基于米勒循环的进气道优化

基于米勒循环的进气道优化

杨文乐张峰昌骆富贵葛少虎

（海马轿车有限公司，郑州，450016）

(yangwl01@)

摘 要：采用某款均质混合气燃烧模式的增压直喷汽油机(GDI)的米勒循环发动机为例，通过对气道形状的改变，研究缸内流动对滚流比及湍动能的影响，结果表明在额定功率工况，滚流比和湍动能均有较大提高，进气道对缸内流动有较大影响。

关键词：GDI；米勒循环；进气道；滚流比；湍动能

Abstract：Taking the turbo charge gasoline direct injection engine (GDI) adopting homogeneous charge combustion mode which based on the Miller cycle as example. Investigated the tumble ratio and turbulence kinetic energy effect by the intake port shape change. The results show that in the condition of rated power, tumble ratio and turbulent kinetic energy were greatly improved, the intake port has a great influence on the flow in the cylinder.

Key words: GDI Miller cycle intake port tumble ratio turbulence kinetic energy

0 前言

全球的新油耗法规都在不断加严，中国也顺应趋势，提出节能减排政策和类似于欧洲的新油耗法规。法规给予汽车企业巨大的挑战，同时也指明努力的目标和方向，多年前的很多发动机新技术逐步成为现在和将来十年内的主流技术。GDI汽油机在燃油经济性、动力性等方面较传统的气道喷射（PFI）汽油机具有更大的发展潜力，而米勒循环是一种不对等膨胀/压缩比发动机的热力循环，由于膨胀比大于压缩比，因此能更好利用燃烧后废气仍然存有的高压，燃油效率比奥托循环更高。其在全负荷和部分负荷都可以降低燃油消耗率，米勒循环的GDI发动机无疑在燃油经济性方面会有更好的表现。

但是米勒循环发动机一般通过进气门早关或者晚关和提高压缩比来实现，由于改变了进气门相位，其缸内湍动能水平明显减弱，燃烧速率降低，GDI发动机燃烧系统结构一般由进排气道、燃烧室、活塞、喷油器和火花塞组成，要在缸内形成均匀的混合气，必须组织合适的气流运动和精确的喷油匹配。

采用均质混合气燃烧模式的GDI汽油机一般靠进气道来产生强烈的滚流运动以促使燃油与空气的混合，另一方面随着活塞的上行，滚流在压缩冲程后期破碎成湍流，这样有助于提高压缩终了时的湍流强度，以提高火焰传播速度，抑制爆震，减小循环变动保持燃烧稳定性[1-2]。

为了研究进气道的改变能否达到提高米勒循环混合气形成状态，本文以某款米勒循环GDI发动机为研究对象，采用两种不同滚流比进气道方案分别进行稳态和瞬态缸内流动模拟，并进行了稳态气道性能测试，分析进气滚流对缸内流动的影响，为GDI发动机的气道设计提供理论依据。

1进气道稳态性能分析

气道流动特性参数指标主要由流量系数和涡流（滚流）强度等，其中，流量系数直接决定了气缸的进气量，而滚流比的大小对缸内混合气的形成、发展、燃烧速度和稳定性等起着重要的作用，对于米勒循环的GDI汽油机来说希望获得尽量大的滚流强度，尽管提高滚流比会导致流量系数降低，但是对于增压汽油机来说，可以依靠增压来弥补减小的进气量。

1.1评价方法

对于气道的评价方法，国际上通常采用Ricardo、AVL、FEV和SERI等方法[3]，每种方法侧重点不同，应根据实际需要选择合适的方法。FEV方法与大多数以预测滚流比为目的的方法不同，它的评价是试验台上气道的特性参数，且该方法能够反映气道与缸径的匹配程度，对整机性能开发也非常重要[4]，因此选用FEV方法对气道进行分析，具体评价方法不再赘述。

1.2稳态气道计算与试验验证

为了得到较高滚流比进气道，在原进气道（以下简称A方案见图一）基础上经过多轮稳态计算，得到相对更高滚流比的优化进气道（以下简称B方案见图二）。

计算采用在进出口加固定压差对不同气门升程进行稳态CFD计算，以获得不同气门升程下的流量系数和滚流比并通过稳态进气道性能试验台架进行测试（见图3），以此来标定计算结果。最终用FEV平均评价方法，测量发动机在90%最大气门升程时所对应的流量系数和滚流比作为气道的平局流量系数和平均滚流强度，仿真计算结果显示滚流比提高了17.6%，而流量系数降低了9.1%，试验结果显示滚流比提高了13.3%，而流量系数降低了7.6%，仿真值比试验值略高。

图1 原方案模型

图2 优化方案模型图3 稳态气道性能试验

2 瞬态缸内混合气形成CFD计算

GDI发动机缸内混合气形成过程非常复杂，涉及到非定常、多维湍流运动、移动壁面、瞬态边界、喷雾、雾化、蒸发等等多方面，本文选择额定功率工况，采用ES-ICE软件和STAR-CD软件对进气和压缩过程进行模拟，边界条件和初始条件采用GT-POWER软件进行热力学仿真结果，并参照方案A台架试验性能测试结果对1D热力学模型进行标定，以此获得的1D边界条件相对更准确，其他壁面温度有也保持与1D模型一致，部分边界条件如图4所示。

使用ES-ICE软件采用Trim方法划分动网格，为了保证流动充分发展在进出口分别适当延长,活塞在下至点位置的三维模型如图5所示，网格总数100万左右。

图4 入口压力温度边界条件 图5 计算网格模型

3 计算结果

由图6-7可以看出滚流比和湍动能均出现两次峰值，滚流比第一次出现在气门升程最大附近，此时气门环形区域流速最大，缸内气流运动较强，之后，随着压缩行程活塞向上运动，使得缸内容积迅速减小，缸内行程大涡旋转半径变小，由角动量守恒可知其旋转速度将增大，于是形成第二个峰值。

随着活塞的继续上行，滚流结构与不断减小的燃烧室容积不相适应而剧烈破碎成小尺度湍流，滚流下降而湍动能迅速升高，与A气道相比，在压缩上止点附近，火花塞附近湍动能也较高，这非常有利于点火成功及早期火核的发展。

由于所研究的发动机采用涡轮增压，进气压力较高，虽然B气道流量系数有所减低，但对进气量影响较小见图8，在额定功率工况进气质量减小0.8%左右。

图6 两方案滚流比图7 两方案湍动能

图8 两方案进气量