發動機進氣道CFD數值模擬

李 軍，李林鳳

(重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074)

發動機進氣道CFD數值模擬

李 軍，李林鳳

(重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074)

應用CFD(computational fluid dynamics)對某型號發動機雙進氣道進行了數值模擬，計算得出氣門在不同升程下的進氣流量系數、渦流比及滾流比。通過將計算結果與試驗結果進行對比，顯示數據吻合良好，流量系數較高，并總結出了不同升程下氣道流量系數的變化規律；同時，模擬結果表明氣道-缸內具有良好的進氣效果和明顯的缸內滾流運動，進一步驗證了CFD模擬的氣道結構的合理性。

車輛工程；雙進氣道；CFD；流量系數；滾流

汽油機缸內氣流運動對燃燒有很大的影響，并與整車燃油經濟性、動力性及排放性能有直接關系[1]。作為進氣系統重要組成部分，進氣道的結構直接影響了進氣量、氣體的速度分布及湍流流動狀況等，最終影響到汽油機的燃燒過程；因此對進氣道合理的設計、優化顯得尤為重要。陳有方等[2]、孫平等[3]、李明海等[4]和徐玉梁等[5]分別對螺旋進氣道的結構進行了優化分析，改進了進氣道的結構，但未對切向氣道進行詳細的流場分析；張超等[6]利用CFD軟件對某進氣道進行數值分析，得到模擬的流量系數和滾流比均與試驗結果吻合較好。目前，國內對汽油機切向進氣道的分析研究還相對較少。而采用切向進氣道有助于改進進氣渦流、提高滾流比；并且缸內滾流對汽油機影響較大，所以充分了解掌握缸內滾流的形成過程非常重要。

筆者以某型號汽油機為研究對象，對其進氣道進行CFD數值模擬。筆者所選發動機進氣道采用雙切向氣道模式，切向氣道形狀平直，進氣前強烈收縮，利用進氣氣流對氣缸中心的動量矩，產生繞氣缸縱軸旋轉的進氣渦流。通過對所得模擬數據和氣道的流動特性分析，驗證CFD數值模擬氣道結構的合理性并進行優化設計。

1 進氣道穩態流動特性的評價

目前國內外所進行的穩流試驗中，進氣道流動特性評價方法有Ricardo法、AVL法、FEV法、SwRI法等[7]；筆者采用Ricardo評價法。在穩流試驗中，Ricardo評價法假設氣道中的氣體流動為不可壓縮且絕熱；在氣道試驗或發動機實際工況時，氣道內具有相同的氣體流動特性；發動機容積效率為100%；缸內存在非彈性渦流區；在進氣過程中，缸內外壓差恒定；不考慮內流系統的摩擦影響；進氣門打開到進氣門關閉為進氣過程區間。

1.1 流量系數

無量綱流量系數Cp一般用來評價和比較不同形狀、尺寸的氣道流動特性，也可用來評價不同氣門升程下氣道的阻力特性或流通能力。

流量系數Cp定義為氣門座的實際空氣流量與理論空氣流量的比值，即：

(1)

式中：Q為流經氣道的實際流量，m3/s；n為進氣門數；A為氣門座內截面面積，m2；Vqd表示理論進氣速度，m/s。

(2)

式中：dv為氣門座內徑；i為進氣門數量。

(3)

式中：ΔP為氣道壓差；ρ為壓差測量點處氣體密度。

1.2 渦流(滾流)比

渦流穩態研究一般在距缸頭1.75倍處的缸徑面上，以與氣缸軸線平行線為中心軸的旋流定義為渦流。Ricardo無量綱渦流(滾流)強度NR定義為每個氣門升程下氣缸壁面渦流(滾流)切向線速度的2倍與氣門口位置理論流速之比，即：

(4)

式中：ωR為渦流旋轉角速度，rad/s；B為氣缸直徑，m。

2 進氣道數值模擬

2.1 幾何模型及網格

根據缸心距、氣缸中心線、氣缸底平面、進氣道軸線和氣道中心面得到氣道幾何模型。為避免出口邊界處的流場對缸內流場造成影響，并為保證計算的收斂性和流場的穩定性，用長度為2.5倍缸徑的圓柱體來代替氣缸[8]；與此同時，為防止進氣道進口處形成湍流，模型中在進氣道入口處設置一個邊長為100 mm的方形穩壓箱。

筆者采用FAME網格生成技術對模型進行自動網格劃分。網格模型包括穩壓腔、進氣道、氣缸墊、氣缸，并對進氣道、氣門座圈、氣門、氣門墊等部位進行不同程度的加密處理。最終得到氣門升程從1～8 mm時，網格總數在80萬～90萬之間，其中最大單元尺寸為5 mm，最小為0.156 mm。圖1(a)為進氣道整體網格模型；圖1(b)為8mm升程時對氣門局部網格進行的細化，以保證計算精確度。

圖1 進氣道網格模型Fig.1 Grid model of intake ports

2.2 邊界條件

1) 邊界條件設定為固定壁面邊界，絕熱無滑移，固定壁面溫度為297 K，同時在對邊界層進行處理時采用湍流壁面函數[9]。

2) 采用穩流試驗條件，設定入口邊界氣流總壓為100 kPa，出口靜壓的邊界條件定義為98 kPa，進出口壓差設定為2 kPa，計算時的壓差值與試驗保持一致。

2.3 數學模型與數值方法

初始條件中設定參考壓力為100 kPa，參考溫度為297 K。為加快計算的收斂速度，初始模式選擇勢流模式[10]。求解方程包括質量守恒方程、動量守恒方程以及標準κ-ε雙方程模型(湍流模型)[11-12]。收斂精度設定為10-4，當各個方程的迭代殘差均小于收斂精度時，判定計算收斂。

3 模擬結果與分析

根據流量系數計算值與試驗值對比(圖2)可以得出：CFD計算得到的流量系數與試驗得到的數值均隨氣門升程的增加而增加，數據變化趨勢相同，且吻合良好。當小氣門升程時，氣流流通截面較小，壁面函數模型在高雷諾數下精度降低，此時計算結果與試驗結果吻合稍差；當大氣門升程時誤差控制在5%以內。造成該誤差的原因主要有兩個：① 氣門座處的流場梯度在氣門升程較小時，局部會變大，湍流強度也同時增大，這使得計算值在相同網格數量時的誤差變大；② 當流通截面較小時，流量和流量計數都較小，數值不容易讀準確。這兩種原因導致氣門升程較小和較大時計算值與試驗值存在的誤差，屬于正常現象。因此認為該計算模型正確，模擬結果可以作為分析氣道性能的依據。

圖2 流量系數計算值與試驗值對比Fig.2 Comparison of calculation values of flow coefficient with experimental values

根據所測數據繪制成不同氣門升程時渦流比與滾流比，如圖3。通過與試驗值對比，渦流比和滾流比均與試驗值吻合較好，并且計算得出平均渦流數趨近于0，符合氣道性能要求。

圖3 不同氣門升程時渦流比與滾流比Fig.3 Swirl ratios and tumble ratios under different valve lifts

由圖3可以看出：在不同氣門升程下計算的得到的渦流比值都很小，并且氣流速度有正反兩個方向上的變化，這說明氣流速度方向不穩定，氣缸內沒有形成大范圍的渦流；缸內滾流比隨氣門升程的增加而增加，當氣門開度達到最大時，缸內已經形成較大尺度的滾流。

滾流促進缸內形成良好的混合氣，以提高缸內的燃燒速率，抑制了爆震的出現，減少循環時出現的變動，有效提高了汽油機的燃燒能力。因此汽油機缸內形成大尺度滾流對提高和改善汽油機性能有很大幫助。根據氣門中心X向截面速度矢量圖(圖4)，可以看出在1～2 mm氣門升程時，氣缸內氣流流動沒有明顯規律；在3～6 mm氣門升程時，滾流正逐步形成，已開始具有一定滾流強度；在7～8 mm氣門升程時，缸內形成了明顯滾流運動。在進氣過程中首先會出現雙渦形式滾流，然后逐漸演變為單渦旋滾流運動。進氣行程時，缸內滾流迅速增強，形成兩個明顯的滾動漩渦，隨后滾流變化較為緩慢；壓縮行程時，活塞上移過程中形成一個明顯的大尺度滾流。

圖4 不同升程時缸內滾流運動情況Fig.4 Tumble flow movement in cylinder under different lifts

因此，在實際氣道開發中，要充分利用CFD數值模擬技術的優勢，減少設計過程的時間消耗，快速準確地掌握缸內氣體流動狀況。在氣道設計過程中，要充分考慮缸內渦流、滾流對氣道性能的影響，增大缸內滾流強度，以提高發動機性能。通過對不同氣門升程時氣道-氣缸內部流場進行分析，進氣最大速度均發生在氣道沿程最小截面(氣道喉口附近)處，最小截面若設計不合理將直接影響氣道的進氣道，并且氣流在氣門底部形成倒流，一定程度上影響了缸內氣體充分混合。所以，在氣道設計開發中，建議充分考慮最小截面和氣門座對氣道-氣缸流場的影響。

4 結 論

1) 通過對進氣道數值模擬計算，得出了不同氣門升程下進氣道流量系數的變化規律。其穩態模擬結果與試驗結果吻合度良好，并且在大氣門升程時流量系數誤差小于5%。

2) 各氣門升程下的渦流比較小，渦流轉向不穩定，說明缸內沒有形成大尺度渦流。缸內滾流比隨氣門升程的增加而增加。在氣道設計過程中，要充分考慮缸內渦流、滾流對氣道性能的影響，增大缸內滾流強度，以提高發動機性能。

3) 在氣道開發過程中，要充分考慮氣道最小截面和氣門座對氣道-氣缸內流場的影響，合理設計最小截面和氣門座。

[1] 王國林，付晶.發動機進氣道三維數值模擬及仿生設計[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2013，32(5)：1055-1058.

WANG Guolin，FU Jing.Bionic design and three-dimensional numerical simulation of engine intake[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2013，32(5)：1055-1058.

[2] 陳有方，李朝暉，蘭華.發動機螺旋進氣道氣流模擬[J].重慶交通學院學報，2004，23(6)：121-123.

CHEN Youfang，LI Chaohui，LAN Hua.A simulation of air flow for helical inlet port of engine[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity， 2004，23(6)：121-123.

[3] 孫平，陸文霞，繆岳川，等.進氣道螺旋段結構參數對流動特性影響的研究[J].內燃機工程，2011，32(1)：70-74.

SUN Ping，LU Wenxia，MIAO Yuechuan，et al.Study on effects of structure parameters of intake port helical section on flow characteristics[J].ChineseInternalCombustionEngineEngineering，2011，32(1)：70-74.

[4] 李明海，王磊，崔洪江.基于數值模擬的螺旋進氣道結構優化[J].內燃機車，2009(6)：16-21.

LI Minghai，WANG Lei，CUI Hongjiang.Optimization of spiral inlets structure on the basis of numerical simulation[J].DieselLocomotives，2009(6)：16-21.

[5] 徐玉梁，楊躍濱，祖炳鋒，等.車用柴油機進氣道的優化計算與試驗研究[J].內燃機工程，2013，34(增刊1)：65-71.

XU Yulian，YANG Yuebin，ZU Bingfeng，et al. Optimizing calculation and experimental research of intake port of automobile diesel engine[J].ChineseInternalCombustionEngineEngineering，2013，34(Sup1)：65-71.

[6] 張超，許濤，姚煒.某型汽油機進氣道流動數值分析[J].汽車工程師，2012(7)：42-45.

ZHANG Chao，XU Tao，YAO Wei.Numerical analysis on intake channel flow of a gasoline engine[J].AutoEngineer，2012(7)：42-45.

[7] 戶冬.氣道試驗臺及4種評價方法介紹[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2010，24(12)：123-126.

HU Dong.An Introduction of air passage experiment sets and their four evaluation methods[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2010，24(12)：123-126.

[8] 徐鵬，關世璽，朱銘.基于AVL FIRE的發動機進氣道三維流場數值模擬研究[J].內燃機，2013(6)：12-14.

XU Peng，GUAN Shixi，ZHU Ming.Three dimension flow field numerical simulation of engine intake port based on AVL FIRE[J].InternalCombustionEngine，2013(6)：12-14.

[9] YI Jianwen，WOOLDRIDGE S，COULSON G，et al.Development and optimization of the Ford 3.5L V6 EcoBoost combustion system[J].Mycoses，2009，2(1)：1388-1407.

[10] 周昌祁.C14D發動機進氣道流場三維數值模擬[D].武漢：武漢理工大學，2011：16-17.

ZHOU Changqi.NumericalSimulationStudyonIntakePortofC14DEngine[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2011：16-17.

[11] 詹樟松，劉斌，武珊，等.四氣門汽油機缸內流場的仿真分析與研究[J].小型內燃機與摩托車，2012，41(2)：10-13.

ZHAN Zhangsong，LIU Bin，WU Shan，et al.Analysis and research on simulation of the in-cylinder flow field of four-valve gasoline engine[J].SmallInternalCombustionEngineandMotorcycle，2012，41(2)：10-13.

[12] 胡春明，武珊，詹樟松，等.低壓空氣輔助缸內直噴汽油機進氣道設計[J].農業機械學報，2011，42(11)：15-18.

HU Chunming，WU Shan，ZHAN Zhangsong，et al.Intake port design for low-pressure air-assisted in-cylinder direct injection gasoline engine[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2011，42(11)：15-18.

(責任編輯：劉 韜)

Numerical Simulation of Intake Ports of Engine Based on CFD

LI Jun，LI Linfeng

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

CFD (Computational Fluid Dynamics) was applied to numerical simulation of double intake ports of a certain type of engine，and the flow coefficient，swirl ratio and tumble ratio of vent valve under different lifts were obtained.Through comparing the calculation results with the test results，the data show good agreement and higher flow coefficient，and the variation rule of flow coefficient of airway under different lifts is summarized.Meanwhile，simulation results show that：the airway-in-cylinder has a good intake effect and obvious in-cylinder tumble flow，which further verifies the rationality of CFD simulation of the ports structure.

vehicle engineering；double intake ports；CFD；flow coefficient；tumble flow

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.20

2016-04-05；

2016-06-21

國家自然科學基金項目(51305472)；重慶市自然科學基金項目(CSTC2013yykfB0184)；重慶市城市軌道交通車輛系統集成與控制重點實驗室項目(csct2015yfpt-zdsys30001)

李 軍(1964—)，男，重慶人，教授，博士，主要從事汽車發動機排放與控制及新能源汽車方面的研究。E-mail：cqleejun@sina.com。

李林鳳(1992—)，女，河北保定人，碩士研究生，主要從事汽車發動機排氣方面的研究。E-mail：466234671@qq.com。

U464.12+2

A

1674-0696(2017)08-115-04