四气门发动机进气门相异升程下缸内气体运动评价

刘伍权，杨春浩，迟 淼，张士强，吴子尧，刘瑞林

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161;2.军事交通学院研究管理大队，天津300161;3.蚌埠汽车士官学校 学员旅，安徽 蚌埠233011;4.唐山学院机电工程系，河北唐山063000)

缸内气体运动对发动机混合气的输运和燃烧 有着重要影响，改善缸内气体运动对发动机的经济性、动力性以及排放有着重要的意义［1］。

关于发动机缸内气体运动的研究起步较早［2］，目前，国内外较为常用的缸内气体运动评价方法主要有:Ricardo评价方法，主要采用流通系数CF、无因次涡流(滚流)比NS(T)等参数评价缸内气体运动，设定进气区间为进气门开启时刻到关闭时刻，符合实际情况，但假设压降Δp恒定且气体不可压缩，与实际情况不符;AVL评价方法，主要采用流通系数、涡流(滚流)比等参数评价缸内气体运动，设定进气过程中气道压差Δp变化，符合实际情况，但假设进气区间为上止点到下止点且气体不可压缩，与实际情况不符;FEV评价方法，主要采用流通系数、涡流(滚流)比等参数评价缸内气体运动，认为气体可压缩，符合实际情况，但假设90%最大气门升程时的缸内气体运动特征参数为平均特征参数，与实际情况不符;SwRI评价方法，采用的参数以及参数的计算与Ricardo评价方法基本相同，其特点是采用转缸试验，但该方法假设进气区间为上止点到进气门关闭、压降Δp恒定且气体不可压缩，与实际情况不符［3-4］。

许多学者对可变气门技术对缸内气体运动的影响进行了深入研究［5-8］，课题组提出可变气门相异升程技术［9-10］，对四气门发动机缸内气体运动进行调节。本文提出一种基于缸内气体三维流场计算宏观特征参数的新方法，可通过三维数值模拟方法计算获得缸内气体运动宏观特征参数。

1 可变气门相异升程

进气门相异升程指的是在同一凸轮轴转角下，两个进气门的升程大小不同，但两个进气门的最大升程相同。

同一凸轮轴转角下，由于两个进气门的升程不同，导致两个进气门的进气量和进气速度不同，在缸内横截面方向上气体运动不能相互抵消，进而导致进气过程中缸内气体不仅进行滚流运动，而且还进行涡流运动，综合表现为斜轴涡流运动，但发动机总进气量基本不变。其进气凸轮设计方案如图1所示［11］，两个凸轮错开一个相异角θ(最大值为8°)以实现同一凸轮轴转角下的升程不同，但两凸轮的最大升程相同;两个进气凸轮升程在B点相等，在A、C两点差值最大。由于两个进气凸轮之间存在相异角，导致两个进气门的开启存在先后顺序，即相位提前凸轮对应的进气门提前开启，相位滞后凸轮对应的进气门滞后开启。

图1 可变气门相异升程方案

2 基于缸内气体三维流场的无因次宏观特征参数计算

根据Ricardo评价方法的假设，缸内气体均为不可压缩流体，即涡流(滚流、斜轴涡流)为刚性涡流(滚流、斜轴涡流)。则根据刚体角动量计算公式，加长模拟汽缸(滚流模拟缸套)内横截面(最大滚流比)上的气流对截面中心的角动量为

式中:J为气流对截面中心的角动量，kg·m2/s;I为气流对截面中心的转动惯量，kg·m2;ω为截面上气体运动角速度，rad/s。

由于本文对缸内气体运动涡流特性与滚流特性的研究均是在圆形截面上进行，所以根据刚体圆盘对圆心转动惯量的计算公式，气流对截面中心的转动惯量为

式中:M为横截面(最大滚流比)上气流的质量，kg;B为汽缸(滚流模拟缸套)直径，m。

将式(2)代入式(1)得

将刚性涡流(滚流)看作是非常多的质元构成的质点系的旋转运动，则加长模拟汽缸(滚流模拟缸套)内横截面(最大滚流比)上第i个质元对截面中心的角动量为

式中:Ji为第i个质元对截面中心的角动量，kg·m2/s;ri为第i个质元相对截面中心的位移矢量，m;mi为第i个质元的质量，kg;vi为第i个质元的速度，m/s。

因为质点系对某一点的角动量等于各个质元对该点角动量的矢量和，所以加长模拟汽缸(滚流模拟缸套)内横截面(最大滚流比)上气体运动对截面中心的角动量等于各质元对截面中心角动量的矢量和，即

式中N为质元总数。

由式(3)—(5)联立得

将截面上气流的质量均布到各个质元上，即

根据Ricardo评价方法，缸内气体运动无因次涡流(滚流)比的计算公式为

式中:ωR为风速仪叶片旋转角速度，rad/s;B为汽缸直径，m;Vqd为理论进气速度，m/s。

由于气体运动被认为作刚性运动，则气体运动的角速度等于风速仪叶片的旋转角速度，即

由式(8)—(10)联立得缸内气体运动无因次涡流(滚流)比的计算式为

式中:NS(T)为无因次涡流(滚流)比;ri为第i个质元距离截面中心的距离，m;vi为第i个质元的速度，m/s;α为第i个质元相对截面中心的位移矢量与速度矢量的夹角，(°);N为质元总数;B为汽缸(滚流模拟缸套)直径，m;Δp为进气压差，Pa;ρ为气体密度，kg/m3。

根据式(11)，在流场截面上选取多个质元点，通过读取各个质元的坐标和速度，便能够计算出缸内气体运动的无因次涡流(滚流)比，质元取的越多，计算结果越精确。

相比于以往的定性分析评价，本计算方法更加精确，可用于初步预测发动机缸内气体运动宏观特性，对改善发动机产品设计、缩短发动机设计周期和降低产品风险具有较好的应用前景。

3 无因次涡流比计算与分析

根据式(11)，基于进气门相异升程下缸内气体涡流流场，计算出不同相异角下、不同凸轮轴转角时缸内气体运动的无因次涡流比，分析进气门相异升程对发动机缸内气体运动无因次涡流比的影响。

图2为不同相异角下的缸内气体运动无因次涡流比NS随凸轮轴转角φc的变化曲线。

图2 无因次涡流比随凸轮轴转角变化

可以看出，当相异角为0°时，缸内气体运动无因次涡流比几乎为0，这说明当不存在相异角时，缸内气体几乎不存在大尺度的涡流运动;当相异角不为0°时，同一相异角下，随着凸轮轴转角的增大，缸内气体运动无因次涡流比发生明显变化，表现在:

(1)在进气开始到凸轮轴转角60°CaA附近区间内，缸内气体运动无因次涡流比随着凸轮轴转角的增大而增大。这是因为在此区间内，由于相异角的存在，相位提前凸轮的升程大于相位滞后凸轮的升程，造成两进气门的升程不同，导致两进气门进气不平衡而出现明显涡流运动，随着凸轮轴转角的增大，两气门升程差逐渐增大，导致两进气门进气越发不平衡，进而导致涡流逐渐增强，无因次涡流比逐渐增大。

(2)当凸轮轴转角为60°CaA附近时，缸内气体运动无因次涡流比达到极大值。这是因为当凸轮轴转角在60°CaA附近时，相位提前凸轮和相位滞后凸轮对应的两进气门升程差达到极大值，两进气门进气不平衡程度最大，因此缸内气体涡流运动最强，无因次涡流比达到极大值。

(3)凸轮轴转角在60°CaA附近至90°CaA区间内，随着凸轮轴转角的增大，缸内气体运动无因次涡流比又逐渐减小。这是因为在此区间内，随着凸轮轴转角的增大，同一相异角下相位提前凸轮和相位滞后凸轮对应的两进气门升程差减小，从而导致两进气门进气不平衡程度减小，涡流运动逐渐减弱，无因次涡流比逐渐减小。

(4)当凸轮轴转角为90°CaA时，缸内气体运动无因次涡流比达到极小值，其值大小与相异角为0°时凸轮轴转角90°CaA下的无因次涡流比大小相当(几乎为0)。这是因为当凸轮轴转角为90°CaA时，无论相异角为何值，两个进气门的升程均相等，造成同一时刻两进气门进气量及进气速度均相同，缸内不存在大尺度的涡流运动。

(5)当凸轮轴转角在90°CaA至120°CaA附近区间内，随着凸轮轴转角的增大，缸内气体运动无因次涡流比逐渐增大。这是因为相异角的存在使得相位提前凸轮对应的进气门升程比相位滞后凸轮对应的进气门升程小，两进气门进气不平衡，随着凸轮轴转角的增大，两气门升程差逐渐增大，导致两进气门进气越发不平衡，进而导致涡流运动逐渐增强，无因次涡流比逐渐增大。

(6)当凸轮轴转角为120°CaA附近时，缸内气体运动无因次涡流比再次达到极大值。这是因为相位提前凸轮和相位滞后凸轮对应的两进气门升程差在凸轮轴转角为120°CaA附近时再次达到极大值，两进气门进气不平衡程度最大，因此缸内气体涡流运动再次达到最强，无因次涡流比曲线又出现另一峰值。

(7)凸轮轴转角在120°CaA附近至进气结束区间内，随着凸轮轴转角的增大，缸内气体运动无因次涡流比又逐渐减小。这是因为在此区间内，随着凸轮轴转角的增大，同一相异角下相位提前凸轮和相位滞后凸轮对应的两进气门升程差逐渐减小，从而导致两进气门进气不平衡程度逐渐减小，涡流运动逐渐减弱，无因次涡流比逐渐减小。

由图2还可以看出，不论相异角为何值，凸轮轴转角为90°CaA时的缸内气体运动无因次涡流比均几乎为0。在其他凸轮轴转角下，随着相异角的增大，缸内气体运动无因次涡流比均逐渐增大。这是因为在其他凸轮轴转角下，随着相异角的增大，同一凸轮轴转角下的两进气门升程差逐渐增大，导致两进气门进气越发不平衡，进而导致涡流逐渐增强，无因次涡流比逐渐增大。

此外，当存在相异角时，在进气过程的中间阶段两进气门开度的大小关系发生了转换。从进气开始到凸轮轴转角为90°CaA范围内，相位提前凸轮对应的进气门升程大于相位滞后凸轮对应的进气门升程;当凸轮轴转角为90°CaA时，相位提前凸轮对应的进气门升程和相位滞后凸轮对应的进气门升程相等;从凸轮轴转角为90°CaA到进气结束范围内，相位提前凸轮对应的进气门升程小于相位滞后凸轮对应的进气门升程。因此，从进气开始到凸轮轴转角为90°CaA范围内产生的涡流运动与从凸轮轴转角为90°CaA到进气结束范围内产生的涡流运动方向相反，即在进气过程的中间阶段，缸内气体涡流运动方向发生变向，这势必会导致发动机实际进气过程中缸内气体湍流运动的增强。

4 无因次滚流比计算与分析

根据式(11)，基于进气门相异升程下缸内气体滚流流场，计算出不同相异角下、不同凸轮轴转角时缸内气体运动的最大滚流比截面上的无因次滚流比，分析进气门相异升程对发动机缸内气体运动无因次滚流比的影响。

图3为不同相异角下缸内气体运动无因次滚流比NT随凸轮轴转角φc的变化曲线(由于数据较为密集，图中只给出了相异角为 0°、4°、8°时的无因次滚流比)。

图3 无因次滚流比随凸轮轴转角变化

可以看出:

(1)不论相异角为何值，随着凸轮轴转角的增大，缸内气体运动无因次滚流比均先逐渐增大后又逐渐减小。这是因为在进气开始到凸轮轴转角为90°CaA区间内，凸轮驱动摇臂顶开气门，随着凸轮轴转角的增大，气门开度逐渐增大，进气流量Q增大，缸内纵截面上气流运动增强，无因次滚流比逐渐增大;当凸轮轴转角位于90°CaA附近时，缸内气体流量达到最大值，缸内纵截面上气流运动最强，无因次滚流比达到最大值;而后随着凸轮轴转角的增大，气门开度又逐渐减小，缸内进气阻碍作用增强，进气流量Q减小，缸内纵截面上气流运动减弱，无因次滚流比逐渐减小。

(2)凸轮轴转角为90°CaA附近时，随着相异角的增大，缸内气体运动无因次滚流比稍有减小。这是因为相异角的存在使得凸轮轴转角为90°CaA时的两进气门升程相等且均小于相异角为0°时的进气门升程，且相异角越大，两进气门升程越小，对进气的阻碍作用越强，进气流量Q越小，导致无因次滚流比越小。

(3)在其他凸轮轴转角下，随着相异角的增大，缸内气体运动无因次滚流比稍有增大。这是因为相异角的存在使得相位提前凸轮与相位滞后凸轮对应的两进气门开度不同，与相异角为0°时的进气阶段相比，相当于在流通能力变化不大的情况下对进气部分节流，造成进气流速增加，缸内纵截面上气体运动速度增大，无因次滚流比增大［12］。相异角越大，节流作用越明显，无因次滚流比越大。但是，相异角最大值为8°，节流作用有限，对气体流速的增强幅度较小。因此，除凸轮轴转角为90°CaA外，同一凸轮轴转角下，随着相异角的增大，缸内气体运动无因次滚流比稍有增大。

5 结论

(1)依据角动量的基本原理，提出了一种基于缸内气体三维流场计算缸内气体运动宏观特征参数的新方法，利用此方法可以初步预测进气门相异升程发动机缸内气体运动的宏观特性。

(2)进气门相异升程对缸内气体涡流运动影响明显。相异角为0°时，缸内气体运动无因次涡流比几乎为0。当相异角不为0°时，同一凸轮轴转角下的缸内气体运动无因次涡流比明显增大，且均在凸轮轴转角为60°CaA附近和120°CaA附近两处出现峰值;随着相异角的增大，凸轮轴转角为90°CaA时的无因次涡流比均几乎为0，其他凸轮轴转角下无因次涡流比逐渐增大。

(3)进气门相异升程下，发动机缸内气体涡流运动方向在进气过程中间阶段发生变向，导致发动机实际进气过程中湍流运动增强。

(4)进气门相异升程下的缸内气体滚流运动稍有增强。整个进气过程中，任意相异角下的缸内气体运动无因次滚流比均随着凸轮轴转角的增大先逐渐增大后又逐渐减小，且无因次滚流比在凸轮轴转角为90°CaA时达到峰值;随着相异角的增大，凸轮轴转角为90°CaA时的无因次滚流比稍有减小，其他凸轮轴转角下的无因次滚流比稍有增大，但变化幅度均较小。

［1］ Kim M，Lee S，Kim W.Tumble flow measurements using three different methods and its effects on fuel Economy and emissions［C］.SAE Paper.Ditroit，MI，USA，2006-01-3345.

［2］ 郑振鑫.内燃机缸内气流运动的评价与分析［D］.天津:天津大学，2009:3-4.

［3］ 方学飞.内燃机气道稳流试验测试方法的研究［D］.天津:河北工业大学，2010:6-8.

［4］ 刘儒勋，舒其望.计算流体力学的若干新方法［M］.北京:科学出版社，2003:56-59.

［5］ 谈秉乾，王天友，王刚德，等.可变气门升程对4气门直喷汽油机缸内气流运动特性的影响［J］.内燃机学报，2011，29(2):112-118.

［6］ 王刚德.可变气门升程直喷汽油机缸内气流运动特性研究［D］.天津:天津大学，2010:23-25.

［7］ 胡顺堂，谢辉，陈韬，等.可变进气门升程对汽油机泵气损失的控制及燃烧过程的影响［J］.燃烧科学与技术，2011，17(1):29-34.

［8］ Jääskelä inen H.Variable Valve Actuation［J/OL］.［2012-06-05］.Diesel Net.http://www.dieselnet.com.

［9］ 张士强.内燃机进气门相异升程的装置及相关办法:中国，ZL 200510013859.7［P］.2010-04-28.

［10］ Zhang S Q，Li Z Q，Wei X L，et al.New method of improving intake port flow characteristics in a four-valve engine［C］.The 2nd International Conference on Manufacturing Science and Engineering.Guilin，China:2011:201-203.

［11］ 张士强，刘瑞林，刘伍权，等.可变气门相异升程4气门汽油机稳态流动特性［J］.内燃机学报，2014，32(1):57-63.

［12］ 刘伍权，迟淼，吴子尧，等.四气门发动机进气门相异升程下缸内气体运动稳态特性研究［J］.军事交通学院学报，2014，16(10):47-51.