增压状态下汽油机进气道性能评价及流通特性分析_祖炳锋

第45卷 第10期 2012年10月

天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University

V ol.45 No.10Oct. 2012

收稿日期：2011-07-15；修回日期：2011-11-21.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50976076)． 作者简介：祖炳锋（1974— ），男，博士，高级工程师． 通讯作者：祖炳锋，zbf@https://www.360docs.net/doc/c08543728.html, ．

增压状态下汽油机进气道性能评价及流通特性分析

祖炳锋1, 2，王 振1，徐玉梁1，刘 捷1，潘栋超1，杜建秋1，丛玉坤1，郝长利1

(1. 天津大学内燃机研究所，天津 300072；2. 天津大学机械工程学院，天津 300072)

摘 要：针对某增压汽油机开发过程中进气道性能评价问题，建立了三维稳态及瞬态仿真模型，研究了增压状态下进气道无量纲流量系数、总体流量、缸内流动及喉口流速的变化规律．结果表明：随着进气压差的增大，气道无量纲流量系数明显降低，最大降幅达11%，但总体流量仍呈增长趋势；增压以后，气流速度大幅提升，大气门升程下，气门阀座处产生分离涡旋运动，加剧缸内扰动，有利于加快燃烧速度，降低爆震倾向；同时，气道流通截面流速增大，最高进气马赫数为0.46，处于安全范围．综合各项数据，判定该气道性能满足增压机型需求． 关键词：增压状态；进气道；流量系数；流场分布；流通截面流速

中图分类号：TK411.8 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2012)10-0865-05

Intake Port Performance Evaluation and Flow Characteristic Analysis

of Gasoline Engine Under Boosted Condition

ZU Bing-feng 1, 2，WANG Zhen 1，XU Yu-liang 1，LIU Jie 1，PAN Dong-chao 1，DU Jian-qiu 1，

CONG Yu-kun 1，HAO Chang-li 1

(1. Internal Combustion Engine Research Institute ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；

2. School of Mechanical Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China )

Abstract ：In order to evaluate the performance of intake port during the development of a turbocharged gasoline en-

gine ，three-dimens ional s teady and trans ient s imulation models were developed. The change regulations of no-dimensional discharge coefficient ，total mass, in-cylinder flow structure and throttle flow velocity were investigated under boosted condition. Results show that with intake port pressure drop increasing ，the no-dimensional discharge coefficient of intake port decreased obviously ，and the maximal decline reached 11%. However ，the total mass flow was increasing all the time. After boosting ，flow velocity increased sharply. At high valve lift ，flow separated on the short side of the port ，and generated a more highly disturbed flow structure ，which was helpful for accelerating burn rate and achieving good knock resistance. Meanwhile, throttle flow velocity increased apparently ，and the intake flow Mach number was 0.46 to the highest point ，which is still considered to be reasonable. As a result ，the port is judged to be suitable for the turbocharged engine.

Keywords ：boosted condition ；intake port ；discharge coefficient ；flow distribution ；throttle flow velocity

近年来，降低燃油消耗率及二氧化碳排放量已成为汽油机研究的焦点，基于涡轮增压的汽油机小型强化作为实现上述目标的重要手段被广泛运用和发 展[1-4]．随着目前汽油机增压度和转速不断提高，气道压差不断增大．高压差可导致气体流速过高而出现局部气流马赫数过大，影响进气性能[5]．了解增压状态下进气道的流通特性并对其性能进行评价，成为

增压汽油机研发过程中迫切需要解决的问题．常规

气道性能评价主要通过稳流试验台完成，但传统气道稳流试验台所能提供的气道压差多在7kPa 以下，无法进行高压差下的性能试验，对增压状态下的气道性能评价存在着局限[6-7]．

在某1.5T 汽油机开发过程中，为评价原气道在增压状态下的性能，笔者建立了增压机型及其自然吸气

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原型机计算模型，利用三维仿真手段对两种状态下的进气道流通特性进行了研究，着重分析了流量系数、气道流场及气道流通截面流速等关键因素，完成了增压状态下气道性能的评价，并获得了其进气流通特性规律．

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

选取某1.5T 增压机型作为研究对象，该机型拟在1.5L 自然吸气发动机基础上开发，为确定能否保留原有进气系统，需对增压状态下进气道的性能进行研究．表1和图1分别为发动机的主要技术参数及进气系统三维模型．

表1 发动机性能参数

Tab.1 Main specification of engine

项目

缸径/mm 行程/mm 标定功率/kW

最大转矩/(N·m )

1.5L 75 84.8 83 147 1.5T 75 84.8

110

195

图1 进气系统三维模型

Fig.1 Three -dimensional model of intake system

1.2 理论基础及研究方法

气道流量系数和气流运动强度是评价气道性能的2个重要参数．一方面，汽油机的性能与进气量大小直接相关，这就对进气道的流量系数提出了较高的要求；另一方面，缸内气流运动强度影响燃烧速率、燃烧稳定性及传热等，对燃烧具有重要影响．研究表明，气道的流量系数与气流运动强度呈相互竞争关系，无法同时达到最优．当气道具有很高的流量系数时，往往导致气体流动强度减弱；当气道能组织很强的气流运动时，流量系数则呈降低趋势[8-9]．

增压汽油机与自然吸气机型相比，在气道性能侧重点上有所不同．自然吸气式汽油机为取得良好的性能表现，需重点考虑气道的流量系数；增压汽油机利用压气机吸气，可以保证足够的进气量，对气道的流量系数要求并不高．同时，由于爆震倾向的增加，需要气道能组织较强的气流运动，加快燃烧速度以降低爆震倾向．因此在评价增压状态下气道性能时，需

要折中考虑流量系数及气体流动强度的影响．

常规进气道性能评价主要通过稳流试验台测量气道的无量纲流量系数及湍流比[10]．对增压机型而言，进气压差较大，而传统气道稳流试验台所能提供的气道压差多在7kPa 以下，对高压差下的进气道流通性能进行评价存在着局限．为此引入三维稳态模拟，对增压状态下气道的流量系数进行计算．同时，为获取增压状态下缸内详细的气流运动信息，引入三维瞬态计算获得了缸内气体流动的变化规律．基于数值模拟结果，对增压状态下气道的性能进行评价，获取相关规律，并最终在台架试验上进行验证． 1.3 计算模型及试验验证

气道内部是复杂的三维流动，存在着涡旋、分离等复杂流动现象．根据质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，可构成气道内部气体流动的控制方程．

利用FIRE 软件建立了该气道三维仿真模型，选择k-ξ-f 作为湍流计算模型．相应的输运方程(忽略源项)为 D ()D t k i j f P t k x x ξμξξ

ξρ

ρρμ????=?++??

??????

(1)

2

2123

()2()k j i p f f L C C x x T ξξ

???=+? (2)

式中：k P 为湍动能产生项；L 为空间尺度；T 为时间尺度；

1C 、2C 为经验常数． 为验证模型的准确性，采用A VL 气道稳流试验

台对稳态计算模型进行了校核．选定气道压差3.5kPa ，在特定气门升程下进行稳流试验，同时设定与试验条件相同的边界条件进行仿真计算．试验与计算得到的A VL 无因次流量系数对比如图2所示．由图可知，在中高气门升程下，两者几乎完全吻合，在低气门升程时，两者

变化趋势仍比较一致．综合来看，模拟值与试验值吻合良好，误差在8%以内，满足模拟精度的要求．

图2 模拟值与试验值的对比

Fig.2 Comparison of predicted and measured results

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2 增压状态下的气道性能分析与评价

2.1 增压状态下的进气能力研究

汽油机增压以后，进气压力增加，从而导致进气道与缸内之间的压力差值增加．图3所示为标定转速下两种不同形式发动机进气道端口压力与缸内压力间压差的比较．

图32种状态下的进气压差比较

Fig.3 Intake pressure drops under different conditions

由图3可见，凭借较高的进气压力，增压状态下的进气道在进气初始就建立了进气正压；相比之下，自然吸气状态下的进气道则在进气初始一段时间内都维持进气负压．整个进气行程中，增压状态下的进气压差明显高于自然吸气状态，前者的最高压差达到55kPa，而后者仅为25kPa．

根据2种状态下气道压差的讨论结果，选取2.5～50kPa为计算范围，利用三维稳态模拟对不同压差状态下6mm和8mm气门升程的无量纲流量系数和总体流量进行了计算．图4即为不同气门升程下进

图4不同压差下的气道流量系数及总体流量

Fig.4 Discharge coefficient and total flow under different pressure drops

气道无因次流量系数及流量随气道压差的变化关系.

从图4中可以看出，各气门升程下，当气道压差较小时，进气道无因次流量系数基本不变，这与稳流试验和仿真研究结果一致；当压差进一步增大时，进气道无因次流量系数逐渐降低；在气道压差40kPa 下，最大降幅可达9%；当气道压差达到50kPa时，最大降幅达11%；在气门升程增大时，流量系数下降更为明显．气道流量则呈相反的变化规律，随着压差的增大，气道的流量也不断增加．当气道压差较小时，流量迅速上升，30kPa下的流量较10kPa下的流量增加了近60％，但压差超过30kPa后，流量增幅较小．2.2 增压状态下的缸内气流运动分析

为了详细了解缸内气体流动状态，分别对2种状态下发动机的标定点进行了瞬态模拟．图5所示即为2种不同状态的缸内流场分布，其中图5(a)、(b)分别为6mm升程下增压机型和自然吸气机型的缸内流动情况；图5(c)、(d)分别为8mm升程下增压

（a）6mm升程下增压机型的流场（b）6mm升程下自然吸气机型的流场

（c）8mm升程下增压机型的流场（d）8mm升程下自然吸气机型的流场

图5不同状态下的缸内气流运动情况对比

Fig.5 In-cylinder flow structure comparison between boosted condition and naturally-aspirated condition

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机型和自然吸气机型的流动情况．

从图6中可以看出，在6mm 升程时，2种状态下缸内的气流运动轨迹较为接近，均为大尺度滚流，但增压状态下的气流速度及气流运动强度要显著高于非增压状态．当气门升程达到8mm 时，气流运动速度进一步增大，同时，2种状态下的气流运动轨迹产生了差异．增压后，气流在气门右侧发生分离，形成了一个明显的涡团，阻碍了气道右侧的进气，从而导致增压后气道的流量系数降低；但气流的分离另一方面也使得缸内的气流扰动加剧，在保持缸内整体大尺度滚流不破碎的情况下，增强了上部的气流运动强度，有利于混合气充分混合及后期燃烧的快速进行． 2.3 增压状态下的气道流通截面流速分析

气道流通截面是进气道中截面积最小、流速最高的地方，其流速信息能较好地反映缸内气流运动的剧烈程度．较高的流速能增强缸内气流运动强度，利于燃气混合及燃烧的组织；但当流通截面气流马赫数Ma 超过0.5～0.6后，充量系数开始急剧下降，严重影响进气性能．图6所示为2种状态下进气行程各曲轴转角下的气道流通截面流速对比．

图6 气道流通截面流速对比

Fig.6 Flow velocity comparison of intake discharge section

由图6可知，2种状态下的气道流通截面流速变化规律较为一致，但增压状态下的流速要明显高于非增压状态．在44°CA 附近，前者的流速达到171m/s ，根据公式计算得其进气马赫数为

s s 0.46V Ma C ====

式中：s V 为气道流通截面气流总平均速度；s C 为气道流通截面处气体声速，

s C =温度T s 为338K ，取值于三维模拟结果．由此可知，增压状态下的气道

流通截面流速尚处于安全范围内，但其最高值已十分接近临界值，若增压度进一步增大，将可能导致气道局部阻力过大，从而影响进气性能． 2.4 增压状态下的气道性能评价

通过三维模拟手段，重点对气道流量系数、总体

流量、缸内气流运动强度以及喉口流速进行分析后发

现，随着气道压差的增大，气道无量纲流量系数有所下降，但整体流量仍呈上升趋势，满足增压机进气的需求；气流整体速度相比非增压状态有较大提升，同时在大气门升程时，缸内扰动加剧，有利于燃烧的快速进行；气道流通截面流速较高，表明缸内气流运动强度较高，但其值接近临界值，需控制增压度．综合来看，该气道满足增压发动机需求，可以保留使用．

3 增压机型试验结果

根据增压状态下的气道性能分析结果，在保留原有气道基础上完成了该1.5T 增压机型的开发．图7所示为保留原气道方案的增压发动机外特性参数．

图7 保留原气道方案的1.5T 增压机外特性参数 Fig.7 Performance curves of 1.5T engine which adopts

original intake port

从试验数据可以看出，发动机转矩从2000r/min

开始达到扭力高峰，达到197N ·m ；标定点功率接近目标值110kW ；有效燃油消耗率也均处于合理范围内．各项数据表明，保留原始气道的增压机方案较好地满足了设计要求，同时也证明了增压状态下气道性能评价的准确性．

4 结 论

(1) 增压状态下的进气压差明显高于自然吸气

状态．标定转速下，前者的最高压差达到55kPa ，而后者仅为25kPa ；随着压差的增大，进气道无因次流量系数明显降低，最大降幅达11%，但总体流量仍呈

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增长趋势．

(2) 增压状态下，气道在大气门升程时产生分离涡旋流动，造成该区域流动受阻，从而导致气道流量系数降低．同时，该涡旋运动增大了缸内扰动，有利于加快燃烧，降低爆震倾向．

(3) 增压以后，气道流通截面流速明显加快，其最大进气马赫数达到0.46，尚处于安全范围，但接近临界值．若继续提高增压度，存在流速过快，降低进气性能的风险．

(4) 试验结果表明，基于仿真计算的增压状态下进气道性能评价具有可行性，在增压汽油机开发过程中具有良好的工程价值．

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