汽油機進氣管道造型及流動特性仿真淺析

黃偉健 艾亞靈

摘 要：降低排放減少油耗是現在汽車發展的方向，進氣系統是影響汽車排放 油耗和動力的重要因素之一。進氣道優良指標有進氣道的光滑程度，氣門座圈倒角，還有其進氣壓力，進氣的流動特性都是其重要的影響因素。本文以汽油機進氣道模擬仿真為研究對象，在發動機缸體上，應用動態分解軟件UG提取進氣道模型，并將其進行整合加裝進氣導管，再生產網格。

關鍵詞：進氣系統;油耗;進氣道模型;流動特性

1.進氣道研究的背景

發動機已成為當代社會不可缺少的動力配備，不管是飛機、艦艇還是汽車，都離不開它。動力設備的輸出功率占所有設備總功率67.5%，燃油消耗占所有使用能源63.2%，是環境污染的最大來源之一，所排放的廢氣約占工業廢氣的44.96%。因此，從節約能源和保護環境的角度來看，人們不僅需要高輸出功率，更小燃油消耗，又同時滿足嚴格的排放法規（低排放或零排放）。影響這些性能的因素是多方面的，無論是壓燃和點燃，無論兩沖程四沖程，發動機進氣系統都重要的影響因素之一。增大進入的新鮮空氣的質量，從而增大功率和扭矩，達到發動機的動力最優化。同時快速的清除，細化在發動機的混合氣在氣缸內均勻分布，增加進氣充量。

2.進氣道的研究過程

發動機進氣道提取過程，先用軟件UG在K14B氣缸蓋上進行分割提取，在使用CFD確定其造型，在進氣道上部分做網格使其更加光滑，再用兩條引導線一個圓截面拉出來腿部的結構，接著過做一條直線再拉伸成平面，最后把空余的部分用網格補齊。用CAM軟件進行優化，完成后可以計算進氣管內的三維流動，分析流動特性，給缸內氣體運動做研究。

發動機進氣過程是個復雜的立體三維流動過程，在計算機快速發展的今天，我們不需要像傳統單一的實驗研究，更多的是用電腦完成。我們把提取好的進氣道導入到CDF中建立好數字模型，在通過UG的計算分析和STAR-CCM+得到的數據來完成設計。氣道曲面的光滑程度，氣體流動的流動阻力;氣體充氣系數，氣流進入氣缸內可以形成與燃燒系統匹配的渦流比。滿足給定渦流強度下進氣道可以達到最好的流動特性。

3.研究CFD發展過程及應用

在以前的研究中沒有計算機的應用我們必須通過具有的實驗，得到的參數也比較有限，不能更直觀的看到起流通特性和氣需要改進的方向。因為缺少現代化的計算工具，發動機的開發設計就要做出很多不符合現實情況的假設，就是為了使計算可以進行。因為這些計算不能歸納許多現實過程中遇到的復雜成分，所以這些計算對發動機的研究起不到有效的指導作用。因為發動機的結構復雜，所以用儀器檢測發動機內的氣體運動也得不到相關的信息，所以就要運用多維的數值模擬。用流場的數值模擬計算的研究方法對進氣道進行計算分析有下面的優點：

（1）通過分析進氣道機構結構參數與計算結果，發現進氣道性能與結構參數變化的關系，從中找出影響進氣道性能的決定性參數，用來指導實際工作，減少工作的盲目性。

（2）可獲得實驗不能測量或難測量的結果，是對研究的一個重要補充;

（3）方便對氣道結構設計進行優化，找出進氣道性能最優的結構形狀。

但是，運用流場計算的研究方法對進氣道進行三維數值模擬時，也存在以下困難：

（1）反應計算幾何模型的計算網格生成困難，因為在做模擬的時候會做不同程度的簡化，簡化就會造成模擬計算失去本來的特性，尤其在氣門升程2mm-3mm的時候，模擬計算的結果會與實際的流動特性差異較大。若是生成的網格不合理，就會導致計算過程發散還會變得不穩定;

（2）計算速度比較慢，由于網格即要要求精細，而且數目又要多，所以為了保證計算精度，必須使用局部加密網格的方法;

（3）邊界條件的確定依賴于經驗，所以盲目性較大。

4.其它軟件的介紹

CFD軟件是近代流體力學，幾何數學和計算機科學結合的產生的，是一門強大科學技術。它以電子計算機為工具，應用各種分散化的幾何數學方法，對流體力學的各類問題進行數值檢測、計算機動態造型的分析研究，以解決各種實際操作中的問題。

STAR-CCM+軟件是由CD-adapco公司研發的通用計算流體力學分析軟件，它運用了最先進的連續介質力學數值技術，擁有最新的網格生成技術，可以表面網格重新生成、自動體網格生成。

5.結論及展望

分析了流體動力效應和進氣道造型進氣道的結構對發動機進氣效率的影響，并用UG軟件，初步得到K14B進氣道效率的具體參數。

其次，在理論設計計算的基礎上，利用UG 進行網格生成，在通過STARccm進行氣體仿真的動態分型，在進氣道進行氣體的流速和壓力的觀察和計算。實驗可以看出氣道內氣流流速分布均勻性同發動機的性能有著密切關系，氣道越光滑彎曲角度越小其阻力越小。不同氣門開度大小不同進氣門周圍氣流流速分布也不一樣，一般在氣門開度小時氣流流速較小，但流速分布較均勻。隨著氣門升大氣流流速也增大，分布均勻性就變差。氣門導管臺階對氣流流速及其分布有一定影響，和壓縮過程中流量分布預測，可以對發動機性能和排放的進一步研究減少排放，提高動力性能和經濟性能的內燃機。

UG和其他輔助發動機工程理論和計算機性能的提高進行了深入的研究，將仿真結果更精確，模擬計算的結果將會更加精確，在發動機開發和改進設計的模擬將成為更大的實用價值。

（1）進氣道造型仿真分型需要整機來進行模擬分析，僅研究進氣道模擬仿真不能直接用于實際的設計生產，本文的實驗設備條件有限，不能進行實驗驗證。

（2）研究室是氣道穩態，在研究過程中我們假定不管進氣還是排氣都是不變的，在實際工作中不管進氣還是排氣都是不斷變化的，在以后計算機跟先進的時候，我們可以使用氣道的瞬態模擬。

（3）在氣道的模擬仿真中，活塞也是一個影響因素，在今后的模擬仿真中，要把活塞的運動也考慮進去。

參考文獻

[1]《內燃機學》周龍保主編 機械工業出版社 2000年第二版

[2]《高速柴油機概念設計與實踐》許道延 丁賢華主編 機械工業出版社 2004年第一版

[3]《汽車發動機現代設計》徐兀編著 人民交通出版社 1995年第一版

（作者單位：1.瑞金中等專業學校;2.金溪縣鑫悅汽修汽配店）