进气道对增压汽油机流动特性及性能的影响

蓝志宝， 秦际宏， 杨晓, 叶年业, 穆建华, 梁源飞

(上汽通用五菱汽车股份有限公司, 广西 柳州 545007)



进气道对增压汽油机流动特性及性能的影响

蓝志宝， 秦际宏， 杨晓, 叶年业, 穆建华, 梁源飞

(上汽通用五菱汽车股份有限公司, 广西 柳州 545007)

基于某款增压发动机，通过CFD软件对不同进气道的进气组织及燃烧过程进行模拟计算，并分析了气道对发动机着火特性和燃烧参数的影响。研究结果表明：减小气道拐角半径R或进气门直径，均可提高发动机滚流比和湍流强度；火花塞处较低的湍动能强度不利于火焰中心的形成；湍动能较强区域位于燃烧室中间区域更有利于点火之后火焰向四周迅速传播，优化了发动机的燃烧过程。

汽油机； 进气道； 燃烧过程； 流动分布

设计合理的进气道可组织良好的缸内气流运动，可改善发动机的燃烧过程，进而改善发动机的动力性、经济性和排放性。充气效率和气流组织对气道的结构设计比较敏感，对于汽油而言，一般通过组织滚流运动来改善缸内的油气混合及燃烧速率，因受几何结构的限制，充气效率与滚流强度二者呈现此消彼长的关系；而汽油机使用增压技术后，充气效率得到了较大的提高，因此通过合理设计进气道来增强进气过程中形成的宏观滚流运动，并在压缩冲程中转化为微观湍流运动，成为优化发动机燃烧过程的一条途径[1]。

国内外学者开展了大量关于进气道对发动机缸内流场、燃烧及性能的影响研究[2-5]。Z.Mahmood等人[6]讨论了进气角度、气缸停缸、气道节流和废气再循环对缸内流场的影响规律。Y.L.Qi等人[7]利用CFD软件模拟研究了进气道结构对气道滚流比及缸内流场的影响，并分析了滚流对进气道喷射汽油机燃油雾化的影响。Isshiki等人[8]通过改变进气口的几何形状，对发动机进气组织进行研究，发现气道形状对容积效率、旋流运动的发展有很大的影响。焦运景等人[9]基于CFD软件开展气道形状对天然气发动机缸内气体流动与燃烧过程影响的研究，结果表明：点火稳定性受湍流动能和气体流速影响，适当增大湍流动能可以提高火焰传播速度，但过大的湍流动能会使火花塞点火能量耗散量过大，对火核发展不利。

综上所述，进气道的形状直接影响到发动机缸内混合气的流动、燃烧及性能。本研究以某三缸增压进气道喷射汽油机为研究对象，利用AVL FIRE软件对比分析不同进气道对增压发动机缸内气体流动、燃烧过程的影响，为增压汽油机进气道的设计提供了理论和实践依据。

1 气道设计方案

常见的气道改进方法是对气道的3个参数——A，R，H(见图1)进行小改动以改变发动机的充量系数和滚流比[10]。

图1 气道设计变量

增压发动机需要较高的滚流比，本研究针对性地提出了3种进气道方案：气道1减小了气道拐角半径R，R由10.5 mm减少为3.8 mm，使更多气流由靠近气缸中心侧气门进入缸内，提高气道的滚流比。气道2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，以提高气道的滚流比；此外该气道还扩大了喷油避让槽，稍微调整了气道角度A(2°)，将气道设计成渐缩的喷嘴形状。气道3的进气门内径由23.5 mm缩小为21.6 mm，减小气道拐角半径R为5 mm，同时将整个气道缩小，气道入口由1 026 mm2缩小为650 mm2。原机气道及3种优化进气道形状见图2。

图2 气道几何模型

2 三维瞬态数值模拟计算

2.1 模型建立

本次瞬态模拟的研究对象为上述3种进气道改进方案。瞬态模拟所选定转速为3 000 r/min，点火时刻为700°曲轴转角。由于研究的主要目的是探究进气道形状对缸内燃烧过程的影响，因此本次模拟从200°曲轴转角开始至860°曲轴转角结束，360°曲轴转角为进气上止点，260°曲轴转角为喷雾起始时刻(为了使喷雾时刻的进气道环境稳定，所以从200°曲轴转角开始模拟)。

2.2 边界条件的设定及数值模型的选择

通过BOOST软件进行计算，得到瞬态模拟计算所需要的边界参数并导入到FIRE中，如进口质量流量、出口静压力及进气道、排气道以及缸内的初始条件，其他壁面条件见表1。湍流模型采用四方程模型k-ζ-f，壁面处理选择混合壁面处理方程。在燃烧模块中选用拟序火焰模型和单点火花点火模型。

表1 模型壁面温度边界条件

2.3 模型验证

为了验证所选模型的准确性，对发动机在3 000 r/min全负荷工况下进行试验和模拟结果对比。图3示出该汽油机验证工况下缸压的试验值和模拟值对比结果。从图中可见，模拟结果和试验测试结果较为吻合，仅在点火时刻模拟计算的缸内压力上升较快，压力峰值比试验结果高0.15 MPa。但误差保持在5%以内，可认为模拟结果与试验结果具有较好的一致性，所选模型和计算方法合理。

图3 缸压试验值和模拟值对比

3 结果分析

3.1 进气道的流场分析

图4示出不同气道流场分布对比。从图4可见，大部分气体进入气缸后沿排气侧壁面向下运动，即区域3负的轴向运动；因为进气门下方的压力相对较小，所以气体又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。经典的高滚流运动气道的缸内气体轴向流动分布见图5。通过对比可见，3种气道均为高滚流气道。此外,对比区域1和区域2可见,3种优化方案的流动分离现象都比原机气道明显,区域1截流使更多气体由区域2进入气缸,进而加强滚流运动；然而3种优化方案为了增强滚流而进行的更改，如减小气道拐角半径、减小气门内径等都增加了气道的压力损失，流量系数将减小。

图4 气道流场分布

图5 滚流气道轴向速度分布

3.2 点火时刻缸内湍动能分布

发动机火焰中心的形成和火焰传播均受到缸内湍流运动的方向及强度的影响。图6示出转速3 000 r/min下点火时刻不同进气道的缸内湍动能强度和分布。由图可见，气道1和气道2均比原机气道的湍动能大，其中气道2对应的湍动能较大，其最大湍动能位置在火花塞下方，处于燃烧室中心位置。而气道1的湍动能强度仅次于气道2，但其分布稍微偏向于进气侧。气道3湍动能最小，最大值仅有35 m2/s2。可见，较大的R值和较小进气门直径均可有效提高发动机湍动能。而造成气道3湍动能较小的主要原因是缩小进气道截面积，导致较少空气量进入发动机，进而影响缸内的湍动能强度。

图6 燃烧室湍动能分布

3.3 进气道对点火的影响

通过对比3个气道在点火后5°的OH来分析进气道对发动机着火的影响(见图7)。原机气道和气道2对应的OH分布较为相似，此时OH量均比气道1和气道3多，可认为已经形成火焰中心，并开始向周边传播，但偏离火花塞中心位置较为明显。气道1和气道3所对应缸内OH量较少，但出现位置不同，气道1OH集中在火花塞上方，而气道3OH分布在火花塞中心位置。由气道对点火的影响分析结果可知，提高火花塞位置的气体流动有助于提高发动机的着火特性，但过强的气流会导致着火不稳定，甚至出现失火现象[11]。

3.4 进气道对燃烧温度的影响

缸内的气体流动不仅对着火特性有影响，而且也会改变发动机燃烧过程。在3 000 r/min转速下，分析3组进气道对缸内燃烧过程的影响，如图8所示。活塞运动到压缩上止点后10°时，从原机的缸内温度分布可推断缸内已形成火焰中心，并以火花塞为中心，火焰向四周开始传播。气道2对应的燃烧室已燃烧温度较原机高，从温度分布来看，火焰已遍布整个燃烧室，燃烧速率高于原机。从气道1对应的燃烧室温度分布可见，排气道侧存在未燃烧区域。气道3火焰发展较慢，在上止点后10°，缸内的最高燃烧温度仅为2 120 K，高温区主要集中在火花塞附近。从模拟计算可以看出，在气道组织进气过程中，提高缸内湍流强度有利于提高发动机的燃烧速率，而湍流强度的分布也影响到火焰传播。

图8 燃烧室燃烧温度分布

3.5 进气道对燃烧压力的影响

图9示出3 000 r/min下各气道的缸内燃烧压力和放热率曲线对比。如图所示，气道1和气道2的燃烧压力曲线和放热率曲线相似，均比原机燃烧压力高，同时缸内压力峰值对应的曲轴转角比原机的小，有利于提高发动机热效率。对比优化气道方案可见，气道2对应的最高燃烧压力较气道1高，并且最高燃烧压力对应的曲轴转角较气道1小。气道3的最高燃烧压力较低，仅为4.7 MPa，最大放热率仅是气道2的50%。燃烧压力较低的主要原因包括两个方面：第一，缸内燃烧速率较低，导致缸内的燃烧压力降低；第二，大部分燃料在活塞下行过程中进行燃烧，燃烧容积变大，缸内的温度和燃烧压力均降低。

图9 不同气道的燃烧压力和放热率

4 结论

a) 进气道几何结构对缸内气流运动影响较大，减小气道拐角半径R和气门内径，将气道设计成渐缩的喷嘴形状，可以实现高滚流比的进气组织；

b) 进气门直径由23.5 mm缩小为21.6 mm，缸内湍动能提高较为明显，有利于点火之后火焰的迅速传播，从而改善燃烧过程；

c) 对比分析各气道的湍动能强度和分布可知，火花塞处较低的湍动能不利于火焰中心的形成，湍动能较强区域位于燃烧室中间区域更有利于点火之后火焰向四周迅速传播。

[1] Geilen F, vom Stein T, Engendahl B, et al. Highly Selective Decarbonylation of 5-(Hydroxymethyl) furfural in the Presence of Compressed Carbon Dioxide[J]. Angewandte Chemie International Edition,2011,50(30):6831-6834.

[2] Hoong T Toh, Rong F Huang, Kuan H Lin, et al. Computational Study on the Effect of Inlet Port Configuration on In-Cylinder Flow of a Motored Four-Valve Internal Combustion Engine[J].Journal of Energy Engineering,2011，137(4)：198-206.

[3] Bailly C B O, Floch A, Sainsaulieu L. Simulation of the Intake and Compression Strokes of a Motored 4-Valve SI Engine with a Finite Element Code[J]. Oil & Gas Science and Technology-Revue D Ifp Energies Nouvelles,1999，54(2)：161-168.

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[5] 段亮，杜爱民,田永祥.四气门汽油机进气道流动特性的CFD分析[J].同济大学学报(自然科学版),2009，37(2)：249-252.

[6] Mahmood Z, Chen A, Yianneskis M, et al. Steady Flow Through Dual-Intake Engine Ports[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids,1996,23:1085-1109.

[7] Qi Y L, Dong L C, Liu H, et al. Optimization of Intake Port Design for SI Engine[J]. International Journal of Automotive Technology,2012,13(6):861-872.

[8] Isshiki Y, Shimamoto Y Y, Wakisaka T. Proc., Int. Symp. on Diagnostics and Modeling of Combustion in Reciprocating Engines[J].Japan Society of Mechanical Engineers,1985，9：4-6.

[9] 焦运景，司鹏鹍，杨志勇，等.气道形状对天然气发动机缸内气流运动与燃烧过程影响的研究[J].内燃机工程，2013，34(3)：26-31.

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[11] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社,2005.

[编辑： 潘丽丽]

Influence of Intake Port on Air Flow Characteristics and Performance of Turbocharged Gasoline Engine

LAN Zhibao, QIN Jihong, YANG Xiao, YE Nianye, MU Jianhua, LIANG Yuanfei

(SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited, Liuzhou 545007, China)

The intake structures and combustion processes of different intake ports were simulated with CFD software and the influences of intake ports on ignition characteristics and combustion parameters were analyzed based on a turbocharged engine. The results show that reducing port corner radius R and intake valve diameter can improve the engine tumble ratio and turbulence intensity. The lower turbulence intensity in the position of spark plug is not good for the formation of flame center. The strong turbulent kinetic energy in the centre of combustion chamber facilitates flame propagation after ignition, which optimizes the engine combustion process.

gasoline engine； intake port； combustion process； flow distribution

2015-05-25；

2015-11-04

蓝志宝(1971—)，男，首席工程师，主要研究方向发动机产品开发；yuanfei.liang@sgmw.com.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.016

TK418.9

B

1001-2222(2016)01-0083-05