高熱效率混合動力自然吸氣汽油機(jī)提高進(jìn)氣道流通能力方法研究

李偉 高洪宇 錢丁超 宮艷峰

（中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：自然吸氣汽油機(jī) 進(jìn)氣道 缸蓋 燃燒室 CFD

0 簡介

對于采用混合動力技術(shù)的車輛來說，提高燃油經(jīng)濟(jì)性是汽油機(jī)開發(fā)的中心環(huán)節(jié)，而實現(xiàn)這一目的的有效方法是通過提高壓縮比實現(xiàn)更高的熱效率。壓縮比的提高必然帶來爆震增加的風(fēng)險，為了降低爆震，采用廢氣再循環(huán)（EGR）是必須的關(guān)鍵技術(shù)。但是缸內(nèi)廢氣量的增加會造成燃燒速度變慢，燃燒重心推遲，燃燒持續(xù)期變長。點火角提前是一種辦法，提高缸內(nèi)充量的湍流強(qiáng)度是另一種辦法。通常，通過增強(qiáng)缸內(nèi)渦流、擠氣流和滾流可以顯著提高缸內(nèi)湍流強(qiáng)度。但對于自然吸氣汽油機(jī)來說，更高的進(jìn)氣滾流必然造成進(jìn)氣量的減少，而進(jìn)氣量又決定了汽油機(jī)的動力性。因此，在保持高進(jìn)氣流量系數(shù)的同時，有效地提高滾流的技術(shù)是必不可少的[1-2]。

一汽集團(tuán)全新開發(fā)了一款用于混合動力的2.0L直列4缸自然吸氣（NA）汽油機(jī)，采用高壓縮比、高EGR結(jié)合高速燃燒技術(shù)實現(xiàn)更高的動力性和熱效率。為了實現(xiàn)快速燃燒必須盡可能提高缸內(nèi)湍流強(qiáng)度，同時保證足夠高的流量系數(shù)。為此，借助CFD模擬仿真技術(shù)，針對進(jìn)氣道流通截面面積變化、氣道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸控制、缸蓋燃燒室結(jié)構(gòu)影響流通能力的因素進(jìn)行規(guī)律性研究和優(yōu)化設(shè)計。

1 進(jìn)氣道流通特性

通常情況下，流過某一段截面時的氣體流動狀態(tài)采用無量綱流量系數(shù)（Cf）來評價。流量系數(shù)定義為：在一定壓力降的條件下，實際流過的氣體流量與不考慮氣體壓縮和流動損失下的理論流量之比。

其中，mreal為實際流量，在試驗臺架或CFD計算中都可以得到。mth為理論流量，計算公式如下：

Δp為缸筒內(nèi)與外界的壓差，ρ為空氣密度，Advin為進(jìn)氣道等效流通面積。

模擬計算中無量綱滾流比（Rt）的計算公式如下：

式中，M為動量矩，S為沖程，Qreal為體積流量。

從大量的穩(wěn)態(tài)試驗及計算結(jié)果看,都顯示流量系數(shù)和滾流比之間呈現(xiàn)的是“此消彼長”（Trade-off）的關(guān)系（見圖1），單純提高滾流比必然造成流量系數(shù)的降低。另外，通常落在帕雷托前沿上的數(shù)據(jù)點均為較優(yōu)結(jié)果，如果對與進(jìn)氣流動相關(guān)的所有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計,可將帕雷托前沿向圖1的右上方即綜合流通性能最優(yōu)方向移動。

圖1 滾流比與流量系數(shù)之間的關(guān)系

2 模擬計算邊界條件

本文所有結(jié)果均來自穩(wěn)態(tài)模擬計算，計算軟件為Star_CCM+。采用統(tǒng)一的計算標(biāo)準(zhǔn)：中心為四面體網(wǎng)格，壁面附近拉伸出棱柱邊界層。最大單元尺寸為5 mm，并針對氣門、氣門座圈及氣道處的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。湍流的模擬在主流區(qū)域采用k-ε雙方程湍流模型，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程進(jìn)行處理[3]。計算模型為全尺寸完全對稱氣道模型，進(jìn)氣門直徑33 mm，最大氣門升程9.5 mm，氣門升程8 mm（升程/氣門直徑=0.25），停滯入口，計算總壓力5 kPa，出口壓力0 kPa。固定壁面采用絕熱無滑移邊界條件。

為了將計算結(jié)果與試驗結(jié)果對應(yīng)，計算模型采用“T”型筒結(jié)構(gòu)，將缸蓋滾流運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的剛性渦?！癟”型筒直徑與缸徑（B）相等，短筒長度為1×B，長筒單邊長度為1.75×B。為增加計算時的進(jìn)氣穩(wěn)定性，進(jìn)氣道入口添加一個直徑為2×B，長度為1×B的圓柱形穩(wěn)壓腔（圖2）。

圖2 計算域網(wǎng)格及尺寸定義

3 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對流動影響

對于4氣門汽油機(jī)來說，進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)主要采用單入口雙出口對稱布置。將進(jìn)氣道各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計（圖3），通過單獨改變各參數(shù)的數(shù)值研究各參數(shù)變化對進(jìn)氣流動的影響。研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣道主軸線與進(jìn)氣門中心線之間夾角（port_angle）對滾流比和流量系數(shù)影響很大，進(jìn)氣道入口面積與進(jìn)氣座圈喉口面積的比值（port_extend）變化對缸內(nèi)流動也有顯著影響。在進(jìn)氣道設(shè)計過程中合理控制這兩個變量可實現(xiàn)較佳的綜合流通能力。

圖3 進(jìn)氣道主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化

3.1 進(jìn)氣道傾角

在固定氣門傾角（valve_angle）狀況下，進(jìn)氣道傾角（port_angle）從41°逐漸增大到52°。從計算結(jié)果可以看到（圖4），隨著進(jìn)氣道傾角（port_angle）的增大流量系數(shù)逐漸降低，最大降幅7.7%。滾流比逐漸增高，最大增幅24.3%。進(jìn)氣道傾角（port_angle）對滾流比的影響更為顯著。不過，超過46°后流量系數(shù)已無法滿足發(fā)動機(jī)性能要求。因此，從綜合流通性能看進(jìn)氣道傾角（port_angle）的合理范圍在44°～46°之間。

圖4 進(jìn)氣道傾角對流量系數(shù)和滾流比的影響

3.2 進(jìn)氣道入口面積

在保持進(jìn)氣座圈結(jié)構(gòu)尺寸和氣道傾角（port_angle=46°）不變的前提下，通過控制進(jìn)氣道入口面積與進(jìn)氣座圈喉口總面積（單個座圈喉口面積×氣門數(shù)）的比值（port_extend）來改變進(jìn)氣道入口大小，port_extend從0.6變化到1.6（圖5）。從圖6所示的流量系數(shù)和滾流比隨port_extend變化情況可以看出，隨著port_extend值逐漸增大，流量系數(shù)呈增大趨勢，在port_extend=1.4時流量系數(shù)達(dá)到最大值，繼續(xù)增大比值流量系數(shù)開始減小。滾流比在port_extend小比值時較高，當(dāng)port_extend=0.7時達(dá)到峰值。比值從0.7到1.0滾流比逐漸降低，比值大于1.0后滾流比又開始增大，但增幅緩慢。

圖6 流量系數(shù)和滾流比隨port_extend變化情況

圖7是過單個氣門中心線截面的流速云圖。從圖中可以看出，小比值時氣流處于增速膨脹過程，并使氣門前端流速較高，因此滾流比較強(qiáng)。隨著比值的增大，氣門后端的流速逐漸增大，氣門前后端流速干涉造成滾流比逐漸降低。當(dāng)比值超過1.0后，因為入口面積超過座圈喉口面積，氣道入口的氣流處于減速壓縮過程，進(jìn)氣量逐漸增加，因此流量系數(shù)逐漸增大。隨著入口到喉口面積的收縮，流速逐漸增加，雖然氣門前后端氣流干涉較嚴(yán)重，但在流量和流速同時增加的作用下滾流比緩慢增大。

圖7 不同port_extend比值缸內(nèi)流速云圖

4 缸蓋燃燒室結(jié)構(gòu)對流動影響

在進(jìn)行進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計時發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣道形狀、走向無論怎樣趨近最優(yōu)結(jié)構(gòu)，但流量系數(shù)就是無法大幅提高。通過對CFD模擬出的缸內(nèi)流場進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)缸蓋燃燒室的布置結(jié)構(gòu)對流動有極大影響。燃燒系統(tǒng)采用高壓縮比方案必須減小壓縮容積，一方面優(yōu)化活塞頂形狀，一方面增加缸蓋燃燒室擠氣面積。增加缸蓋燃燒室擠氣面積帶來的問題是氣門到燃燒室壁面距離減小，流通阻力增大，因此缸蓋燃燒室的形狀和結(jié)構(gòu)需要合理設(shè)計與優(yōu)化。本文主要研究缸蓋燃燒室邊緣倒圓角大小和氣門傾角對燃燒室容積及流通能力的影響。圖8顯示的是2種邊緣倒圓角大小和2種氣門傾角的組合方案。

圖8 缸蓋燃燒室不同結(jié)構(gòu)方案

圖8中chamb-1是大圓角（R=15 mm），chamb-2是小圓角（R=8 mm），氣門傾角不變，擠氣面積相同。從圖中可以看到圓角R的大小決定了氣門與壁面之間遮擋面積的大小，近似masking作用，會提高低氣門升程時的滾流比，相應(yīng)降低了流量系數(shù)。圖9顯示小圓角方案流量系數(shù)提高9.3%，滾流比降低23.1%，大圓角滾流比明顯高于小圓角方案。

缸蓋燃燒室刀具修正高度L和氣門密封面到燃燒室邊緣距離W（圖10）同樣對進(jìn)氣流動有影響，為此通過直接提高缸蓋底平面的方法，計算驗證這兩個結(jié)構(gòu)尺寸對流動的影響。缸蓋底平面分別提高1 mm、2 mm、3 mm和4 mm，從圖10可以看出W值逐漸從2.89 mm增大到5.78 mm，流量系數(shù)逐漸增大，滾流比顯著降低。與原設(shè)計相比流量系數(shù)最大提高12.2%，滾流比最大降幅44%（見圖11）。CFD計算結(jié)果顯示（圖10右側(cè)速度云圖），隨著W值的增加，L值逐漸減小，在二者共同作用下，氣門后端流通面積逐漸增大，氣門周圍總的流通面積都在增大，因此流通能力增強(qiáng)。另外，隨著氣門后端氣流流速的增加，氣門后端流入缸內(nèi)的氣流與氣門前端的氣流干涉加重，是造成滾流比降低的主要原因。

圖9 缸蓋燃燒室邊沿圓角對流動的影響

圖10 降低缸蓋底平面高度對流隙的影響

圖11 降低缸蓋底平面高度對流動影響

在進(jìn)行缸蓋燃燒室結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)流動影響研究中氣門升程仍然采用8 mm，主要原因是為了避免masking的影響，另外小氣門升程計算受網(wǎng)格密度的影響，計算精度無法保證。

以上分析結(jié)果為缸蓋燃燒室設(shè)計提供了一種思路，在保證缸蓋燃燒室總高度不變的前提下，通過增大氣門傾角的方式減小刀具修正高度L可有效提高流量系數(shù)。以燃燒室棚頂O為原點，分別將進(jìn)排氣斜面OA和OB向下傾斜到OA′和OB′,完全消除刀具修正高度L（圖12）構(gòu)成圖8中的chamb-4的增大氣門傾角的方案。圖8顯示chamb-4的容積與chamb-1相比減少8.3%，這更有利于高壓縮比時活塞頂面形狀的優(yōu)化設(shè)計。圖9顯示chamb-4與chamb-1相比，流量系數(shù)有大幅提高，增幅達(dá)13%，滾流比降低14.9%，由此可見在保持氣道結(jié)構(gòu)不變的前提下，缸蓋燃燒室結(jié)構(gòu)對提高流通能力有重要影響。

圖12 調(diào)整氣門傾角的方法

5 結(jié)論

本文主要研究了進(jìn)氣道傾角、入口面積大小、缸蓋燃燒室結(jié)構(gòu)及氣門遮擋長度對進(jìn)氣流通能力的影響，同時提出一種缸蓋燃燒室設(shè)計的思路。

（1）進(jìn)氣道傾角是進(jìn)氣道設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，氣道設(shè)計優(yōu)化時需優(yōu)先確定這一參數(shù)，從分析結(jié)果看，進(jìn)氣道傾角在44°～46°之間最優(yōu)，對于不同氣門傾角進(jìn)氣道傾角會有調(diào)整，但不會偏離太多。

（2）進(jìn)氣道入口面積與座圈喉口面積的比值不是越大越好，應(yīng)根據(jù)流量系數(shù)和滾流比的需求綜合考慮，通常情況下應(yīng)以最大流量系數(shù)為準(zhǔn)則，滾流比的優(yōu)化可以通過控制進(jìn)氣道形狀和截面面積的方法實現(xiàn)。

（3）缸蓋燃燒室的設(shè)計對進(jìn)排氣流動有重大影響，單純提高氣道流通能力還不能實現(xiàn)最優(yōu)的進(jìn)排氣流動。

提高氣門傾角可有效改善進(jìn)氣流通能力，同時減小缸蓋燃燒室容積，但如果完全取消氣門遮擋不利于滾流比的提高。因此應(yīng)該預(yù)留1～2 mm高度的氣門遮擋，這會降低氣道開發(fā)的壓力。