缸内直喷汽油机进气道优化设计研究

陈泓++林思聪++张宗澜++李钰怀++张双

摘 要：针对一款缸内直喷汽油机的原始进气道，应用计算流体力学软件Converge建立了三维稳态流动计算模型，在对模型进行试验标定后，对结构优化设计后的新进气道进行了仿真计算。研究结果表明，所建立的三维稳态计算模型能够较为准确的模拟计算进气道的滚流比和流量系数；新优化设计的进气道能够在不明显改变流量系数的前提下，较大幅度提升滚流比。最终获得了提升气道滚流比的优化设计结果。

关键词：缸内直喷汽油机 进气道 优化设计

中图分类号：TK411 文献标识码：A 文章编号：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

隨着油耗法规的日益严格和环境保护压力的日益严峻，探索和开发更加节能减排的发动机一直是发动机技术领域内的热点课题。缸内燃油直接高压喷射汽油机因具有良好的动力性、经济性以及瞬态响应特性，正逐渐成为现代汽油机发展的主流技术[1，2]。

进气道结构对缸内直喷汽油机的性能有重要影响，直接决定着燃烧改善的潜力。滚流比和流量系数是评价进气道的两个关键参数。在不明显影响进气道流量系数的前提下，提升进气道的滚流比对改善缸内直喷发动机燃烧具有重要意义[3，4]。因此，该文采用气道试验和CAE技术相结合的方法，对一款缸内直喷汽油机的进气道结构进行了优化设计研究，以获取气道结构对滚流比和流量系数影响的变化关系，为进气道的设计提供技术参考。

1 进气道滚流比和流量系数计算方法

进气道滚流比和流量系数是评价气道性能的两个基本参数，二者之间存在矛盾的折中关系。缸内直喷汽油机进气道设计需要保持一定流量系数的同时，尽可能提高滚流比。进气道滚流比和流量系数的计算方法如式（1）和式（2）所示。

（1）

式中，（α）为实际活塞速度；为活塞平均速度；为平均滚流比；ωFK为相对于气缸轴向速度旋转的角速度；ωMot为发动机角速度；为曲轴转角。

（2）

式中，（α）为实际活塞速度；为活塞平均速度；为流量系数；为曲轴转角；为平均流量系数。

2 进气道三维计算结果

2.1 三维计算模型建立

应用Converge软件建立了直喷汽油机进气道计算模型。边界输入条件：进口压力100 000 kPa；出口压力97 500 kPa；初始压力98 000 kPa；温度293.15 ℃；湍流长度0.001 m；初始湍动能1 m2/s2。

2.2 计算结果分析

采用所建立的进气道三维稳态仿真模型，计算了不同气门升程下（hv=1.00～7.70 mm）的进气道性能。气缸轴线速度与平均速度的比值分布以及各个气门升程下的滚流比和流量系数如图2所示。

图3和图4给出了进气道三维稳态性能计算结果与试验结果的对比。从图3可以看出，所计算的滚流比趋势与试验结果吻合较好，气门升程大于3 mm时，计算结果与试验结果吻合更好，这主要是由于气门升程小于3 mm时，流动不稳定性的增加导致计算模型出现偏差。而图4的流量系数计算结果和试验吻合较好，基本没有偏差。

同时，应用式（1）和式（2）计算出了计算和试验的平均滚流比和平均流量系数，结果如表1所示。表1的结果表明，平均滚流比计算值与试验值误差为3.3%，而流量系数则为2.5%，这说明所建立的三维稳态计算模型能够较为精确地计算进气道的滚流比与流量系数。

3 进气道优化设计

为了提升进气道的滚流比，加速燃烧改善燃烧系统的效能，对进气道的喉口结果进行了优化设计（图5）。图5中白色线边框为优化设计后的边界，黑色线边框线为原始设计的进气道轮廓。

采用Converge软件建立的模型计算了优化设计后的进气道滚流比和流量系数，气缸轴线速度与平均速度的比值分布以及各个气门升程下的滚流比和流量系数如图6所示。

从图7和图8可以看出，优化设计后的进气道在基本保持流量系数不变的条件下，较大幅度地提升了滚流比。表2给出了原始进气道和优化设计后进气道的平均滚流比和平均流量系数。表2的数据表明，优化设计后的进气道在平均流量系数基本不变的前提下，实现了滚流比12.7%的提升。

4 結论

（1）应用Converge软件建立的进气道三维稳态计算模型，在气门升程较大（>3 mm）时，滚流比计算与试验值吻合较好；而在气门升程较小（<3 mm）时，由于流动不稳定性增强导致计算偏差增大。

（2）在所有计算的气门升程范围内，流量系数计算结果与试验吻合较好，较为精确。

（3）针对进气道的结构进行优化后，在保持平均流量系数不变的情况下，获得了平均滚流比提升12.7%的效果。

参考文献

[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] 蒋德明.高等车用内燃机原理[M].西安：西安交通大学出版社，2006.

[4] 杨嘉林.车用汽油机发动机燃烧系统的开发[M].北京：机械工业出版社，2009.

[5] 刘志恩，蒋炎坤，陈国华，等.CFD辅助发动机进气道设计方法研究[J].内燃机工程，2006，27（6）：6-10.

[6] 程莎莉，朱才朝.发动机进气道流动特性的数值模拟[J].汽车工程，2009，29（12）：1070-1072.