淺談節能賽車發動機進氣道優化方法

張瀟揚，任洪娟，孫裴，周梓桐，李超，朱祉彧，毛翼華

（上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

在內燃機中，進氣道結構對缸內氣體的流動與燃燒過程具有關鍵作用，通過影響缸內氣體速度分布、進氣量和湍動能，進而影響發動機燃油經濟性與動力性。然而，節能賽車對于經濟型與動力性又有著更高的要求，需要在這兩者之間找到一個更加精確的平衡點。因此，進氣道結構的優化對于提升節能賽車的成績有著至關重要的作用。對于汽油機來說，進氣道分為兩種，直氣道和切向氣道，描述兩種進氣道性能的參數皆為流量系數和滾流比。

由于進氣道結構復雜，傳統實驗法通過不斷改變實際進氣道內部結構并通過試驗得到較高的流量系數，較低的滾流阻力和適當強度的進氣渦流。為了減少實驗工作，我們通過硅膠翻模和3D 掃描技術將得到的點云通過UG 建立進氣道模型，并通過Fluent 對進氣道結構進行性能檢驗，對缺陷部分進行模型改進并通過仿真分析進行性能預測。分析不同氣門升程下，缸內氣體速度、壓力和湍流強度變化。

1 進氣道結構模型建立（圖1）

硅膠倒模、3D 掃描、UG 逆向建模。

進氣道-氣門-氣缸。

2 控制方程

利用Fluent 對發動機進氣道與缸內氣體流場包括：氣體質量、動量、能量守恒及狀態方程。本身發動機進氣過程為可壓縮三維非定常流并伴隨有摩擦與發熱現象。為了簡化分析過程，我們采用時均方程加湍流模型k-ε 方程的方法。

圖1 進氣道三維模型

2.1 質量守恒方程

2.2 動量守恒方程

2.3 能量守恒方程

2.4 選用k-ε 湍流方程

對于模型有很高的計算精度，能達到預期效果。

3 邊界條件設定

采用固定壁面邊界，假定為絕熱的，無滑移，邊界層采用標準壁面函數，壁面溫度邊界設為定溫293.15K。選擇初始化模式為有勢場。進出口邊界取壓力差3kPa，即進口為標準大氣壓，總壓設為100kPa；出口取靜壓97kPa。氣道內氣體的流動是三維可壓縮黏性流動，氣流成分取標準空氣。壓力為98kPa，密度為31.164 81kg/m，我們選擇中心差分法對流動方程進行離散求解。

4 進氣速度計算

且Lsinβ=Rsinα

所以sinβ=Rsinα/L=λsinα （R/L=λ）

所 以cosβ= √(1-sin2β)= √（1-λ2sin2α）≈1-(1/2)λ2sin2α

（ 因(1/4)λ4sin4α幾乎為零，可帶入√(1-λ2sin2α)內，分解為√(1-(1/2)λ2sin2α)2）

且sin2α=(1-cosα)/2

所以cosβ=(1/4)λ2(1-cos2α)

所以有滑塊運行距離：

滑塊的速度V 為

進氣速度：

V’=ωR(S 缸/S 進)（比例約為2.8）

表1 發動機部分參數

表2 不同轉速下對應的進氣速度

5 模型處理與網格劃分

先通過硅膠倒模導出進氣道內腔模型，通過3D 掃描得到進氣道結構，通過UG 建立進氣道模型對氣門處過于復雜的結構進行適當簡化，通過四邊形網格與六邊形網格對進氣道實體模型進行劃分，并對不同部分進行自動網格化建立。

由不通氣門升程下，缸內速度矢量分布圖可以看出氣門座內側（下口處），出現了明顯的壓力集中現象，在氣道轉彎處缸壁下方出現壓降現象，氣門處也出現壓降現象，這是由于氣道在轉彎處過渡不平順，氣流流經此處時速度產生分離，局部形成渦流狀態引起的阻力損失。在氣門處速度很大，氣流流通面積小,產生壓降速度最快。

6 進氣道結構的優化

在保證進氣道截面積不變的情況下，對進氣道喉口下側部位進行優化，稍微縮小，減小下側的進氣量，同時將進氣道部分曲面優化更加平滑，增加結構的平順性。

7 數據處理

為了比較不同幾何參數的進氣道的性能，本文用無量綱流量系數評價不同氣門升程下進氣道流通性能的好壞，用無量綱滾流比評價不同氣門升程下氣道形成滾流的能力，并采用avl 評價方法。

流量系數：在發動機進氣道數值模擬計算中，無量綱流量系數Cf 表示通過氣道的實際流量與理論流量之比。

對Cf 按照AVL 標準氣門升程曲線進行積分計算，求得積分后的流量系數稱為平均流量系數Cfm：

式中：cactual為活塞實際運動速度，m/s；caverage為活塞平均運動速度，m/s。

滾流比：在數值模擬計算中，假定缸內流場平均軸向速度等于活塞平均速度，則滾流比TR 為

對TR 按照AVL 標準氣門升程曲線進行積分計算，稱為平均滾流比TRfm

圖2 滾流比

由圖可知，適當減小喉口下側進氣量，增大進氣角，使得流量系數右下幅度的增加；流量比在氣門升程處于4 ～6mm 區間中大幅度提高。

8 結語

（1）通過減小進氣門座下側的進氣量，增大進氣角度，增大進氣門上下側進氣量差，提高滾流比。（2）通過增加氣門座處的平順性，來減少進氣阻力，獲得更高的流量系數。