淺談節(jié)能賽車發(fā)動機進氣道優(yōu)化方法

張瀟揚，任洪娟，孫裴，周梓桐，李超，朱祉彧，毛翼華

（上海工程技術(shù)大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

在內(nèi)燃機中，進氣道結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)氣體的流動與燃燒過程具有關(guān)鍵作用，通過影響缸內(nèi)氣體速度分布、進氣量和湍動能，進而影響發(fā)動機燃油經(jīng)濟性與動力性。然而，節(jié)能賽車對于經(jīng)濟型與動力性又有著更高的要求，需要在這兩者之間找到一個更加精確的平衡點。因此，進氣道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對于提升節(jié)能賽車的成績有著至關(guān)重要的作用。對于汽油機來說，進氣道分為兩種，直氣道和切向氣道，描述兩種進氣道性能的參數(shù)皆為流量系數(shù)和滾流比。

由于進氣道結(jié)構(gòu)復雜，傳統(tǒng)實驗法通過不斷改變實際進氣道內(nèi)部結(jié)構(gòu)并通過試驗得到較高的流量系數(shù)，較低的滾流阻力和適當強度的進氣渦流。為了減少實驗工作，我們通過硅膠翻模和3D 掃描技術(shù)將得到的點云通過UG 建立進氣道模型，并通過Fluent 對進氣道結(jié)構(gòu)進行性能檢驗，對缺陷部分進行模型改進并通過仿真分析進行性能預測。分析不同氣門升程下，缸內(nèi)氣體速度、壓力和湍流強度變化。

1 進氣道結(jié)構(gòu)模型建立（圖1）

硅膠倒模、3D 掃描、UG 逆向建模。

進氣道-氣門-氣缸。

2 控制方程

利用Fluent 對發(fā)動機進氣道與缸內(nèi)氣體流場包括：氣體質(zhì)量、動量、能量守恒及狀態(tài)方程。本身發(fā)動機進氣過程為可壓縮三維非定常流并伴隨有摩擦與發(fā)熱現(xiàn)象。為了簡化分析過程，我們采用時均方程加湍流模型k-ε 方程的方法。

圖1 進氣道三維模型

2.1 質(zhì)量守恒方程

2.2 動量守恒方程

2.3 能量守恒方程

2.4 選用k-ε 湍流方程

對于模型有很高的計算精度，能達到預期效果。

3 邊界條件設定

采用固定壁面邊界，假定為絕熱的，無滑移，邊界層采用標準壁面函數(shù)，壁面溫度邊界設為定溫293.15K。選擇初始化模式為有勢場。進出口邊界取壓力差3kPa，即進口為標準大氣壓，總壓設為100kPa；出口取靜壓97kPa。氣道內(nèi)氣體的流動是三維可壓縮黏性流動，氣流成分取標準空氣。壓力為98kPa，密度為31.164 81kg/m，我們選擇中心差分法對流動方程進行離散求解。

4 進氣速度計算

且Lsinβ=Rsinα

所以sinβ=Rsinα/L=λsinα （R/L=λ）

所 以cosβ= √(1-sin2β)= √（1-λ2sin2α）≈1-(1/2)λ2sin2α

（ 因(1/4)λ4sin4α幾乎為零，可帶入√(1-λ2sin2α)內(nèi)，分解為√(1-(1/2)λ2sin2α)2）

且sin2α=(1-cosα)/2

所以cosβ=(1/4)λ2(1-cos2α)

所以有滑塊運行距離：

滑塊的速度V 為

進氣速度：

V’=ωR(S 缸/S 進)（比例約為2.8）

表1 發(fā)動機部分參數(shù)

表2 不同轉(zhuǎn)速下對應的進氣速度

5 模型處理與網(wǎng)格劃分

先通過硅膠倒模導出進氣道內(nèi)腔模型，通過3D 掃描得到進氣道結(jié)構(gòu)，通過UG 建立進氣道模型對氣門處過于復雜的結(jié)構(gòu)進行適當簡化，通過四邊形網(wǎng)格與六邊形網(wǎng)格對進氣道實體模型進行劃分，并對不同部分進行自動網(wǎng)格化建立。

由不通氣門升程下，缸內(nèi)速度矢量分布圖可以看出氣門座內(nèi)側(cè)（下口處），出現(xiàn)了明顯的壓力集中現(xiàn)象，在氣道轉(zhuǎn)彎處缸壁下方出現(xiàn)壓降現(xiàn)象，氣門處也出現(xiàn)壓降現(xiàn)象，這是由于氣道在轉(zhuǎn)彎處過渡不平順，氣流流經(jīng)此處時速度產(chǎn)生分離，局部形成渦流狀態(tài)引起的阻力損失。在氣門處速度很大，氣流流通面積小,產(chǎn)生壓降速度最快。

6 進氣道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在保證進氣道截面積不變的情況下，對進氣道喉口下側(cè)部位進行優(yōu)化，稍微縮小，減小下側(cè)的進氣量，同時將進氣道部分曲面優(yōu)化更加平滑，增加結(jié)構(gòu)的平順性。

7 數(shù)據(jù)處理

為了比較不同幾何參數(shù)的進氣道的性能，本文用無量綱流量系數(shù)評價不同氣門升程下進氣道流通性能的好壞，用無量綱滾流比評價不同氣門升程下氣道形成滾流的能力，并采用avl 評價方法。

流量系數(shù)：在發(fā)動機進氣道數(shù)值模擬計算中，無量綱流量系數(shù)Cf 表示通過氣道的實際流量與理論流量之比。

對Cf 按照AVL 標準氣門升程曲線進行積分計算，求得積分后的流量系數(shù)稱為平均流量系數(shù)Cfm：

式中：cactual為活塞實際運動速度，m/s；caverage為活塞平均運動速度，m/s。

滾流比：在數(shù)值模擬計算中，假定缸內(nèi)流場平均軸向速度等于活塞平均速度，則滾流比TR 為

對TR 按照AVL 標準氣門升程曲線進行積分計算，稱為平均滾流比TRfm

圖2 滾流比

由圖可知，適當減小喉口下側(cè)進氣量，增大進氣角，使得流量系數(shù)右下幅度的增加；流量比在氣門升程處于4 ～6mm 區(qū)間中大幅度提高。

8 結(jié)語

（1）通過減小進氣門座下側(cè)的進氣量，增大進氣角度，增大進氣門上下側(cè)進氣量差，提高滾流比。（2）通過增加氣門座處的平順性，來減少進氣阻力，獲得更高的流量系數(shù)。