汽油機(jī)進(jìn)氣歧管均勻性影響因素分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

李楠，朱晨虹，黃英銘，陳良，吳廣權(quán)，占文鋒

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)最重要的部件之一，主要作用是通過節(jié)氣門將氣體均勻分配到發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性[1]。因此進(jìn)氣均勻性是進(jìn)氣歧管最重要的性能指標(biāo)。研究進(jìn)氣歧管流動(dòng)狀態(tài)對(duì)提高充氣效率和改善發(fā)動(dòng)機(jī)的各缸均勻性具有重要的作用。目前，采用CFD軟件來指導(dǎo)進(jìn)氣歧管的均勻性優(yōu)選是業(yè)內(nèi)一項(xiàng)常用且有效的方法[2-3]。行業(yè)內(nèi)也有許多學(xué)者、工程師針對(duì)一些實(shí)際的進(jìn)氣歧管開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行了CFD仿真分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)選，探究了進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔大小、氣道長(zhǎng)度、局部結(jié)構(gòu)等對(duì)進(jìn)氣歧管均勻性的影響[4-10]。然而關(guān)于節(jié)氣門安裝角度、節(jié)氣門后進(jìn)氣歧管總管長(zhǎng)度以及氣道-穩(wěn)壓腔圓角大小對(duì)進(jìn)氣歧管均勻性及進(jìn)氣歧管流場(chǎng)分布的影響卻少有研究。

本研究基于Star CCM+軟件分析了氣道與穩(wěn)壓腔過渡圓角大小、節(jié)氣門安裝角度以及進(jìn)氣歧管總管長(zhǎng)度對(duì)進(jìn)氣歧管質(zhì)量流量均勻性和流場(chǎng)分布的影響，并基于以上影響因素對(duì)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，使得進(jìn)氣歧管均勻性滿足要求。

1 仿真模型建立

1.1 三維結(jié)構(gòu)

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的CFD仿真工作，業(yè)內(nèi)普遍做法是只針對(duì)進(jìn)氣歧管零件本身進(jìn)行單獨(dú)的仿真分析，然而由于流體的連續(xù)性，進(jìn)氣歧管前后相連的零件對(duì)流場(chǎng)分布也可能產(chǎn)生重要影響。因此本研究仿真所用的三維模型(見圖1)考慮了節(jié)氣門和缸蓋氣道對(duì)進(jìn)氣歧管均勻性的影響，包括節(jié)氣門、進(jìn)氣歧管和缸蓋氣道的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。另外為了防止在計(jì)算過程中進(jìn)、出口出現(xiàn)回流，影響計(jì)算結(jié)果的收斂性，在進(jìn)、出口處沿法向拉伸一段距離。計(jì)算某一缸氣道的進(jìn)氣均勻性時(shí)，該出口打開，其他氣道出口關(guān)閉[11]。

圖1 三維模型

1.2 網(wǎng)格的生成

采用STAR CCM+軟件進(jìn)行進(jìn)氣歧管的均勻性仿真分析，網(wǎng)格模型選擇surface remesher，Polyhedral mesher，prism layer mesher。網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為3 mm,對(duì)局部較小尺寸處自動(dòng)加密處理，棱柱層網(wǎng)格設(shè)置為4層，生成以六面體為主的混合網(wǎng)格，單個(gè)氣道模型的網(wǎng)格數(shù)為60萬左右。

1.3 求解參數(shù)的設(shè)置

計(jì)算工況采用標(biāo)定工況，穩(wěn)態(tài)計(jì)算，節(jié)氣門全開，空氣流動(dòng)為可壓縮黏性湍流流動(dòng)，采用理想氣體狀態(tài)方程。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)流體湍流模型已經(jīng)做過很多理論研究[12-13]，而κ-ε湍流模型因具有較高的精度被廣泛應(yīng)用于計(jì)算流體力學(xué)中,因此湍流模型選擇Realizableκ-εTwo Layer 模型[6,9-10]；對(duì)于進(jìn)氣歧管CFD 計(jì)算, 壁面模型的影響不能忽略，張繼春等[14]研究表明雙層模型壁面函數(shù)更適合用來對(duì)多缸汽油機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行CFD計(jì)算，此處壁面函數(shù)采用Two-Layer ALL y+ Wall Treatment, 固壁面采用無滑移邊界條件。入口邊界設(shè)置為滯止入口，出口邊界設(shè)置為壓力出口。當(dāng)計(jì)算殘差小于0.000 1，并且監(jiān)控量趨于穩(wěn)定之后，認(rèn)為計(jì)算收斂。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

進(jìn)氣歧管均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有壓損/質(zhì)量流量不均勻度[14]、壓損/質(zhì)量流量偏差[6]等指標(biāo)，實(shí)際上兩種量化方法趨勢(shì)是一致的，行業(yè)內(nèi)并無統(tǒng)一說法。由于發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣質(zhì)量流量均勻性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著直接的影響，因此本研究采用質(zhì)量流量偏差來量化進(jìn)氣歧管的均勻性大小，質(zhì)量流量偏差計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Qi表示第i個(gè)氣道的質(zhì)量流量；Qm表示所有氣道質(zhì)量流量的平均值。

2 影響因素分析

一般情況下，對(duì)于黏性流體，在經(jīng)過粗糙管道的過程中流動(dòng)的總損失包括沿程損失和局部損失兩部分[15]：

hw=∑hf+∑hj。

(2)

式中：hw為總損失；hf為沿程損失；hj為局部損失。

沿程損失是指運(yùn)動(dòng)流體與壁面摩擦，將一部分運(yùn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，其公式為

(3)

式中：λ為沿程損失系數(shù)；l為管道長(zhǎng)度；d為管道直徑；V為管道內(nèi)平均速度。

局部損失是指運(yùn)動(dòng)流體經(jīng)過彎頭、閥體等結(jié)構(gòu)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)受到擾亂，分離產(chǎn)生漩渦，一部分運(yùn)動(dòng)機(jī)械能會(huì)相應(yīng)耗散，其公式如下：

(4)

式中：ζ為局部損失系數(shù)。

由于現(xiàn)在進(jìn)氣歧管是塑料的，壁面相對(duì)光滑，內(nèi)腔粗糙度可以做到很小，其沿程壓力損失并不大。進(jìn)氣歧管的主要壓損是氣流突變帶來的。因此，降低局部壓力損失是提高進(jìn)氣歧管質(zhì)量流量的有效措施。

2.1 初始方案仿真結(jié)果

圖2示出初始方案下各缸對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量。從圖2可以看出，2缸氣道對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量最大，3缸對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量最小。圖3示出初始方案對(duì)應(yīng)各缸的質(zhì)量流量和壓損偏差。從圖3可知，3缸支氣道質(zhì)量流量偏差最大，達(dá)到了-7.49%。

圖2 初始方案各缸氣道質(zhì)量流量

圖3 初始方案各缸氣道質(zhì)量流量偏差

圖4示出初始方案各缸支氣道的速度流場(chǎng)。從圖4中可以明顯看出，1缸、2缸氣道速度流線分布較為均勻、順暢，并無明顯渦流區(qū)域，但由于第1缸氣道距離節(jié)氣門較近，穩(wěn)流段較短，氣流經(jīng)過節(jié)氣門擾流后無足夠的穩(wěn)流緩沖區(qū)，氣流方向和截面突變進(jìn)入1缸氣道，導(dǎo)致1缸氣道流線相對(duì)2缸氣道亂，因此局部損失相對(duì)較大，導(dǎo)致1缸氣道進(jìn)氣質(zhì)量流量小于2缸氣道質(zhì)量流量。相對(duì)比1缸、2缸氣道流線，第3缸氣道明顯出現(xiàn)大尺度的渦流，導(dǎo)致第3缸氣道氣流局部損失大幅增加，質(zhì)量流量相應(yīng)減小。

圖4 初始方案速度流場(chǎng)

2.2 穩(wěn)壓腔支氣道過渡圓角的影響

在初始方案基礎(chǔ)上，針對(duì)3缸支氣道，研究了穩(wěn)壓腔與支氣道之間圓角的大小對(duì)質(zhì)量流量及速度流線分布的影響。圓角半徑分別為2 mm、13 mm和25 mm，其中2 mm和25 mm分別是該歧管結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最小和最大圓角值。

圖5示出3缸支氣道在不同圓角下的質(zhì)量流量。由圖5可以看出，圓角越大，質(zhì)量流量越大，因?yàn)樵龃髨A角減小了氣流從穩(wěn)壓腔到支氣道的局部損失。但由于結(jié)構(gòu)限制，圓角并不能無限增大以增加相應(yīng)支氣道的質(zhì)量流量。并且從圖6速度流線分布可以看出，在3缸支氣道與穩(wěn)壓腔過渡處依然存在大尺度的渦流，且隨圓角的增大并沒有減小的趨勢(shì)。

圖5 不同圓角半徑下3缸氣道的質(zhì)量流量

圖6 穩(wěn)壓腔支氣道過渡圓角對(duì)速度流場(chǎng)分布的影響

2.3 節(jié)氣門布置角度的影響

假設(shè)初始方案的節(jié)氣門安裝角定為0°，在初始方案的基礎(chǔ)上，節(jié)氣門安裝角分別逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30°和60°，不同節(jié)氣門安裝角示意見圖7。

圖7 不同節(jié)氣門安裝角示意

圖8示出不同節(jié)氣門安裝角下各缸對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量，圖9示出相應(yīng)節(jié)氣門安裝角下的各缸氣道的進(jìn)氣質(zhì)量流量偏差。從圖8和圖9可以看出，節(jié)氣門安裝角會(huì)對(duì)各缸支氣道氣流的質(zhì)量流量產(chǎn)生不同程度的影響，增大安裝角進(jìn)氣質(zhì)量流量偏差會(huì)有不同程度的降低。在進(jìn)氣歧管初始方案結(jié)構(gòu)下，改動(dòng)節(jié)氣門的安裝角，使得1缸氣道的進(jìn)氣質(zhì)量流量增加，因?yàn)楣?jié)氣門離1缸氣道距離近，對(duì)1缸的影響較大。另外，從圖8也可以看出節(jié)氣門安裝角的改變對(duì)2缸氣道的影響很小，可以忽略。

圖8 不同節(jié)氣門安裝角下各缸支氣道質(zhì)量流量

圖9 不同節(jié)氣門安裝角下各缸質(zhì)量流量偏差

同時(shí)可以看到，節(jié)氣門安裝角的變化導(dǎo)致3缸氣道質(zhì)量流量大幅增加，但并無明顯規(guī)律。結(jié)合圖10速度的流線圖可以看到，節(jié)氣門安裝角的變化使得3缸氣道與穩(wěn)壓腔結(jié)合處的大尺度渦流明顯減小，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)得到改善，因此壓損降低，質(zhì)量流量增加。反向推導(dǎo)可以得出如下結(jié)論：如果前期優(yōu)選進(jìn)氣歧管均勻性時(shí)未考慮節(jié)氣門安裝角的影響，或者隨意改變節(jié)氣門的安裝角，發(fā)動(dòng)機(jī)的各缸進(jìn)氣質(zhì)量流量偏差可能會(huì)大幅惡化，比如本研究中節(jié)氣門安裝角從30°變到0°，則質(zhì)量流量偏差則會(huì)從1.68%惡化到7.49%。

圖10 不同節(jié)氣門布置角下的速度流場(chǎng)

2.4 進(jìn)氣總管長(zhǎng)度的影響

假設(shè)初始方案的節(jié)氣門后進(jìn)氣總管長(zhǎng)度為0，進(jìn)氣總管長(zhǎng)度分別延長(zhǎng)至35 mm和70 mm。通過計(jì)算得到的不同總管長(zhǎng)度下各缸支氣道的質(zhì)量流量及質(zhì)量流量偏差見圖11和圖12。

圖11 不同總管長(zhǎng)度下各缸質(zhì)量流量

圖12 不同總管長(zhǎng)度下各缸質(zhì)量流量偏差

由圖11和圖12可見，隨著進(jìn)氣歧管總管長(zhǎng)度的增加，1缸氣道的質(zhì)量流量逐漸增加，由106 g/s增加到109 g/s，因?yàn)殡S著總管長(zhǎng)度的增加，氣體從節(jié)氣門到1缸氣道之間的穩(wěn)流段得以增長(zhǎng)，氣流更順暢，壓損更小。相比較1缸氣道而言，2缸氣道質(zhì)量流量略微增加，3缸氣道質(zhì)量流量大幅增加，尤其總管長(zhǎng)度由35 mm增加到70 mm后，3缸氣道質(zhì)量流量由97.6 g/s增加到110.5 g/s,進(jìn)氣質(zhì)量流量偏差也由初始方案的7.49%降低到1%以內(nèi)。圖13示出不同總管長(zhǎng)度下各缸速度流線分布。由圖13分析原因得出，進(jìn)氣總管長(zhǎng)度的增加，改善了流場(chǎng)分布，尤其總管70 mm時(shí)，3缸氣道處大尺度渦流消失，使得局部壓損降低，因此3缸氣道的質(zhì)量流量大幅增加，降低了進(jìn)氣歧管的質(zhì)量流量偏差。

圖13 不同總管長(zhǎng)度下各缸速度流場(chǎng)

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

在分析以上因素對(duì)進(jìn)氣歧管均勻性的影響規(guī)律后，結(jié)合進(jìn)氣歧管在發(fā)動(dòng)機(jī)上有限的布置空間進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選。節(jié)氣門安裝角最終選為60°，以消除3缸氣道與穩(wěn)壓腔的大尺度渦流；進(jìn)氣歧管總管長(zhǎng)度由于整機(jī)布置空間限制，只加長(zhǎng)35 mm,以提高1缸氣道的質(zhì)量流量；盡可能差異化地增大各缸氣道與穩(wěn)壓腔之間的過渡圓角，整體降低進(jìn)氣歧管的局部損失，以增加各缸氣流的質(zhì)量流量，同時(shí)降低不同缸氣道的質(zhì)量流量偏差。1缸至3缸優(yōu)選后的過渡圓角半徑分別為20 mm，15 mm，25 mm。

各缸支氣道的質(zhì)量流量?jī)?yōu)選前與優(yōu)選后結(jié)果見圖14。由圖14可見，參數(shù)優(yōu)選后各缸支氣道質(zhì)量流量均有大幅提升，1缸至3缸支氣道的質(zhì)量流量分別增加4.3%，1.9%，14.3%。圖15示出優(yōu)選方案各缸流線分布。由圖15可以看出，各缸流線較為流暢，無明顯渦流區(qū)，尤其3缸支氣道處大尺度渦流消失，流線較為流暢。

圖14 優(yōu)選前后各缸支氣道質(zhì)量流量

圖15 優(yōu)選方案各缸流線分布

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

最后在優(yōu)選后的進(jìn)氣歧管方案基礎(chǔ)上，采用業(yè)內(nèi)常用的氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)對(duì)進(jìn)氣歧管均勻性進(jìn)行了驗(yàn)證，氣流穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)示意見圖16。

圖16 氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)示意

氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)裝置為吸氣工作方式，工作時(shí)，被測(cè)模型置于該裝置的模擬缸套上，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，氣流流動(dòng)經(jīng)由節(jié)氣門—進(jìn)氣歧管—缸蓋氣道—缸蓋燃燒室—模擬缸套—?jiǎng)恿坑?jì)—穩(wěn)壓桶—流量計(jì)—穩(wěn)壓箱—風(fēng)機(jī)排出。由位移傳感器得到氣門升程，由壓力傳感器獲得氣道壓差，測(cè)量氣體角動(dòng)量主要有動(dòng)量計(jì)和葉片風(fēng)速儀兩種方式，最后通過流量計(jì)獲得流經(jīng)氣道的流量。在獲得以上4個(gè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算得到量綱1的流量系數(shù)和渦流強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果見圖17。由圖17可見，優(yōu)選后進(jìn)氣歧管的質(zhì)量流量偏差仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均小于優(yōu)選前的仿真結(jié)果，均小于1%，且試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)選后的仿真結(jié)果趨勢(shì)較為一致。

圖17 優(yōu)選前、優(yōu)選后及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

a) 增大穩(wěn)壓腔與氣道過渡的圓角，可以降低壓損、增大進(jìn)氣流量；可以通過各缸氣道與穩(wěn)壓腔的差異化圓角，調(diào)節(jié)進(jìn)氣歧管歧管各氣道的進(jìn)氣均勻性；

b) 節(jié)氣門布置的角度會(huì)對(duì)進(jìn)氣歧管內(nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響進(jìn)氣均勻性，在開發(fā)進(jìn)氣歧管時(shí)要考慮節(jié)氣門的布置角度，且后期不能隨意變動(dòng)節(jié)氣門的安裝角度；

c) 節(jié)氣門后總管長(zhǎng)度對(duì)進(jìn)氣歧管流場(chǎng)分布有較大影響，整體趨勢(shì)是總管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，穩(wěn)流緩沖距離就越長(zhǎng)，流場(chǎng)越順暢，同時(shí)進(jìn)氣均勻性也就越好，在空間布置允許的情況下，應(yīng)盡量增加節(jié)氣門后進(jìn)氣歧管總管長(zhǎng)度。