CFD辅助发动机进气管的研究

窦 昊，何云信，谢文尚，陈 晖

(广西大学机械工程学院，广西南宁530004)

进气系统是内燃机五大系统中供给系的重要组成部分，气体在进气系统的流动，在很大程度上影响了内燃机的动力性、经济性和排放性，它对油气混合、滞燃期、着火、燃烧、火焰传播、排放物生成、传热以及对汽油机的爆震和循环变动等，都有着重要的影响，内燃机气体流动具有重要的意义。匹配优良的进气系统，能以最小的泵气功来最大限度地提高进气终了时留在发动机气缸内充量的纯度和密度[1]。本文针对LJ276QE汽油机电喷化后的进气管，对其进气管流场进行分析，以及优化改进设计，以提高其发动机动力性和经济性等性能。

表1 LJ276Q E型发动机主要参数

1 LJ276QE原进气管的建模分析

LJ276QE汽油机整机、进气管三维模型如图1所示。

图1 LJ276QE进气管三维模型

LJ276型汽油机是传统的化油器式发动机，原进气管是传统的“Y”型进气管，LJ276QE是LJ276的电喷化机型，采用进气管多点电喷方式取代化油器供油。发动机在电喷化后，多个相关参数发生改变，原进气系统不能满足电喷化后得进气需要，需要重新设计进气管，以提高进气效率，并便于安装喷油器。

通过逆向工程技术，使用非接触式三维测量设备扫描LJ276汽油机进气管的铸造沙芯，然后利用UG软件构造和编辑曲线和曲面，完成进气管气道的三维实体建模[2](如图2所示)。

图2 原机气管气道的三维实体模型

2 进气管的改进设计计算

新设计的进气管，需考虑到气体动力增压效应和喷油器安装等问题。考虑到气体增压效应，设计计算进气总管直径和长度，稳压腔容积，进气歧管直径和长度[3]。

2.1 利用波动效应确定管长和管径[4]

其中，

L——进气歧管长度；

q——波动效应系数3/2，5/2，7/2，9/2…

n——发动机转速。

以标定功率和最大扭矩点为基点，计算出来管长为多值，并结合的汽油机的实际尺寸，选择发动机进气管长度为0.440m，这个距离包括了进气道的长度，故设计发动机谐振进气管长度

利用惯性效应确定进气管管径

其中，

准t——惯性系数；

D——缸径；

S——冲程；

d——进气管管径；计算得d=44.34(mm)

2.2 谐振腔容积的确定

谐振腔容积要设计得合适，不能过大，也不能过小。一方面，如果过大，腔内压力波动程度下降，谐振效果减弱，稳压效果增强，谐振进气得效果从而会大大降低；另一方面，若容积过小，则不能满足发动机高速时对进气量的需要。大多数文献设定的谐振腔容积一般为发动机排量的0.55倍左右[5]。LJ276QE汽油机的排量为0.644 L，故设计其进气管稳压腔容积为0.354L左右，结构为完全矩形腔，为稳压腔中间进气结构。

3 CFD仿真模型的建立

根据计算所得参数，使用三维软件UG建立新的进气管气道模型(如图3所示)。

图3 改进气管气道的三维实体模型

图4 改进气管气道模型网格划分

将此模型导入Fluent软件自带的前处理软件Gambit，划分网格，原进气管气道模型网格数136 433，新进气管气道网格数163 649；以安装原进气管的充气效率曲线(如图5所示)。根据关系式

计算出进气管入口出的速度作为各个转速下的入口边界条件，出口边界均设定为自由出流，湍流模型为标准K-ε模型，耦合能量方程，设定壁面温度293 K，计算结果如下所述。

由图6、图7可知，进气管出口处的速度和湍动能均有了很大的提高，且随着转速的升高，速度和湍动能的提升量也呈增大的趋势，速度的增量都在50%以上；由图7可知，原进气管出口处湍动能变化不大，新进气管出口湍动能的增量有了极大的提高。速度和湍动能有了很大的提高，主要原因是在设计时减小了进气管支管直径。由流体力学中伯努利方程可知，当进气歧管的管径减小，流量不变的情况下，进气歧管速度会升高。速度升高，湍动能也会随之升高。进气速度和湍动能的提高，必然可以提高发动机进气量和进气能量。

图5 原进气管的充气效率曲线

图6 两种进气管速度曲线比较

图7 两种进气管进气湍动能比较

4 结束语

综上所述，我们可以得出下列结论：

(1)发动机的进气管结构尺寸，对发动机的性能有很大的影响；

(2)利用进气管中的谐振效应，匹配优良的进气总管、稳压腔、进气歧管，可以提高发动机进气速度和湍动能；

(3)FLUENT计算结果表明，CFD可以较为准确的预测发动机进气管流场，可以辅助设计发动机进气管正向设计的有效手段。

[1]W.J.D.安南德，G.E.罗埃.内燃机中的气体流动[M].北京：中国农业机械出版社，1981.

[2]刘志恩，蒋炎坤.CFD辅助发动机进气道设计方法研究[J].内燃机工程，2006，12(6)：6-7.

[3]蒋炎坤.CFD辅助发动机工程的理论与应用[M].北京：科学出版社，2004.

[4]靳红玲.469Q汽油机进气系统流场特性及优化设计[D].太原：太原理工大学，2007.

[5]刘 宇.基于GT-POWER的汽油机仿真及优化设计[D].吉林：吉林大学，2006.