高热效率混合动力自然吸气汽油机提高进气道流通能力方法研究

李伟 高洪宇 钱丁超 宫艳峰

（中国第一汽车股份有限公司 研发总院，汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春130013）

主题词：自然吸气汽油机 进气道 缸盖 燃烧室 CFD

0 简介

对于采用混合动力技术的车辆来说，提高燃油经济性是汽油机开发的中心环节，而实现这一目的的有效方法是通过提高压缩比实现更高的热效率。压缩比的提高必然带来爆震增加的风险，为了降低爆震，采用废气再循环（EGR）是必须的关键技术。但是缸内废气量的增加会造成燃烧速度变慢，燃烧重心推迟，燃烧持续期变长。点火角提前是一种办法，提高缸内充量的湍流强度是另一种办法。通常，通过增强缸内涡流、挤气流和滚流可以显著提高缸内湍流强度。但对于自然吸气汽油机来说，更高的进气滚流必然造成进气量的减少，而进气量又决定了汽油机的动力性。因此，在保持高进气流量系数的同时，有效地提高滚流的技术是必不可少的[1-2]。

一汽集团全新开发了一款用于混合动力的2.0L直列4缸自然吸气（NA）汽油机，采用高压缩比、高EGR结合高速燃烧技术实现更高的动力性和热效率。为了实现快速燃烧必须尽可能提高缸内湍流强度，同时保证足够高的流量系数。为此，借助CFD模拟仿真技术，针对进气道流通截面面积变化、气道关键结构尺寸控制、缸盖燃烧室结构影响流通能力的因素进行规律性研究和优化设计。

1 进气道流通特性

通常情况下，流过某一段截面时的气体流动状态采用无量纲流量系数（Cf）来评价。流量系数定义为：在一定压力降的条件下，实际流过的气体流量与不考虑气体压缩和流动损失下的理论流量之比。

其中，mreal为实际流量，在试验台架或CFD计算中都可以得到。mth为理论流量，计算公式如下：

Δp为缸筒内与外界的压差，ρ为空气密度，Advin为进气道等效流通面积。

模拟计算中无量纲滚流比（Rt）的计算公式如下：

式中，M为动量矩，S为冲程，Qreal为体积流量。

从大量的稳态试验及计算结果看,都显示流量系数和滚流比之间呈现的是“此消彼长”（Trade-off）的关系（见图1），单纯提高滚流比必然造成流量系数的降低。另外，通常落在帕雷托前沿上的数据点均为较优结果，如果对与进气流动相关的所有结构进行优化创新设计,可将帕雷托前沿向图1的右上方即综合流通性能最优方向移动。

图1 滚流比与流量系数之间的关系

2 模拟计算边界条件

本文所有结果均来自稳态模拟计算，计算软件为Star_CCM+。采用统一的计算标准：中心为四面体网格，壁面附近拉伸出棱柱边界层。最大单元尺寸为5 mm，并针对气门、气门座圈及气道处的网格进行局部细化。湍流的模拟在主流区域采用k-ε双方程湍流模型，近壁区域采用标准壁面方程进行处理[3]。计算模型为全尺寸完全对称气道模型，进气门直径33 mm，最大气门升程9.5 mm，气门升程8 mm（升程/气门直径=0.25），停滞入口，计算总压力5 kPa，出口压力0 kPa。固定壁面采用绝热无滑移边界条件。

为了将计算结果与试验结果对应，计算模型采用“T”型筒结构，将缸盖滚流运动转换成旋转的刚性涡。“T”型筒直径与缸径（B）相等，短筒长度为1×B，长筒单边长度为1.75×B。为增加计算时的进气稳定性，进气道入口添加一个直径为2×B，长度为1×B的圆柱形稳压腔（图2）。

图2 计算域网格及尺寸定义

3 进气道结构对流动影响

对于4气门汽油机来说，进气道结构主要采用单入口双出口对称布置。将进气道各主要结构参数化设计（图3），通过单独改变各参数的数值研究各参数变化对进气流动的影响。研究发现进气道主轴线与进气门中心线之间夹角（port_angle）对滚流比和流量系数影响很大，进气道入口面积与进气座圈喉口面积的比值（port_extend）变化对缸内流动也有显著影响。在进气道设计过程中合理控制这两个变量可实现较佳的综合流通能力。

图3 进气道主要结构尺寸参数化

3.1 进气道倾角

在固定气门倾角（valve_angle）状况下，进气道倾角（port_angle）从41°逐渐增大到52°。从计算结果可以看到（图4），随着进气道倾角（port_angle）的增大流量系数逐渐降低，最大降幅7.7%。滚流比逐渐增高，最大增幅24.3%。进气道倾角（port_angle）对滚流比的影响更为显著。不过，超过46°后流量系数已无法满足发动机性能要求。因此，从综合流通性能看进气道倾角（port_angle）的合理范围在44°～46°之间。

图4 进气道倾角对流量系数和滚流比的影响

3.2 进气道入口面积

在保持进气座圈结构尺寸和气道倾角（port_angle=46°）不变的前提下，通过控制进气道入口面积与进气座圈喉口总面积（单个座圈喉口面积×气门数）的比值（port_extend）来改变进气道入口大小，port_extend从0.6变化到1.6（图5）。从图6所示的流量系数和滚流比随port_extend变化情况可以看出，随着port_extend值逐渐增大，流量系数呈增大趋势，在port_extend=1.4时流量系数达到最大值，继续增大比值流量系数开始减小。滚流比在port_extend小比值时较高，当port_extend=0.7时达到峰值。比值从0.7到1.0滚流比逐渐降低，比值大于1.0后滚流比又开始增大，但增幅缓慢。

图6 流量系数和滚流比随port_extend变化情况

图7是过单个气门中心线截面的流速云图。从图中可以看出，小比值时气流处于增速膨胀过程，并使气门前端流速较高，因此滚流比较强。随着比值的增大，气门后端的流速逐渐增大，气门前后端流速干涉造成滚流比逐渐降低。当比值超过1.0后，因为入口面积超过座圈喉口面积，气道入口的气流处于减速压缩过程，进气量逐渐增加，因此流量系数逐渐增大。随着入口到喉口面积的收缩，流速逐渐增加，虽然气门前后端气流干涉较严重，但在流量和流速同时增加的作用下滚流比缓慢增大。

图7 不同port_extend比值缸内流速云图

4 缸盖燃烧室结构对流动影响

在进行进气道优化设计时发现进气道形状、走向无论怎样趋近最优结构，但流量系数就是无法大幅提高。通过对CFD模拟出的缸内流场进行分析，发现缸盖燃烧室的布置结构对流动有极大影响。燃烧系统采用高压缩比方案必须减小压缩容积，一方面优化活塞顶形状，一方面增加缸盖燃烧室挤气面积。增加缸盖燃烧室挤气面积带来的问题是气门到燃烧室壁面距离减小，流通阻力增大，因此缸盖燃烧室的形状和结构需要合理设计与优化。本文主要研究缸盖燃烧室边缘倒圆角大小和气门倾角对燃烧室容积及流通能力的影响。图8显示的是2种边缘倒圆角大小和2种气门倾角的组合方案。

图8 缸盖燃烧室不同结构方案

图8中chamb-1是大圆角（R=15 mm），chamb-2是小圆角（R=8 mm），气门倾角不变，挤气面积相同。从图中可以看到圆角R的大小决定了气门与壁面之间遮挡面积的大小，近似masking作用，会提高低气门升程时的滚流比，相应降低了流量系数。图9显示小圆角方案流量系数提高9.3%，滚流比降低23.1%，大圆角滚流比明显高于小圆角方案。

缸盖燃烧室刀具修正高度L和气门密封面到燃烧室边缘距离W（图10）同样对进气流动有影响，为此通过直接提高缸盖底平面的方法，计算验证这两个结构尺寸对流动的影响。缸盖底平面分别提高1 mm、2 mm、3 mm和4 mm，从图10可以看出W值逐渐从2.89 mm增大到5.78 mm，流量系数逐渐增大，滚流比显著降低。与原设计相比流量系数最大提高12.2%，滚流比最大降幅44%（见图11）。CFD计算结果显示（图10右侧速度云图），随着W值的增加，L值逐渐减小，在二者共同作用下，气门后端流通面积逐渐增大，气门周围总的流通面积都在增大，因此流通能力增强。另外，随着气门后端气流流速的增加，气门后端流入缸内的气流与气门前端的气流干涉加重，是造成滚流比降低的主要原因。

图9 缸盖燃烧室边沿圆角对流动的影响

图10 降低缸盖底平面高度对流隙的影响

图11 降低缸盖底平面高度对流动影响

在进行缸盖燃烧室结构对缸内流动影响研究中气门升程仍然采用8 mm，主要原因是为了避免masking的影响，另外小气门升程计算受网格密度的影响，计算精度无法保证。

以上分析结果为缸盖燃烧室设计提供了一种思路，在保证缸盖燃烧室总高度不变的前提下，通过增大气门倾角的方式减小刀具修正高度L可有效提高流量系数。以燃烧室棚顶O为原点，分别将进排气斜面OA和OB向下倾斜到OA′和OB′,完全消除刀具修正高度L（图12）构成图8中的chamb-4的增大气门倾角的方案。图8显示chamb-4的容积与chamb-1相比减少8.3%，这更有利于高压缩比时活塞顶面形状的优化设计。图9显示chamb-4与chamb-1相比，流量系数有大幅提高，增幅达13%，滚流比降低14.9%，由此可见在保持气道结构不变的前提下，缸盖燃烧室结构对提高流通能力有重要影响。

图12 调整气门倾角的方法

5 结论

本文主要研究了进气道倾角、入口面积大小、缸盖燃烧室结构及气门遮挡长度对进气流通能力的影响，同时提出一种缸盖燃烧室设计的思路。

（1）进气道倾角是进气道设计的关键参数，气道设计优化时需优先确定这一参数，从分析结果看，进气道倾角在44°～46°之间最优，对于不同气门倾角进气道倾角会有调整，但不会偏离太多。

（2）进气道入口面积与座圈喉口面积的比值不是越大越好，应根据流量系数和滚流比的需求综合考虑，通常情况下应以最大流量系数为准则，滚流比的优化可以通过控制进气道形状和截面面积的方法实现。

（3）缸盖燃烧室的设计对进排气流动有重大影响，单纯提高气道流通能力还不能实现最优的进排气流动。

提高气门倾角可有效改善进气流通能力，同时减小缸盖燃烧室容积，但如果完全取消气门遮挡不利于滚流比的提高。因此应该预留1～2 mm高度的气门遮挡，这会降低气道开发的压力。