Mask对四气门汽油机滚流影响的三维模拟分析

徐露，胡鹏，罗福强

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2.奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241000)

能源消耗的日益增加，使各行业对节能的要求越来越高。就内燃机而言，为推动其高效节能的发展，世界各国均提出了越来越严苛的燃油经济性法规。提高燃油经济性的有效措施之一是提高内燃机的热效率[1-3]。对于汽油机而言，通过增压技术结合废气再循环，再提高滚流比结合米勒循环的技术策略使得提高燃油经济性成为可能[4-8]。

滚流是一种旋转轴垂直于气缸轴线的缸内大尺度空气运动形式，在进气过程中形成，在压缩行程随着活塞上行在后期破碎成湍流。滚流是汽油机缸内油气混合的有利条件，对于直喷汽油机，高滚流进气系统利于组织良好的缸内空气运动，对提高汽油机的火焰传播速率，降低燃烧循环变动，促进高效燃烧有重要作用[9-11]。流量系数和滚流比总是存在着矛盾，因此，高滚流气道的设计原则是在保证适当流量系数的前提下，尽可能提高滚流比。前人通过CFD数值模拟对进气道的开发设计已经作了较多工作，但是已有的研究多是针对滚流比较低的进气道喷射(PFI)汽油机的滚流产生情况的分析和改进，而对用于高效直喷汽油机所用的高滚流比气道的研究甚少[12-13]。

气道结构是影响滚流比的主要因素[14]。因此，本研究采用CFD技术主要研究了高效直喷增压汽油机适用的高滚流比进气道的流通特性，通过改变进气道结构参数，改变滚流比，并借助稳态CFD计算获得不同气门升程下的流量系数、滚流比以及平均流量系数和平均滚流比。着重讨论了高滚流气道上增加不同宽度和不同高度的Mask时，其对进气过程的影响[15]。

1 高滚流气道设计

1.1 高滚流气道结构主要参数

研究对象是一台混合动力车用高热效率发动机，为4气门增压缸内直喷汽油机，其主要参数见表1。

表1 发动机参数

对于增压发动机，由于进气气流经过压缩后进入气缸内，流量系数在一定范围内的降低对最终进气量的影响并不明显。因此，在一定程度上优先考虑提高滚流比。

图1所示的气道1为简化后的仿真计算模型(各图进气道均在左侧，由于进行稳态模拟计算，因此不包含完整的燃烧室信息，如活塞等)。该高滚流气道的主要结构特征：气道上壁面平直切向，下表面在靠近气道出口处呈弧形，无气门座，气道与燃烧室连接处的角度为45°，整个进气道呈渐缩型。进气道下部与燃烧室形成喉口，阻挡气流从气门口下侧直接流入气缸，有利于提高正向滚流强度。平直切向的气道在流动过程中不易出现气流内部扰动或避免分离现象，流动损失较小。气道喉口截面上部的气流分布对滚流影响较大，因此气道下部设计为弧形导流结构，增加了气道出口截面上侧的流量，有利于提高滚流强度。由于采用了无气门座结构，因此减小了喉口截面的纵向高度，有利于增强滚流强度。在气道1的基础上增加3种不同宽度的Mask，宽度分别为1 mm，0.5 mm和0.2 mm(见表2)。为了佐证Mask对进气过程的影响，在气道1的基础上改变气门轴线和气缸中心线夹角与气门直径，分别设计了气道5和气道6(见图1和表2)，气道5和气道6分别增加0.5 mm宽度的Mask形成气道7和气道8。

图1 无Mask高滚流气道结构示意

参数气道1气道2气道3气道4气道5气道6气道7气道8气门轴线与气缸中心线夹角/(°)2020202025152515气门直径/mm2828282826262626Mask宽度/mm 10.50.2 0.50.5

1.2 Mask结构设计

Mask为在进气道出口下侧气门密封带的位置下方，环绕气门轴线的半圆环形180°的气流阻挡结构。Mask宽度定义为Mask壁面与进气门头部圆环端面的距离。Mask结构及其宽度示意见图2。

图2 Mask结构及其宽度示意

2 计算模型及边界条件

2.1 网格划分

本研究利用AVL-FIRE软件分别对上述气道模型进行稳态CFD计算。首先对模型进行网格划分：在Hypermesh中划分模型面网格，确保面网格质量；再将面网格导入AVL-FIRE中划分体网格；采用FAH自动划分体网格策略，对关键部位进行网格细化以提高计算精度。气门升程从1 mm开始，以1 mm为步长逐渐增大到8 mm，建立8个网格模型，计算8个稳态结果。根据FIRE进气道稳态模拟教程，体网格最大尺寸设置为2 mm，最小尺寸为0.5 mm，细化区域采用0.25 mm。

模拟计算中，在常压下进出口边界条件采用2.5 kPa定压差，与试验保持一致。采用K-zeta-f湍流模型和Hybrid Wall Treatment壁面函数。滚流计算面为模拟缸套距上止点0.5D处横截面。

2.2 模型验证

将数值模拟得到的气道1的流量系数和滚流比值与稳流试验台测得的数值进行对比，结果见图3。

图3 稳流试验值与模拟计算结果对比

由图可见，稳流试验台得到的进气参数与模拟计算的结果变化趋势一致，大部分升程下二者吻合良好，差异较大的部分气门升程下误差均保持在7%以内。由此可知所选模型及计算方法合理。

3 模拟计算结果分析

3.1 Mask宽度对进气参数的影响

图4示出气道1～8的平均滚流比和和平均流量系数。对比发现，增加Mask后，平均滚流比增大，平均流量系数减小。

图4 不同评价方法下的平均滚流比和平均流量系数

无Mask气道与Mask气道的滚流比随气门升程增加的变化趋势不同(见图5)。Mask气道在低气门升程下的滚流比数值较大，且Mask宽度越小，数值越大。而在大气门升程时，无Mask气道的滚流比普遍大于Mask气道，且Mask宽度越小，大气门升程下的滚流强度越小。分析原因，小气门升程时，Mask使气流在进气道出口下侧的流动受阻，气流大多由出口上侧流出，以一定的倾斜角射入缸内，易形成大尺度滚流。随着Mask宽度的减小，上述效果越来越明显。大气门升程时，由于气体流通面积显著增大，Mask对气流的阻挡效果相对减小。

图5 Mask宽度对气道进气参数的影响

流量系数与滚流比的关系为此消彼长。无Mask气道在低气门升程下的流量系数较大，而Mask气道在大气门升程下流量系数较大。

3.2 Mask高度对进气参数的影响

由于Mask在气道出口下侧起阻挡气流作用，因此Mask的高度改变会影响阻挡效果。图6示出了当Mask高度从1 mm到5 mm变化时，滚流比和流量系数的变化规律(Mask宽度取0.5 mm)。当气门升程小于Mask高度时，滚流强度较大；当气门升程增大到超过Mask高度时，滚流强度减小到极小值，此后再随着气门升程增加而增大。各气道的滚流比在1～5 mm气门升程下差异较大。Mask高度越大，同一气门升程下的滚流比越大，对于Mask高度超过3 mm的气道，最大值能达到甚至超过最大气门升程下的滚流强度。

流量系数在中小气门升程(2～5 mm)下变化较为明显。Mask起阻挡作用时同样有节流作用，流量系数相对减小。6 mm升程后由于气门升程超过Mask高度，节流效果不明显，流量系数差异很小。Mask高度由1 mm增大至5 mm后，AVL平均滚流比增大6.4%，平均流量系数下降了11.4%。

图6 Mask高度对气道进气参数的影响

3.3 不同Mask宽度下的气道速度云图

无Mask和Mask宽度0.5 mm的高滚流气道结构在气门升程2 mm的速度云图见图7。Mask气道在0.5D处横截面的速度分布符合典型的高滚流速度分布规律[8]，高速气流主要分布在燃烧室右侧顶面，说明气流主要从靠近排气侧方向倾斜射入气缸，沿排气侧壁面向下运动，又因为进气门下方空气量少，压力较小，所以气流绕着缸内向上运动，进而形成滚流。观察无Mask气道与Mask气道在气道出口处的气流分布，对比出口下方圆形标记处流场发现，无Mask气道在此处流通面积较大，有相当一部分气流以较大流速流经此处，不利于形成正向大规模滚流。而Mask气道在此处由于Mask的存在，流动面积减小，阻挡了高速气流，只有小部分气流低速流过，利于在另一侧形成大规模强滚流运动。

改变Mask宽度对小气门升程时的进气参数影响较大。气道1～4在1～3 mm升程时，过气缸中心线处截面的速度云图见图8。无Mask气道与有Mask气道的气流速度分布有明显区别。无Mask气道在低气门升程下的高速气流主要分布在气门下方和燃烧室上部，有Mask气道在进气道出口下侧高速气流分布较少，明显可见高速气流分布在燃烧室右上部，即倾斜流入缸内。而Mask宽度不同时，高速气流的分布也不同。Mask宽度越小，在缸内越早形成倾斜、集中的高速气流，通过出口下侧的高速气流越少。这是由于Mask宽度越小，对出口下侧气流的阻挡作用越强，对大滚流的形成越有利。随着气门升程的增大，不同宽度的Mask气道的滚流强度变化规律并不完全相同，可见Mask结构对低气门升程下的滚流强度有重要影响。

图7 气门升程2 mm时两种气道(有、无Mask)的速度云图

图8 气道1～4在1～3 mm气门升程下过气缸中心线处截面的速度云图

3.4 不同Mask高度下的气道速度云图

Mask结构参数变化给进气过程带来的影响直观上主要体现在小气门升程，以Mask高度变化(1 mm，3 mm和5 mm)为例，图9示出了气门升程由1 mm到4 mm变化时，不同Mask高度的气道在过气缸中心线处截面的速度云图。在1～2 mm气门升程下，所有高度的Mask气道均能在缸内形成靠近排气侧的倾斜射流。随着气门升程增大、超过Mask的高度后，不同高度Mask气道的高速气流的分布就发生了明显的变化，如Mask高度在1 mm和3 mm时，当气门升程分别增大到2 mm和4 mm后，气流不再形成明显的倾斜射流，而是更均匀地分布在整个燃烧室上方。观察Mask高度为5 mm的气道，在1～4 mm气门升程下，缸内高速气流均是沿着燃烧室右侧顶面斜向下分布，是形成大规模滚流的有利条件。由此可验证Mask对于气门升程大于自身高度后的进气过程中不再有高滚流比优势。由气道速度云图可以看出，Mask在进气过程中，对气流运动方式和缸内气流运动有着重要的影响。

图9 不同Mask高度的气道速度云图(过气缸中心线处截面)

4 结论

a) 各气道AVL平均滚流比可高达3.0～3.5，主要和气道结构有关，Mask气道比无Mask气道高；平均流量系数在0.25～0.30之间，Mask气道比无Mask气道低；

b) 气流阻挡结构Mask对小气门升程下的进气参数影响较大；小气门升程时，Mask气道滚流强度明显大于无Mask气道；大气门升程时，Mask气道滚流比略小于无Mask气道；

c) 同一气道结构上Mask宽度和高度改变时，对滚流强度影响不同；Mask宽度越小，AVL 平均滚流比越大，平均流量系数越小，小气门升程下的滚流强度越大，中大气门升程时，滚流强度较小；Mask高度越大，AVL平均滚流比越大，平均流量系数越小，小气门升程下滚流比越大，但大气门升程下略有减小。