发动机缸内气流的组织主要是通过缸盖进气道结构形成气体滚流来实现的。在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流称为"滚流"（图1）。滚流的大小表征了气流滚动的强度，是评判油气混合情况的重要指标，可通过气体稳流试验来评估。测试方法主要有叶片风速仪测试法和动量计转矩测试法。气道滚流强度大小直接影响油气混合情况，进而影响发动机燃烧效率和发动机排放。如何优化气道结构，增加缸盖进气道滚流，是优化发动机排放的一个重要途径。

图 1 气道滚流形成示意图

研究背景

借由某款2.0L增压汽油发动机排放标定试验，对其发动机缸盖进气道进行修模工作，以提高气道滚流比。在进行缸盖气道修模前，对原始状态缸盖气道性能进行测试。此次缸盖气道测试使用TNS稳态气道试验台，台架实物如图2所示，其基于动量计转矩测试法评估缸内滚流，具有非常高的精度和重复性，且气门升程的调节和进出口压差均为系统自动控制。测试结果显示，缸盖滚流比为2.0左右，流量系数在0.31上下，详见表1所示的测试结果。

图 2 TNS 稳态气道试验台

表 1 原始状态缸盖气道性能测试结果

缸盖气道修模方案研究及修模

要想提高缸盖气道滚流比可以从以下几个方面着手：降低气体流动阻力，提高进气效率；提高进气流速，增加进气强度；优化气体进入气缸内时的角度，减少因气体分流和对冲导致的气体滚流强度下降。对照实体缸盖，分析可能的影响因素，并逐一对其进行气道结构修模。缸盖修模主要有削除缸盖原有材料、添加材料改变缸盖结构两种方式。

1.降低气体流动阻力

缸盖气道在结构设计中需关注气体流动的平顺性，此2.0L汽油发动机缸盖在气道内部无明显凸起或突变结构阻碍气体流动。但在气门座圈附近缸盖在加工气门座圈压装孔时，其孔的深度与座圈存在高度差，导致气门座圈位置有明显凸台，如图3所示。在气门低升程时，此处凸起会阻碍气体流动，并在局部区域产生气流对冲，影响滚流形成。使用修模工具削除此处凸台，使过渡平滑，并进行气道性能测试，在气门低升程时气道滚流强度明显提升（图4）。

图 3 座圈位置缸盖有明显凸起

图 4 气门低升程滚流强度明显提高

2.提高气体流速

为优化缸盖滚流比，可通过提高气体流速的方法来实现。在缸盖修模中，可适当减小进气道喉口（最小截面）直径，以提高滚流强度。但喉口直径减小势必会增加气体进入缸内的阻力，导致进气流量的减少，发动机动力性衰减。此方案可作为改变进气道滚流强度的备选方案。

3.改变气流方向

缸盖滚流的强弱，除受进气流速的影响，还和气流进入缸内的方向有密切关联。受气门影响，气体从进气道分为两路进入发动机缸内（气门上下两侧）。为有利于缸内滚流的形成，在设计气道时，需尽量减少一侧气体流量，使进气道内的气流从一个方向进入气缸内。现在行业内主流方向有两种：一种是设计鱼肚型进气道，另一种为增加燃烧室Masking结构（图5）。这两种设计方法均为了减少向气门下侧流动的气体（一种引导气体向气门上侧流动，一种增加低升程时气门下侧气流阻力）。但由于2.0L汽油发动机缸盖气道下壁壁厚有限，削除材料较少，不能有效形成鱼肚型气道；同时，燃烧室内部温度和压力较大，填充材料形成Masking结构后缸盖不能直接进行装机试验。两种方案均不能运用到此次缸盖修模中。

图 5 气道设计主流结构

通过CFD分析缸盖内部流场分布（图6）可以看出，缸内气流分两个部分进入，并分别在缸内形成两个滚流。但两个滚流方向不统一，会产生相互干扰，从而削弱了缸内滚流强度，且气门下侧产生的滚流较弱。因此，降低气门下侧气流依旧为此次修模的主要方向。图7为修模前后进气道结构三维图。在发动机进气道，进气温度、进气压力均不高，可在气道下表面填充材料，引导下表面气体流向气门上侧，从而增加缸内滚流。填充材料耐温极限为200℃，能满足使用要求，风险较低。同时，填充材料也可进一步减小进气道喉口直径，提高气体流速，从而增加缸内滚流强度。

图 6 气体流场分布

图 7 修模前后进气道结构三维图

4.修模后气道性能

通过三个方向优化气道结构，修模后缸盖在稳态气道试验台上进行性能测试，滚流比提高至2.4（约20%）以上。修模前后气道滚流比如图8所示。

图 8 修模前后气道滚流比

结论

随着发动机强化程度越来越高，高压缩比、高充量燃烧系统已成为当今汽油发动机主流方向，缸盖气道高滚流比也是必然需求。气道结构的优化已不仅仅局限于气道本体结构，同时还需关注滚流产生的关联因素。此次通过发动机缸盖气道的实际修模，希望为气道设计提供一定的指导意义。

工作单位：安徽江淮汽车集团股份有限公司

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