甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)壓腔結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣的影響研究

李鳳陽，何鋒，趙建峰，王琳皓

（550000 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

隨著國家、社會(huì)和個(gè)人對(duì)環(huán)保的重視以及化石燃料日益緊缺的趨勢，新能源汽車成為汽車發(fā)展領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)[1]。甲醇燃料具有尾氣清潔和優(yōu)異的抗爆震性能，因此甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)汽車逐漸受到重視。

進(jìn)氣歧管與進(jìn)氣道是甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組件之一，其進(jìn)氣性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)可燃混合氣的形成及燃燒火焰的傳播[2]。相關(guān)研究中，WEN[3]等計(jì)算分析了亥姆霍茲諧振腔、1/4 波長管和空氣過濾器的參數(shù)靈敏度，總結(jié)了相關(guān)參數(shù)變化對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)性能的影響；耿杰基[4]等在GTPOWER 建立了四缸點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)仿真模型，分析了進(jìn)氣總管、進(jìn)氣歧管的直徑、長度等部分參數(shù)對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。此外，針對(duì)進(jìn)氣道的長度、穩(wěn)壓腔的容積、限流閥的漸縮角及漸擴(kuò)角等相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了很多研究[5-8]，但是研究穩(wěn)壓腔結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣均勻性的影響較少。

針對(duì)側(cè)置進(jìn)氣口甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，基于Fluent 進(jìn)行仿真計(jì)算，分析甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部流場，研究穩(wěn)壓腔相關(guān)參數(shù)對(duì)各個(gè)氣缸進(jìn)氣均勻性的影響，對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定意義。

1 理論模型

1.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型

k-ε模型是應(yīng)用最廣泛的湍流模型，特別是在工業(yè)計(jì)算中。由于k-ε兩方程湍流模型具有數(shù)值魯棒性，因此在CFD 模擬中非常適用，并在傳熱、燃燒、自由表面和兩相等多種流動(dòng)中進(jìn)行了測試[9]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為一種半經(jīng)驗(yàn)公式，由精確的湍流動(dòng)能方程（k方程）和由經(jīng)驗(yàn)而來的湍流耗散率方程（ε 方程）組成[10]，如式（1）—式（2）所示。

湍流動(dòng)能方程（k方程）：

湍流耗散率方程（ε 方程）：

式中：ρ——流體密度；t——時(shí)間；u——坐標(biāo)軸上的速度分量；μ——湍流粘性系數(shù)；P——平均應(yīng)力項(xiàng)；σε——ε的湍流普朗特?cái)?shù)；σk——k的湍流普朗特?cái)?shù)。

1.2 最大不均勻度方程

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不均性用最大不均勻度E表示[11]：

式中：Qmax——歧管出口質(zhì)量流量最大值；Qmin——出口質(zhì)量流量最小值：Qme——平均質(zhì)量流量。

2 模型建立

2.1 技術(shù)參數(shù)

某型號(hào)直列四缸水冷式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)部分參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)及進(jìn)氣系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Some structural parameters of engine and intake system

根據(jù)表1 參數(shù)建立側(cè)向進(jìn)氣穩(wěn)壓腔模型，如圖1 所示。

圖1 進(jìn)氣穩(wěn)壓腔模型Fig.1 Model of inlet stabilized pressure chamber

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

將模型導(dǎo)入ICEM CFD 中，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后確定網(wǎng)格總數(shù)約30 萬個(gè)。進(jìn)氣系統(tǒng)網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)網(wǎng)格模型Fig.2 Intake system grid model

將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent 中，加入湍流模型，壁面選取無滑移邊界條件，進(jìn)出口邊界條件為壓力進(jìn)出口，湍流強(qiáng)度為5%。

定義進(jìn)氣歧管出口為out-1 至out-4，并定義進(jìn)氣系統(tǒng)的截面，如圖3 所示。

圖3 進(jìn)氣穩(wěn)壓腔截面與出口Fig.3 Inlet regulated cavity section and outlets

3 結(jié)果與分析

3.1 模型計(jì)算結(jié)果

通過仿真計(jì)算，得到模型相關(guān)截面的速度云圖如圖4 所示。

圖4 模型速度云圖Fig.4 Cloud map of model’s velocity

從截面A-A 的速度分布云圖得到out-1、out-2、out-3、out-4 出口平均流速分別為53.42，86.80，91.70，96.34 m/s。通過截面B-B、C-C 看出，進(jìn)氣總管處速度最大，流體經(jīng)總管流入穩(wěn)壓腔，速度逐漸減小，穩(wěn)壓腔末端速度最小。在截面C-C速度云圖中，穩(wěn)壓腔與進(jìn)氣歧管的連接處缺少圓滑過渡，產(chǎn)生較大速度突變。

通過仿真計(jì)算得到模型相關(guān)截面的壓力云圖如圖5 所示。

圖5 原模型壓力云圖Fig.5 Cloud map of model’s pressure

由截面B-B 壓力分布云圖看出，進(jìn)氣總管處壓力最小，穩(wěn)壓腔末端壓力最大。由截面C-C 壓力分布云圖看出，在進(jìn)氣歧管與穩(wěn)壓腔連接處沒有圓角過渡，產(chǎn)生壓力突變。穩(wěn)壓腔內(nèi)部壓力變化梯度比較明顯，在給定出口壓力情況下，各個(gè)歧管壓力變化梯度較小，壓力分布比較均衡。

3.2 進(jìn)氣總管與穩(wěn)壓腔夾角的影響

改變進(jìn)氣總管與穩(wěn)壓腔中心線之間的夾角，其他尺寸不變，設(shè)置相同的邊界條件，通過仿真得到的不同夾角下的流線圖，如圖6 所示。

圖6 不同夾角下速度流線圖Fig.6 Flow chart of velocity under different angles

可見，以上4 個(gè)模型在氣體經(jīng)總管流入穩(wěn)壓腔時(shí)，由于總管與穩(wěn)壓腔有一定夾角，氣體沖擊穩(wěn)壓腔壁面，氣體流動(dòng)性明顯增強(qiáng)，在out-1 與穩(wěn)壓腔的連接處氣流被擠壓，導(dǎo)致流速突然增大。隨著夾角增大，氣流在穩(wěn)壓腔壁面產(chǎn)生的沖擊劇烈，產(chǎn)生較多的渦流區(qū)域。進(jìn)氣總管與穩(wěn)壓腔夾角為5°的模型在流動(dòng)性提高的同時(shí)，產(chǎn)生的渦流更少，能量損失更少，具有更好的流動(dòng)特性。

根據(jù)各歧管質(zhì)量流量結(jié)合最大不均勻度方程可得，總管與穩(wěn)壓腔的夾角與最大不均勻度關(guān)系如圖7所示，可知，夾角為5°時(shí)，最大不均勻度最小，各氣缸的工作狀態(tài)相近，可降低油耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

圖7 總管和穩(wěn)壓腔夾角與最大不均勻度的關(guān)系Fig.7 Relationship between chamber angle and maximum non-uniform degree

3.3 不同穩(wěn)壓腔傾角的影響

在穩(wěn)壓腔的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，改變穩(wěn)壓腔壁面的傾角，仿真得到流線圖如圖8 所示?？梢姡S著穩(wěn)壓腔傾角增大，穩(wěn)壓腔容積增大。隨著穩(wěn)壓腔的容積增大，充量系數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系呈波動(dòng)狀。發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時(shí)，氣體振幅略有下降；發(fā)動(dòng)機(jī)處于中高轉(zhuǎn)速時(shí)，波峰上升明顯，并且波谷也有一定的增加，充量系數(shù)整體處于增加趨勢[12]。但是傾角過大時(shí)在穩(wěn)壓腔末端低流速的區(qū)域較為明顯，速度變化梯度較大，且存在大量渦流現(xiàn)象，產(chǎn)生較多能量損失。

圖8 不同穩(wěn)壓腔傾角下速度流線圖Fig.8 Flow chart of velocity under different inclination angles of pressure stabilizing chamber

根據(jù)各歧管質(zhì)量流量結(jié)合最大不均勻度方程得到，穩(wěn)壓腔傾角與最大不均勻度的關(guān)系如圖9 所示?？梢?，最大不均勻度先減小后增大，在夾角為2°時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)的均勻性最好，各個(gè)氣缸的進(jìn)氣量差距最小。

圖9 穩(wěn)壓腔傾角與最大不均勻度關(guān)系Fig.9 Relationship between chamber angle and maximum non-uniform degree

4 結(jié)論

研究表明進(jìn)氣總管與穩(wěn)壓腔的夾角和穩(wěn)壓腔壁面傾角對(duì)進(jìn)氣均勻性的影響如下：

（1）進(jìn)氣總管與穩(wěn)壓腔的夾角增大有利于提高氣體流動(dòng)性，但是過大會(huì)產(chǎn)生較多的渦流。當(dāng)進(jìn)氣總管和穩(wěn)壓腔的夾角為5°時(shí)，穩(wěn)壓腔內(nèi)部的流體速度變化梯度小，進(jìn)氣均勻性好，能量損失較小。

（2）穩(wěn)壓腔壁面傾角增大有利于提高充氣系數(shù)，但傾角過大會(huì)導(dǎo)致腔內(nèi)流體速度梯度變化大。穩(wěn)壓腔傾角在2°時(shí)，各個(gè)進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣量相差最小，進(jìn)氣均勻性最好，各氣缸的工作狀態(tài)最接近。