基于滾流比的某汽油發(fā)動機進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計和研究

胡德卿，熊 銳，吳 堅,2，謝火志，潘浩坤

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣州汽車集團有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

發(fā)動機進(jìn)氣道的設(shè)計布置對其經(jīng)濟性有重要的影響[1-3]. 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其關(guān)鍵部位的設(shè)計對其流動影響很大，因此找到這些關(guān)鍵部位并進(jìn)行一定的改進(jìn)是進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計的重要工作[4-6]. 傳統(tǒng)的進(jìn)氣道設(shè)計工作是在進(jìn)氣道試驗臺上反復(fù)試驗，通過經(jīng)驗得出數(shù)據(jù)，其時間周期長且具有一定的盲目性[7].

本文先通過試驗來驗證滾流比對發(fā)動機性能的影響，然后采用計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法對其進(jìn)氣道進(jìn)行仿真計算并驗證，再使用多目標(biāo)優(yōu)化(EMO)方法確定進(jìn)氣道優(yōu)化后的幾何參數(shù)，最后通過仿真驗證優(yōu)化結(jié)果.

1 進(jìn)氣道流動特性的評價方法

為了比較不同幾何參數(shù)的進(jìn)氣道的性能，本文用無量綱流量系數(shù)來評價不同氣門升程下進(jìn)氣道流通性能的好壞；用無量綱滾流比來評價不同氣門升程下氣道形成滾流的能力[8-11]，并采用AVL評價方法.

1.1 流量系數(shù)

在發(fā)動機進(jìn)氣道數(shù)值模擬計算中，無量綱流量系數(shù)Cf表示通過氣道的實際流量與理論流量之比本文采用出口邊界流量作為實際質(zhì)量流量mactual(kg/s). 理論質(zhì)量流量為：

對Cf按照AVL標(biāo)準(zhǔn)氣門升程曲線進(jìn)行積分計算，求得積分后的流量系數(shù)稱為平均流量系數(shù)Cfm：

式(2)中，cactual為活塞實際運動速度，m/s；caverage為活塞平均運動速度，m/s.

1.2 滾流比

在數(shù)值模擬計算中，假定缸內(nèi)流場平均軸向速度等于活塞平均速度，則滾流比TR為：

式(3)中，S為活塞沖程，m；為氣缸截面積，m2；m為質(zhì)量流量，kg/s；D為氣缸內(nèi)徑，m；npadd為葉片風(fēng)速儀轉(zhuǎn)數(shù)；nmot為假想發(fā)動機轉(zhuǎn)速.

對TR按照AVL標(biāo)準(zhǔn)氣門升程曲線進(jìn)行積分計算，稱為平均滾流比TRfm：

2 氣道流通特性試驗

2.1 氣道穩(wěn)流試驗

穩(wěn)流試驗是用來評定氣道的通流能力和形成滾流能力的主要方法. 在使用CFD數(shù)值模擬之前，國內(nèi)外研究者廣泛采用進(jìn)氣道的穩(wěn)流試驗，以獲得滾流比和流量系數(shù)等參數(shù)來評價氣道的流動特性.

氣道穩(wěn)流試驗臺如圖1所示，其測量原理是利用風(fēng)機抽氣在缸蓋氣道上下游形成一定的壓差，通過測量氣門升程、氣道壓差、氣體流量和風(fēng)速儀葉片轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)來計算出氣道流動特性相關(guān)的評價參數(shù).

在進(jìn)氣道穩(wěn)流試驗中, 使用葉片風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)速npadd來代替氣流轉(zhuǎn)速, 使用一個假想發(fā)動機轉(zhuǎn)速nmot來代替發(fā)動機轉(zhuǎn)速. 其中，流量是通過在連接管路內(nèi)放置熱線質(zhì)量流量計，氣體在缸內(nèi)的滾流轉(zhuǎn)數(shù)是通過在距離燃燒室0.5倍缸徑的模擬缸套處放置葉片風(fēng)速儀測量，測量原理是通過激光轉(zhuǎn)速傳感器測量缸內(nèi)葉片轉(zhuǎn)數(shù).

圖1 氣道穩(wěn)流試驗臺Fig.1 Intake port steady flow test bench

本文使用某1.5 TN汽油發(fā)動機氣缸蓋作為試驗對象如圖2所示，部分參數(shù)如表1所示. 其中方案A采用低滾流比氣道，方案B采用高滾流比氣道，使用氣道穩(wěn)流試驗臺，試驗?zāi)康臑榱蓑炞C滾流比與流量系數(shù)之間的關(guān)系. 分別測量各缸的氣道評價參數(shù)，再取其平均值，試驗測得各氣道數(shù)據(jù)如表2所示.

圖2 發(fā)動機進(jìn)氣道Fig.2 Engine ports

表1 部分參數(shù)Tab.1 Some parameters

表2 氣道數(shù)據(jù)Tab.2 Intake port data

由表2可知，在提高滾流比的同時，流量系數(shù)會相應(yīng)地下降，從而影響進(jìn)氣充量，降低功率輸出.

2.2 部分負(fù)荷試驗

同樣使用某1.5 TN汽油發(fā)動機作為試驗對象，選取整車常用的2 000 r/min進(jìn)行負(fù)荷特性試驗如圖3所示. 圖4為不同滾流比下部分負(fù)荷特性的燃油消耗對比試驗結(jié)果.

圖3 負(fù)荷特性試驗臺Fig.3 Load characteristic test

圖4 部分負(fù)荷試驗Fig.4 Partial power test

由圖4可知，在中低負(fù)荷區(qū)域，由于發(fā)動機機械效率較低，高滾流比對燃油經(jīng)濟性的改善并不明顯，各方案的燃油消耗率基本一致，但在中高負(fù)荷區(qū)域，高滾流比優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，其中15 bar負(fù)荷工況下，高滾流比比低滾流比減少3.96%的油耗.

由于滾流比的提高增加了湍流強度，火焰前鋒發(fā)生褶皺從而增加火焰?zhèn)鞑ッ娣e，有效地縮短燃燒期，提高放熱率，進(jìn)而改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性.

根據(jù)氣道穩(wěn)流試驗與部分負(fù)荷試驗可知，滾流比的提高能改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，滾流比提高的同時會對流量系數(shù)產(chǎn)生一定的影響. 本文研究目標(biāo)基于EMO優(yōu)化進(jìn)氣道幾何參數(shù)，在提升滾流比的同時，使流量系數(shù)下降盡可能減小甚至不變.

3 數(shù)值模擬與試驗驗證

3.1 建立數(shù)值模擬模型

使用1.5 TN發(fā)動機第3缸高滾流進(jìn)氣道建立計算模型如圖5所示. 為了模擬進(jìn)氣道入口連接大氣壓的試驗情況，使入口壓力分布更接近于真實值，在進(jìn)氣道入口處建立一個邊長為100 mm的方形穩(wěn)壓腔，并考慮在出口邊界處氣流的擾動，需要保持一定的收斂性，因此將氣缸拉伸為2.5倍缸徑.

將所建立的三維數(shù)模導(dǎo)入STAR-ccm+進(jìn)行網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置，網(wǎng)格參數(shù)設(shè)定最大網(wǎng)格尺寸為4 mm，最小網(wǎng)格尺寸為1 mm，考慮到實際氣流黏度對于結(jié)果收斂性，設(shè)置邊界層數(shù)為4，邊界層厚度為0.5 mm. 網(wǎng)格類型選擇棱柱層網(wǎng)格和多面體網(wǎng)格并選擇表面修復(fù)功能，表面網(wǎng)格和體網(wǎng)格均采用統(tǒng)一網(wǎng)格類型. 由于實際氣道氣體流速小于1馬赫數(shù)，物理模型選擇耦合流，考慮到計算精度及收斂性，選擇默認(rèn)的K-Epsilon湍流模型.

根據(jù)AVL氣道評價標(biāo)準(zhǔn)，在給定邊界條件與初始條件的情況下，對進(jìn)氣道在不同升程下進(jìn)行穩(wěn)流數(shù)值模擬計算.

圖5 生成的網(wǎng)格單元Fig.5 Grid cells

3.2 計算結(jié)果與試驗驗證

計算氣缸在不同升程下(hv=1～10 mm)的進(jìn)氣道性能. 圖6給出了在不同氣門升程下三維氣道穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比. 表3給出了積分流量系數(shù)與積分滾流比仿真與試驗的誤差值. 由此可知，所建立的三維穩(wěn)態(tài)仿真模型與試驗擬合較好，流量系數(shù)誤差值為2.32%，滾流比誤差值為3.72%.

圖6 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果Fig.6 Simulation results and test results

表3 積分流量系數(shù)與積分滾流比Tab.3 The integral flow coefficient and the integral tumble ratio

4 多目標(biāo)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

4.1 進(jìn)氣道優(yōu)化方案設(shè)計

氣道中心線偏轉(zhuǎn)角影響著氣流與氣門盤接觸時動量矩的大小[12]. 主要是當(dāng)氣道中心線偏轉(zhuǎn)角變大時，由于導(dǎo)向作用，增加了氣門盤處流向排氣門方向的氣流，從而增加滾流強度. 喉口下壓角[12]能夠減少氣流在喉口處的動量損失，提高流通性能，但也會使得氣流在切向段導(dǎo)向能力減弱，使氣流產(chǎn)生“撞壁現(xiàn)象”，降低滾流比，如圖7所示.

綜上所述，氣道中心線偏轉(zhuǎn)角和喉口下壓角的選擇對進(jìn)入缸體內(nèi)氣體的流動狀態(tài)影響較大，故本文主要對氣道中心線偏轉(zhuǎn)角α與喉口下壓角β進(jìn)行優(yōu)化，如圖8所示.

圖7 氣道流速標(biāo)量圖Fig.7 Flow chart

圖8 優(yōu)化參數(shù)Fig.8 Parameter optimization

根據(jù)表4變量取值范圍，得出設(shè)計數(shù)組為36組，基于最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計選取6組作為處理對象，如表5所示.

最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計改進(jìn)了隨機拉丁超立方設(shè)計的均勻性，使所有試驗點盡量均勻地分布在設(shè)計空間，具有非常好的空間填充性和均衡性[13-14].

表4 優(yōu)化設(shè)計方案Tab.4 Optimization design scheme

表5 最優(yōu)拉丁超立方抽樣Tab.5 Optimal Latin hypercube sampling

4.2 近似模型的擬合及驗證

根據(jù)初始設(shè)計方案建立三維穩(wěn)態(tài)計算模型，將α和β作為變量，在三維穩(wěn)態(tài)氣道模型進(jìn)行計算并得出結(jié)果如表6.

表6 部分計算結(jié)果Tab.6 Partial calculation result

將α和β作為輸入，將計算結(jié)果作為輸出，應(yīng)用4階響應(yīng)面模型[15]，建立α和β關(guān)于流量系數(shù)和滾流比的近似模型. 在設(shè)計參數(shù)取值范圍中隨機選擇4組設(shè)計數(shù)組進(jìn)行計算，并將計算結(jié)果與近似模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比對，對比結(jié)果如表7所示，由計算結(jié)果可知，近似模型輸出變量的誤差都能控制在2%左右，說明該近似模型有較高的精確度，可以用該近似模型進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化.

4.3 多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化

應(yīng)用帶精英策略的非支配排序遺傳算法[16-18](NSGA-Ⅱ)對氣道中心線傾斜角α和喉口下壓角β進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置流量系數(shù)不變，滾流比為最大值. 其中，種群規(guī)模為100，代數(shù)為200，交叉率為0.9，交叉分布指數(shù)為10，變異分布指數(shù)為20. 優(yōu)化得出Pareto前沿如圖9所示，本文在保持一定流量系數(shù)的同時,盡可能提高滾流比,據(jù)此確定Pareto最優(yōu)擬合解如表8所示.

表7 計算結(jié)果與近似模型預(yù)測結(jié)果對比Tab.7 The calculated results are compared with the predicted results

圖9 Pareto前沿Fig.9 Pareto

表8 Pareto最優(yōu)擬合解Tab.8 Pareto fitting solution

根據(jù)優(yōu)化參數(shù)重新對氣道進(jìn)行設(shè)計，并建立三維穩(wěn)態(tài)仿真模型，計算得出優(yōu)化后結(jié)果如圖10所示，可知在流量系數(shù)不變的情況下，滾流比提高了5.82%.

圖10 優(yōu)化結(jié)果Fig.10 The optimization results

優(yōu)化后的氣道在流量系數(shù)不變的前提下，一定程度地提高了滾流比，有利于在不降低發(fā)動機功率輸出的同時降低發(fā)動機的油耗，其優(yōu)化結(jié)果為發(fā)動機改善燃油經(jīng)濟性提供了一定的思路.

5 結(jié)論

本文通過氣道特性試驗驗證了滾流比對燃油經(jīng)濟性的影響. 滾流比的提高能夠改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，但同時也會對流量系數(shù)產(chǎn)生影響.

通過CFD數(shù)值模擬方法對發(fā)動機進(jìn)氣道進(jìn)行仿真計算，所建立的三維穩(wěn)態(tài)計算模型能夠較準(zhǔn)確地模擬進(jìn)氣道的流量系數(shù)和滾流比，其仿真結(jié)果為發(fā)動機進(jìn)氣道的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù).

氣道中心線偏轉(zhuǎn)角α影響著氣流與氣門盤接觸時動量矩的大?。缓砜谙聣航铅轮苯佑绊懝艿纼?nèi)氣流速度大小、方向的變化速率. 氣道中心線偏轉(zhuǎn)角α與喉口下壓角β對氣道流通特性影響較大.

折衷流量系數(shù)與滾流比之間的影響，對汽油發(fā)動機進(jìn)氣道進(jìn)行了設(shè)計，結(jié)果顯示在保證流量系數(shù)不變的情況下，滾流比提高了5.82%，最終獲得了提升氣道滾流比的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果.