CFD輔助發動機進氣管的研究

竇 昊，何云信，謝文尚，陳 暉

(廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004)

進氣系統是內燃機五大系統中供給系的重要組成部分，氣體在進氣系統的流動，在很大程度上影響了內燃機的動力性、經濟性和排放性，它對油氣混合、滯燃期、著火、燃燒、火焰傳播、排放物生成、傳熱以及對汽油機的爆震和循環變動等，都有著重要的影響，內燃機氣體流動具有重要的意義。匹配優良的進氣系統，能以最小的泵氣功來最大限度地提高進氣終了時留在發動機氣缸內充量的純度和密度[1]。本文針對LJ276QE汽油機電噴化后的進氣管，對其進氣管流場進行分析，以及優化改進設計，以提高其發動機動力性和經濟性等性能。

表1 LJ276Q E型發動機主要參數

1 LJ276QE原進氣管的建模分析

LJ276QE汽油機整機、進氣管三維模型如圖1所示。

圖1 LJ276QE進氣管三維模型

LJ276型汽油機是傳統的化油器式發動機，原進氣管是傳統的“Y”型進氣管，LJ276QE是LJ276的電噴化機型，采用進氣管多點電噴方式取代化油器供油。發動機在電噴化后，多個相關參數發生改變，原進氣系統不能滿足電噴化后得進氣需要，需要重新設計進氣管，以提高進氣效率，并便于安裝噴油器。

通過逆向工程技術，使用非接觸式三維測量設備掃描LJ276汽油機進氣管的鑄造沙芯，然后利用UG軟件構造和編輯曲線和曲面，完成進氣管氣道的三維實體建模[2](如圖2所示)。

圖2 原機氣管氣道的三維實體模型

2 進氣管的改進設計計算

新設計的進氣管，需考慮到氣體動力增壓效應和噴油器安裝等問題。考慮到氣體增壓效應，設計計算進氣總管直徑和長度，穩壓腔容積，進氣歧管直徑和長度[3]。

2.1 利用波動效應確定管長和管徑[4]

其中，

L——進氣歧管長度；

q——波動效應系數3/2，5/2，7/2，9/2…

n——發動機轉速。

以標定功率和最大扭矩點為基點，計算出來管長為多值，并結合的汽油機的實際尺寸，選擇發動機進氣管長度為0.440m，這個距離包括了進氣道的長度，故設計發動機諧振進氣管長度

利用慣性效應確定進氣管管徑

其中，

準t——慣性系數；

D——缸徑；

S——沖程；

d——進氣管管徑；計算得d=44.34(mm)

2.2 諧振腔容積的確定

諧振腔容積要設計得合適，不能過大，也不能過小。一方面，如果過大，腔內壓力波動程度下降，諧振效果減弱，穩壓效果增強，諧振進氣得效果從而會大大降低；另一方面，若容積過小，則不能滿足發動機高速時對進氣量的需要。大多數文獻設定的諧振腔容積一般為發動機排量的0.55倍左右[5]。LJ276QE汽油機的排量為0.644 L，故設計其進氣管穩壓腔容積為0.354L左右，結構為完全矩形腔，為穩壓腔中間進氣結構。

3 CFD仿真模型的建立

根據計算所得參數，使用三維軟件UG建立新的進氣管氣道模型(如圖3所示)。

圖3 改進氣管氣道的三維實體模型

圖4 改進氣管氣道模型網格劃分

將此模型導入Fluent軟件自帶的前處理軟件Gambit，劃分網格，原進氣管氣道模型網格數136 433，新進氣管氣道網格數163 649；以安裝原進氣管的充氣效率曲線(如圖5所示)。根據關系式

計算出進氣管入口出的速度作為各個轉速下的入口邊界條件，出口邊界均設定為自由出流，湍流模型為標準K-ε模型，耦合能量方程，設定壁面溫度293 K，計算結果如下所述。

由圖6、圖7可知，進氣管出口處的速度和湍動能均有了很大的提高，且隨著轉速的升高，速度和湍動能的提升量也呈增大的趨勢，速度的增量都在50%以上；由圖7可知，原進氣管出口處湍動能變化不大，新進氣管出口湍動能的增量有了極大的提高。速度和湍動能有了很大的提高，主要原因是在設計時減小了進氣管支管直徑。由流體力學中伯努利方程可知，當進氣歧管的管徑減小，流量不變的情況下，進氣歧管速度會升高。速度升高，湍動能也會隨之升高。進氣速度和湍動能的提高，必然可以提高發動機進氣量和進氣能量。

圖5 原進氣管的充氣效率曲線

圖6 兩種進氣管速度曲線比較

圖7 兩種進氣管進氣湍動能比較

4 結束語

綜上所述，我們可以得出下列結論：

(1)發動機的進氣管結構尺寸，對發動機的性能有很大的影響；

(2)利用進氣管中的諧振效應，匹配優良的進氣總管、穩壓腔、進氣歧管，可以提高發動機進氣速度和湍動能；

(3)FLUENT計算結果表明，CFD可以較為準確的預測發動機進氣管流場，可以輔助設計發動機進氣管正向設計的有效手段。

[1]W.J.D.安南德，G.E.羅埃.內燃機中的氣體流動[M].北京：中國農業機械出版社，1981.

[2]劉志恩，蔣炎坤.CFD輔助發動機進氣道設計方法研究[J].內燃機工程，2006，12(6)：6-7.

[3]蔣炎坤.CFD輔助發動機工程的理論與應用[M].北京：科學出版社，2004.

[4]靳紅玲.469Q汽油機進氣系統流場特性及優化設計[D].太原：太原理工大學，2007.

[5]劉 宇.基于GT-POWER的汽油機仿真及優化設計[D].吉林：吉林大學，2006.