某增壓直噴汽油機(jī)進(jìn)氣道開(kāi)發(fā)

張宗瀾，陳泓，林思聰，劉明嘉，杜家坤，李鈺懷

廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434

0 引言

進(jìn)氣道幾何結(jié)構(gòu)對(duì)汽油機(jī)進(jìn)氣性能影響重大，是汽油機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，進(jìn)氣道影響缸內(nèi)氣體流量和滾流比，滾流比對(duì)汽油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有重要影響[1-4]。大量研究表明，高滾流比進(jìn)氣道可以加強(qiáng)汽油機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)，改善油氣混合質(zhì)量，增加點(diǎn)火時(shí)刻湍動(dòng)能強(qiáng)度[5-7]，加快燃燒速度，進(jìn)而獲得更好的燃燒相位。流量系數(shù)和滾流比均是評(píng)價(jià)進(jìn)氣道性能的重要參數(shù)，一般情況下，流量系數(shù)與滾流比是矛盾的，流量系數(shù)影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，不宜太低，進(jìn)氣道開(kāi)發(fā)的原則就是在保證合適的流量系數(shù)前提下盡量提高滾流比。目前汽油機(jī)廣泛采用高滾流比的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，常用數(shù)值模擬、氣道試驗(yàn)的方法評(píng)估進(jìn)氣道的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性[8-10]。

針對(duì)某2.0 L增壓直噴汽油機(jī)，設(shè)定合適的進(jìn)氣道性能目標(biāo)，進(jìn)行進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，試制氣道芯盒，采用三維粒子圖像測(cè)速(three-dimensional particle image velocimetry，3D-PIV)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)測(cè)試方法，研究進(jìn)氣道的性能，同時(shí)通過(guò)缸內(nèi)三維仿真分析進(jìn)氣道對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)影響，以獲得最優(yōu)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方案。

1 進(jìn)氣道性能參數(shù)

1.1 流量系數(shù)

通過(guò)氣門(mén)座的實(shí)際空氣流量與理論空氣流量之比稱(chēng)為流量系數(shù)μσ，計(jì)算公式為：

平均流量系數(shù)[11]

式中：α為曲軸轉(zhuǎn)角，°；vm為活塞平均速度，m/s；vα為活塞實(shí)際速度，m/s。

1.2 滾流比

在一定氣門(mén)升程下，垂直缸徑平面的氣體角速度與發(fā)動(dòng)機(jī)平均角速度之比稱(chēng)為滾流比。滾流比越大，燃燒效果越好，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力越強(qiáng)。

計(jì)算平面的旋轉(zhuǎn)角速度

式中：ωi為第i個(gè)單元相對(duì)滾流軸線的角速度，rad/s；ri為第i個(gè)單元到滾流軸線的距離，m；fi為速度場(chǎng)第i個(gè)單元速度，m/s；n為速度場(chǎng)單元數(shù)量。

發(fā)動(dòng)機(jī)平均角速度

滾流比

T=ωFK/ωMOT。

平均滾流比[11]

2 進(jìn)氣道方案

針對(duì)某增壓直噴汽油機(jī)性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)，設(shè)計(jì)與之匹配的進(jìn)氣道。發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)2種氣道方案，如圖1、2所示。2種氣道方案采用相同的喉口刀具、氣門(mén)及氣門(mén)座，入口截面形狀也完全一致。為便于分析方案差異，提出氣道的4個(gè)切入角參數(shù)，如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣道方案一 圖2 進(jìn)氣道方案二

2種進(jìn)氣道方案的切入角不同，如表2所示。方案二在水平投影方向上平直切入燃燒室，即內(nèi)、外切入角度A、B均為0°。在豎直方向上，兩種進(jìn)氣道方案具有相同的上切入角C，方案二的下切入角D更小，即進(jìn)氣道底部曲面的魚(yú)肚子形狀更加明顯。

表2 進(jìn)氣道切入角 單位：°

2種進(jìn)氣道方案匹配相同的燃燒室，燃燒室進(jìn)氣門(mén)的一側(cè)具有氣門(mén)遮蔽面，如圖3所示。遮蔽面與進(jìn)氣門(mén)之間的間隙較小，可減弱遮蔽面升程內(nèi)的氣體流動(dòng)。因發(fā)動(dòng)機(jī)采用米勒循環(huán)，氣門(mén)升程較小，燃燒室采用氣門(mén)遮蔽面以提升進(jìn)氣道在米勒循環(huán)下的平均滾流比。

圖3 燃燒室氣門(mén)遮蔽面

3 進(jìn)氣道3D-PIV測(cè)試

為提高測(cè)試準(zhǔn)確性及獲取氣道三維速度場(chǎng)特征，采用3D-PIV進(jìn)行進(jìn)氣道試驗(yàn)[12]，測(cè)試進(jìn)氣道的流量系數(shù)和滾流比。

氣道試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示，滾流測(cè)量平面位于缸蓋(芯盒)底面0.5倍缸徑處，缸套為透明玻璃材質(zhì)以獲取清晰的粒子成像平面。采用定壓差的測(cè)試方法，根據(jù)不同氣門(mén)升程調(diào)節(jié)離心式風(fēng)機(jī)頻率，控制壓差為-2.5 kPa。

圖4 3D-PIV氣道試驗(yàn)臺(tái)架

氣道試驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)備有：雙腔高能激光器，單脈沖能量為200 mJ；2臺(tái)CCD相機(jī)，分辨率為2360 pixels×1776 pixels；壓差傳感器，測(cè)量范圍為-10～10 kPa；質(zhì)量流量計(jì)，量程為720 kg/h；用于產(chǎn)生壓差的離心式變頻風(fēng)機(jī)，量程為960 m3/h；玻璃缸套；控制和計(jì)算流場(chǎng)的電腦。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，試制進(jìn)氣道芯盒，如圖5所示。2種芯盒的燃燒室、氣門(mén)及氣門(mén)座相同，芯盒與玻璃缸套采用膠圈壓緊密封。

圖5 進(jìn)氣道芯盒

圖6為氣道試驗(yàn)測(cè)量的不同氣門(mén)升程下各進(jìn)氣道的流量系數(shù)。由圖6可知：隨氣門(mén)升程的變化，2種氣道的流量系數(shù)呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，即先快速增加后趨于平緩。在氣門(mén)升程小于6 mm時(shí)，2種氣道的流量系數(shù)基本相同，原因?yàn)樾∩虝r(shí)的流量系數(shù)主要由氣門(mén)開(kāi)度決定；氣門(mén)升程大于6 mm時(shí)，方案一進(jìn)氣道各升程的流量系數(shù)比方案二偏大約3.7%，主要原因?yàn)?種進(jìn)氣道方案切入角不同，方案一進(jìn)氣道喉口截面面積略大，而大升程下的流量系數(shù)與氣道喉口截面面積正相關(guān)。

圖6 兩方案不同氣門(mén)升程下的流量系數(shù)

為提高測(cè)試精度，各氣門(mén)升程下的測(cè)試平面連續(xù)拍攝20次，分別進(jìn)行速度場(chǎng)計(jì)算，平均后再選取有效流場(chǎng)(缸徑范圍內(nèi))。試驗(yàn)流場(chǎng)中約1 mm2對(duì)應(yīng)一個(gè)速度矢量，包含3個(gè)方向的速度，以txt文本格式導(dǎo)出速度場(chǎng)數(shù)據(jù)。編制專(zhuān)用的速度場(chǎng)數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算滾流比，包含相機(jī)布置角度修正、流場(chǎng)圓心修正、滾流軸線尋找、批量處理等功能。

利用3D-PIV速度場(chǎng)數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算得到不同氣門(mén)升程下的滾流比，如圖7所示。由圖7可知，隨氣門(mén)升程的變化，2種氣道的滾流比呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)。1)最大滾流比均在氣門(mén)升程為1 mm處，隨后減小，在氣門(mén)升程4 mm附近滾流比最小，隨后滾流比逐步增大，氣門(mén)升程為5.0～7.5 mm時(shí)，方案二進(jìn)氣道滾流比增加更快。2)2個(gè)方案的滾流比在氣門(mén)小升程區(qū)間基本相當(dāng)，且滾流比較大，原因?yàn)樾∩虆^(qū)間的滾流比主要由燃燒室的進(jìn)氣門(mén)遮蔽面決定，遮蔽面阻礙了進(jìn)氣門(mén)一側(cè)的氣流進(jìn)入缸內(nèi)，大幅提升進(jìn)氣道小升程的滾流比；氣門(mén)升程大于6 mm時(shí)，與方案一相比，方案二進(jìn)氣道滾流比提升了約20%～25%，在氣門(mén)升程為9.79 mm時(shí)，方案二進(jìn)氣道滾流比達(dá)到3.13。

圖7 兩方案不同氣門(mén)升程下的滾流比

2種進(jìn)氣道方案部分升程下的0.5倍缸徑處PIV速度場(chǎng)對(duì)比如圖8、9所示(圖中數(shù)據(jù)為軸向速度與平均速度之比)。

a)升程為2.00 mm b)升程為6.12 mm c)升程為7.34 mm d)升程為8.57 mm e)升程為7.79 mm

a)升程為2.00 mm b)升程6.12 mm c)升程7.34 mm d)升程8.57 mm e)升程7.79 mm

由圖8、9可知: 1)進(jìn)氣道引導(dǎo)氣流高速運(yùn)動(dòng)，在缸內(nèi)形成了有規(guī)律的流動(dòng),氣流貼著排氣側(cè)缸壁(左側(cè))正向進(jìn)入缸內(nèi)，然后在進(jìn)氣側(cè)(右側(cè))反向流出，且反向流場(chǎng)區(qū)域(藍(lán)色區(qū)域)較大，為保持缸內(nèi)滾流強(qiáng)度提供了良好的條件；2)對(duì)比大升程下的速度場(chǎng)，方案二速度場(chǎng)中的反向流場(chǎng)更清晰，面積更大，說(shuō)明方案二進(jìn)氣道能夠在缸內(nèi)形成更強(qiáng)的滾流；3)進(jìn)氣道切入角對(duì)速度場(chǎng)中正向流場(chǎng)(紅色區(qū)域)分布有影響，方案一進(jìn)氣道正向流場(chǎng)有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，而方案二進(jìn)氣道有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，如圖8、9中箭頭所示；4)氣門(mén)升程為2 mm時(shí)，受進(jìn)氣門(mén)遮蔽面的影響，流場(chǎng)分布較規(guī)則，正、反向速度場(chǎng)占比基本一致，有利于形成滾流，與圖7中小升程下的高滾流比相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)各進(jìn)氣門(mén)升程下的流量系數(shù)及滾流比，計(jì)算平均流量系數(shù)及平均滾流比，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知：方案一進(jìn)氣道平均滾流比不達(dá)標(biāo)，平均流量系數(shù)偏大；方案二性能參數(shù)均達(dá)標(biāo)，與方案一相比，進(jìn)氣道的平均流量系數(shù)低2.6%，但平均滾流比提升了20.3%。

表3 進(jìn)氣道性能參數(shù)

在保證流量系數(shù)的基礎(chǔ)上，方案二大幅提升進(jìn)氣道的滾流，可保證點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)產(chǎn)生更強(qiáng)的湍流強(qiáng)度，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑸檩^優(yōu)方案。

4 缸內(nèi)流動(dòng)分析

為評(píng)估進(jìn)氣道與燃燒室、活塞的匹配情況，并進(jìn)一步分析進(jìn)氣道對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)的影響。利用Converge軟件建立缸內(nèi)流動(dòng)分析模型，如圖10所示。計(jì)算工況為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2250 r/min，平均有效壓力為1.2 MPa。

圖10 缸內(nèi)流動(dòng)分析模型

燃油噴射相位為曲軸轉(zhuǎn)角430°時(shí)的兩個(gè)進(jìn)氣道方案缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比如圖11所示。由于噴霧的影響，缸內(nèi)滾流比在進(jìn)氣行程出現(xiàn)增速變緩的趨勢(shì)，如圖11中虛線圓框所示，當(dāng)氣門(mén)升程最大時(shí)，瞬態(tài)滾流比達(dá)到峰值，然后減小，壓縮行程再次出現(xiàn)峰值。在進(jìn)氣及壓縮行程中，方案二的缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比均大于方案一，與進(jìn)氣道PIV穩(wěn)態(tài)滾流比試驗(yàn)結(jié)果一致，其中缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比的第二峰值增大約33%。方案二進(jìn)氣道增強(qiáng)了缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比，與燃燒室和活塞的匹配更好。

圖11 2種進(jìn)氣道方案的缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比 圖12 2種進(jìn)氣道方案的缸內(nèi)瞬態(tài)渦流比

2種進(jìn)氣道方案的缸內(nèi)瞬態(tài)渦流比如圖12所示。由圖12可知，在曲軸轉(zhuǎn)角450°后的過(guò)程中，方案二缸內(nèi)瞬態(tài)渦流比的絕對(duì)值均小于方案一，尤其在壓縮末期，壓縮上止點(diǎn)的渦流比降低了57%，表明方案二進(jìn)氣道與燃燒室和活塞的匹配更好。

缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比直接影響湍動(dòng)能的大小及分布。曲軸轉(zhuǎn)角為710°時(shí)刻2種進(jìn)氣道方案缸內(nèi)的湍動(dòng)能分布(圖中單位為m2/s2)如圖13所示。由圖13可知，方案二的湍動(dòng)能明顯高于方案一，且均勻地分布在火花塞附近，有利于提高點(diǎn)火后火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖13 曲軸轉(zhuǎn)角710°時(shí)刻兩方案缸內(nèi)湍動(dòng)能分布

5 結(jié)論

1)進(jìn)氣道切入角是氣道開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)，合適的切入角可以提高進(jìn)氣道滾流比，并保持流量系數(shù)基本一致。

2)燃燒室的氣門(mén)遮蔽面可以大幅提升小氣門(mén)升程下的滾流比，速度場(chǎng)分布更加規(guī)則。

3)方案二平均流量系數(shù)及滾流比分別為0.264、3.2，性能更優(yōu)，滿足氣道性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)；與燃燒室、活塞頂匹配更好，可以獲得較高的缸內(nèi)瞬態(tài)滾流及湍動(dòng)能，壓縮終點(diǎn)的湍動(dòng)能分布更加合理。