進氣限流閥體結構分析

白云龍，關亮亮，曾令輝，王思朋

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

引言

本文針對限流閥體中限流閥前段的漸縮管部分和限流閥后段的漸擴管部分進行角度的分析比較，為限流閥體找到合適的角度，從而使發動機可以輸出最大動力和最好的動力響應。

1 進氣限流閥設計

規則要求進氣總管道上加裝一個20mm 的限流閥，由于它的存在，使發動機進氣受到很大限制而減少，所以發動機的扭矩就會有很大的損失，因此需要對限流閥前后的管路進行優化設計。在本文所研究的發動機進氣系統中，空氣先通過節氣門進入進氣總管道前段，經過限流閥后進入總管道后段，最后進入到穩壓腔中。因節氣門直徑和穩壓腔接口直徑都大于限流閥直徑，這正好行了一個文丘里管，所以可以借助文丘里效應對其進行分析。由文丘里管可知，空氣在管路流動時，管路直徑經過了一個大-小-大的過程，正是因為通過中間直徑較小的喉管，即限流閥，使氣流由粗變細，這樣可增加空氣的流動速度，加大進氣的真空度，這樣就可以利用真空度和空氣的慣性來增加進氣量（低轉速時效果明顯）。

1.1 限流閥前段設計

由流體力學基礎知識知，空氣在管道中流動時，由于慣性的存在，空氣不能按照管道的突然變窄也突然收攏，所以文丘里管中將喉管前部設計成逐漸收縮的管路，外緣呈喇叭口展開，這樣可以更好的引導氣流，將空氣快速收攏起來。本文研究的限流閥結構中，進口處與節氣門相連接，直徑30mm，中間喉管處為限流閥，直徑20mm，二者差距較大，如果設計成階梯狀的管道，進氣空氣的流動能量將會受到很大損失，從而降低發動機的進氣效率，所以也必須參考文丘里管結構，將前段設計成漸縮管形式。由流體力學理論知，在假設管道為完全光滑的前提下，漸縮管的縮進角度愈大，其阻力系數就會越大，所以可以通過加長漸縮管長度來減小縮進角度，降低阻力系數。但實際應用中，管路不可能是完全光滑的，管路越長，流動過程中阻力越大，進氣損失越多。由參考資料知，最佳收緊角度為35 度到45 度，同時考慮到賽車主環尺寸和空間，本文中取減縮管縮進角度為38 度。

1.2 限流閥后段設計

進氣管道中，限流閥的后端與穩壓腔垂直連接，穩壓腔為100mm 左右的圓柱形，所以連接處直徑約為60mm。進氣管道中的空氣，經過前段減縮管的收攏后經過限流閥，速度變大，壓力減小，高速流動的空氣如果突然遇到截面的突然變大，會在穩壓腔內形成很強紊流，對進氣影響很大，所以需要將空氣流過的管道直徑逐漸由20mm 擴大為60mm，即形成一個漸擴管的形式，來減少穩壓腔腔內的紊流。由參考資料知，漸擴管內阻力系數與進出口面積比值有關，同時與漸擴角度相關，漸擴角度愈大，整體的阻力系數越大。常見漸擴角度數一般設定在5 度到10 度，因為在此角度范圍內，摩擦系數較小且變化范圍小。考慮到空間安裝需求，本文取漸擴角分別為6，7，8 和9 度四種情況分別對限流閥進行建模，分析其進氣效果。

2 進氣系統三維流場分析

本文利用Fluent 流體分析軟件，分別對限流閥入口，喉管和出口的壓強，速度和流量進行模擬計算，用于對比分析，找到最合適的一個限流閥設計。

2.1 三維模型建立

通過上述分析，設定本文中所分析的限流閥漸擴角度分別為6，7，8 和9 度，在CATIA 中分別建立模型如圖1 所示，圖中A 為漸擴角度6 度，B 為漸擴角度7 度，C 為漸擴角度8 度，D 為漸擴角度9 度。

圖1 四個漸擴角度的三維模型

2.2 數據模擬

根據已知條件，設置邊界條件以及計算控制參數，運行模擬計算得出結果。在對模擬出的數據進行分析對比前，需要先對其進行準確性的判斷，即分析其殘差收斂曲線是否為迭代收斂。四種模擬計算中，進口質量流量與出口質量流量的差值都很小，最大的值為0.0026g/s，相較于進口質量流量的72g/s 可以忽略不計，因此可判定迭代收斂，所以可以對模擬輸出數據進行對比分析。將四種漸擴角下模擬出的速度云圖和壓力云圖整合到一起，如圖2 所示：

圖2 四個漸擴角度的速度和壓力云圖

2.3 數據整理分析

通過模擬計算，可得出漸擴角度分別為6，7，8 和9 度下列幾個關鍵數據，其中包括限流閥處壓強（KPa），最大速度（m/s），出口壓強（KPa）和出口流量（g/s）。限流閥處壓強為35.1，34.5，35.3，35.7。最大速度為393，395，395，384。出口壓強為90.61，90.58，90.04，90.70。出口流量為71.77，72.19，72.11，72.14。

判斷限流閥漸擴管部分性能好壞的指標有很多，其中相對較重要的有空氣流量和壓力損失，所以重點對比不同漸擴角度下的末端壓強和空氣流量。首先對比限流閥處空氣流速，流速越快，說明漸縮管部分空氣流動能量損失越少，通過限流閥處的流量越大，結果顯示漸擴角為9 度時空氣速度最低，且明顯低于其他三個。接下來對比出口壓強，壓強越高說明壓力損失越小，結果顯示漸擴角為8 度時出口壓強最小，且明顯低于其他三個。最后對比出口流量，流量越大說明單位時間通過空氣量越多，結果顯示漸擴角為6 度時出口流量最小，且明顯低于其他三個。同時對比上述三個數據，可發現不同角度下，各組數據都有不同的缺點，只有一組數據相對最合理，那就漸擴角為7 度時的數據，此時限流閥處流速最快，出口流量最大，壓力損失雖然不是最小，但與其他角度的數據十分接近。所以通過對比可以知道，選擇漸擴角為7度最合適。

3 結論

通過將進氣總管道抽象成文丘里管，對其前段漸縮角度和后段漸擴角度進行理論分析和模擬對比分析，可得出如下結論。在前段減縮部分最合適的角度為38 度。而在后端漸擴部分，通過對進氣限流閥體漸擴部分的角度進行不同的設定，并利用三維流體模擬軟件對限流閥處壓強和流速及出口處壓強及流量進行模擬計算。通過對不同角度下的輸出數據進行整理分析對比，可得出最適合的漸擴角度為7 度。此時限流閥處流速最快，出口流量最大，壓力損失雖然不是最小，但與其他角度的數據十分接近。于此同時還需要考慮安裝位置和空間的問題，所以最終得到漸擴角度為7 度最適合本設計。