论文摘要：应用稳态CFD数值分析方法对两种高、低滚流比进气道进行了分析，高滚流比气道较低滚流比气道流量系数降低16%，但滚流比提高22%。基于这两种气道对某缸内直喷增压汽油机进气和压缩两冲程油气混合的影响进行了瞬态CFD分析，结果表明，高滚流比气道在缸内能形成更规则的大尺度漩涡，而且缸内瞬态滚流比更高，两种对称气道瞬态涡流比基本为零。进气道流量系数对增压发动机进气充量影响较小。高滚流比气道的缸内油气分布比低滚流比气道更均匀，湍动能也高于低滚流比气道。因此，缸内直喷增压汽油机宜采用高滚流比气道。最后通过试验进行了验证，结果表明，高滚流比气道燃烧在低速1500r/min满负荷时提前5 CA左右，中速3000r/min满负荷时提前3 CA左右，高速时两者差别不大。高滚流比气道燃烧持续期较低滚流比气道缩短2 CA左右。高滚流比气道缸内平均指示压力循环波动系数较低滚流比气道有较明显的降低，燃烧稳定性改善20%~30%，同时，比油耗降低5%~10%。
论文关键词：进气道,缸内直喷汽油机,涡轮增压,滚流比,发动机性能
引言
近年来，随着全球能源危机和环保问题的日益严峻，改善燃油经济性，降低CO和尾气排放成为内燃
机行业面临的重大挑战。汽油缸内直喷能够更准确地控制燃油喷射和混合气形成，因而能提高发动机燃油经济性和动力性，减少冷启动排放，且具有更良好的瞬态响应性能。另外，利用增压可以提高进气密度，
增加进气量，从而更大幅度地提高动力性。在欧洲和日本，通过引进汽油缸内直喷、增压、减小排量等技术，整车燃油经济性比传统非增压、气道喷射汽油机可提高15%到20%，已经很接近柴油机水平，排放已达到欧5，并且可实现欧6。因此，汽油机采用缸内直喷与涡轮增压相结合技术成为满足较低CO排放法规的重要技术之一。而且，随着更为严格CO排放法规的出台，各大公司有往小排量缸内直喷增压汽油机的开发趋势。
尽管GDI汽油机优点众多，但在开发过程也有许多问题有待进一步解决，比如要避免汽油喷射“湿壁”现象造成的机油释稀，分层充气燃烧后处理，增压均匀混合爆震等问题。目前，利用CFD分析成为GDI燃烧系统的前期开发重要手段之一。本文首先对某款排量为2.0L的缸内直喷增压汽油机的两种高、低滚流比气道进行了稳态CFD分析，然后针对这两种不同滚流比气道进行了缸内油气混合瞬态CFD分析。最后在发动机性能试验台架上进行了验证。
1进气道稳态CFD分析
进气道稳态CFD分析几何模型一般包括进气道、进气门、进气门座、燃烧室顶部、2.5倍缸径的模拟缸套和进口稳压腔。进气道三维稳态模拟分析流动控制方程有连续性方程，动量守恒方程，能量守恒方程和气体状态方程。湍流模型采用高雷诺数 模型；离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法；空间网格采用中心差分格式；固定壁面边界采用绝热无滑移，壁温300K；在近壁区，为了避免在近壁区使用过细的计算网格，减少计算时间，采用壁面函数对边界层进行处理。与气道稳态试验台类似，进出口采用定压差方法，压差设定为7.84kPa。
1.1稳态CFD进气道数值评价方法
对于气道评价方法，国际上普遍采用Ricardo，FEV，AVL和SRI等方法进行评价，国内普遍用的较多的是Ricardo和AVL方法，但目前FEV方法也逐渐被采用。Ricardo和AVL方法计算某一气门升程下气道的流量系数是以气门座的最小内径为参考直径，因此这两种方法更多的是对气道本身进行评价，而FEV方法的流量系数计算是以缸径为参考直径，因此这种方法更多的评价是偏向于气道与发动机的匹配的合适程度，在某种意义上来说，该种方法对整机性能开发来说更重要。
结合上述评价方法，本文研究的气道在最大气门升程下（或在气门升程为0.3倍的气门座最小内径下）进行评价，流量系数计算以缸径为参考直径，滚流比在0.5倍的缸径上进行计算，如图1所示。
图1稳态CFD进气道数值评价方法示意图
Fig.1Schematicsofintakeportassessmentmethod
流量系数计算公式如下：
 （1）
 （2）
 （3）
上式中：C为流量系数；m为流经气道的实际流量；m为流经气道的理论流量；A为计算参考直径；△为气道压降；ρ为进气密度；d为缸径。
滚流比计算公式如下：
 （4）
 （5）
 （6）
上式中：R为滚流比；ω为0.5倍缸径面上绕旋转轴的角速度；ω为假想的发动机转速；m为单元网格的质量；v为单元的切向速度；r为单元中心到旋转轴的距离；S为发动机行程。
1.2两种方案气道计算结果分析
如图2所示，修改进气道形状，改变气道喉口处截面积，导致两种气道HTPort和LTPort的滚流比和流量系数不同。图3为两种气道在数据库中落点位置对比图，流量系数和滚流比通过稳态CFD数值评价方法分析得到。从图中可以看出：HTPort流量系数比LTPort下降了16%左右，但滚流比比LTPort提高22%左右，滚流比提升较明显。计算与试验结果相差在3%以内，两者吻合较好。
 
图2高、低滚流比气道几何对比
Fig.2Geometrycomparisonofhighandlowtumbleports
图3高低滚流比气道流动性能对比
Fig.3Flowperformancecomparisonofhigh
andlowtumbleports
2缸内瞬态CFD分析
所研究的发动机为一台排量为2L的缸内直喷增压汽油机，发动机的主要参数如表1所示。
本文计算进气和压缩两个冲程，工况为1500r/min全负荷，计算模型如图4所示，进、排气道出入口采用压力和温度边界，边界条件来自WAVE一维模型。其它壁面设置相应的温度边界条件。喷油从压缩上止点420CA开始，每循环喷油量为70.35mg，喷油持续期为31.1CA。 1/3 1 2 3 下一页 尾页 |
