某型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭彥豆，徐 飚

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

“國六A”要求在非工況和測(cè)試環(huán)境下，一氧化碳排放量、非甲烷總烴和總碳化合物排放量降低至少50%；氮氧化物排放量標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)42%，堪稱史上最嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著“國六A”“國六B”的實(shí)施，汽車燃油消耗限制的要求更嚴(yán)苛。在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，除了要考慮追求動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性也是重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)燃燒有至關(guān)重要的影響，而汽油機(jī)進(jìn)氣道的形狀則很大程度決定缸內(nèi)氣體的流動(dòng)狀態(tài)[1]。因而，合理設(shè)計(jì)汽油機(jī)進(jìn)氣道是提高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。

本研究以五菱柳機(jī)某款發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋為研究對(duì)象，基于原機(jī)型的缸蓋進(jìn)氣道進(jìn)行氣道測(cè)量，并針對(duì)測(cè)量結(jié)果，對(duì)該進(jìn)氣道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出的測(cè)量結(jié)果與原設(shè)計(jì)分析對(duì)比。實(shí)驗(yàn)證明缸蓋氣道結(jié)構(gòu)中的細(xì)節(jié)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有顯著影響，通過優(yōu)化缸蓋進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低5%。

1 進(jìn)氣道測(cè)量結(jié)果的評(píng)價(jià)方法

在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的氣量測(cè)量中，目前行業(yè)內(nèi)尚未統(tǒng)一氣道的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，氣道流量系數(shù)和滾流比的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到認(rèn)可和廣泛應(yīng)用的有：Ricardo、FEV、AVL、SwRI。本公司試驗(yàn)設(shè)備使用Ricardo 和AVL 評(píng)價(jià)氣道，因此,本研究選取Ricardo 作為流量系數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，選取AVL 作為滾流比的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 流量系數(shù)計(jì)算式

Ricardo 評(píng)價(jià)方法：假設(shè)氣體流動(dòng)過程內(nèi)外壓差不變，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣道CFD 計(jì)算中，流量系數(shù)定義為通過氣道中某一截面實(shí)際通過氣體的流量與計(jì)算得出氣體的流量的比值[2]。

定義式如下：

式中：mact為實(shí)際氣體流量；mtheo為理論氣體流量；本文采用出口邊界的流量作為mact，則有：

式中：AV為進(jìn)氣門座圈面積；ρ為氣缸內(nèi)氣體密度；△p為氣道進(jìn)出口壓差；△pavg為平均密度。

式中：dV為進(jìn)氣門座圈內(nèi)徑；n為每缸氣門數(shù)。

式中：ρ0為氣缸外大氣密度。

1.2 AVL 滾流比計(jì)算公式

圖1 所示的是滾流示意圖，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣道CFD計(jì)算中，可假設(shè)活塞平均速度與缸內(nèi)流場(chǎng)平均速度相等，滾流比TR定義為：

圖1 滾流示意圖

式中：npadd為葉片風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速；nmot為假定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；S為活塞沖程；A為氣缸截面積；m為質(zhì)量流量；npadd為葉片風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速。

式中：D為氣缸直徑。

2 氣道測(cè)量條件和目標(biāo)

2.1 進(jìn)氣道三維幾何模型

從結(jié)構(gòu)上看，在進(jìn)氣口端，原氣道（圖2）更加趨于圓形，氣道走向直。此結(jié)構(gòu)有利于減少流動(dòng)阻力，不利于滾流的形成。優(yōu)化后氣道（圖3）比較寬大，平均滾流比變大，平均流量系數(shù)減少。

圖2 原氣道

圖3 高滾流比氣道

2.2 氣道試驗(yàn)參數(shù)

為了更準(zhǔn)確得到兩種起到的滾流比與流量系數(shù)，將原氣道和優(yōu)化后氣道設(shè)計(jì)的缸蓋分別用氣道試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，氣道試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 氣道試驗(yàn)參數(shù)

測(cè)量單個(gè)進(jìn)氣道2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、9.8 mm 氣門升程下的滾流比和流量系數(shù)，并將測(cè)量結(jié)果計(jì)算，得到平均滾流比和平均流量系數(shù)。平均流量系數(shù)代表進(jìn)氣道的流通能力，越大發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣能力越好。平均滾流比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有積極影響，滾流越強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒速度越快，熱效率會(huì)提高。氣道的滾流比和流量系數(shù)這兩個(gè)參數(shù)是互相矛盾，增加滾流比的同時(shí)，流量系數(shù)會(huì)降低。

2.3 目標(biāo)

綜合發(fā)動(dòng)機(jī)性能和油耗要求，初定目標(biāo)如下：

（1）流量系數(shù)：Ricardo＞0.25；

（2）滾流比參數(shù)：AVL＞2.05。

3 原進(jìn)氣道與優(yōu)化氣道的流量系數(shù)對(duì)比

3.1 方案1（只優(yōu)化氣道）與原進(jìn)氣道平均流量系數(shù)測(cè)量

為了評(píng)價(jià)氣道性能，測(cè)量原氣道與優(yōu)化后氣道的平均流量系數(shù)以評(píng)價(jià)氣道流通性能。流量系數(shù)大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩就大，當(dāng)然最終還是以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能驗(yàn)證結(jié)果為準(zhǔn)。

表2 為平均流量系數(shù)對(duì)比結(jié)果，從表中可以看出，優(yōu)化氣道的平均流量系數(shù)比原進(jìn)氣道的下降約0.015，說明優(yōu)化后氣道氣體通能力變化不大。

表2 平均流量系數(shù)對(duì)比

3.2 方案1（只優(yōu)化氣道）與原進(jìn)氣道平均滾流比對(duì)比

為了評(píng)價(jià)氣道性能，需要測(cè)量原氣道與優(yōu)化后氣道的滾流比。滾流比大，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗低，最終還是以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能驗(yàn)證結(jié)果為準(zhǔn)。

表3 為平均滾滾對(duì)比結(jié)果，從表中可以看出，優(yōu)化后氣道的平均滾流比比原型機(jī)提升約0.4，說明寬大的氣道有利于滾流的形成。但離目標(biāo)較遠(yuǎn)，還需要繼續(xù)優(yōu)化。

表3 平均滾流比對(duì)比

4 優(yōu)化氣道細(xì)節(jié)

檢查優(yōu)化后氣道的缸蓋，發(fā)現(xiàn)可以通過加大進(jìn)氣道和進(jìn)氣門座圈內(nèi)徑、刀檢進(jìn)氣道內(nèi)臺(tái)階等方式可以進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣道。

4.1 方案2：在方案1 的基礎(chǔ)上加大進(jìn)氣道和進(jìn)氣門座圈內(nèi)徑

因?yàn)榭臻g限制，缸蓋不能做太大的更改。為了保證缸蓋進(jìn)氣道與水道間的壁厚，進(jìn)氣道只能單邊加大0.6 mm，如圖4 。進(jìn)氣門座圈厚度有限，內(nèi)徑只能由26.8 mm 改為28 mm。優(yōu)化后，重新用氣道試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 打磨進(jìn)氣道單邊加大0.6mm

為探究缸蓋重復(fù)拆裝對(duì)氣道的流量系數(shù)和滾流比的影響，同一件缸蓋重復(fù)拆裝氣門、彈簧等子零件兩次，每次分別測(cè)量一次進(jìn)氣道，對(duì)比結(jié)果見表4、表5。

由表4、表5 可以看出：

表4 平均流量系數(shù)對(duì)比

表5 平均滾流比對(duì)比

（1）優(yōu)化后，平均流量系數(shù)下降了約0.04，但是大于目標(biāo)值。

（2）優(yōu)化后，平均滾流比提高了1～1.3，接近目標(biāo)。進(jìn)氣道的拓寬對(duì)平均滾流比的影響很大。

（3）兩次測(cè)量有一定偏差，由氣門拆裝和缸蓋安裝到設(shè)備上的誤差引起。

4.2 方案3：在方案2 基礎(chǔ)上刀檢進(jìn)氣道內(nèi)臺(tái)階

檢查缸蓋的進(jìn)氣道，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在大小不一的弧形小臺(tái)階，為機(jī)加工刀檢進(jìn)氣道時(shí)形成，如圖5。通過優(yōu)化刀檢工藝，可以消除小臺(tái)階，如圖6。將消除小臺(tái)階后的缸蓋，重新用氣道試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5 刀檢前，進(jìn)氣道內(nèi)有臺(tái)階

圖6 刀檢后，進(jìn)氣道內(nèi)無臺(tái)階

為進(jìn)一步探究缸蓋重復(fù)拆裝對(duì)氣道的流量系數(shù)和滾流比的影響，同一件缸蓋重復(fù)拆裝氣門、彈簧等子零件兩次，每次分別測(cè)量一次進(jìn)氣道對(duì)比結(jié)果見表1 和表7。

由表6、表7 可以看出：

（1）優(yōu)化后，平均流量系數(shù)下降了約0.1，且達(dá)到目標(biāo)。

（2）優(yōu)化后，平均滾流比提高了0.1～0.4，達(dá)到目標(biāo)。

（3）兩次測(cè)量還是有一定偏差，由氣門拆裝和缸蓋安裝到設(shè)備上的誤差引起。

（4）說明進(jìn)氣道小臺(tái)階等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對(duì)平均流量系數(shù)和平均滾流比有明顯影響。

表6 平均流量系數(shù)對(duì)比

表7 平均滾流比對(duì)比

優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)性能與油耗對(duì)比見表8。優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降1.5 kW，扭矩提升4 N·m，2000（r/min）/0.2 MPa 油耗下降10%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表8 優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)性能與油耗對(duì)比

5 結(jié)論

通過對(duì)原型機(jī)加大氣道、優(yōu)化臺(tái)階的改造，降低了氣道的流量系數(shù)，提升了滾流比，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能有限下降的同時(shí)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到優(yōu)化目的。同時(shí)，也證明了氣道臺(tái)階等細(xì)節(jié)對(duì)氣道的流量系數(shù)和滾流比有顯著影響。