基于數(shù)值模擬的LJ465Q發(fā)動機進氣道結構優(yōu)化*

李春青　姜峰　文代志（.廣西科技大學，柳州545006；.柳州五菱柳機動力有限公司，柳州545005）

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基于數(shù)值模擬的LJ465Q發(fā)動機進氣道結構優(yōu)化*

李春青1姜峰1文代志2
（1.廣西科技大學，柳州545006；2.柳州五菱柳機動力有限公司，柳州545005）

【摘要】以LJ465Q汽油機進氣道為研究對象，利用UG軟件對該進氣道進行實體建模，通過氣道穩(wěn)流試驗對模擬計算提供邊界條件。利用AVL-FIRE軟件進行進氣道-進氣門-氣缸流動的穩(wěn)流三維數(shù)值模擬計算，研究在不同氣門升程下不同進氣門倒角對缸內(nèi)流場的影響。結果表明，在不同氣門升程下進氣門倒角為30°時較之氣門倒角為20°、45°、60°時的流量系數(shù)呈現(xiàn)最優(yōu)值，即該角度可作為改善該機進氣道流量系數(shù)的最佳方案。

1　前言

進氣道作為發(fā)動機進氣系統(tǒng)的重要組成部分，其結構直接影響進入氣缸內(nèi)的空氣量、氣體速度分布及其湍流狀況等，而這些因素直接影響發(fā)動機的燃燒過程，從而改變發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性和排放性能［1］。因此，進行發(fā)動機進氣道內(nèi)氣體流動特性分析，對了解和研究發(fā)動機工作性能是至關重要的。

傳統(tǒng)進氣道研發(fā)采用經(jīng)驗設計和穩(wěn)流試驗相結合的方法，研制周期長且較難得到理想方案，已不能適應現(xiàn)代高性能發(fā)動機研制工作的需要［2～4］。應用CFD技術進行進氣道的模擬計算，不僅能夠提供試驗研究所不能提供的詳盡信息，且花費小、周期短、適用性強，能夠在短時間內(nèi)進行廣泛的變參數(shù)研究［5、6］。在發(fā)動機產(chǎn)品開發(fā)階段，應用CFD技術能準確找出進氣道結構不合理的部位并進行改進優(yōu)化。本文采用發(fā)動機CFD計算軟件AVL-Fire對LJ465Q汽油機進氣道不同進氣門升程下氣體流動特性進行計算分析，研究不同氣門升程下缸內(nèi)氣流速度特性。

2　進氣道穩(wěn)流試驗

2.1試驗過程

以柳州五菱柳機動力有限公司制造的LJ465Q汽油機為研究對象，在美國Super Flow生產(chǎn)的SF1020SB型氣道試驗臺上進行試驗。LJ465Q發(fā)動機主要參數(shù)如表1所列。

表1　發(fā)動機主要參數(shù)

試驗臺工作原理為鼓風機吸氣，使氣道進氣口與穩(wěn)壓箱之間產(chǎn)生壓差，大氣中的空氣由進氣道流入，經(jīng)模擬氣缸、孔板流量計、穩(wěn)壓箱等排到大氣中；適用于氣缸直徑小于130 mm、氣缸總數(shù)少于6的發(fā)動機。試驗臺的流量試驗精度為±0.5%，壓差精度為±0.05 kPa。

2.2試驗結果

對試驗數(shù)據(jù)進行整理如表2所列。

表2　試驗數(shù)據(jù)

3　模型建立與網(wǎng)格劃分

3.1模型建立

首先采用逆向工程，利用三坐標掃描儀掃描進氣道砂芯模型，獲取其點云圖，然后導入UG軟件中進行縫合等處理，最終得到進氣道實體模型。進氣道砂芯模型如圖1所示。

圖1　進氣道砂芯模型

將獲得的進氣道模型導入UG軟件中，正向建立進氣道—氣門—缸內(nèi)系統(tǒng)完整CAD模型，進而得到不同氣門升程下的計算模型。完整的CAD計算模型如圖2所示。

圖2　CAD計算模型

3.2網(wǎng)格生成

利用AVL-FIRE軟件中FAME自動網(wǎng)格生成技術，對2 mm、4 mm、6 mm、8 mm 4種升程下計算模型進行網(wǎng)格劃分。為了保證模擬計算精度，對氣門座、氣門以及氣門喉口處進行網(wǎng)格加密處理。FAME對氣道部分的處理采用六面體與四面體混合網(wǎng)格，而氣道前部的穩(wěn)壓箱與氣缸所用網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格。圖3為6 mm氣門升程下網(wǎng)格生成圖。

圖3　6mm氣門升程下網(wǎng)格生成圖

4　計算理論與結果分析

由于主要對進氣道內(nèi)流場進行模擬分析，不考慮流體與外界熱交換，其流體動力學特性可采用質量守恒方程和動量守恒方程描述［1］。

湍流的模擬在主流區(qū)域采用雙方程湍流模型，近壁區(qū)域采用標準壁面方程進行處理。

4.1初始邊界條件

a.進、出口采用壓力邊界條件，為便于進行試驗驗證，取與氣道穩(wěn)流試驗相一致的初始條件，即進口截面處總壓為1.013×105Pa，環(huán)境溫度為25℃，通過穩(wěn)流試驗確定進、出口壓差為2 500 Pa。

b.所有壁面均采用固壁絕熱邊界。

4.2不同氣門升程下渦流場結果分析

圖4為不同氣門升程下氣缸橫切面的速度分布。

由圖4可知，氣缸內(nèi)有兩個較大的渦流，且渦流的旋轉方向相反。其形成原因為氣流從進氣道進入氣缸時，受到缸壁約束，產(chǎn)生相反作用力使氣流向反方向運動；隨著氣門升程不斷增大，兩個渦流逐漸向氣缸中心移動，從線的密集程度來看，兩個渦流的線比小氣門升程時密集，說明渦流強度變大；隨著氣門升程繼續(xù)增大，氣門升程的影響相對減小，氣流的流通面積變大，進氣阻力變小，動能損失減少，使氣缸內(nèi)進氣量增加，氣門節(jié)流效應減少，使進氣速度變快，缸壁產(chǎn)生的作用力增大，從而使渦流強度增大。渦流強度的增大使油氣混合更加充分，從而改善燃燒過程，提高發(fā)動機的性能。

圖4　不同氣門升程下橫切面速度分布

4.3不同氣門升程下速度場結果分析

圖5為不同氣門升程下速度等值線圖。由圖5可知，隨著氣門升程逐漸增大，整個氣缸內(nèi)平均進氣速度也在逐漸變大。其原因是在氣門升程較大時，進氣相對容易些，進氣量增加，氣體快速進入缸內(nèi)，氣體相互作用減小，從而氣體的平均進氣速度在逐漸增加。其次，速度等值線值最大的地方均在氣門口附近，說明在氣門口附近的速度值最大。這是由于在氣門口附近結構的改變，使流體截面變小，進氣壓力相對增加，使氣體流速加快，當氣體進入氣缸后，壓力減小，氣體流速隨之變慢。由于受到氣門處節(jié)流效應的影響，在氣門升程較小時氣流速度相對較低。因此，在較小氣門升程下，需考慮降低節(jié)流效應以增大流量系數(shù)，從而提高發(fā)動機的性能。

圖5　不同氣門升程下速度等值線

4.4計算值與試驗值對比

表3和表4分別為流量系數(shù)和渦流比的試驗值與計算值結果對比。

表3　流量系數(shù)試驗值與計算值對比

表4　渦流比試驗值與計算值對比

由表3和表4可知，流量系數(shù)和渦流比相對誤差均在10%以內(nèi)，可見試驗值與計算值結果比較吻合，能夠作為氣道改進的重要參考依據(jù)。

5　進氣道改進

5.1氣門倒角改進

通過對進氣道流場分布分析可知，氣門口附近流場非常復雜，在氣門升程較小時，流通截面小、進氣阻力增加等因素使得進氣流量系數(shù)減小，流速不均勻。因此，考慮對氣門和氣門座改進，使兩者之間走氣部分從幾何空間形狀上更趨于流線型。對原氣門倒角（45°）進行改進，將其角度重新設定為20°、30°、60°，并比較3種倒角與原倒角的流量系數(shù)變化。

5.2氣門倒角對流量系數(shù)影響

表5為氣門倒角改進前、后流量系數(shù)對比結果。

表5　氣門倒角改進前、后流量系數(shù)對比

由表5可知，氣門倒角改進前、后流量系數(shù)變化趨勢一致，即均隨著氣門升程增大，流量系數(shù)也增大。當氣門升程較小時，氣門倒角變化對流量系數(shù)的影響比較大；當氣門升程較大時，氣門倒角改變對流量系數(shù)的影響不明顯。氣門倒角為20°、30°時，流量系數(shù)隨著氣門升程增大而增大且均高于氣門倒角為45°時的流量系數(shù)，而氣門倒角為60°時小于氣門倒角為45°時的流量系數(shù)。這是由于在氣門內(nèi)徑不變的前提下，氣門倒角變小，相當于氣門口附近氣流流通截面積變大，進氣流通阻力變小，進入氣缸內(nèi)氣體質量增加，從而使流量系數(shù)增加。特別是當氣門升程較小時，進氣量較小，較小的進氣量變化容易使流量系數(shù)產(chǎn)生較大變化；當氣門升程較大時，進氣增加量對流量系數(shù)變化的影響則不顯著。

由表5還可知，氣門倒角30°的流量系數(shù)大于氣門倒角20°的流量系數(shù)，這說明氣門倒角并非越小越好，在一定范圍內(nèi)減小氣門倒角有利于提高流量系數(shù)，超出一定范圍反而影響進氣質量，使流量系數(shù)降低。因此，確定氣門倒角30°為最佳改進方案。

6　結束語

a.流量系數(shù)和渦流比試驗值與計算值結果吻合較好，隨著氣門升程增大，流量系數(shù)和渦流比隨之增大；

b.不同氣門升程下氣缸橫切面形成兩個旋轉方向相反且向氣缸中心移動的渦流，兩個渦流的線隨著氣門升程增大而逐漸密集；隨著氣門升程增大，氣缸內(nèi)平均進氣速度也變大；

c.提出不同氣門倒角改進方案，改進前、后氣門倒角流量系數(shù)變化趨于一致，都隨著氣門升程增大，流量系數(shù)增大；

d.選取氣門倒角30°為改善流量系數(shù)的最佳方案。

參考文獻

1王福軍.計算流體力學分析.北京：清華大學出版社，2007.

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（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年1月19日。

主題詞：汽油機進氣門倒角缸內(nèi)流場數(shù)值模擬

Optimization of Intake Port of LJ465Q Engine Based on Numerical Simulation

Li Chunqing1，Jiang Feng1，Wen Daizhi2
（1.Guangxi University of Science and Technology，Liu Zhou 545006；2.Liuzhou Wuling Liuji Power Co.，Ltd.，Liuzhou 545005）

【Abstract】In this paper，we take the intake port of LJ465Q engine as research object，and use UG software to establish the solid model of intake port，and carry out the steady flow test to provide the boundary conditions for the simulation.Numerical simulations of the steady flow of port-valve-cylinder system are carried out by software AVL-FIRE to study the effects of the variable inlet cone angle under the variable valve lift on cylinder flow performances.The results show that the inlet cone angle 30°has the optimal flow coefficient under the variable valve lift compared with the angles of 20°，45°and 60°，therefore the inlet cone angle 30°could be used as the optimal way to improve flow coefficient of intake port.

Key words:Gasoline engine，Inlet cone，Cylinder flow field，Numerical simulation

中圖分類號：U464.134.4

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）05-0011-04

*基金項目：廣西自然科學基金項目（2013GXNSFAA019317）；廣西高校科學技術研究項目（KY2015YB168）；廣西重點實驗室建設項目（14-A-01-04）；廣西重點實驗室開放基金項目（2014KFMS02）。

通訊作者：姜峰，講師，E-mail：18277202672@163.com