摘 要

缸内直喷（GDI）汽油机在动力性以及燃油经济性上相比传统汽油机均有突出的优势。如今，GDI技术在汽油机上的广泛应用，是其发展的主要方向。而进气道的几何结构对于GDI汽油机进气过程、汽油和空气的混合和燃烧做功过程有很大的影响。对于GDI汽油机而言，涡流的增加对汽油机性能的提升效果不甚明显，而滚流对于汽油机性能的提升更加明显。进气滚流在压缩过程能得到加强，在压缩末期，大尺度滚流将进一步裂解成小尺寸的涡团，使汽油机湍动能加强，有利于提高燃烧速率，抑制爆震，减少燃烧变动，提高稀燃能力，改善发动机性能。

本文通过对某一GDI汽油机原型机进行稳态及瞬态条件下的CFD数值模拟仿真分析，通过稳态数值模拟，得出该GDI汽油原型机流量系数以及滚流比等气道评价参数结果。通过结果分析该原型机进气道滚流比过小，导致该GDI原型机燃烧速率过慢，性能不足。根据对该GDI汽油机原型机的CFD数值模拟仿真结果分析，提出多种有关进气道结构的优化方案。希望通过改变进气道倾斜角，使得在尽可能较少地降低流量系数的情况下增大滚流比。

对优化后的进气道进行不同气门升程下的稳态数值仿真，通过与原机结果进行对比，发现优化后的进气道性能评价指数中的流量系数有少量减少，而滚流比有较大的提高。而通过对优化后进气道的瞬态数值仿真分析，与原机型的瞬态结果进行对比，优化后机型在滚流比、湍动能、最大压力、燃烧速度等性能均有提高。

并且通过对多个优化后的进气道稳态及瞬态结果进行分析，发现切向进气道进气倾斜角与滚流比呈现相关性，倾斜角度越大，滚流强度越大，缸内流动的湍动能越大，对均匀可燃混合气的形成以及燃烧越有利。

关键词：GDI汽油机；进气道优化；计算流体动力学；滚流比；湍动能

Abstract

Gasoline Direct Injection (GDI) engine have outstanding advantages in terms of power and fuel economy compared to traditional gasoline engines. Today, the widespread use of GDI technology in gasoline engines is the main direction of its development. The geometry of the inlet channel has a great influence on the intake process of the GDI gasoline engine, the mixing of gasoline and air, and the combustion process. For the GDI gasoline engine, the strengthen of eddy current is negligible for the performance improvement of the gasoline engine, while the enhance of tumble flow is much more obvious. The intake tumble flow can be strengthened during the compression process. At the end of compression, the large-scale tumble flow will be further cracked into small-sized vortexes, which will enhance the turbulent energy of the gasoline engine, and then this will increase the burning rate, suppress knocking, reduce combustion variation, and improve Lean burn capacity to improve engine performance.

In this paper, the CFD numerical simulation and analysis of a GDI gasoline engine prototype under steady-state and transient conditions are carried out. Through the steady-state numerical simulation, the airflow evaluation parameters such as the flow coefficient and the tumble ratio of the GDI gasoline prototype are obtained. The results show that the inlet torsion ratio of the prototype is too small, resulting in a slow burning rate and insufficient performance of the GDI prototype. According to the analysis of CFD numerical simulation results of the GDI gasoline engine prototype, a variety of optimization schemes for the inlet structure are proposed. It is hoped that we can increase the tumble ratio by changing the inlet inclination angle while the flow coefficient is reduced as little as possible.

The steady-state numerical simulation of the optimized inlet is carried out under different valve lifts. By comparing with the original results, it is found that the flow coefficient in the optimized inlet performance evaluation index is slightly reduced, and there has been a big improvement about the tumble ratio. By analyzing the transient numerical simulation of the optimized inlet, compared with the transient results of the original model, the optimized model has improved performances such as tumble ratio, turbulent kinetic energy, maximum pressure and combustion speed.

And by analyzing the steady-state and transient results of multiple optimized inlets, it is found that the tangential inlet intake inclination angle and the tumble ratio are correlated. as the inclination angel increase ,the tumble becomes stronger, the turbulent energy of the internal flow increase and it is benefit for the formation and combustion for the gasoline .

Key Words：GDI gasoline engines；intake port optimization；CFD；tumble ratio；turbulent kinetic energy

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 课题国内外研究现状 2

1.2.1 进气道CFD优化国外研究现状 2

1.2.2 进气道CFD优化国内研究现状 2

1.3 课题研究的内容及预期目标 3

第2章 CFD数值模拟理论基础 5

2.1 CFD概述 5

2.1.1 内燃机缸内的气流运动 5

2.1.2 CFD的求解过程 5

2.2 流体动力学控制方程 6

2.2.1 质量守恒方程 6

2.2.2 动量守恒方程 7

2.2.3 能量守恒方程 8

2.2.4 组分质量守恒方程 8

2.3 控制方程的离散化方法 9

2.4 离散方程的求解方法 9

2.5 三维湍流的数值模拟方法 10

2.5.1 湍流数值模拟方法分类 11

2.5.2 标准k-数值模型 12

2.6 内燃机燃油喷雾模型 13

2.6.1 燃油喷雾模型分类 13

2.6.2 内燃机燃油喷射雾化模型 13

2.6.3 液滴碰壁模型 13

2.7 内燃机湍流燃烧模型 13

2.8 边界条件及网格生成 14

2.9 本章小结 14

第3章 原机稳态CFD仿真性能分析 15

3.1 原机主要结构参数 15

3.2 气道性能评价指标 16

3.2.1 流量系数 16

3.2.2 滚流比 17

3.2.3 本文计算方法 17

3.3 原机稳态CFD模拟参数设置 18

3.3.1 边界条件及初始条件 19

3.3.2 网格划分 20

3.4 原机CFD模拟稳态结果及分析 20

3.5 本章小结 23

第4章 气道优化设计及稳态结果分析 24

4.1 气道优化设计以及稳态仿真 24

4.2 原机与A套优化方案稳态结果对比 26

4.2.1 流量系数仿真结果分析 26

4.2.2 滚流比仿真结果分析 28

4.3 原机与B套优化方案结果对比分析 30

4.3.1 流量系数仿真结果分析 30

4.3.2 滚流比仿真结果分析 32

4.4 本章小结 35

第5章 优化气道与原气道瞬态CFD仿真 36

5.1 原机进气道与优化进气道瞬态参数设置 36

5.1.1 边界条件与初始条件的设置 36

5.1.2 瞬态CFD数值仿真物理模型设置 38

5.1.3 瞬态CFD数值仿真网格划分设置 38

5.2 原机进气道与A套优化进气道瞬态仿真结果分析 39

5.2.1 缸内压力对比分析 39

5.2.2 缸内温度对比分析 40

5.2.3 燃料消耗对比分析 41

5.2.4 滚流比对比分析 42

5.2.5 湍动能及湍动能耗散率对比分析 42

5.3 原机进气道与B套优化进气道瞬态仿真结果分析 43

5.3.1 缸内压力对比分析 44

5.3.2 缸内温度对比分析 45

5.3.3 燃料消耗对比分析 46

5.3.4 滚流比对比分析 46

5.3.5 湍动能及湍动能耗散率对比分析 47

5.4 本章小结 48

第六章 总结与展望 49

6.1 本文工作内容总结 49

6.2 本文工作不足之处与展望 50

参考文献 51

致 谢 53

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

内燃机自1876年诞生以来，至今有近150年的发展历程。一百多年以来，经过世界各国科研人员的不断改进、创新，已经成为一种普及、结构紧凑的动力机械。相比柴油机，汽油机具有质量轻、体积小、等特点^[1]。因此，汽油机在我国乘用车中的使用十分普遍。

然而，近年来，随着社会的不断发展，由于石油燃料的燃烧所排放的废气对环境的污染问题，同时石油燃料的日益短缺与不可再生问题日益严重，节能减排已经成为各大汽车厂商不可避免的重大问题，随着“国六”的推出，污染排放控制这一问题更加突出。虽然因此，新能源汽车已经成为大家关注的重点，但传统燃油车在市场占有率方面仍处于绝大多数，目前在乘用车中最主要的动力源仍然是内燃机，尤其是汽油机。因此，如何提高汽油机燃烧效率和减少排放污染问题已然迫在眉睫。

随着“国六”的推出，仅通过对外设结构改进的方法已然不能满足如今对汽油机的使用要求。因此，通过改变发动机内部自身结构来达成节能减排的方法更有有效。通过合理优化GDI汽油机的进气道形状，使汽油机燃烧室内的气体流动更加合理，有效提高GDI汽油机气缸内混合气的燃烧过程，提高气缸内湍动能使其能满足快速燃烧的需求。这可以有效提高缸内燃烧效率，降低污染排放，达到节能减排的目的。

GDI汽油机进气性能的优劣很大程度地决定了气缸内的油气混合程度以及燃烧过程，从而对GDI汽油机的动力性以及燃油经济性产生很大的影响。而进气道的进气性能一定程度上取决于进气道的几何结构，从而影响着气缸内的气体流量、滚流比、湍动能等。因此，GDI汽油机中进气道设计的合适与否会对发动机气缸内的缸内流动有较大的影响。从而我们可以得出，GDI汽油机气道优化设计中，首要任务是找到对进气性能影响较大的进气道几何结构参数并对其进行优化，从而改善发动机进气性能，达到GDI汽油机气道优化目的。

传统的发动机气道优化设计方法是通过搭建稳流试验台架，进行气道稳流试验，测试出发动机进气道在稳态条件下的进气道性能。随着科学技术和计算机技术的发展，CFD应用软件的普及，在内燃机领域逐渐开发出越来越多的流体仿真软件，在内燃机气道优化设计中，有FLUENT，STAR-CCM 以及CONVERGE这些流体仿真软件。目前，各大汽车厂商大多采用计算流体动力学（CFD）技术来研究发动机进气道优化技术，使用流体仿真软件模拟发动机运行工况，通过观察发动机气缸内流量系数与滚流比，分析关于发动机进气道几何结构优化的设计方案。

1.2 课题国内外研究现状

自十九世纪八十年代开始，当计算流体动力学（CFD）技术逐步应用到内燃机领域中，各种各样的流体仿真软件也被相继开发出，如FLUENT，STAR-CCM 以及CONVERGE等。国外诸如美国、英国等由于在CFD方面研究较早，因此也较为深入，在发动机进气道优化方面已经取得较为显著的成果。随着CFD技术的进一步发展，如今，在汽车行业中，在发动机进气道的优化方面，已经形成较为完备的方案。CFD数值模拟技术已经由原来的科研领域逐步向实际应用转变。

1.2.1 进气道CFD优化国外研究现状

Eugene de Villiers等^[2]通过多目标伴随优化方案对发动机进气道进行优化，使用OpenFOAM软件实现基于连续伴随的多目标几何优化的可扩展方法，通过增加进气涡流强度实现进气道优化目的。Oliver Schögl等^[3]使用三缸汽油发动机进行CAD的3D-CFD模拟方案，通过对比不同进气道性能得出最优进气道布局。M. Auriemma等^[4]通过搭建稳流试验台架，应用数值模拟软件研究GDI原型发动机的进气滚流情况。Yashas Karaya^[5]通过应用计算流体动力学(CFD)在CONVERGE的帮助下进行发动机进气道研究，通过对比GDI发动机中传统进气道和涡流进气道对混合气形成的比较，分析各种发动机进气道在不同进气状态下性能的好坏。Yirop Kim等^[6]通过3D-CFD评估多种工况下的不同进气道设计的性能优劣，预测进气道几何形状对滚流产生和湍流特性的影响，将不同进气道几何形状、发动机转速和负载的结果与3D-CFD的结果进行比较，以验证模型的可预测性。Ishan Verma等^[7]通过应用多目标伴随优化方法，通过对发动机进气道进行几何结构优化达到最小压力损失和最大充量系数的目的。Yota Sakurai等^[8]通过CFD模拟仿真，为了达到提高点火时湍流动能和混合物均匀性的几何形状，使用与原型发动机相同的进气量进行了发动机试验通过对比以确认达到燃烧改善目的。Daisuke Fukui等^[9]通过优化进气道及其周边几何形状提高小型摩托车发动机性能。Fernanda Pinheiro Martins等^[10]利用CFD软件分析气门阀座几何变化对气缸盖上气流的影响。Yanzhe Sun等^[11]通过使用遗传算法与人工神经网络方式，对进气道进行优化设计，在流量系数基本不变的情况下对滚流比进行提高。

1.2.2 进气道CFD优化国内研究现状

我国对于内燃机进气道系统应用CFD技术起步较晚，但随着科技以及计算机技术的发展以及相应CFD软件的应用，我国在发动机进气道几何结构优化方面的数值仿真技术也有很大的发展。

许之兴^[12]对GDI汽油机CFD数值模拟分析，优化后的发动机平均流量系数、滚流比以及湍动能都能有效提高。韩雪松^[13]分析原机型进气道几何结构所存在的缺点，通过对进气道几何结构以及燃烧室结构进行适当优化。王子玉等^[14]通过对进气道进行优化改善柴油机燃烧性能。张珊珊^[15]通过使用STAR-CCM 软件对汽油发动机进气道进行CFD数值模拟仿真分析，分析不同气道对汽油机的影响，提出对进气道的优化方案。张海峰等^[16]通过使用CFD分析软件Star-CD对原型发动机进气道与改经后的进气道进行数值模拟分析，评判优化方案是否合理。胡德卿等^[17]通过部分负荷试验和气道稳流试验确定滚流比对发动机燃油经济性有一定影响，对进气道关键部位进行一定优化改进。彭北京等^[18]利用AVL-FIER软件对原型发动机进气道进行CFD模型设计，通过CFD数值模拟仿真分析，得出优化方案。王志雄^[19]通过对进气道进行CFD仿真，得出流量系数等参数。对进气道优化提供依据。徐鹏^[20]通过CFD数值仿真技术，提高进气道进气流量系数。梁源飞^[21]通过CFD优化进气道，提高滚流比，使内燃机运转稳定。陈泓等^[22]CONVERGE软件对进气道进行优化，提高缸内滚流比。李春青等^[23]使用AVL-FIRE软件进行稳态数值模拟，找出气门倒角最优角度。牛彩云等^[24]对进气道进行优化，降低发动机噪音。胡德卿^[25]通过CFD技术分析气道中心线偏转角与气道喉口下压角于滚流比以及流量系数关系。杨文乐^[26]研究进气道与滚流比的关系，并进一步分析滚流比与湍流的关系。田雪峰^[27]通过对缸内直喷汽油机进行CFD数值模拟，分析滚流比和湍动能对汽油机燃烧和排放的影响。蓝志宝等^[28]应用CFD技术对进气道几何因素进行分析，优化进气道，提高滚流比。杨荣荣^[29]通过对不同进气道进行分析，分析进气道对进气质量与缸内湍动能的影响，提出进气道优化方案。范钱旺^[30]对不通气道倾角的GDI汽油机进气不同气门开度进行数值分析，分析气道倾斜角对GDI汽油机流通特性影响。

1.3 课题研究的内容及预期目标

本文是对GDI汽油机样机进气道几何结构的优化设计，主要工作如下：

(1)上网查阅并收集国内外有关GDI汽油机气道优化设计的文献及参考资料，认识学习关于进气道优化设计的相关内容。查询有关汽油机气道评价指标，根据本课题选取合适的评价指标。通过对国内外关于GDI汽油机进气道优化的研究现状调研，确定待研究的对象、方法及思路。

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