本田節能賽車發動機進氣管的優化設計

閆康楠 耿杰 王新建 王德進

摘要：基于本田節能大賽規則，對WH1152FMI發動機進氣管進行性能優化設計，對不同噴油角度的管道模型用Fluent進行進氣仿真，結果顯示，在初始階段，進氣管內的氣體靠近管壁的流動快，靠近管道截面中心的流動慢，在進氣階段，靠近噴油器一側管壁的氣體流動速度快，并且距離越遠（出口邊界面上），速度越小。管道內氣體流動速度越快，其氣壓越低;出口處則相反;進氣管拐角角度為35°時，管道內的流體流動綜合性能最佳。

Abstract： According to the Honda Eco Racing regulation， WH1152FMI engine inlet pipe is redesigned. Air inlet simulation of the inlet pipe is proceeded in Fluent. The results show that at the beginning， the air by the pipe wall flows more quicikly than the air at the center of the pipe cross section. When at the intake stroke， the flow velocity of air at the spout of the injector is higher than the far air. As the angle of the air intake pipe is 35°， the composite performance is the best.

關鍵詞：發動機;進氣管;設計;流體;仿真

Key words： engine;iIntake pipe;design;CFD;simulation

中圖分類號：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0001-02

0? 引言

進氣管在發動機中扮演著重要的角色，內燃機缸內空氣充量大小及形成渦流的強弱直接與結構相關，所以其結構影響著氣缸內燃油的燃燒狀況，進而關系到發動機的動力性、經濟性及排放性能。運用Fluent軟件對各種復雜流動的物理現象，采用不同的離散格式和數值方法，可以方便的在特定的區域內使計算速度、穩定性和精確度等方面達到最佳的配比，使原本各個流域復雜流動的計算變的容易，減少了計算量，提高了運算效率。

1? 進氣管參數設計

考慮到本田節能車升級、改進的過程中，進氣管會間接影響發動機的性能，所以對其結構形式進行設計計算[1]。

為了減小進氣管對發動機的充排氣效應的影響，保證發動機的進氣量能迅速響應油門變化，摩托車發動機的進氣系統要設計的非常緊湊[2]。摩托車進氣管設計，為響應單缸發動機轉速的快速變化，進氣管內的空間體積要大于發動機排量[3]，則進氣管長度L有：

L=V/S（1）

式中，V——發動機排量;S——管道橫截面積。

求得：最小管截面半徑11mm下的最小長度：328mm;

最大管截面半徑14mm下的最小長度：202mm。

考慮到車身體積，安裝位置受限等因素，進氣管長度不應小于202mm。經研究表明，同排量同缸徑的發動機轉速在7000轉/分鐘其進氣壓力波動相對較大，因此以標定轉速為設計基礎，根據經驗選擇[1]最佳進氣管長度為0.323m。

2? 進氣管模型

進氣管改進前后及簡化情況如圖1（b）所示。噴油角度決定B處管道的角度，兩者同軸，C處的兩個角度等于燃油噴射角，用Fluent軟件分別對安裝噴油器角度20°、30°、35°、45°的進氣管管內流體環境的再現。

3? 仿真分析

3.1 進氣管網格劃分及邊界條件設定? 自由網格劃分，不限制模型的形狀，即使是不規則的，也可以進行網格劃分[4]，并將其簡化，如圖2所示，節點數為36348，單元網格數為125304。進氣管的上游、噴油嘴入口平面、進氣管的下游等部位在BC面板中設定指定邊界條件，在進氣門剛剛開啟時，對管道內流體的瞬時狀態進行分析。

3.2 管內流體壓力? 如圖3（a）-圖3（d）所示，分別為管路拐角為20°、30°、35°、45°的管道垂直截面的壓力分布云圖。通過仿真過程可以看出，管道內的氣流壓力在同一橫截面上的壓力分布并不均勻，區域的顏色高亮代表高壓，角度越大，高亮區域越少，壓力損失越大;彎角角度為20°的管內壓力最高且氣壓分布最均勻，壓力越高，氣流恢復補充速度就越快;35°與30°、40°相比管道發生彎曲的壓力分布最均勻，出口處的壓力分布不均勻。

3.3 管內流體速度? 如圖4（a）-圖4（d）所示，分別為管路拐角為20°、30°、35°、45°的管道垂直截面的速度分布云圖。通過仿真過程可以看出，流體速度的大小與壓力的變化有關，在速度開始發生變化的位置上，其壓力必定發生變化;進口處氣體流速很慢，其壓力變化很小。靠近出口的氣體流速會升高，其壓力變化幅度大;出口段管道管壁附近的氣體流動速度最快，如圖4（d）所示，45°彎管在管道中心的速度等高線上差異最突出;與其余三圖相比，35°的氣體速度在管道截面上分布最平穩，有助于提高燃油霧化的均勻性。

4? 結論

經過對四種不同彎度進氣管管內的壓力仿真分析，可得出以下結論：①管道中流動的氣體內部壓力分布不均勻;②總體上，管道越平直，壓力分布相對越均勻;③管道內氣體流動速度越快，氣壓越低;出口處相反。

參考文獻：

[1]石皓天.GDI汽油機進氣系統的數值模擬研究[D].天津：天津大學，2008.

[2]丁濟凡.電噴摩托車發動機進氣調節特性的研究[D].天津：天津大學，2009.

[3]王鑫鑫，雷基林，等.柴油機螺旋進氣道三維造型設計與CFD分析[J].車用發動機，2011，5：24-25.

[4]都志輝，陳渝.網格計算[M].北京：清華大學出版社，2002：3-46.