增压PFI发动机进气道设计

大洪

　　改善缸内流场状况，提高点火时刻缸内湍动能是改善燃烧过程、减少污染排放的手段之一。本文以一款增压型PFI发动机为基础，利用CATIA正向建模技术，设计出一系列进气道结构，通过AVL FIRE软件进行模拟计算，经过反复设计与分析，选出可满足设计要求的进气道结构。
　　随着乘用车市场对高效、清洁内燃机的需求逐步加大，许多主机厂开始下大力度对车用发动机进行研发。在车用发动机开发过程中，燃烧系统开发一直是发动机设计与研发过程的重点与难点。如今在发动机进气道设计方面，也已从逆向开发转为正向建模，并逐步形成完整的数据库。
　　进气道与燃烧室额度关系
　　汽油机进气道可以简单分为充量型与滚流型两种：充量型进气道设计的侧重点为在保证所需要的滚流基础上尽量减小局部流动损失，以获得较大的流量系数，这类进气道在自然吸气发动机中应用较为广泛；在增压发动机中，进气密度的增加使发动机爆燃倾向有所上升，因此加快燃烧速度，提高气道的滚流强度，降低流量系数是减轻爆燃和不充分燃烧的重要方法，因此增压发动机多使用滚流型进气道。
　　在增压器有效运行的工况内，发动机进气量可以由压气机进行补充，这时对气道的流量系数要求不大，但是在低速小负荷工况，压气机不能提供增压压力时，进气道的流量系数就显得十分重要了。滚流型进气道设计的侧重点为在保证所需流量系数的基础上尽量提高滚流强度。本次开发所用PFI发动机样本的进气道是典型的充量型结构（见图1）。
　　

　　发动机外特性燃烧参数
　　在发动机处于低速大负荷运转时，由于转速相对较低，燃烧持续时间也比较长，爆燃倾向加大，在转速低于2000r/min是出现了点火推迟现象，可见基础燃烧系统存在升级的空间（见图2）。
　　缸内燃烧过程的模拟仿真
　　采用AVL-FIRE软件分别对进气过程、压缩过程形成的瞬态滚流比及湍动能进行分析，考察点火时刻湍动能分布及能量大小，同时结合燃烧放热率考察燃烧过程火焰传播形态。考虑到气门重叠角度较大，故利用AVL fame engine-plus进行动网格划分，移动网格保持在100万左右。计算方程采用k-zeta-f湍流模型，Hybrid wall treatment壁面函数求解近壁区域内的流动，采用有限体积法对控制方程进行离散。连续方程和动量方程采用中心差分格式，能量方程、湍流控制方程采用迎风差分格式。
　　根据热力学计算结果确定计算工况点边界条件，进气道入口给定瞬态流量与温度，排气道出口给定瞬态压力与温度，燃烧室壁面温度采用推荐常值。
　　

　　1.滚流比与湍动能分析
　　由于低速大负荷工况点存在较大的爆燃倾向，依据试验数据，2000r/min全负荷点火提前角为-2.5°，燃烧速度相对较低，压缩最大湍动能为18m2/s2，缸内下止点滚流比为0.4。同时根据滚流比曲线可知，进气初始阶段大量气体流过气门底部（见图3）。
　　从高速（5000r/min）全负荷滚流特性可以看出，随着进气充量的加大，滚流比曲线并没有呈现出大充量带来的明显滚流提升，缸内下止点滚流比为0.5，压缩最大湍动能为150m2/s2（见图4）。由此分析此进气道为充量型结构，对于增压机型，进气道应该采用滚流型结构，因此现有燃烧室结构存在优化空间。
　　2.燃烧过程分析
　　根据试验所采集的不同工况点火提前角、空燃比和缸压曲线，激活AVL-fire燃烧模型，对缸内燃烧过程进行计算，以试验缸压为基础，校核缸内进气量，调整影响燃烧过程的滞燃期与持续期因子，分析三维火焰传播是否存在不均匀现象，制定燃烧室设计改进方案。
　　通过分析缸压可知在2000r/min时燃烧过程由于爆燃的影响，电控系统推迟点火带来了燃烧过程的进行较为缓慢，因为2000r/min全负荷工况有待改善，这样的缺陷则与进气道的设计类型有关。
　　

　　进气道的优化与设计
　　稳态进气道流动特性可以直观的反应出流量系数与滚流比，因此在进气道的设计过程中可以预先判断其稳态特性，择优进行缸内瞬态流动分析。为了得到高精度的计算结果，对稳态气道模型进行局部流动加密，特别是气门座圈部分，网格尺寸0.25mm，网格尺寸最大为1mm，边界层为3层。
　　差分格式：动量方程采用MINMOD Relaxed 0.5；连续方程采用Central Differencing 1；湍流方程采用MINMOD Relaxed 0.5。松弛因子：Momentum 0.6；Pressure 0.4。
　　进气道入口采用半球形稳压箱结构，使进气气流呈现出大气环境，0.5D（缸径）处监测滚流变化趋势，2.5D（缸径）监测流量系数变化，其中滚流的定义采用AVL激光截面测速法，计算方法不再赘述。
　　计算模型进口采用总压0.1mPa，出口选择静压0.097mPa，压差3kPa，座圈直径30.5mm，为了便于数据统计与归纳，气门升程采用当量统计算法，选择最大气门升程开度，HV/DV=0.28，实际气门升程8.54mm。计算分析的网格模型，边界条件与结果输出如图5所示。
　　

　　进气道优化方案
　　根据分析得到，充量型进气道在发动机低速运转是滚流较低，高速随着进气充量的加大，一般缸内燃烧特性和排放质量优于低速特性，为了改善这种状况，确定滚流提升方案如下。
　　通过CATIA曲面造型软件进行进气道的正向建模，为了确保进气道优化不带来缸盖的较大修改，进气道入口和出口（即和进气歧管连接位置和气门座圈连接位置）保持不变，对气道拉伸脊线及气道截面进行修改，然后进行镜像完成气道设计。
　　若要将充量型进气道优化到滚流型进气道，最简单的方法为气道下表面上提，形成局部流动分离区，使大部分气流流经气门上部，最终在缸内形成旋转流场，但这样的设计会导致气道的流通截面减小，增加了气道本身的阻力，流量系数下降明显。另外一种设计思路为减小气道的弯曲弧度，将气道拉直，使气体切向进入气缸，这样可以避免气道本身流通截面的减小，同时提高了缸内的滚流（见图6）。
　　经过仿真计算分析得出，上述涉及修改方案改变了气道分叉角度，用来减小气道分叉方向流量分配，结果显示效果明显，流量系数0.48，相比原机下降15.7%，滚流比平均值-0.04。具备相对较大的滚流比。
　　

　　新气道的瞬态验证
　　在2000r/min工况下，优化后进气道的滚流比均比基础样机要高，而且在进气结束时刻在缸内形成了旋转流场；在5000r/min工况下，下止点滚流相比样机提高300%，符合瞬态对滚流的设计要求（见图7）。
　　结论
　　经过对一款增压PFI发动机台架试验数据进行分析，得出低速全负荷AI50出现的时刻较晚，燃烧效率较低，排放质量也较差，为了解决上述问题，采用模拟仿真手段对发动机缸内燃烧过程进行了计算，得出此进气道属于充量型结构，设计之初主要考虑发动机的高速动力性。为了解决低速燃烧稳定性以及改善发动机排放质量，同时降低燃油消耗率，特对进气道进行了优化，经过多轮对进气道结构的参数化设计和模拟验证，设计出一款流量系数下降不大，但滚流比提升明显的气道结构，此进气道能大大缩短燃烧持续时间，降低由增压带来的爆震倾向，提高了缸内燃烧等容度，再改善排放质量的同时提高了燃烧效率。
　　

jiangdulj

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