可能多的进气来提高发动机的动力性能。采用增压技术后，进气量可以通过增压器来保证，因此在气道设计时应主要考虑气道对缸内气流运动的组织功能，保证Cf在可接受范围内，尽量提高进气道的Tr。

3.1 气道设计方案

原机的基本参数如表1所列。充分考虑现有机型的更改限制及其它因素的影响，提出3种气道更改方案，如图5所示。

方案A：减小气道拐角半径R，使更多气流由靠近气缸中心侧气门进入缸内，提高气道的Tr。

方案B：由于原机平均气体流速仅为63.4 m/s，未达到设计经验值70～75 m/s，因此将进气门内径由23.5 mm缩小为21.6 mm，提高气体进入气缸的速度，以提高气道的Tr；扩大喷油避让槽，微调气道角度A，将气道设计成渐缩的喷嘴形状。

方案C：进气门内径由原来的23.5 mm缩小为21.6 mm，减小气道拐角半径R，同时将整个气道缩小，气道入口流通面积由原来的1 026 mm2缩小为650 mm2。

3.2 气道建模方法

应用CFD软件AVL Fire搭建气道稳态模拟模型，其中气缸长度为2.5D，入口稳压腔为直径2D的半球[9]。

a.网格设置：因为气门座区域的几何结构对气道性能有重要影响，需要保持该区域的几何细节，所以在网格生成过程中对该区域进行细化，其最小网格尺寸为0.25 mm。为了获得较可靠的结果，整个模型最大网格尺寸为2 mm，边界层数为3层，网格数量约为120万。

表1 发动机基本参数

b.边界条件及求解器设置：小气门升程时使用2.5 kPa的进出口压力差；大气门升程时使用6.5 kPa的进出口压力差；使用k-zata-f湍流模型和混合壁面模型。

计算方案：对原机气道及3种气道更改方案每隔1 mm气门升程进行一次稳态模拟计算。

4 结果分析

4.1 流量系数对比分析

图6所示为原机及3种气道更改方案的Cf对比图。

由图6可知，原机的流量系数模拟值与气道稳态试验值基本吻合。在大气门升程时，模拟值稍微偏大，但最大偏差在5%以内，对于气道稳态数值模拟是可以接受的。因为气道试验中叶片风速仪引起的压降在模拟时是通过多孔介质来实现的，不同气体流速下压降的估计可能存在偏差。3种气道更改方案的流量系数在气门升程＜4 mm时与原机相比都有所下降，下降幅度不大；但气门升程≥4 mm时，Cf都有明显降低。其

中方案A的Cf下降最大，在8 mm升程时其Cf只有0.40，与原机相比下降35%；方案B的Cf在整个气门升程内下降都较小，在8mm升程时其Cf为0.58，与原机相比仅下降7%，其原因为气门内径缩小，实际质量流量减小，理论质量流量也减小，且气门内径减小将导致气门座区域的压力损失增加；方案C的Cf处于方案A与方案B之间，其主要原因是气门内径和整个气道的缩小导致整体压力损失有所增加。

4.2 滚流比对比分析

图7所示为原机及3种气道更改方案的Tr对比图，由于气道试验的Tr测量位置和评价方法不同，在数值上无法对比，因此未在图中展示。

由图7可知，方案A和方案C在2 mm升程时比原机和方案B的Tr有所下降，在气门升程小于等于3 mm时，原机与3种气道更改方案的Tr相差不大；气门升程大于3 mm时，3种气道更改方案的Tr与原机相比都有较大提高，其中方案A提高最多，其次为方案B，最后为方案C，但3种方案Tr总体相差不大。

4.3 流速分布对比分析

图8所示为8 mm升程时气道的速度分布对比图，其中左图为过气门中心线的纵向切片，右图为0.5D平面的切片。

对比图8中区域1可以看到，原机有部分气体通过区域1进入气缸，而3种气道更改方案截流效果都比较明显，通过区域1的气体明显减少，其中方案A截流效果最显著，其次为方案B，最后为方案C。对比可知，方案A减小R时提高了H，截流效果最强；而方案B减小R的同时H稍微减小，气道角度增加了2°，截流效果相对减弱。可见，截流效果主要受H和R影响，H越大，R越小，截流效果越显著，Cf越小。区域1的截流现象迫使气体流向区域2，增加区域2的流速。对比区域2的流速可知，方案A＞方案B＞方案C，方案C流速之所以比方案B小是由方案C气道整体缩小而压力损失增加导致的。

气体以较高的速度经区域2进入气缸，碰到气缸壁面后沿壁面向下运动，即区域3负的轴向运动；由于进气门下方的压力相对较小，气体沿进气门侧的缸壁向上运动，即区域4正的轴向运动，因此形成了绕气缸轴线垂线的滚流运动，滚流运动的强度主要由区域3负的轴向运动和区域4正的轴向运动决定。经典的滚流运动气道的缸内气体轴向流动分布如图9所示。通过对比可知，方案A、方案B、方案C都是滚流气道。

对比区域5可见，原机的流速比3种气道方案高，这是由于3种方案为了增强滚流而进行的更改如减小R、减小dv等都增加了气道的压力损失。

因此，在自然吸气汽油机基础上进行小型化增压改造时，进气道的更改可以综合考虑采用减小R、H、dv，增大A等措施来获得合理的Cf和Tr。

4.4 试验外特性对比

将上述3种气道方案制作缸盖样件并组建样机进行试验，初步试验结果见图10。可知，方案A高速扭矩下降明显，低速燃油消耗率较高；方案C低速扭矩较高，但低速和高速燃油消耗率较高；方案B扭矩和燃油消耗率都相对较好，该方案的Cf及Tr都较优。

5 结束语

a.将自然吸气式汽油机进行小型化增压改造时，需提高进气道的滚流比以改善燃烧，可以综合考虑采用减小R、H、dv，增大A，将气道设计成渐缩的喷嘴形状等措施来实现。

b.将自然吸气式汽油机进行小型化增压改造时，不仅需提高滚流比，还应兼顾流量系数，才能获得较优的油耗水平。

1 Philipp A,Markus J,Pischinger S.Effect of Intake Port De⁃sign on the Flow Field Stability of a Gasoline DI Engine.SAE paper 2011-01-1284.

2 Delphi Automatic LLP.Delphi Brochure 2010/11 Passenger Car&Light Duty Vehicles.http：//www.delphi.com.

3 Qi Y,Liu H,Midkiff K,etal.A feasible CFD methodology for gasoline intake flow optimization in a HEV application -part 2：Prediction and Optimization.SAE paper 2010-01-2238.

4 Sadakane S,Sugiyama M,Kishi H,etal.Development of a new v-6 high performance stoichiometric gasoline direct in⁃jection engine.SAE paper 2005-01-1152.

5 斐普成，刘书亮，范永健.多气门汽油机滚流进气道结构的研究.内燃机学报,1998,16（3）:329～330.

6 周龙保.内燃机学.北京:机械工业出版社,2007.

7 Eichlscder H,Kluting M,Piock W F.Grundlagen und Tech⁃nologien des Ottomotors.Springer Wien New York，2008.

8 Dresser Waukesha.Design of experiments reduces time to market.http：//www.powermag.com/.

9 杜爱民，段亮，田永祥.汽油机进排气道的CFD分析及改进.中国内燃机学会第8届学术年会论文集APC2008-012.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2015年7月1日。

Intake Port Optimization Design for a High-performance Turbocharged Gasoline Downsized Engine

Lan Zhibao,Qin Jihong,Liang Yuanfei,Ye Nianye
（SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited）

In a naturally-aspirated gasoline engine project which is modified by downsizing and turbocharging,we use CFD in combination with test to optimize intake port,increase the tumble ratio of the intake port and improve the homogeneity of the gas-air mixture,accelerate the combustion rate and thus reduce the fuel consumption of the engine.The results show that the tumble ratio is improved greatly,but the flow coefficient only drop slightly by reducing the intake port sharp corner radius,reducing intake port turning height,increasing intake port angle,reducing intake valve inner radius and designing the intake port as nozzle-shaped,etc.,and eventually a good BSFC for the engine is guaranteed.

Turbocharged Gasoline Engine,Intake Port,Optimization Design,Tumble Ratio

增压汽油机 进气道 优化设计 滚流比

U464.22

A

1000-3703（2015）12-0012-05