PFI增压汽油机进气道性能优化研究

王昊鹏 郝长利 李 辉 王泽宇

（1-天津大学内燃机研究所 天津 300072 2-天津特瑞捷动力科技有限公司）

引言

降低油耗的根本途径是让进入发动机气缸内的燃料尽可能充分燃烧，即提高燃料的燃烧效率，而提高燃料燃烧效率首先需要燃料与氧气按照合理的比例充分接触，均匀混合，这样形成的可燃混合气对燃料能量的充分释放十分有利，在这种高质量可燃混合气的形成过程中，发动机进气道起着非常重要的作用，因此进气道开发越来越受到发动机行业的重视。在目前广泛使用的增压汽油机领域，由于有了增压器对进气量的加持，因此人们对气道本身充气效率的要求有所降低，而对气缸内气流运动的组织更加关注。缸内的湍流强度、混合气的均匀性、残余废气的分布都对燃烧效率有着重要影响，而加强缸内的气流运动组织，可有效改善上述问题。因此，提升气道的性能对提高汽油机燃烧效率，降低油耗具有关键意义[1]。采用发动机性能试验结果评价气道性能的方法周期长，成本高，且试验过程中的影响因素多，不利于聚焦气道性能的评价。而采用CFD模拟与气道芯盒试验相结合的方法，一方面能便捷快速地比对不同方案的缸内气体流动特性，另一方面也能准确地获得气道在实际应用中的性能表现。此外，二者相互验证，可起到对设计的有力支撑，且成本低，能有效提高开发效率，节省开发费用，缩短开发周期。

1 进气道性能评价方法

进气道与发动机可燃混合气的形成直接相关，一方面气道要能够将足够多的新鲜空气送入气缸；另一方面气道要与燃烧室配合引导进入气缸的气流充分运动，使新鲜充量与燃油能够均匀混合。通常用流量系数评价气道输送新鲜空气的能力，用滚流比评价气道引导新鲜空气在发动机气缸内进行滚流运动能力的强弱[2]。压缩行程中，当活塞运行至近上止点时，可燃混合气的滚流运动受活塞和燃烧室的共同挤压，破碎为细小的滚流运动，使混合气的湍动能显著提升。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，提高火焰传播速率，抑制爆震，提高燃烧效率。但由于气道本身结构的原因，流量系数与滚流比二者很难同时优化，调整过程中往往会出现此消彼长的情况[3]。进气道滚流比和流量系数的计算方法如式（1）和式（2）所示[4]：

式中：c(α)为实际活塞速度；cm为活塞平均速度；Tm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；α为曲轴转角。

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

2 气道设计方案

在Pro/E中绘制了3个气道方案的曲面模型，如图1所示。其中气道方案1为原始气道设计，以方案1作为基础方案，设计了方案2和方案3。

这两个改进方案的设计宗旨为在不牺牲较多流量系数的前提下，尽量提高滚流比。方案2在方案1基础上调整气道入口位置，将进气道入口位置“下压”，减小气道冲角，使气道与燃烧室配合，引导气流在缸筒半径方向获得更大的冲量，近气门处气道走向不变，中间段采用平滑过渡。方案3在方案2基础上改进近气门处的气道局部走向，一是气道出口设计为近“扁平”，形成喷嘴状，这能有效提高进气流速度，二是两气道支管外壁内收，引导两路气流向缸壁方向运动，避免两股气流进入气缸后相互干扰，从而有利于滚流的形成。

图1 3个气道方案曲面模型

3 进气道模拟计算

3.1 计算模型与边界设置

本文使用AVL公司开发的FIRE软件进行计算，首先在Pro/E中提取分析相关的各部分三维，包括：进气道、燃烧室、气门、座圈、导管、缸筒，合并实体化。其中缸筒直径尺寸与发动机缸径相同。发动机参数如表1所示。

表1 发动机参数表

气道入口处设置1个600 mm×600 mm立方体，以获得稳态边界，气道入口位于立方体一面居中的位置，虚拟缸筒下部依据气道试验测试台结构设置相同的输出边界，如图2所示。设定立方体内稳态气压为100 kPa，虚拟缸筒内稳态气压为93 kPa。

图2 气道模拟分析模型

考虑此次分析为对比方案，以上述边界分别对方案1～3进行CFD模拟分析。为节约计算时间，分别选取3 mm、5 mm、7 mm 3个典型气门升程进行模拟分析。

3.2 计算结果——流场分析

由于小气门升程点处进入缸内的新鲜充量绝对值较小，且在模拟分析中，小气门生成点计算精度相对较低，故本文选取7 mm气门升程点处的流场计算结果作为具体分析对象。

流场计算结果表明方案1滚流发展不充分，除滚流旋转中心外还存在一个低压区。导致该区域气流流速低，不利于滚流发展和湍动能的积累。

方案2为方案1基础上的改进方案，如图3、图4所示，气道冲角下调后，滚流中心较方案1更为居中，方案1中低速区明显改善，整个滚流分布更为均匀，有利于滚流的生成和持续发展。方案3如图5所示，在流场分布上继承了方案2的优点，流线整体分布均匀，由于方案3强化了气道出口的喷嘴效应，使气流经过出口后显著提升了流速。并且经过数值对比发现，流量系数并未发生大幅度的下降。所以从缸内流动情况看，方案3是符合设计预期的。

图3 方案1流场计算结果

图4 方案2流场计算结果

图5 方案3流场计算结果

3.3 计算结果——流量系数及滚流比

经CFD分析各方案计算结果如表2所示。对比3个方案的缸内流场模拟分析数值，方案3在3 mm、5 mm、7 mm3个升程点滚流比相对方案1和方案2均提升了15%以上，而3个气门升程下的流量系数相对方案1和方案2下降5%左右，其中7 mm气门升程点降幅小于5%。综合缸内流动分析结果和定点计算数据，可以认为方案3是较好的改进方案。在工程实践中，可直接将方案3制作气道芯盒进行试验验证。本文为验证该分析方法，分别制作了3个方案的快速成型样件，并分别进行试验。

表2 各方案CFD分析结果汇总表

4 试验验证

4.1 气道试验

在动量进气道试验台上分别对3个方案的芯盒进行气道试验，试验的气门升程依次为2 mm至9 mm，每次间隔1 mm。3个方案气道滚流实验值对比如图6所示。3个方案气道流量系数实验值对比如图7所示。

图6 3个方案进气道滚流实验值对比

图7 3个方案进气道流量系数实验值对比

试验结果表明方案3在3～9 mm气门升程点处滚流均为3个方案中最高，其中与初始方案1相比各点均有较大幅度的提升，这与仿真分析结果所表征的趋势是一致的。同时方案3流量系数下降幅度可以接受。

4.2 发动机外特性试验对比

将方案3气道制成缸盖样件，建立试验样机并进行性能试验。改进方案与原方案发动机转矩试验数据对比如图8所示。改进方案与原方案发动机比油耗试验数据对比如图9所示。

方案1原机数据在中高速段油耗较高，且在2 000 r/min附近出现了绝对值较大的油耗率峰值。方案3在原机转矩水平上略有提升，同时，中高速段油耗率显著降低。

图9 改进方案与原方案发动机比油耗试验数据对比

5 结论

1）减小气道倾角，将气道形状设计为渐缩的喷嘴形状，并优化气道出口支管走向可显著提高气道滚流比，同时流量系数的下降在可接受范围内。

2）发动机性能试验结果表明，优化后的进气道对发动机性能有明显改善。

3）基于特征气门升程点的CFD对比分析结果与试验结果有较好的一致性，在实际工程中，可有效指导设计工作进行，缩短设计周期，降低设计成本。