基于CFD數(shù)值模擬的某車型二次空氣噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析＊

張更娥，滕慶慶，周清，陳艷梅

（1.南寧學(xué)院，廣西 南寧 530200；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530000）

前言

CFD軟件可以求解最復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流動和燃燒等現(xiàn)象,本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是利用CFD軟件的AVLFIRE軟件功能，對二次空氣噴射系統(tǒng)的進(jìn)排氣管中的氣流進(jìn)行分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)一套旋流減壓器及旋流增壓器，在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管之前安裝旋流增壓器對進(jìn)氣進(jìn)行增壓，在發(fā)動機(jī)排氣管之后、三元催化器之前安裝旋流減壓器對排氣進(jìn)行減壓，將補(bǔ)氣管一端連接在旋流增壓器之后，另一端安裝在旋流減壓器之后，利用增壓器和減壓器所造成的壓力差，形成一個脈沖負(fù)壓，從補(bǔ)氣管進(jìn)行二次補(bǔ)氣，增加進(jìn)氣量，使三元催化器的CO、HC和NOx等廢氣進(jìn)一步反應(yīng)。達(dá)到凈化尾氣，減小發(fā)動機(jī)損失，提高發(fā)動機(jī)效率的目的。

1 原始方案

某車型所用發(fā)動機(jī)為，四沖程、直列斜置四缸、8氣門頂置凸輪軸、多球形燃燒室、電控汽油噴射、電控點(diǎn)火汽油發(fā)動機(jī)；自然吸氣；排量 970 mL；最大輸出功率/轉(zhuǎn)速34.7kw/5300r/min；最大扭矩/轉(zhuǎn)速，71N.m/3000～3500r/min；理論油耗，6. 0L/100km (40km/h)；全負(fù)荷最低燃油耗率，299g/kW.h；排放標(biāo)準(zhǔn)，國III；壓縮比，9.0：1；發(fā)動機(jī)凈重，128kg。

2 旋流增壓器數(shù)值模擬計(jì)算

對三元催化轉(zhuǎn)換器和二次空氣噴射系統(tǒng)產(chǎn)生影響的因素較多[1][2][3][4]，最主要的有二次空氣的噴射流量、噴射位置和催化器本身性能三個方面。為了提高三元催化轉(zhuǎn)換器和二次空氣噴射系統(tǒng)的工作效率，主要針對旋流增壓器、旋流減壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 AVL FIRE軟件簡介

AVLFIRE是 AVL自己開發(fā)一套, 不僅能求解通用流動問題, 而且可以求解最復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流動和燃燒等現(xiàn)象的CFD軟件，尤其在求解瞬態(tài)復(fù)雜流動方面具有更強(qiáng)的的優(yōu)勢。

該軟件控制所有流體流動的基本規(guī)律是：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。由它們可以分別導(dǎo)出連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，得到納維-斯托克斯偏微分方程組，簡稱為 N-S 方程組。如下所示

連續(xù)性方程

動量方程

能量方程

2.2 對旋流增壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)

旋流增壓器可以提高進(jìn)氣壓力，通過提高進(jìn)氣壓力可以增大負(fù)壓壓力差，從而提高進(jìn)氣量，而其葉型曲面是提高進(jìn)氣壓力的關(guān)鍵零部件，葉型曲面度的大小對旋流波形及其壓力有直接影響。

2.2.1 幾何模型的建立

用proe繪制旋流增壓器的三維效果圖。如圖2-1所示。從圖上可以看出，該增壓器具有五片葉型曲面，其分別均勻焊接在喇叭形的圓管上。

圖1 增壓器三維圖

2.2.2 網(wǎng)格的劃分

把模型的網(wǎng)格分成了六十多萬個單元，劃分的網(wǎng)格單元越多，所用的計(jì)算時間越久，但是計(jì)算出來的結(jié)果也越真實(shí)。黑色的網(wǎng)格表明生成的網(wǎng)格不能用來計(jì)算，需要對其重新進(jìn)行劃分。橙色的則是提出警告，但是網(wǎng)格仍然可以用來計(jì)算。白色則代表正在劃分網(wǎng)格。如圖2-2所示，從出口面的方向看，可以比較清楚地看到里面的喇叭形管狀和葉型曲面的構(gòu)造。包括喇叭狀圓管和均勻附在圓管上的五片葉型曲面。

圖2 增壓器內(nèi)部構(gòu)造網(wǎng)格圖

2.2.3 邊界條件參數(shù)的設(shè)置

氣流進(jìn)口：給定渦輪機(jī)進(jìn)口的氣流速度、壓力、密度和相應(yīng)的相容條件。本設(shè)計(jì)采用的是質(zhì)量入流(mass-flow-inlet)邊界條件。質(zhì)量流量和溫度均由實(shí)驗(yàn)測量得到的數(shù)據(jù)給出，根據(jù)三維模型中的坐標(biāo)情況設(shè)定流動方向?yàn)?1,0，0)。氣流出口：采用的是壓力出口邊界條件(pressure outlet)，作為整個流體區(qū)域氣流的出口，定義出口壓力實(shí)驗(yàn)所測工況下的排氣背壓。由于進(jìn)氣的流速較高，在計(jì)算中忽視重力對流場的影響。

（1）進(jìn)氣量的設(shè)置

本設(shè)計(jì)所采用發(fā)動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為5300r/min。所以分別針對3000r/min和5000r/min兩個轉(zhuǎn)速工況下氣體的宏觀流動特性進(jìn)行研究

其中：

CFM：發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量（英制單位：立方英寸每分鐘）

CID：發(fā)動機(jī)排氣量（英制單位：立方英寸）

RPM：發(fā)動機(jī)每分鐘最大轉(zhuǎn)速。

1728：立方英寸至立方英尺的換算因素

2為四沖程發(fā)動機(jī)每兩轉(zhuǎn)吸氣一次。二沖程則不必乘以2。

0.85 為發(fā)動機(jī)的容積效率

將該發(fā)動機(jī)排氣量換算成CID=0.97×61.02=59.19in

轉(zhuǎn)速n=3000r/min時：

43.67 in3/s=28.32×43.67=1236.73L/min (1CFM=28.32 L/min)

因?yàn)?CFM=28.32 L/min，所以

同時 1236.73L/min=1.23673m3/min=0.0206m3/s

常溫下空氣的密度為1.209kg/m3，每秒進(jìn)氣量，即質(zhì)量流量mass flow為：

所以把3000r/min轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣量設(shè)為0.0249kg/s。

n=5000r/min時的進(jìn)氣量設(shè)為0.0416kg/s。

（2）其他參數(shù)設(shè)置

在Run Mode（運(yùn)行模式）處，在發(fā)動機(jī)增壓進(jìn)氣過程中，選擇穩(wěn)態(tài)。在fluid properties(流體性質(zhì))把進(jìn)氣設(shè)置類型設(shè)置成.質(zhì)量流，即每秒通過增壓器的空氣的質(zhì)量。在 fixed temperature（固定溫度）選項(xiàng)中，把進(jìn)氣溫度設(shè)置成室溫20攝氏度即293.15k。固定的標(biāo)量設(shè)為1。進(jìn)到增壓器的氣體的壓強(qiáng)取 98000Pa。外殼溫度為常溫。流體性質(zhì)為空氣，普朗特數(shù)Pr=γ/κ，為0.9。把輸出頻率定為100。

2.2.4 模擬結(jié)果及討論

在進(jìn)氣道的CFD數(shù)值模擬計(jì)算中，對其結(jié)果的分析主要包括：壓力分布、速度分布。最主要的是對流量系數(shù)[8]的分析和計(jì)算。實(shí)際進(jìn)氣過程中的壓差影響十分復(fù)雜，考慮到目前的現(xiàn)狀，將其過程假定為穩(wěn)態(tài)流動過程。進(jìn)氣道中由于旋流的產(chǎn)生，使得壓降增加。應(yīng)在基本滿足進(jìn)氣旋流要求的前提下，盡可能降低氣道的阻力[9]。

仿真得到的結(jié)果，有壓力，有流速，還有溫度等各種數(shù)據(jù)，因?yàn)檠芯康氖窃鰤浩?，所以一般關(guān)注的數(shù)據(jù)一般是是壓力和流速。

通過對旋流增壓強(qiáng)內(nèi)部氣流的速度、壓力及湍動能流場的模擬分析，并不斷地改變?nèi)~型曲面的彎曲角度，在不同角度下進(jìn)行增壓器內(nèi)部流場進(jìn)行仿真，把數(shù)據(jù)以圖表的形式表示出來。

該發(fā)動機(jī) 3000r/min轉(zhuǎn)速下葉型曲面的角度θ與增壓器出口截面壓力的關(guān)系如表1所示。

表1 3000r/min轉(zhuǎn)速下θ與增壓器出口截面壓力的關(guān)系

把上表的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出成直觀的圖像，如圖3所示。

圖3 3000r/min轉(zhuǎn)速下θ與增壓器出口界面壓力的關(guān)系

在該發(fā)動機(jī) 5000r/min轉(zhuǎn)速下葉型曲面的角度與增壓器出口面壓力的關(guān)系如表2所示。

表2 5000r/min轉(zhuǎn)速下θ與增壓器出口截面壓力的關(guān)系

把上表的數(shù)據(jù)導(dǎo)出成直觀的圖像，如圖4所示。

圖4 5000r/min轉(zhuǎn)速下θ與增壓器出口界面壓力的關(guān)系

通過比較，不同的葉型曲面角度對應(yīng)著不同的出口界面壓力?？梢灾喇?dāng)葉型曲面的彎曲角度為18°時，增壓器出口處的壓強(qiáng)最大。當(dāng)葉型曲面的彎曲角度由18°變大或變小的時候，增壓器出口處的壓力會不斷下降。所以經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)可知，葉型曲面的彎曲角度取18°最佳。

3 旋流減壓器數(shù)值模擬分析

3.1 幾何模型建立

運(yùn)用 PRO/E繪制旋流減壓器的數(shù)字模型結(jié)構(gòu)如圖 5所示，開口大的一端為出氣口，小的一端為進(jìn)氣口。

圖5 旋流減壓器結(jié)構(gòu)

3.2 設(shè)計(jì)方案

對旋流減壓器進(jìn)行優(yōu)化及模擬仿真試驗(yàn)，主要采取三種優(yōu)化方案：

3.2.1 方案一

方案一：以旋流減壓器的葉型曲面的彎曲角度為變量，其他因素為定量；參數(shù)設(shè)定如表2-3所示。

表3 參數(shù)設(shè)定

（1）網(wǎng)格的劃分

本論文設(shè)定如下，弦高0.0139，角度控制0.01，如圖2-6所示[10][11][12]。

圖6 氣體流道的STL格式三角網(wǎng)格模型

（2）計(jì)算模型

本設(shè)計(jì)采用的湍流模型為目前使用最廣泛的 k-ε兩方程模型。與之相對應(yīng)的輸運(yùn)方程[17]為：

（3）邊界設(shè)定

①進(jìn)口：根據(jù)發(fā)動機(jī)排量和轉(zhuǎn)速確定入口速度和湍動條件。

與該排氣系統(tǒng)相匹配的發(fā)動機(jī)為4缸四沖程0.97L汽油機(jī)，則依據(jù)式（2-12）～式（2-14）可確定排氣系統(tǒng)入口速度u為：

式中：u為排氣系統(tǒng)入口平均速度，m/s；A為排氣總管入口面積，m2；Q為發(fā)動機(jī)總排氣體積流量，

其中，Tb、Ts分別為發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣溫度，K；ψ為常量0.98；Qi為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣體積流量，，可用公式（3-16）求算，則：

其中，Vh為發(fā)動機(jī)總排量，L；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；φc為充量系數(shù)。

質(zhì)量流量=密度*體積流量=密度*平均流速

根據(jù)式（12）～（15）可得氣體流道模型的進(jìn)口邊界條件如表2-3所示：

表4 進(jìn)口邊界條件

其中，進(jìn)氣溫度為298.15K；排氣溫度為1073.15K（開爾文K=273.15+T攝氏度）；排氣總管R=0.021m；旋流減壓器進(jìn)氣管R=0.03m；充量系數(shù)為φc=0.8。

②出口：設(shè)定為壓力條件，其值為9800Pa。。

③壁面：設(shè)定為溫度條件，其值為1073.15K。

④葉片：設(shè)定為溫度條件，其值為1073.15K。

（4）模擬結(jié)果及討論

模擬仿真，得出壓強(qiáng)值對比如圖2-7所示。其中縱坐標(biāo)為壓強(qiáng)，橫坐標(biāo)為步數(shù)：

圖7 X-Y坐標(biāo)圖

從上面的溫度和壓強(qiáng)的結(jié)果分析可以得出，葉型曲面的彎曲角度為θ=10°時的旋流減壓器的工作性能更加好，不僅能滿足三元催化轉(zhuǎn)換器的最佳工作溫度的同時，也能產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)差，有助于增大旋流減壓器的負(fù)壓吸力，即能有更加充足的氧氣能夠噴射到排氣管中。

3.2.2 方案二

方案二：根據(jù)方案一得到的最優(yōu)葉型曲面的彎曲角度，以旋流減壓器的機(jī)構(gòu)總長度為變量，進(jìn)行模擬仿真。

參數(shù)如表5所示。

下面是以葉型曲面的彎曲角度θ為定量，機(jī)構(gòu)的總長度L為變量進(jìn)行模擬仿真，葉型曲面的彎曲角度取θ=10°，機(jī)構(gòu)總長度取L=60mm和L=80mm，以下是它們兩者的仿真結(jié)果分析：

表5 參數(shù)設(shè)定

圖8是兩者壓強(qiáng)值對比圖，縱坐標(biāo)為壓強(qiáng)，橫坐標(biāo)為步數(shù)。

圖8 X-Y坐標(biāo)圖和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)表

兩者的X-Y坐標(biāo)圖和數(shù)據(jù)表都呈現(xiàn)出壓強(qiáng)由大到小的過程，它們到最后都是趨于一個穩(wěn)定的壓強(qiáng)值，各自與最高的壓強(qiáng)形成一個差值，這個差值是旋流減壓器產(chǎn)生負(fù)吸壓力的指標(biāo)，差值越大，負(fù)吸壓力就越大，反則就越小。

機(jī)構(gòu)總長度L=60mm的

機(jī)構(gòu)總長度L=80mm的

從溫度和壓強(qiáng)的結(jié)果分析上看，L=80mm規(guī)格的旋流減壓器比較好，在滿足溫度條件的同時，也能滿足具有較大的壓強(qiáng)差的要求，達(dá)到了優(yōu)化旋流減壓器的目標(biāo)。

3.2.3 方案三

方案三：對旋流減壓器薄壁小孔數(shù)量和尺寸大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

該旋流減壓器的葉片與普通葉片不同的是在每一片葉片上都開有若干小孔，其作用主也是使流通的廢氣在通過小孔時利用旋轉(zhuǎn)所形成的氣流，更順暢的排出到大氣中。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果分析，壓強(qiáng)在徑向方向大致降低4000Pa，這樣一個壓強(qiáng)差足可以保證降低了很大的排氣阻力，進(jìn)而增大了與進(jìn)氣系統(tǒng)的負(fù)壓吸力，保證了發(fā)動機(jī)與三元催化器有充足的空氣供應(yīng)，也使得排氣干凈。

溫度方面徑向方向上降低0.4K左右，并且溫度能夠保持穩(wěn)定。這樣一個穩(wěn)定的條件可以保證三元催化器內(nèi)進(jìn)行正常的化學(xué)反應(yīng)。

根據(jù)以上兩個主要參數(shù)的分析，可以確定最終小孔的優(yōu)化結(jié)果為數(shù)量180個，尺寸4mm。

4 結(jié)論

（1）利用CFD流體力學(xué)動力數(shù)值計(jì)算分析技術(shù)對旋流增壓器、旋流減壓器中的氣體流動進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，得出當(dāng)旋流增壓器葉型曲面的彎曲角度取18°最佳，旋流減壓器葉型曲面的彎曲角度為θ=10°，機(jī)構(gòu)總長度L=80mm，小孔的優(yōu)化結(jié)果為數(shù)量180個，尺寸4mm時，其工作性能最好。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)的旋流增壓器及旋流減壓器安裝在二次空氣噴射系統(tǒng)中，經(jīng)過模擬及試制裝車試驗(yàn)，驗(yàn)證降低了排氣背壓，提高發(fā)動機(jī)的動力性，減少HC和CO的排放，延長三元催化轉(zhuǎn)換器的壽命，減少油耗 5～10%，提高發(fā)動機(jī)的功率3～5%。

[1] 夏興蘭,陳大陸,王勝利.內(nèi)燃機(jī)氣道性能的評價方法[J].現(xiàn)代車用動力,2007.5(2):7-8.

[2] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3] 楊萬里,許敏,劉國慶等.發(fā)動機(jī)排氣歧管熱負(fù)荷數(shù)值模擬[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006.(12).

[4] 祖炳鋒,康秀玲,付光琦,徐玉梁,劉捷.多氣門發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評價[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2005.36(5):29－30.

[5] 裴普成,劉書亮,范永健.多氣門汽油機(jī)滾流進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報.1998,16(3):329-330.

[6] 劉伯潭,潘書杰.汽車排氣系統(tǒng)總成的計(jì)算流體力學(xué)模擬[J].天津汽車,2008(07).

[7]王太勇.CFD 技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.9-12.

[8] 劉云卿,胡景彥,由毅等.渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣歧管的 CFD 分析及優(yōu)化改進(jìn)[A].11-18.

[9] 孔瓏.工程流體力學(xué)[M].中國電力出版社,2006.51-58.

[10] 王素梅,董沛存.柴油機(jī)排氣歧管的CFD數(shù)值模擬分析[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報,2012,34(4).

[11] 谷芳,劉伯潭,李洪亮,潘書杰.基于 CFD 數(shù)值模擬的汽車排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2007.25(4).

[12] 朱茂強(qiáng),徐飛云.微型汽車發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)——基于流體數(shù)值模擬的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī),2011(4).