某柴油發(fā)動機非對稱螺旋式進氣道進氣過程模擬分析

周波

摘? 要：本文以STAR-CCM+作為三維數(shù)值模擬軟件，對某柴油發(fā)動機最大進氣升程下的進氣道和缸內的流場特性進行模擬分析，通過模擬分析對比了更改發(fā)動機缸徑對進氣的影響，可以比較直觀的了解進氣道和缸內流場，為進氣道結構優(yōu)化、評價、再設計以及燃燒室的匹配提供了方法和依據。

關鍵詞：某柴油發(fā)動機;進氣過程;STAR-CCM+;模擬分析

中圖分類號：U464.2? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2019）04-0060-06

Abstract： In this thesis， STAR-CCM+ is used as a three-dimensional numerical simulation software to simulate and analyze the flow field characteristics of the intake port and cylinder of a diesel engine at the maximum intake lift. The influence of changing the engine cylinder diameter on the intake is compared through simulation and analysis. The intake port and the flow field in the cylinder can be intuitively understood， which can provide for the optimization， evaluation， redesign of the intake port structure and matching of the combustion chamber. The method and basis are given.

隨著現(xiàn)代柴油發(fā)動機技術的不斷進步，進氣道的設計和進氣道、氣門及燃燒室的匹配在柴油發(fā)動機的設計開發(fā)過程中愈加重要。發(fā)動機進排氣系統(tǒng)流動特性復雜，影響發(fā)動機的充氣效率和換氣損失，其流場特性直接影響著發(fā)動機動力性能，不合理的進氣道結構會導致進氣阻力較大，會導致發(fā)動機的燃油經濟性和排放變差。因此對進氣道內部流場進行模擬分析是有必要的。某柴油發(fā)動機進氣道采用非對稱螺旋式布置，本文應用流體分析軟件STARCCM+對某柴油發(fā)動機最大進氣升程下自然進氣的進氣道和缸內流場特性進行模擬分析，為進氣道的改進和燃燒室的匹配提供了重要的研究理論依據。

1? ? 模擬系統(tǒng)模型

1.1? ?三維CAD模型

某柴油發(fā)動機進氣凸輪軸最大升程參數(shù)和結構如下表1、圖1所示：

確定進氣凸輪軸最大升程8.4880mm后，使用CATIA三維軟件建立某四缸柴油發(fā)動機其中一缸的進氣道模擬分析模型如圖2所示，模型包括非對稱螺旋結構進氣道、氣缸和穩(wěn)壓腔。CATIA軟件建模完畢后，保存為stl格式文件并導入STAR-CCM+軟件。

1.2? ?三維CAD模型

某柴油發(fā)動機用于模擬分析的非對稱螺旋結構進氣道模擬分析網格采用STARCCM+軟件自帶的網格劃分工具劃分，如圖3、圖4所示。面網格采用包面（wrapper）技術，包面后的三角面（faces）約為1100萬;重新優(yōu)化劃分表面網格（remesher）后三角面（faces）約為6萬;基于重新劃分的面網格基礎上生成的多面體網格（volume mesh）總數(shù)大約為20萬，基本尺寸為5mm。采用系統(tǒng)默認網格邊界層兩層，網格增長比1.5，將第一層設置為1.5mm，邊界層總厚度為3.75mm。

為了避免出口邊界處流場對缸內流場的影響及計算收斂穩(wěn)定性的因素，模型采用氣缸高度為2.5倍的缸徑。另外，在模型前端設置一個200mm的立方箱體起到穩(wěn)壓作用，達到模擬外界大氣環(huán)境的作用。

1.3? ?數(shù)學模型

1.3.1 流動控制方程

1.3.2 湍流模型

選用K-E雙方程模型來仿真模擬流場內的湍流。該模型屬于渦粘性耗散模型，對湍流的模擬基于Boussinesp假設，隱含湍流是各向同性的，其計算穩(wěn)定性高。

1.4? ?邊界條件與初始化

分析模擬采用壓差方式，Bosch文檔中柴油機自然吸氣狀態(tài)下缸內壓力為-0.1bar～-0.2bar之間。仿真模擬設置進氣道入口處為滯止邊界，相對壓力為0Pa，溫度為300K。氣缸出口端面設置為壓力出口邊界，如圖5所示。

流體特性及初始化，流體選擇常密度、不可壓縮的空氣。壓力出口選定相對壓力為-20000Pa，溫度為300K，空氣密度為1.18kg/m3。

2? ? 模擬結果分析

模擬計算獲得氣門最大升程下的進氣道流動特性和缸內三維流場，圖6和圖7和圖8分別為進氣道整體壓力分布圖和過氣門桿中心線的截面壓力分布圖。

根據計算流體動力學可知，氣流進入進氣道以后，隨著氣道截面積減小，流速加快，壓力降低。由于實際進氣道進口為大氣壓力，理論上氣道和缸內的壓力都應為負壓。從圖五計算結果可以看出氣道和氣缸內的壓力小于外界的大氣壓，尤其是氣門附近的壓力接近最小值。因為氣體在進入氣道后，隨著截面積減小，氣道內的阻力增大，氣道進口到氣道出口的壓力損失也逐漸增大。而氣體進入氣缸后截面積增大，壓力也隨之回升。因此氣門附近的壓力接近最小值。圖9、圖10所示為過氣門桿軸線的縱截面速度分布圖。從圖中可以看出，氣體從外界流入氣道后，因為氣道入口下側的凸筋，使得氣流在氣道下方壓降增大、流動速度減慢，上方流速高于下方流速，有利于螺旋結構的進氣。且氣體從外界流入氣道以后，因為氣道橫截面積減小，各處流量不變，所以氣道中的氣體速度加快，使得氣道壓降增加，與圖7、圖8壓力分布圖所顯示的結果吻合。氣體進入氣缸由于橫截面積變大，壓降減小，氣體流速降低。

分布圖

另外在上圖中可以看出氣門桿處的氣體流動速度最大而氣體壓力最小，這說明總壓等于靜壓與動壓之和。

圖11所示氣門平面處的速度矢量圖。由圖十可見該截面上有兩個沿氣門中心方向旋轉方向一致的大尺度渦流，在壁面附近速度較大，沿氣門直徑方向逐漸減小。這是由旋轉進氣道結構形成的。

圖12所示氣缸出口處的速度矢量圖。由于進氣道采用非對稱布置，在該截面上有一個較大尺度的渦流，缸壁附近速度較大，但沿缸徑方向速度減小。

圖13所示進氣道空氣流動的流線圖可知由于進氣道到氣缸采用螺旋結構在氣門下方形成兩個大尺度同向渦流使得氣缸內渦流運動比較明顯。由于同向最終在氣缸出口處匯合成一個中心靠左側尺度較大的渦流。

3? ? 更改缸徑對比分析

目前由于國內排放政策法規(guī)及平臺成本要求，需要開發(fā)2.5L排量的柴油發(fā)動機。更改2.5L排量方案一：不改缸徑，將更改曲柄連桿機構縮短沖程到86mm，達到降低排量的效果;方案二：不改曲柄連桿機構，將缸徑由96mm減到88mm。方案一由于更改的是發(fā)動機運動件，存在較大的風險，故考慮方案二的可行性。

通過上述對某柴油發(fā)動機非對稱螺旋式進氣道的三維流場模擬分析，現(xiàn)將模擬分析模型的缸徑由96調整為88mm，其他均保持一致。用catia將調整完缸徑的數(shù)模另存為stl格式后導入starccm+。然后按照上述某柴油發(fā)動機非對稱螺旋式進氣道的仿真方法進行計算求解。得到如下圖所示。

通過上圖仿真缸徑由96調整為88mm后的結果對比分析，可知缸徑減小后，壓降增加，進氣阻力增大。 缸內的流體速度減小，渦流減弱，流線沒有原來理想。故需要從新調整設計匹配進氣道。

4? ? 結論

本文在現(xiàn)有缸蓋結構基礎上逆向建立某柴油發(fā)動機非對稱螺旋式進氣道模型，并進行了模擬分析，同時對比分析了缸徑由96mm更改為88mm方案。現(xiàn)結論如下：

（1）進氣道是發(fā)動機至為關鍵的部位之一，其性能優(yōu)劣直接影響汽車發(fā)動機的動力性、燃油經濟性和排放問題。隨著計算機技術的進步和使用要求的不斷提高，設計方法和手段也在不斷改善。傳統(tǒng)的設計方法已經不能滿足現(xiàn)代產品對性能的需求，取而代之的是以計算機為基本工具，本文基于STAR-CCM+數(shù)值仿真分析充分體現(xiàn)了現(xiàn)代設計理論和方法的廣泛應用。

（2）從三維數(shù)值模擬分析結果可知，某柴油發(fā)動機的進氣道采用了先進的雙進氣道非對稱螺旋式結構，缸內存在明顯渦流情況;流量系數(shù)高，進氣效果好，說明現(xiàn)有的非對稱螺旋式進氣道結構設計合理。

（3）將缸徑改為88mm后，進氣道壓降增加，缸內空氣流速減小。另外，進氣道內部流線分布也沒有某柴油發(fā)動機現(xiàn)有的結構理想。該模擬分析為進一步分析氣道內流場以及優(yōu)化設計提供可靠設計依據。

參考文獻：

[1]star CCM+用戶幫助文檔.

[2]王福軍.計算流體動力學分析.北京：清華大學出版社，2004.9 .

[3]徐莉，蔡志強，王偉民，發(fā)動機進氣道與進氣歧管耦合CFD分析[4]//CDAJ-China中國用戶論文集. 上海：西迪阿特信息科技（上海）有限公司. 2009：5-6.

[4]羅馬吉，黃震，蔣炎坤，等.內燃機進氣過程多維數(shù)值模擬的研究[6]車用發(fā)動機，2003（5）：12-13.

[5]周龍保. 內燃機學[M].第二版北京：機械工業(yè)出版社，2005.