气道是发动机的关键零部件，对进入和排出气缸的空气量以及对缸内混合气形成和燃烧过程有决定性的影响。组织良好的缸内空气运动，能够有效提高缸内火焰的传播速度，并且对于组织稀燃或层燃有着极为重要的作用。因此，气道设计的优劣在很大程度上影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声以及有害气体的排放。深入了解气道对缸内运动以及燃烧过程的影响和作用，对于组织良好的燃烧过程，开发出具有高性能、低污染的发动机有着重要的意义。

本文借助于CAE软件以及气道稳流试验台，对某型汽油机的气道进行性能研究，并找出了优化方案。

方案说明
    在公司2.0L汽油发动机开发过程中，针对气道我们设计了两种结构。该气道为双切向气道，以气道入口为起始点。在图1中所示的位置，气道分为两个独立的切向气道，这两个独立的气道为对称结构。

图1 气道结构

    表1所示为两种方案气道的结构参数，从中可以看到，在气道进口段，方案一的等效截面积稍大于方案二，但是在气道分叉点后，方案一的截面积要小于方案二；另外，从折弯半径来看，方案一在气道分叉口之前，也就是气道进口段完全是直的（折弯半径1000代表无穷大，即直段），而方案二则存在折弯半径为90mm的弯段，且在分叉点后，方案二的弯曲度也要大于方案一。

气道流场CAE分析
对气道流场进行CAE分析，需要分别对两种气道方案进行进气冲程气体流动的模拟。分析进气过程，尤其是在大气门升程下，气体在气道内部的流动状况。为了方便进行对比，取进气门左右两侧以及气道分叉点处的流速进行统计分析，其中进气门处数据取点位置如图2所示。

图2 数据取点位置

通过迭代计算，得到气道流场的计算结果。图3所示为最大气门升程（9.2mm）时，两种方案的气流速度场分布图。从图中可以看到，方案二的流速大于方案一。由于在流通面积相同的情况下，流速高有利于实际过程中进气量的增加，而方案二在取点段的等效截面积大于方案一且方案二流速更高，因此，方案二的进气量大于方案一。

   a）方案一                                                b）方案二
图3 气道速度场分布

    在其余大气门升程时，取点位置的流速统计结果如图4所示。

图4 取点位置流速统计曲线

从统计结果来看，除了在气门升程为8mm时，方案一在交叉点的位置流速大于方案二以外；在其余时候，方案二的流速都要大于方案一。这样能使进气具有较高的动能，使燃烧室内气流的湍动能增加，提高燃烧效率，进而有利于提高发动机性能。

气道稳流试验分析
    用稳态流动试验法检测、试验发动机的进、排气道的流量因数、滚流比等流动特性参数，是国内外广泛采用并行之有效的方法。气道稳流试验台主要由模拟气缸、稳压箱、叶片风速仪、压力计、孔板流量计和抽气机等组成，其布置结构如图5所示。

图5 氧传感器的原始布置方案

由于本文所述发动机为气道喷射，新鲜空气与燃油在气道中进行混合，而滚流比主要描述的是在缸内空气与燃油混合后的运动形式，一般在缸内直喷发动机中才采用此参数。因此，本文仅测量气道的流量因数。试验结果如图6所示。

图6 流量因数曲线

从试验结果来看，两种方案气道的流量因数相比较，在小气门升程时，两者的流量因数基本一致；而在大气门升程时，方案二的流量因数要高于方案一，尤其是气门升程为7mm时，方案二要明显高于方案一。
对于汽油机而言，大气门升程时的流量因数对发动机性能影响更大，因为大的流量因数必然会产生大的进气量。从这个角度来讲，方案二优于方案一。

结语
气道是发动机最重要组成部分，气道设计的优劣影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害气体的排放。因此，对于气道性能的深入研究十分的必要。
从本文的CAE分析结果来看，方案二在气门附近以及气道分叉口处的流速更高，使得进气具有较高的动能，使得燃烧室内气流的湍动能增加，从而提高了燃烧效率，有利于提升发动机性能。从试验结果来看，在大气门升程时，方案二的流量因数要高于方案一，有利于提高发动机的进气量，从而获得更高的发动机性能。