某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)非對(duì)稱(chēng)螺旋式進(jìn)氣道進(jìn)氣過(guò)程模擬分析

周波

摘? 要：本文以STAR-CCM+作為三維數(shù)值模擬軟件，對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最大進(jìn)氣升程下的進(jìn)氣道和缸內(nèi)的流場(chǎng)特性進(jìn)行模擬分析，通過(guò)模擬分析對(duì)比了更改發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑對(duì)進(jìn)氣的影響，可以比較直觀的了解進(jìn)氣道和缸內(nèi)流場(chǎng)，為進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化、評(píng)價(jià)、再設(shè)計(jì)以及燃燒室的匹配提供了方法和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：某柴油發(fā)動(dòng)機(jī);進(jìn)氣過(guò)程;STAR-CCM+;模擬分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）04-0060-06

Abstract： In this thesis， STAR-CCM+ is used as a three-dimensional numerical simulation software to simulate and analyze the flow field characteristics of the intake port and cylinder of a diesel engine at the maximum intake lift. The influence of changing the engine cylinder diameter on the intake is compared through simulation and analysis. The intake port and the flow field in the cylinder can be intuitively understood， which can provide for the optimization， evaluation， redesign of the intake port structure and matching of the combustion chamber. The method and basis are given.

隨著現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)和進(jìn)氣道、氣門(mén)及燃燒室的匹配在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中愈加重要。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)流動(dòng)特性復(fù)雜，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和換氣損失，其流場(chǎng)特性直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能，不合理的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣阻力較大，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放變差。因此對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析是有必要的。某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道采用非對(duì)稱(chēng)螺旋式布置，本文應(yīng)用流體分析軟件STARCCM+對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最大進(jìn)氣升程下自然進(jìn)氣的進(jìn)氣道和缸內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行模擬分析，為進(jìn)氣道的改進(jìn)和燃燒室的匹配提供了重要的研究理論依據(jù)。

1? ? 模擬系統(tǒng)模型

1.1? ?三維CAD模型

某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣凸輪軸最大升程參數(shù)和結(jié)構(gòu)如下表1、圖1所示：

確定進(jìn)氣凸輪軸最大升程8.4880mm后，使用CATIA三維軟件建立某四缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)其中一缸的進(jìn)氣道模擬分析模型如圖2所示，模型包括非對(duì)稱(chēng)螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道、氣缸和穩(wěn)壓腔。CATIA軟件建模完畢后，保存為stl格式文件并導(dǎo)入STAR-CCM+軟件。

1.2? ?三維CAD模型

某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用于模擬分析的非對(duì)稱(chēng)螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道模擬分析網(wǎng)格采用STARCCM+軟件自帶的網(wǎng)格劃分工具劃分，如圖3、圖4所示。面網(wǎng)格采用包面（wrapper）技術(shù)，包面后的三角面（faces）約為1100萬(wàn);重新優(yōu)化劃分表面網(wǎng)格（remesher）后三角面（faces）約為6萬(wàn);基于重新劃分的面網(wǎng)格基礎(chǔ)上生成的多面體網(wǎng)格（volume mesh）總數(shù)大約為20萬(wàn)，基本尺寸為5mm。采用系統(tǒng)默認(rèn)網(wǎng)格邊界層兩層，網(wǎng)格增長(zhǎng)比1.5，將第一層設(shè)置為1.5mm，邊界層總厚度為3.75mm。

為了避免出口邊界處流場(chǎng)對(duì)缸內(nèi)流場(chǎng)的影響及計(jì)算收斂穩(wěn)定性的因素，模型采用氣缸高度為2.5倍的缸徑。另外，在模型前端設(shè)置一個(gè)200mm的立方箱體起到穩(wěn)壓作用，達(dá)到模擬外界大氣環(huán)境的作用。

1.3? ?數(shù)學(xué)模型

1.3.1 流動(dòng)控制方程

1.3.2 湍流模型

選用K-E雙方程模型來(lái)仿真模擬流場(chǎng)內(nèi)的湍流。該模型屬于渦粘性耗散模型，對(duì)湍流的模擬基于Boussinesp假設(shè)，隱含湍流是各向同性的，其計(jì)算穩(wěn)定性高。

1.4? ?邊界條件與初始化

分析模擬采用壓差方式，Bosch文檔中柴油機(jī)自然吸氣狀態(tài)下缸內(nèi)壓力為-0.1bar～-0.2bar之間。仿真模擬設(shè)置進(jìn)氣道入口處為滯止邊界，相對(duì)壓力為0Pa，溫度為300K。氣缸出口端面設(shè)置為壓力出口邊界，如圖5所示。

流體特性及初始化，流體選擇常密度、不可壓縮的空氣。壓力出口選定相對(duì)壓力為-20000Pa，溫度為300K，空氣密度為1.18kg/m3。

2? ? 模擬結(jié)果分析

模擬計(jì)算獲得氣門(mén)最大升程下的進(jìn)氣道流動(dòng)特性和缸內(nèi)三維流場(chǎng)，圖6和圖7和圖8分別為進(jìn)氣道整體壓力分布圖和過(guò)氣門(mén)桿中心線的截面壓力分布圖。

根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)可知，氣流進(jìn)入進(jìn)氣道以后，隨著氣道截面積減小，流速加快，壓力降低。由于實(shí)際進(jìn)氣道進(jìn)口為大氣壓力，理論上氣道和缸內(nèi)的壓力都應(yīng)為負(fù)壓。從圖五計(jì)算結(jié)果可以看出氣道和氣缸內(nèi)的壓力小于外界的大氣壓，尤其是氣門(mén)附近的壓力接近最小值。因?yàn)闅怏w在進(jìn)入氣道后，隨著截面積減小，氣道內(nèi)的阻力增大，氣道進(jìn)口到氣道出口的壓力損失也逐漸增大。而氣體進(jìn)入氣缸后截面積增大，壓力也隨之回升。因此氣門(mén)附近的壓力接近最小值。圖9、圖10所示為過(guò)氣門(mén)桿軸線的縱截面速度分布圖。從圖中可以看出，氣體從外界流入氣道后，因?yàn)闅獾廊肟谙聜?cè)的凸筋，使得氣流在氣道下方壓降增大、流動(dòng)速度減慢，上方流速高于下方流速，有利于螺旋結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣。且氣體從外界流入氣道以后，因?yàn)闅獾罊M截面積減小，各處流量不變，所以氣道中的氣體速度加快，使得氣道壓降增加，與圖7、圖8壓力分布圖所顯示的結(jié)果吻合。氣體進(jìn)入氣缸由于橫截面積變大，壓降減小，氣體流速降低。

分布圖

另外在上圖中可以看出氣門(mén)桿處的氣體流動(dòng)速度最大而氣體壓力最小，這說(shuō)明總壓等于靜壓與動(dòng)壓之和。

圖11所示氣門(mén)平面處的速度矢量圖。由圖十可見(jiàn)該截面上有兩個(gè)沿氣門(mén)中心方向旋轉(zhuǎn)方向一致的大尺度渦流，在壁面附近速度較大，沿氣門(mén)直徑方向逐漸減小。這是由旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)形成的。

圖12所示氣缸出口處的速度矢量圖。由于進(jìn)氣道采用非對(duì)稱(chēng)布置，在該截面上有一個(gè)較大尺度的渦流，缸壁附近速度較大，但沿缸徑方向速度減小。

圖13所示進(jìn)氣道空氣流動(dòng)的流線圖可知由于進(jìn)氣道到氣缸采用螺旋結(jié)構(gòu)在氣門(mén)下方形成兩個(gè)大尺度同向渦流使得氣缸內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)比較明顯。由于同向最終在氣缸出口處匯合成一個(gè)中心靠左側(cè)尺度較大的渦流。

3? ? 更改缸徑對(duì)比分析

目前由于國(guó)內(nèi)排放政策法規(guī)及平臺(tái)成本要求，需要開(kāi)發(fā)2.5L排量的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。更改2.5L排量方案一：不改缸徑，將更改曲柄連桿機(jī)構(gòu)縮短沖程到86mm，達(dá)到降低排量的效果;方案二：不改曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將缸徑由96mm減到88mm。方案一由于更改的是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，故考慮方案二的可行性。

通過(guò)上述對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)非對(duì)稱(chēng)螺旋式進(jìn)氣道的三維流場(chǎng)模擬分析，現(xiàn)將模擬分析模型的缸徑由96調(diào)整為88mm，其他均保持一致。用catia將調(diào)整完缸徑的數(shù)模另存為stl格式后導(dǎo)入starccm+。然后按照上述某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)非對(duì)稱(chēng)螺旋式進(jìn)氣道的仿真方法進(jìn)行計(jì)算求解。得到如下圖所示。

通過(guò)上圖仿真缸徑由96調(diào)整為88mm后的結(jié)果對(duì)比分析，可知缸徑減小后，壓降增加，進(jìn)氣阻力增大。 缸內(nèi)的流體速度減小，渦流減弱，流線沒(méi)有原來(lái)理想。故需要從新調(diào)整設(shè)計(jì)匹配進(jìn)氣道。

4? ? 結(jié)論

本文在現(xiàn)有缸蓋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上逆向建立某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)非對(duì)稱(chēng)螺旋式進(jìn)氣道模型，并進(jìn)行了模擬分析，同時(shí)對(duì)比分析了缸徑由96mm更改為88mm方案?，F(xiàn)結(jié)論如下：

（1）進(jìn)氣道是發(fā)動(dòng)機(jī)至為關(guān)鍵的部位之一，其性能優(yōu)劣直接影響汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和使用要求的不斷提高，設(shè)計(jì)方法和手段也在不斷改善。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品對(duì)性能的需求，取而代之的是以計(jì)算機(jī)為基本工具，本文基于STAR-CCM+數(shù)值仿真分析充分體現(xiàn)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的廣泛應(yīng)用。

（2）從三維數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道采用了先進(jìn)的雙進(jìn)氣道非對(duì)稱(chēng)螺旋式結(jié)構(gòu)，缸內(nèi)存在明顯渦流情況;流量系數(shù)高，進(jìn)氣效果好，說(shuō)明現(xiàn)有的非對(duì)稱(chēng)螺旋式進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

（3）將缸徑改為88mm后，進(jìn)氣道壓降增加，缸內(nèi)空氣流速減小。另外，進(jìn)氣道內(nèi)部流線分布也沒(méi)有某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)理想。該模擬分析為進(jìn)一步分析氣道內(nèi)流場(chǎng)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠設(shè)計(jì)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]star CCM+用戶幫助文檔.

[2]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析.北京：清華大學(xué)出版社，2004.9 .

[3]徐莉，蔡志強(qiáng)，王偉民，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道與進(jìn)氣歧管耦合CFD分析[4]//CDAJ-China中國(guó)用戶論文集. 上海：西迪阿特信息科技（上海）有限公司. 2009：5-6.

[4]羅馬吉，黃震，蔣炎坤，等.內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣過(guò)程多維數(shù)值模擬的研究[6]車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2003（5）：12-13.

[5]周龍保. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].第二版北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.