进气道滚流比对发动机性能影响研究

王　浩　刘义佳　赵卫平　梁燕茹　杨艳军郄彦丽　刘金勇（1-长城汽车股份有限公司技术中心　河北 保定　071000　2-河北省汽车工程技术研究中心）

进气道滚流比对发动机性能影响研究

王浩1，2刘义佳1，2赵卫平1，2梁燕茹1，2杨艳军1，2郄彦丽1，2刘金勇1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北 保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

针对某直喷汽油机气缸盖进气道在设计开发中的滚流比大小如何确定的问题，通过燃烧计算等模拟手段，从瞬态滚流比、均匀性、瞬态湍动能、燃烧发展及油膜量等方面详细分析了进气道滚流比大小对发动机燃烧的影响，通过对比最终选定了发动机最佳的进气道模型。

进气道 滚流比 瞬态湍动能 燃烧

引言

对于缸内直喷的汽油机来说，点火时刻混合气分布及气流运动状况直接影响混合气燃烧开始及相继的火焰传播过程，从而对发动机性能产生影响，而进气的旋转运动对每缸4气门汽油机的缸内充量分布及流动结构起着主要作用［1］。缸内滚流对汽油机的性能具有积极的影响，滚流越强，它对汽油机性能的改善越明显。进气道结构是决定缸内滚流强度的主要因素［2］。进气道的结构是否合理直接影响进入发动机缸内新鲜空气的流量大小，缸内气体的运动强弱程度，从而直接影响空气与燃油的混合及燃烧的完善程度，以及废气能力的传递效率［3］。内燃机缸内空气运动是影响发动机燃烧过程的主要因素之一，也影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和排放［4］。日渐成熟的三维数值模拟技术成为深入研究气道及缸内气体流动特性的有效方法［5］。本文结合一款直喷直列四缸机进气道滚流比确定过程，通过数值模拟方式详细说明了进气道滚流比对发动机性能的影响。

1　进气道的制作

为选配发动机所需合适的滚流比，参照标杆机型，分别制作了两种滚流型进气道，A进气道平均滚流比为1.33，流量系数0.43，B进气道平均滚流比为1.871，流量系数为0.392.具体进气道模型见图1、图2所示。

图1　A进气道模型

图2　B进气道模型

2　工况点选取及模型搭建

2.1计算工况

根据Cruise模拟整车NEDC运行，选取典型的部分负荷工况点：2 000 r/min、0.2 MPa作为分析计算工况，同时选取2 000 r/min、WOT低速全负荷工况评价缸内燃烧组织情况（如表1所示）。

表1　模拟数据

2.2计算模型

将燃烧模型的数模（如图3所示）经Hypermesh处理导入Fire划分动网格（如图4所示），全局采用混合型网格，大部分为六面体网格，近壁区域采用非结构化网格贴体，最大网格尺度2 mm，进排气门区域进行局部细化，以保证网格质量，在气门重叠期，进排气道网格约为70万，压缩上止点去掉进排气道网格数量约为20万。湍流模型采用K-ε模型、喷雾破碎模型采用Huh-Gosman模型，燃烧模型采用ECFM模型。

图3　燃烧模型数模

图4　燃烧模型动网格

2.3边界条件

边界条件采用经试验校对的一维Boost模型计算结果，进口给定质量流量和温度，出口给定质量流量，壁面设置为恒温，进气道及进气门设置为355K，进气座圈设置为375K，排气道、排气门、排气座圈及缸盖燃烧室设置为545K，缸套设置为470K，活塞设置为610K，初始条件给定进排气道和缸内的压力、温度。

3　三维结果分析

3.1瞬态滚流比

对于GDI机型瞬态滚流比的评价意义高于稳态滚流比，瞬态值反映了在实际运转工况下滚流比强度的进展，对于缸内油气混合尤为重要。

图5和图6是进气至压缩上止点瞬态滚流的变化趋势，可以看到，两者在470°CA左右进气滚流比达到最大，但A方案整个进气过程中滚流比比B方案低，进入压缩冲程造成滚流衰减成小尺度的涡团，A滚流比数值衰减较B快，450°CA时滚流值有一个波谷，这是因为此时正好位于喷射期，喷雾与流场相互作用所致。

图5　2 000 r·min-1/0.2 MPa滚流比

图6　2 000 r·min-1/WOT滚流比

对比图7和图8两者缸内流线不难发现A方案气门下侧有较强气流通过，而B方案气门上方通气量较大，最终滚流的尺度也更大一些，这导致了两者最终滚流比的差异。

图7　A方案流线

图8　B方案流线

3.2均匀性

如表2显示：两者的均匀性欠佳，都未能达到95%以上，观察2 000 r·min/0.2 MPa当量比切片（如表3所示），可以发现点火时刻：

表2　点火时刻的均匀性对比　%

表3　2 000 r/min-1、0.2 MPa混合气分布

A方案：进气侧停留有浓混合气。这主要是因为A方案滚流运动较弱，油束落入凹坑之后停留于进气侧，进气侧峰值区当量比达到2。

B方案：由于其喷射期内排气侧缸壁的湿壁量较大，造成蒸发缓慢，最终混合气被滚流卷到排气一侧，排气侧较浓（峰值为1.7）。

3.3瞬态湍动能

点火时刻湍动能的大小及分布直接影响了火核的发展，因此它在一定程度上决定了后期燃烧情况。图9～图10是进气至压缩上止点湍动能的变化趋势，可以看到A方案与B方案在点火时刻的缸内平均湍动能相近。但是观察湍动能切片（表4所示），可以发现两者的分布有很大不同，A方案湍动能峰值区偏离火花塞中心位置，而B方案火花塞处于湍动能峰值区内，通过分析湍动能的发展，发现B方案湍动能集中分布于中心，且湍动能分布呈现不对称性。

图9　2 000 r/min-1、0.2 MPa湍动能

图10　2 000 r/min-1/WOT湍动能

3.4燃烧发展

缸内直喷汽油机由于是缸内混合，很容易出现混合气不均匀问题，火花塞跳火之后火焰前锋迅速向外传开，此时火焰前锋面上的当量比分布不均，会导致火焰传播速度出现差异，而且过浓区域很容易发生燃烧不充分，（图11所示）为710°CA时火焰前锋面上的当量比分布情况，可以看到前锋面上的当量比分布不均匀，这会导致燃烧放热不充分，这种情况在缸内直喷发动机上是很常见的，因此，提高缸内均匀性有利于GDI发动机燃烧发展。

表4　湍动能分布

图11　火焰前锋面的当量比

3.5油膜量

三维计算可以计算油膜，因此实际喷入的燃油并不一定完全参与燃烧，如图12、图13所示为油膜量占总喷油量的比例对照。

图13　2 000 r/min-1、0.2 MPa B油膜比例

观察图表可发现：

A方案：缸套油膜量较少，峰值为6%左右，活塞油膜量较大，峰值为16%左右；

B方案：缸套油膜量峰值为9%，活塞油膜量峰值约14%

两者有很大差别，A方案油束整体偏向活塞，因此缸套油膜量较低，而B方案部分油束偏向缸壁造成缸套上油膜比重9%较大，需要明确的是：缸套上出现油膜是最差的情况，模拟出现的油膜会再次蒸发参与燃烧，而实际发动机运行时，喷雾碰壁尤其是碰撞到缸壁上，会稀释润滑油，很难再次蒸发燃烧，因此尽量减少缸套油膜量是GDI燃烧系统设计的一个关键点，图14～15为A方案与B方案在445°CA的油膜分布，可以明显看出两者油膜分布区域的差异。

图14　A油膜分布

图15　B油膜分布

4　结论

1）GDI机型存在的喷雾湿壁的现象是缸内直喷汽油机普遍存在的问题，对比两种方案可以发现两者在油束设计上明显的差异性，A方案滚流比较低，有效地降低了油束撞击缸套的概率，而B方案滚流比较大，因此有相当部分的喷雾偏向缸壁。

2）GDI相对于PFI缸内混合均匀性不佳，最终导致火焰发展存在缺陷，放热过程呈现出先快后慢，持续期长的特点，最终对经济性造成很大影响，因此GDI均质工况合理组织滚流，提高缸内均匀性是关键，计算表明：A方案瞬态滚流较小，缸内混合不良，均匀性较低，湍动能不能聚集于火花塞周围，最终会导致火焰组织不良。

3）GDI发动机要匹配合适的气道滚流比，保证GDI发动机应尽量降低湿壁风险，尤其是气缸壁。

4）合适的滚流比能保证点火时刻的湍动能及其分布，保证混合气的充分混合及燃烧，保证火焰前锋面当量比分布均匀，使燃烧放热更充分。

1韩文艳，许思传，周岳康，等.滚流比对缸内直喷汽油机混合气形成及燃烧的影响［J］.内燃机学报，2012，30（6）：499-505

2裴普成，刘书亮，范永健.多气门汽油机滚流进气道结构的研究［J］.内燃机学报，1998，16（3）：328-334

3詹樟松，刘斌，武珊，等.四气门汽油机缸内流场的仿真分析与研究［J］.小型内燃机与摩托车，2012，41（2）：10-13

4胡春明，郑振鑫.汽油机缸内滚流运动的评价研究［J］.车用发动机，2009（3）：15-19

5刘伟，张力.4气门汽油机进气道及缸内气流运动的三维数值模拟研究［J］.汽车工程学报，2012，2（3）：195-201

A Study on Effect of Intake Tumble Ratio to Gasoline Engine Performance

Wang Hao1，2，Liu Yijia1，2，Zhao Weiping1，2，Liang Yanru1，2，
Yang Yanjun1，2，Qie Yanli1，2，Liu Jinyong1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology＆Research Center

This paper aims at the issue that how much tumble ratio is suitable for one direct-injection gasoline engine while designing an intake port of cylinder head.To make sure the ratio precisely，it is necessary to simulate in-cylinder combustion condition.There are some factors related to tumble ratio to have an influence on combustion quality，such as transient tumble ratio，homogeneity，transient turbulence energy，flake propagation，and wall film fuel mass，etc.Finally，a reasonable tumble ratio is determined through simulation tool，and a probable intake port model was designed for gasoline engine.

Intake port，Tumble ratio，Turbulence energy，Combustion

TK411+.24

A

2095-8234（2016）01-0032-05

王浩（1986-），男，大本，主要研究方向为发动机试验过程的研究。

2015-09-17）