本田節(jié)能賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

閆康楠 耿杰 王新建 王德進(jìn)

摘要：基于本田節(jié)能大賽規(guī)則，對(duì)WH1152FMI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)不同噴油角度的管道模型用Fluent進(jìn)行進(jìn)氣仿真，結(jié)果顯示，在初始階段，進(jìn)氣管內(nèi)的氣體靠近管壁的流動(dòng)快，靠近管道截面中心的流動(dòng)慢，在進(jìn)氣階段，靠近噴油器一側(cè)管壁的氣體流動(dòng)速度快，并且距離越遠(yuǎn)（出口邊界面上），速度越小。管道內(nèi)氣體流動(dòng)速度越快，其氣壓越低;出口處則相反;進(jìn)氣管拐角角度為35°時(shí)，管道內(nèi)的流體流動(dòng)綜合性能最佳。

Abstract： According to the Honda Eco Racing regulation， WH1152FMI engine inlet pipe is redesigned. Air inlet simulation of the inlet pipe is proceeded in Fluent. The results show that at the beginning， the air by the pipe wall flows more quicikly than the air at the center of the pipe cross section. When at the intake stroke， the flow velocity of air at the spout of the injector is higher than the far air. As the angle of the air intake pipe is 35°， the composite performance is the best.

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);進(jìn)氣管;設(shè)計(jì);流體;仿真

Key words： engine;iIntake pipe;design;CFD;simulation

中圖分類號(hào)：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0001-02

0? 引言

進(jìn)氣管在發(fā)動(dòng)機(jī)中扮演著重要的角色，內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)空氣充量大小及形成渦流的強(qiáng)弱直接與結(jié)構(gòu)相關(guān)，所以其結(jié)構(gòu)影響著氣缸內(nèi)燃油的燃燒狀況，進(jìn)而關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能。運(yùn)用Fluent軟件對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，可以方便的在特定的區(qū)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精確度等方面達(dá)到最佳的配比，使原本各個(gè)流域復(fù)雜流動(dòng)的計(jì)算變的容易，減少了計(jì)算量，提高了運(yùn)算效率。

1? 進(jìn)氣管參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到本田節(jié)能車升級(jí)、改進(jìn)的過程中，進(jìn)氣管會(huì)間接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，所以對(duì)其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[1]。

為了減小進(jìn)氣管對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的充排氣效應(yīng)的影響，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量能迅速響應(yīng)油門變化，摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)要設(shè)計(jì)的非常緊湊[2]。摩托車進(jìn)氣管設(shè)計(jì)，為響應(yīng)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快速變化，進(jìn)氣管內(nèi)的空間體積要大于發(fā)動(dòng)機(jī)排量[3]，則進(jìn)氣管長(zhǎng)度L有：

L=V/S（1）

式中，V——發(fā)動(dòng)機(jī)排量;S——管道橫截面積。

求得：最小管截面半徑11mm下的最小長(zhǎng)度：328mm;

最大管截面半徑14mm下的最小長(zhǎng)度：202mm。

考慮到車身體積，安裝位置受限等因素，進(jìn)氣管長(zhǎng)度不應(yīng)小于202mm。經(jīng)研究表明，同排量同缸徑的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在7000轉(zhuǎn)/分鐘其進(jìn)氣壓力波動(dòng)相對(duì)較大，因此以標(biāo)定轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇[1]最佳進(jìn)氣管長(zhǎng)度為0.323m。

2? 進(jìn)氣管模型

進(jìn)氣管改進(jìn)前后及簡(jiǎn)化情況如圖1（b）所示。噴油角度決定B處管道的角度，兩者同軸，C處的兩個(gè)角度等于燃油噴射角，用Fluent軟件分別對(duì)安裝噴油器角度20°、30°、35°、45°的進(jìn)氣管管內(nèi)流體環(huán)境的再現(xiàn)。

3? 仿真分析

3.1 進(jìn)氣管網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定? 自由網(wǎng)格劃分，不限制模型的形狀，即使是不規(guī)則的，也可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]，并將其簡(jiǎn)化，如圖2所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)為36348，單元網(wǎng)格數(shù)為125304。進(jìn)氣管的上游、噴油嘴入口平面、進(jìn)氣管的下游等部位在BC面板中設(shè)定指定邊界條件，在進(jìn)氣門剛剛開啟時(shí)，對(duì)管道內(nèi)流體的瞬時(shí)狀態(tài)進(jìn)行分析。

3.2 管內(nèi)流體壓力? 如圖3（a）-圖3（d）所示，分別為管路拐角為20°、30°、35°、45°的管道垂直截面的壓力分布云圖。通過仿真過程可以看出，管道內(nèi)的氣流壓力在同一橫截面上的壓力分布并不均勻，區(qū)域的顏色高亮代表高壓，角度越大，高亮區(qū)域越少，壓力損失越大;彎角角度為20°的管內(nèi)壓力最高且氣壓分布最均勻，壓力越高，氣流恢復(fù)補(bǔ)充速度就越快;35°與30°、40°相比管道發(fā)生彎曲的壓力分布最均勻，出口處的壓力分布不均勻。

3.3 管內(nèi)流體速度? 如圖4（a）-圖4（d）所示，分別為管路拐角為20°、30°、35°、45°的管道垂直截面的速度分布云圖。通過仿真過程可以看出，流體速度的大小與壓力的變化有關(guān)，在速度開始發(fā)生變化的位置上，其壓力必定發(fā)生變化;進(jìn)口處氣體流速很慢，其壓力變化很小?？拷隹诘臍怏w流速會(huì)升高，其壓力變化幅度大;出口段管道管壁附近的氣體流動(dòng)速度最快，如圖4（d）所示，45°彎管在管道中心的速度等高線上差異最突出;與其余三圖相比，35°的氣體速度在管道截面上分布最平穩(wěn)，有助于提高燃油霧化的均勻性。

4? 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)四種不同彎度進(jìn)氣管管內(nèi)的壓力仿真分析，可得出以下結(jié)論：①管道中流動(dòng)的氣體內(nèi)部壓力分布不均勻;②總體上，管道越平直，壓力分布相對(duì)越均勻;③管道內(nèi)氣體流動(dòng)速度越快，氣壓越低;出口處相反。

參考文獻(xiàn)：

[1]石皓天.GDI汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[2]丁濟(jì)凡.電噴摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣調(diào)節(jié)特性的研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

[3]王鑫鑫，雷基林，等.柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道三維造型設(shè)計(jì)與CFD分析[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011，5：24-25.

[4]都志輝，陳渝.網(wǎng)格計(jì)算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002：3-46.