140 汽油发动机进气道优化

汽油发动机进气道优化
张珊珊
（清华大学航天航空学院）
摘要：采用STAR-
CCM+，对进气道进行稳态CFD仿真，通过研究进气道结构对流量系数和滚流比的影响，对进气道进行优化。

结果表明：喉口形状对流量系数的影响较大，对滚流比（气门升程大于4mm时）的影响较小；进口角对滚流比也有很大作用，适当增加进口角可以提高滚流比，这主要归因于增大了喉口上侧的进气量，从而促进气缸内形成顺时针滚流。

关键词：汽油发动机，进气道，流量系数，滚流比
1前言
在内燃机中，进气道对缸内气体的流动和燃烧具有关键作用，直接影响整车燃油经济性、动力性及排放性能[1]。

作为汽油机进气系统的关键零部件，进气道对气体速度分布、进气量以及湍动能等有决定性影响，进而影响缸内燃烧过程，所以对进气道结构进行优化设计就显得尤为重要。

对于汽油发动机，进气道采用直气道或切向气道，其主要的评价指标为流量系数和滚流比，其中，流量系数决定气缸进气量，而滚流比则对缸内空气和燃料的混合、燃烧有重要作用。

因而在尽可能不降低流量系数的前提下，滚流比的提高对于改善发动机的燃烧性能有重要作用[2]。

彭北京等通过增大气门座直径、优化进气道形状等方法，使流量系数增大了21%[3]。

陈泓等通过对进气道的喉口位置进行优化设计，在保证流量系数变化不大的前提下，滚流比提高了12.7%[4]。

本文采用CAESES软件对一款进气道进行参数化建模，以CFD软件STAR-CCM+耦合CAESES优化平台对其进行优化。

通过研究进气道结构对滚流比和流量系数的影响，对进气道进行优化。

2计算方法
对于增压汽油机的进气道，气缸内部形成较强的滚流可以保证火花塞附近在点火时刻有较强的湍动能，从而增大火焰传播的速度。

本文主要考虑通过优化进气道喉口位置附近的形状和进气道进口角来控制进气道内气流分离，使得大部分气流能够从喉口上侧顺畅地进入气缸，从而增强顺时针的滚流。

2.1几何模型
采用CAESES建立全参数进气道几何模型，喉口形状和进口角度可通过参数进行控制。

（a）（b）
（c）（d）
图1 模型对比
2.2仿真方法
由于模型关于中心轴面对称，故采用对称半模型进行网格划分和数值求解，出口段延长至2.5倍缸径，稳压腔、进气道和气缸顶部采用多面体网格，气缸延长段采用六面体网格。

采用停滞进口、压力出口，进出口压差为2.5kPa，仿真使用的半模型关于中心轴面对称。

图2 计算模型和网格
2.3数据处理
采用流体分析软件STAR-
CCM+对进气道进行稳态流动分析，主要对比变形前后的流量系数μσ和滚流比T R 。

流量系数μσ是实际质量流量与理论质量流量的比值，其理论质量流量是在假设没有流动损失的情况下，由气门座圈面积上的流速和压降求解所得。

其中，为实际质量流量，kg/s ；为理论质量流量，kg/s ；A v 为气门座
actual m theo m 圈面积，m 2；d v 为气门座圈内径，m ；ρm 为平均密度，kg/m 3；ρ为气缸内空气密度，k g/m 3；ρ0为环境密度，kg/m 3；P 0为环境压力，Pa ；△P 为进出口压降，Pa 。

滚流比采用FEV 定义方法，等于距离旋转中心轴0.275倍气缸半径处叶片的切向速度C T 与缸桶内气流平均轴向速度C A 的比值。

其中，叶片转速可认为与气缸中气流转速近似，气流转速参考AVL 滚流的计算方法，取样平面为0.5倍缸径处。

1/000p p p κ
ρρ⎛⎫-∆= ⎪⎝⎭()012m ρρρ=+对称面
0actual actual theo v m m m n A V σμρ=
= 24*v v A d π
=0V =T
R A
C T C =
其中，ω为叶片转速，rad/s ；W A 为轴向速度，m/s ；W 为轴向平均速度，m/s ；r i 为与气缸中心的距离，m ；a i 为单元面积，m 2。

3计算结果
3.1喉口形状对进气道性能的影响
对不同喉口形状的进气道进行仿真，得到在不同升程下流量系数和滚流比的对比曲线。

从流量系数来看，喉口下侧缩小时，由于附近流阻增大，相应的流量系数也有所降低（气门升程为4mm 时，流量系数降低11.4%）；而喉口上侧扩大时，其流量系数与原模型相比并无明显变化。

对于滚流比，当气门升程不大于4m m 时，流动稳定性差，如图4所示，喉口下侧缩小时，从上侧进入气缸的气流冲击缸盖，导致气流未能有效向下流动形成滚流；而当气门升程大于4mm 时，喉口形状对于滚
流比的影响并不大。

图3 性能对比
0.7275**2v T d C ω=24A v Q C d πρ=
22i i i i i r a r a ωω=∑∑i
i i W r ω=i A W W W
=-
喉口下侧缩小原模型喉口上侧扩大
图4 升程为4mm时流场对比
3.2进口角对进气道性能的影响
在保证进气道截面积变化规律不变的前提下，在上述喉口上侧扩大模型的基础上，改变进口角，得到在不同升程下流量系数和滚流比的对比曲线。

如图5所示，可以看出增大进口角后流量系数有所提高，另一方面，当气门升程在4~8mm 区间，滚流比也有比较明显的提高，这主要得益于当进口角增大时，进气道内流量分配更均匀，原本从喉口下侧流入气缸的气体改由上侧流入，如图6所示。

在升程为8mm时，其流量系数增大了7.94%，滚流比增加了22.9%。

图5 性能对比
原模型（即3.1中喉口上侧扩大的模型）进口角增大
图6 升程为8mm时流场对比
4结论
（1（通过对汽油发动机进气道进行稳态缸内流动计算，认为喉口下侧的形状对流量系数有明显影响，但在气门升程大于4mm时，喉口形状对滚流比的影响较小。

（2（适当增加进气道进口角可提高滚流比，这主要是因为减小了喉口下侧的进气量，使得上侧进气量增大，从而增强了气缸内形成的顺时针滚流。

（3（本文中进口角增大的进气道虽性能优于原进气道，但是喉口上下侧的流量分配仍有很大改善空间，后续可继续优化，在尽可能不降低流量系数的前提下，尽可能增大喉口上下侧的流量差，从而增大滚流比。

参考文献：
[1] 王瑾, 王天友. 汽油机滚流评价方法的模拟研究[C]// idaj中国区用户年会.
2013.
[2] 蒋德明. 高等车用内燃机原理[M]. 西安交通大学出版社, 2007.
[3] 彭北京, 邓定红, 胡军峰,等. 基于CFD的发动机进气道优化设计[J].
小型内燃机与车辆技术, 2009, 38(3):40-42.
[4] 陈泓, 林思聪, 张宗澜,等. 缸内直喷汽油机进气道优化设计研究[J]. 科技资讯,
2016, 14(36):98-100.。