缸內(nèi)直噴汽油機進氣道優(yōu)化設(shè)計研究

陳泓++林思聰++張宗瀾++李鈺懷++張雙

摘 要：針對一款缸內(nèi)直噴汽油機的原始進氣道，應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件Converge建立了三維穩(wěn)態(tài)流動計算模型，在對模型進行試驗標定后，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的新進氣道進行了仿真計算。研究結(jié)果表明，所建立的三維穩(wěn)態(tài)計算模型能夠較為準確的模擬計算進氣道的滾流比和流量系數(shù)；新優(yōu)化設(shè)計的進氣道能夠在不明顯改變流量系數(shù)的前提下，較大幅度提升滾流比。最終獲得了提升氣道滾流比的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴汽油機 進氣道 優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TK411 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著油耗法規(guī)的日益嚴格和環(huán)境保護壓力的日益嚴峻，探索和開發(fā)更加節(jié)能減排的發(fā)動機一直是發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熱點課題。缸內(nèi)燃油直接高壓噴射汽油機因具有良好的動力性、經(jīng)濟性以及瞬態(tài)響應(yīng)特性，正逐漸成為現(xiàn)代汽油機發(fā)展的主流技術(shù)[1，2]。

進氣道結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)直噴汽油機的性能有重要影響，直接決定著燃燒改善的潛力。滾流比和流量系數(shù)是評價進氣道的兩個關(guān)鍵參數(shù)。在不明顯影響進氣道流量系數(shù)的前提下，提升進氣道的滾流比對改善缸內(nèi)直噴發(fā)動機燃燒具有重要意義[3，4]。因此，該文采用氣道試驗和CAE技術(shù)相結(jié)合的方法，對一款缸內(nèi)直噴汽油機的進氣道結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計研究，以獲取氣道結(jié)構(gòu)對滾流比和流量系數(shù)影響的變化關(guān)系，為進氣道的設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 進氣道滾流比和流量系數(shù)計算方法

進氣道滾流比和流量系數(shù)是評價氣道性能的兩個基本參數(shù)，二者之間存在矛盾的折中關(guān)系。缸內(nèi)直噴汽油機進氣道設(shè)計需要保持一定流量系數(shù)的同時，盡可能提高滾流比。進氣道滾流比和流量系數(shù)的計算方法如式（1）和式（2）所示。

（1）

式中，（α）為實際活塞速度；為活塞平均速度；為平均滾流比；ωFK為相對于氣缸軸向速度旋轉(zhuǎn)的角速度；ωMot為發(fā)動機角速度；為曲軸轉(zhuǎn)角。

（2）

式中，（α）為實際活塞速度；為活塞平均速度；為流量系數(shù)；為曲軸轉(zhuǎn)角；為平均流量系數(shù)。

2 進氣道三維計算結(jié)果

2.1 三維計算模型建立

應(yīng)用Converge軟件建立了直噴汽油機進氣道計算模型。邊界輸入條件：進口壓力100 000 kPa；出口壓力97 500 kPa；初始壓力98 000 kPa；溫度293.15 ℃；湍流長度0.001 m；初始湍動能1 m2/s2。

2.2 計算結(jié)果分析

采用所建立的進氣道三維穩(wěn)態(tài)仿真模型，計算了不同氣門升程下（hv=1.00～7.70 mm）的進氣道性能。氣缸軸線速度與平均速度的比值分布以及各個氣門升程下的滾流比和流量系數(shù)如圖2所示。

圖3和圖4給出了進氣道三維穩(wěn)態(tài)性能計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比。從圖3可以看出，所計算的滾流比趨勢與試驗結(jié)果吻合較好，氣門升程大于3 mm時，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合更好，這主要是由于氣門升程小于3 mm時，流動不穩(wěn)定性的增加導(dǎo)致計算模型出現(xiàn)偏差。而圖4的流量系數(shù)計算結(jié)果和試驗吻合較好，基本沒有偏差。

同時，應(yīng)用式（1）和式（2）計算出了計算和試驗的平均滾流比和平均流量系數(shù)，結(jié)果如表1所示。表1的結(jié)果表明，平均滾流比計算值與試驗值誤差為3.3%，而流量系數(shù)則為2.5%，這說明所建立的三維穩(wěn)態(tài)計算模型能夠較為精確地計算進氣道的滾流比與流量系數(shù)。

3 進氣道優(yōu)化設(shè)計

為了提升進氣道的滾流比，加速燃燒改善燃燒系統(tǒng)的效能，對進氣道的喉口結(jié)果進行了優(yōu)化設(shè)計（圖5）。圖5中白色線邊框為優(yōu)化設(shè)計后的邊界，黑色線邊框線為原始設(shè)計的進氣道輪廓。

采用Converge軟件建立的模型計算了優(yōu)化設(shè)計后的進氣道滾流比和流量系數(shù)，氣缸軸線速度與平均速度的比值分布以及各個氣門升程下的滾流比和流量系數(shù)如圖6所示。

從圖7和圖8可以看出，優(yōu)化設(shè)計后的進氣道在基本保持流量系數(shù)不變的條件下，較大幅度地提升了滾流比。表2給出了原始進氣道和優(yōu)化設(shè)計后進氣道的平均滾流比和平均流量系數(shù)。表2的數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化設(shè)計后的進氣道在平均流量系數(shù)基本不變的前提下，實現(xiàn)了滾流比12.7%的提升。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用Converge軟件建立的進氣道三維穩(wěn)態(tài)計算模型，在氣門升程較大（>3 mm）時，滾流比計算與試驗值吻合較好；而在氣門升程較小（<3 mm）時，由于流動不穩(wěn)定性增強導(dǎo)致計算偏差增大。

（2）在所有計算的氣門升程范圍內(nèi)，流量系數(shù)計算結(jié)果與試驗吻合較好，較為精確。

（3）針對進氣道的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后，在保持平均流量系數(shù)不變的情況下，獲得了平均滾流比提升12.7%的效果。

參考文獻

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