增压直喷汽油机进气道开发研究

王勇杰

摘要：本文基于增压直喷汽油机，对气道展开开发与设计，对比两种设计方案，研究气道给缸内流动情况造成的影响，分析如何改善气道性能，将遮蔽面设置到进气门上，使小升程情况下形成较高的滚流比，实现进气道将开发目标，与活塞以及燃烧室形成良好的匹配效果，支持了汽油机的研发工作。

Abstract： Based on the pressurized direct injection gasoline engine， the paper analyzes the performance of the airway on the inlet door to form a high rolling ratio， realize the development goal of the inlet and form a good matching effect with the piston and combustion chamber， supporting the development of gasoline engine.

关键词：增压直喷汽油机;进气道;开发

Key words： booster direct injection gasoline machine;inlet airway;development

中图分类号：F407.471                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0023-02

0  引言

设计汽油机时，必须重视进气道的设计，主要是因为其结构直接影响设备的进气性能，如果设计出不合理的结构，汽油机的后续使用也会受到影响。现根据对增压直喷型汽油机的了解，研究与气道开发相关的问题。

1  气道设计要点

汽油机的进气道主要会给缸中的滚流比与气体流量带去影响，在衡量汽油机的经济性与动力性指标时，往往需要考虑到滚流比。结合已有的汽油机相关研究可以了解到，进气道的滚流比较高时，缸内的气体流动可被加强，提升混合油气的质量，点火时刻中的湍动能将形成更高的强度，燃烧速度随之加快，产生更加优质的燃烧相位。在对进气道部位的性能进行评价与分析时，必须考虑可滚流比与流量系数，然而实际的设计中，滚流比与流量系数相互矛盾，由于影响进气量的主要因素之一是流量系数，因此不能将其设置得过低;开发进气道时，需要在满足流量系数要求的条件下，将滚流比增加。大部分汽油机的进气道都有较高的滚流比，评估稳态流动水平时，需开展气道试验，并模拟相关数值。设计直喷增压型汽油机时，同样需要重视进气道设计，使进气道拥有稳定的性能。

当前社会中，逐步重视环保问题与能源危机，因此要强化燃油的经济性，同时减轻汽油机运行中的污染程度，通过精细设计，形成合理的内部构造，如进气道等，可以强化汽油机的动力性与经济性，改善瞬态响应性能;如果运用增压装置，能够提升气密度，解决动力性方面的问题。现结合进气道设计要求，对进气道展开设计，确保进气道能够达到设计标准，满足汽油机对进气道的使用需求。

2  设计进气道方案

流量系数主要指空气流量的实际数值与理论数值的比值，进行计算时，需要考虑到进气门数量，空气密度与气门座圈封面的直径最小值与压差;平均流量系数由实际活塞速度、平均速度与曲轴转角共同决定。当气门升程条件一定时，垂直缸径的气体角速度和发动机角速度平均值之间的比值是滚流比，加大滚流比之后，燃烧效果能够得到改善，发动机也随之形成更强的动力，旋转角速度的影响因素有速度场的实际单元数量、滚流轴线与单元之间的距离以及滚流轴线相对单元的具体角速度。

确定汽油机的性能开发目标后，可进行进气道开发，确定设备结构与技术参数，排量数值为1.996L，气缸使用数量为4，选择废气涡轮增压这一进气方式，進气道类型为滚流型进气道，喷油方式属于缸内直喷，燃烧室结构包括活塞顶浅坑型与缸盖蓬顶型。进气口压力较大，已经超过环境压力，利用压气机实现压缩入缸内，气道的流量系数存在差异，进气量并无明显差异。开发发动机时，首先要达到减少油耗的目标，其次要考虑动力性，采用高压缩比与米勒循环的设计理念，设计燃烧室系统的进气门时，将气门遮蔽面设计到一侧，使进气道处于气门小升程条件也能够形成更高的滚流比。

依照技术参数，确定性能目标，设计出2种符合设计要求的进气道方案，方案中的入口部位截面形状、气门座、气门与喉口刀具基本一致，但是2种方案选择的切入角有显著差异。在方案二中，气道需要以平直的方式直接切入到燃烧室中，外切入与内切入角度都是0°，这是从水平方向展开研究得出的结论，如果选择竖直方向，方案一与方案二的上切入角基本一致，方案一具有更大的下切入角，方案二形成的下切入角比较小，因此进气道底部区域的曲面上有更加明显的鱼肚子形状。两种方案所用的燃烧室相同，进气门配备专门的气门遮蔽面，进气门与遮蔽面之间并没有形成过大的间隙，这一设计方式能够将遮蔽面一定升程内的气体流动适当减弱。发动机采取米勒循环，形成偏小的气门升程。通过将遮蔽面应用到燃烧室中，可增加滚流比的平均值。

3  测试进气道

基于掌握三维速度场基本特征与进行精准性测试的需求，应设计进气道实验，通过3D-PIV完成试验，明确滚流比与流量系数。气道试验台架上设置电脑，用于计算速度场，同时还是用空气流量计、相机、激光器与缸盖等，缸盖底面设置的0.5倍缸颈处有滚流测量平面，是用玻璃材质的钢套，主要是为了便于查看粒子成像情况，测量手段为定压差法，根据各个气门升程中风机调节频率，实现对压差的精准控制，风机属于离心式风机，压差数值是-2.5kPa。

使用的激光器属于高能双腔激光器，单脉冲能量可达到200mJ，相机为CCD相机，使用数量为2台;传感器为压差传感器，测量范围设置成-10到10kPa，使用量程设定成720kg/h的质量流量计。制作气道芯盒，2个芯盒具有相同的气门座、气门与燃烧室，通过胶圈实现对玻璃钢套与芯盒的密封压紧处理。当气门升程出现变化时，不同气道对应的流量系数也发生变化，且变化趋势具有一定的相似性，先快速增加，而后保持平缓。如果气门升程在6mm以下，气道具有同样的流量系数，在小升程条件下，气门开度决定流量系数;如果气门升程超过6mm，方案二的流量系数小于方案一，具体偏小3.7%左右，造成这一结果是因为切入角存在差异，相比方案二，方案一中设计的喉口具有更大的截面面积，在升程较大的条件下，气道喉口与流量系数之间存在正比关系。为了进一步形成更高的测试精度，在多种气门升程条件下，连续拍摄平面，次数为20次，计算速度场，进行平均处理后，对有效流场进行选取，均处于缸径范围中。试验流场的一个速度矢量可对应1mm2左右，速度为来自于3精准进准计算，程序提供丰富的使用功能，具体有批量处理数据、寻找滚流轴线、修正流场圆心以及修正相机布置角度等。

改变气门升程，分析滚流比，不同气道的实际滚流比变化存在相似性，当气门升程达到1mm处时，滚流比形成最大值，而后逐步减小，滚流比最小时对应气门升程为4mm时，经过这一数值后，滚流比继续增加，当气门升程处于5到7.5mm时，方案二中滚流比具有更快的增加速度。当处于气门小升程区间范围内，不同方案气道滚流比基本能够达到相当的程度，滚流增加到比较大的程度，在小升程的范围区间中，燃烧室设置的遮蔽面会影响到滚流比，因为其对气流起到了一定的遮挡作用，可将此条件下的滚流比提升;气门升程超过6mm时，方案二的滚流比产生了更明显的提升效果，在20%到25%之间。如果继续增加气门升程，最终确定为9.79mm，在方案二中，滚流比为3.13。

进气道能够对气流进行的高速运动起到一定的引导作用，使缸中的流动活动能够更富有规律性，不会显得杂乱无章，气流紧紧贴着缸壁，具体指左侧也是排气侧的缸壁，以正向直接抵达缸中，流出时则采用反向流出，具体位置为进气侧，反向流场的实际区域风大，缸内得以形成适合的滚流强度，缸内的条件也因此而得到改善;与大升程条件中的速度场相比，方案二中速度场具有更加清晰明确的反向流场，同时也有更大的面积，因此可以基本确定，这一方案中的进气道处于缸中时形成的滚流具有更高的强度，这也是方案二的优势之处;正向流场的分布情况会受到来自于切入角的影响，在方案一中，正向流场有向逆时针方向旋转的变动取向，方案二则相反，变动趋势为顺时针旋转;气门升程设置成2mm，遮蔽面造成影响，流场保持规则化的分布方式，反向与正向速度场具有相等的占比，更有助于形成符合预期的滚流。

4  缸内流量情况分析

围绕进气道，研究缸内的实际流动情况，可以帮助确定活塞、燃烧室以及进气道是否能够相互匹配，因此要掌握缸内流动受到进气道的具体影响。建设分析模型，确定缸内的流动情况，有效压力平均数值是1.2MPa，发动机转速调整为2250r/min。曲轴转角设置成430°时，分析瞬态条件下，缸内的滚流比变动情况，喷雾会形成相应影响，因此处于进气行程中时，滚流比保持较为缓慢的增长速度，如果气门升程形成最大值，滚流比处于瞬态且形成峰值，而后逐步减少，压缩行程形成第二次峰值;如果在压缩或者进气行程中，方案一的瞬态条件下的滚流比低于方案二，与前期测试结果基本一致，第二峰值比瞬态滚流比减少33%左右，在方案二中，活塞与燃烧室可形成更好的匹配效果，瞬态涡流比也得到加强。

调节曲轴转角，使其达到450°，方案一的涡流比的绝对值比方案二大，处于压缩末期阶段时，涡流比下降约57%，因此可以确定活塞、燃烧室与进气道之间更加匹配，方案二更适合进气道开发工作。湍动能的分布与大小受到滚流比的影响，且属于直接的影响，此处的滚流比属于缸中瞬态滚流比。调节曲轴转角，进入到710°时刻，分析湍动能分布情况，方案二也具有更高的湍动能，这些湍动能以极为均匀的方式分布在进气管的火花塞周边，点火操作后，有助于提升火焰的实际传播速度。最终选择方案二支持进气道开发活动，为直喷增压性汽油机的设计提供参照，设计出性能优越的汽油机，解决汽油机中较为多见的问题，提升汽油机的性能水平。

5  结论

开发汽油机设备的进气道时，需要关注切入角，通过选择符合设计要求的切入角来改善滚流比，同时控制流量系数维持一致，利用遮蔽面增加滚流比，改进燃烧室的设计方式，形成具有一定分布规则的速度场。使用合理的设计方案，使进气道可以与活塞顶以及燃烧室形成较高的匹配度，增强湍动能与瞬态滚流，完成汽油机的进气道部分的设计任务。在日后的设计与开发中，需继续结合汽油机的使用需求，对已有的结构体系进行优化，改善汽油机使用效果。

參考文献：

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