CFD輔助發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的研究

竇 昊，何云信，謝文尚，陳 暉

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004)

進(jìn)氣系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)五大系統(tǒng)中供給系的重要組成部分，氣體在進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)，在很大程度上影響了內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，它對(duì)油氣混合、滯燃期、著火、燃燒、火焰?zhèn)鞑?、排放物生成、傳熱以及?duì)汽油機(jī)的爆震和循環(huán)變動(dòng)等，都有著重要的影響，內(nèi)燃機(jī)氣體流動(dòng)具有重要的意義。匹配優(yōu)良的進(jìn)氣系統(tǒng)，能以最小的泵氣功來最大限度地提高進(jìn)氣終了時(shí)留在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)充量的純度和密度[1]。本文針對(duì)LJ276QE汽油機(jī)電噴化后的進(jìn)氣管，對(duì)其進(jìn)氣管流場(chǎng)進(jìn)行分析，以及優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高其發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能。

表1 LJ276Q E型發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1 LJ276QE原進(jìn)氣管的建模分析

LJ276QE汽油機(jī)整機(jī)、進(jìn)氣管三維模型如圖1所示。

圖1 LJ276QE進(jìn)氣管三維模型

LJ276型汽油機(jī)是傳統(tǒng)的化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)，原進(jìn)氣管是傳統(tǒng)的“Y”型進(jìn)氣管，LJ276QE是LJ276的電噴化機(jī)型，采用進(jìn)氣管多點(diǎn)電噴方式取代化油器供油。發(fā)動(dòng)機(jī)在電噴化后，多個(gè)相關(guān)參數(shù)發(fā)生改變，原進(jìn)氣系統(tǒng)不能滿足電噴化后得進(jìn)氣需要，需要重新設(shè)計(jì)進(jìn)氣管，以提高進(jìn)氣效率，并便于安裝噴油器。

通過逆向工程技術(shù)，使用非接觸式三維測(cè)量設(shè)備掃描LJ276汽油機(jī)進(jìn)氣管的鑄造沙芯，然后利用UG軟件構(gòu)造和編輯曲線和曲面，完成進(jìn)氣管氣道的三維實(shí)體建模[2](如圖2所示)。

圖2 原機(jī)氣管氣道的三維實(shí)體模型

2 進(jìn)氣管的改進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)算

新設(shè)計(jì)的進(jìn)氣管，需考慮到氣體動(dòng)力增壓效應(yīng)和噴油器安裝等問題?？紤]到氣體增壓效應(yīng)，設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)氣總管直徑和長(zhǎng)度，穩(wěn)壓腔容積，進(jìn)氣歧管直徑和長(zhǎng)度[3]。

2.1 利用波動(dòng)效應(yīng)確定管長(zhǎng)和管徑[4]

其中，

L——進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度；

q——波動(dòng)效應(yīng)系數(shù)3/2，5/2，7/2，9/2…

n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

以標(biāo)定功率和最大扭矩點(diǎn)為基點(diǎn)，計(jì)算出來管長(zhǎng)為多值，并結(jié)合的汽油機(jī)的實(shí)際尺寸，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管長(zhǎng)度為0.440m，這個(gè)距離包括了進(jìn)氣道的長(zhǎng)度，故設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)諧振進(jìn)氣管長(zhǎng)度

利用慣性效應(yīng)確定進(jìn)氣管管徑

其中，

準(zhǔn)t——慣性系數(shù)；

D——缸徑；

S——沖程；

d——進(jìn)氣管管徑；計(jì)算得d=44.34(mm)

2.2 諧振腔容積的確定

諧振腔容積要設(shè)計(jì)得合適，不能過大，也不能過小。一方面，如果過大，腔內(nèi)壓力波動(dòng)程度下降，諧振效果減弱，穩(wěn)壓效果增強(qiáng)，諧振進(jìn)氣得效果從而會(huì)大大降低；另一方面，若容積過小，則不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)對(duì)進(jìn)氣量的需要。大多數(shù)文獻(xiàn)設(shè)定的諧振腔容積一般為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的0.55倍左右[5]。LJ276QE汽油機(jī)的排量為0.644 L，故設(shè)計(jì)其進(jìn)氣管穩(wěn)壓腔容積為0.354L左右，結(jié)構(gòu)為完全矩形腔，為穩(wěn)壓腔中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)。

3 CFD仿真模型的建立

根據(jù)計(jì)算所得參數(shù)，使用三維軟件UG建立新的進(jìn)氣管氣道模型(如圖3所示)。

圖3 改進(jìn)氣管氣道的三維實(shí)體模型

圖4 改進(jìn)氣管氣道模型網(wǎng)格劃分

將此模型導(dǎo)入Fluent軟件自帶的前處理軟件Gambit，劃分網(wǎng)格，原進(jìn)氣管氣道模型網(wǎng)格數(shù)136 433，新進(jìn)氣管氣道網(wǎng)格數(shù)163 649；以安裝原進(jìn)氣管的充氣效率曲線(如圖5所示)。根據(jù)關(guān)系式

計(jì)算出進(jìn)氣管入口出的速度作為各個(gè)轉(zhuǎn)速下的入口邊界條件，出口邊界均設(shè)定為自由出流，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型，耦合能量方程，設(shè)定壁面溫度293 K，計(jì)算結(jié)果如下所述。

由圖6、圖7可知，進(jìn)氣管出口處的速度和湍動(dòng)能均有了很大的提高，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，速度和湍動(dòng)能的提升量也呈增大的趨勢(shì)，速度的增量都在50%以上；由圖7可知，原進(jìn)氣管出口處湍動(dòng)能變化不大，新進(jìn)氣管出口湍動(dòng)能的增量有了極大的提高。速度和湍動(dòng)能有了很大的提高，主要原因是在設(shè)計(jì)時(shí)減小了進(jìn)氣管支管直徑。由流體力學(xué)中伯努利方程可知，當(dāng)進(jìn)氣歧管的管徑減小，流量不變的情況下，進(jìn)氣歧管速度會(huì)升高。速度升高，湍動(dòng)能也會(huì)隨之升高。進(jìn)氣速度和湍動(dòng)能的提高，必然可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量和進(jìn)氣能量。

圖5 原進(jìn)氣管的充氣效率曲線

圖6 兩種進(jìn)氣管速度曲線比較

圖7 兩種進(jìn)氣管進(jìn)氣湍動(dòng)能比較

4 結(jié)束語

綜上所述，我們可以得出下列結(jié)論：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有很大的影響；

(2)利用進(jìn)氣管中的諧振效應(yīng)，匹配優(yōu)良的進(jìn)氣總管、穩(wěn)壓腔、進(jìn)氣歧管，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣速度和湍動(dòng)能；

(3)FLUENT計(jì)算結(jié)果表明，CFD可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管流場(chǎng)，可以輔助設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管正向設(shè)計(jì)的有效手段。

[1]W.J.D.安南德，G.E.羅埃.內(nèi)燃機(jī)中的氣體流動(dòng)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.

[2]劉志恩，蔣炎坤.CFD輔助發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2006，12(6)：6-7.

[3]蔣炎坤.CFD輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工程的理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[4]靳紅玲.469Q汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué)，2007.

[5]劉 宇.基于GT-POWER的汽油機(jī)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].吉林：吉林大學(xué)，2006.