高滚流比进气道在增压汽油机上的应用

王志国，曹权佐，曹亮，施玉春，于荣枫

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

高滚流比进气道在增压汽油机上的应用

王志国，曹权佐，曹亮，施玉春，于荣枫

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

进气道结构是决定缸内滚流强度的主要因素，在传统进气道的基础上，设计了一款适合增压机型的高滚流进气道。

高滚流；增压；进气道

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.033

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-102-04

引言

滚流是一种其旋转轴垂直于气缸轴线的缸内大尺度空气运动形式，在压缩行程后期转变为湍流。滚流对缸内的油气混合及湍动能有着积极的影响，滚流越强，点火时刻的缸内湍动能越强，燃烧速度就越快。进气道结构是决定缸内滚流强度的主要因素，可以把能使缸内形成滚流的进气道称为滚流进气道。作为滚流进气道的性能指标，滚流强度和流量系数总存在着矛盾，滚流进气道的设计宗旨就是在保证适当的流量系数的前提下尽量提高滚流强度。

随着油耗、排放法规的日益加严，以及人们对汽车动力性的不断追求，汽油机增压技术越来越受到重视，增压发动机能够在兼顾性能的前提下提升发动机的进气效率及热效率，改善发动机的油耗及排放。

相比于自然吸气发动机，增压发动机依靠增压器压缩空气进入气缸，增压器的表现直接影响着发动机性能。又由于增压器涡轮的特性，很难做到同时兼顾低速和高速性能，往往是在保证高速性能的前提下牺牲部分的低速性能。大量研究表明，高滚流进气道可提升缸内的湍动能强度，改善燃烧速率从而提高低速性能。

本文主要介绍了某气道燃油喷射增压汽油机进气道的改进设计，通过改变进气道结构，提高滚流比，并借助稳态CFD计算来获得气道流量系数及滚流比数据，完成进气道的选型，同时摸索进气道结构参数对缸内流动参数的影响。

1、高滚流进气道设计

研究的气道燃油喷射的增压汽油机结构参数见表1。

表1 发动机结构参数

从发动机性能参数可以看到，低速扭矩偏弱，其最大扭矩出现在2500r/min，涡轮增压器较晚介入，对整车的起步性能和油耗不利，需要提升。

缸内滚流强度取决于进气充量的动量矩。为获取强滚流，要增大进气门与气门座圈上部的进气流量及流速，同时减小进气门与缸壁间的进气，这样可形成较为强烈的正向滚流。

图1为原机进气道结构形式，在气道出口处气道与燃烧室垂直，这样可以保证获得较大的流量系数，但如箭头所示，由于气道出口处与阀座垂直，在出口处进气门上部和下部的气流均较强，两股气流方向相反，相互抵消，削弱了滚流强度。

图2为高滚流进气道结构形式，气道出口处与燃烧室成一倾斜角度α，又如图3所示，气道出口上部相对燃烧室倾斜布置，引导气流从上部通过并沿燃烧室屋脊流向排气侧。而出口下部向气道中心抬高，形成缩口，阻止进气流向下部。这样上下两股气流形成较大的能量差，为最终滚流的形成创造了条件。

2、进气道评价方法

在内燃机中常采用稳流试验方法评价气道性能，假定气道及缸内气体流动是稳定的气体流动。实际发动机的进排气过程中，由于活塞和气门均做变速运动，流经气道的气流实际上是不稳定流动，两者之间不存在相似性。为使不同形状和尺寸气道的流动特性具有对比性，采用无量纲的流量系数来评价不同气门升程下气道的流通能力，用无量纲的滚流比评鉴不同气门升程下气道形成滚流的能力。本文采用AVL评价方法[2]。

流量系数Cf计算公式：

式中：m为测得空气质量流量；

mth为理论空气质量流量；

式中，Z为进气门数目；

dv为进气门座与气门作用直径；

ρ为进气门座处气体密度；

△p为进气压降。

滚流比Rt计算公式：

式中：nD为测得0.5倍缸径截面上绕旋转轴的角速度；

n 为假想的发动机转速。

式中Vh为发动机气缸排量。

3、计算模型及边界条件

利用AVL-Fire软件分别对上述气道喷射及高滚流直喷气道进行稳态CFD计算，所需几何模型一般包括进气道、进气门、进气门座、燃烧室顶部、排气门头部、2.5倍缸径的模拟缸套、进气稳压腔。

首先对计算域进行网格划分，入口用稳压腔代替大气环境，对气道及气门特征处进行网格细化已提高计算精度。研究对象的进气门座与进气门配合处直径29.5mm，气门升程从1mm开始，以1mm为步长直至最大升程9mm，建立9个网格模型，气道喷射进气道网格模型如图3所示，高滚流进气道网格模型如图4所示。

模拟计算中，进出口边界条件采用2.5KPa定压差，壁温为300K，气体可压缩，采用K-zeta-f湍流模型和Hybrid WallTreatment壁面函数。 流量系数计算以座圈-气门作用直径为参考直径，滚流比在0.5倍缸径处进行计算。

4、改进方案

作为衡量进气道的性能指标，滚流比与流量系数总是相互矛盾的，为保证不同的滚流比与流量系数组合获得最佳的效果，共设计了三种进气道方案，具体如下：

方案1：气道出口上部倾角较小，下部收口适中

方案2：气道上部出口倾角较大，气道下部收口较大

方案3：气道出口倾角略有减小，气道下部收口适中

5、计算结果分析

计算得到了不同气门升程下的气道-缸内流场、流量系数和滚流比。

图8为原机进气道各升程下的缸内速度场，左侧为气门剖面速度场，右侧为滚流比测量平面（气缸顶面向下0.5倍气缸直径）速度场。

可以看到，原机进气道在进气门的上下两侧均保持了较高的流速，并且在滚流比测定平面处两股气流也表现出了较高的速度，这样可以获得较高的流量系数，但两股方向相反的高速气流在缸内相互抵消，无法形成较为强烈的滚流。

改进气道在进气门下部的流速被减弱，相对应的进气门上部得到了很大加强，由于单侧进气，会使得流量系数有所降低，但在缸内却形成了单一的正向滚流，这从滚流测量平面的速度场也可以看到。

如下为流量系数及滚流比的计算结果对比。

6、方案选型

从对比结果看，原机的流量系数是最大的，而滚流比是最小的，这说明原机气道是一款注重高流通性的气道，而对滚流则基本没有考虑。

Application of High Tumble Ratio Intake Port in Turbocharged Gasoline Engine

Wang Zhiguo, Cao Quanzuo, Cao Liang, Shi Yuchun, Yu Rongfeng
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

Intake port structure is the main factor of the in-cylinder tumble strength, based on the normal intake port models, a high tumble ratio intake port is designed for a turbocharged gasoline engine.

High Tumble; Turbocharged; Intake port

U463.8

A

1671-7988(2016)10-102-04

王志国，（1974-），男，高级工程师，学历本科、研究方向发动机零部件设计。就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心。