发动机进气道流通特性的计算分析*

焦运景　史春涛　袁章平（1-天津大学机械工程学院天津000722-上海柴油机股份有限公司-天津大学内燃机研究所-浙江春风动力股份有限公司）

发动机进气道流通特性的计算分析*

焦运景1，2史春涛3袁章平4
（1-天津大学机械工程学院天津3000722-上海柴油机股份有限公司3-天津大学内燃机研究所4-浙江春风动力股份有限公司）

对某排量250 mL的发动机进气道进行数值计算，首先结合试验与计算，验证了计算模型的可靠性。通过数值计算，得到了进气道在不同气门升程时的流量系数，一方面为发动机的热力计算提供了边界条件，另一方面还可以直观再现试验中难以获取的流场现象。分别从流场的速度分布、压力分布及湍流动能分布几个方面分析了气道的流动特性。通过分析得知，进气入口处气门的形状以及气道的切向角度都是影响气道流通特性关键因素。最后提出合理的优化建议，为气道的进一步优化设计提供设计依据。

进气道数值模拟湍动能气体流动

引言

进气道性能优劣是影响发动机性能的重要因素，特别是进气道流通性的优劣直接对发动机的动力性、经济性及排放产生影响［1］。本研究应用AVL公司的FIRE软件对某型排量250 mL的发动机进气道进行数值模拟计算，通过计算，得出不同气门升程下的流量系数及缸内流场情况，通过不同气门升程下的流量系数及缸内流场情况对该气道的流通特性进行了分析。

1　几何模型的建立与网格划分

该项目的气道几何模型首先用UG7.5进行进气道模型的造型，如图1 a）所示，网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。本项目中分别对1 mm、1.5 mm、3 mm、5 mm、7 mm的5个升程的几何模型进行网格划分。网格划分在AVL-FIRE自带的FAME中进行［2-3］。FAME软件对气道部分的处理采用六面体与四面体混合网格，而气道前部的稳压箱与气缸所用网格为六面体网格，由于气门附近的流场比较复杂，因此对气门附近部分的网格进行细划，网格划分的最大尺寸为5 mm，最小尺寸为0.125 mm。总网格数大约为50万，如图1 b）所示。

图1　气道几何模型及网格划分

2　计算模型、计算方法及边界条件设置

2.1计算模型及计算方法

将气道内的气体视为三维可压缩粘性流体，采用质量守恒方程、动量守恒方程和k-ε湍流模型来建立气道内流动数学模型，湍流模型就是把湍流的脉动值附加项与时均值联系起来的一些特定关系式。具体方程如公式（1）～公式（4）。

2.1.1连续性方程

式中，t为时间，xj（j=1，2，3）为坐标，ρ为密度，uj为气流速度在三个坐标上的分量。

2.1.2动量守恒方程

式中，p为气体压力，τij为作用在与i方向垂直的平面j上的应力，g为重力加速度，u′为湍流脉动速度，“-”表示平均。

2.1.3湍流能量输运方程

2.1.4湍流能量耗散方程

k-ε模型是在湍流的工程计算中应用最为广泛的湍流模型［4］。k-ε模型中的系数取值如表1所示。

表1　k-ε模型中的系数

在本项目的研究过程中，采用有限容积法（FVM）对数学模型进行离散，用MINIMOD插值格式建立动量方程代数方程，用中心差分格式对质量守恒方程和湍流方程建立离散方程组，采用SIMPLE算法求解压力-速度耦合。

2.2边界条件设置

使用AVL-FIRE的CFD求解器对上述计算网格求解，计算区域的边界包括入口边界和出口边界，进口边界条件设在稳压箱的进口平面，出口边界条件设在气缸的下平面，入口边界和出口边界均使用压力边界，入口压力边界给定总压入口，出口给定为静压出口值。进、出口进行定压差设置，小升程时气道进口与气缸出口的压差为6.5 kPa，大中升程时压差为2.5 kPa。流体设为具有可压缩性的流体。

2.3判定计算结束的原则

何时计算结束是保证结果可信的关键，通常的作法是根据经验给定收敛准则，计算收敛时即认为计算结束。在本文的计算过程中，对计算收敛的判定是根据其标准残差来确定。最小循环次数为3次，最大循环次数为4 000次，当压力、动量及湍动能的残差值达到10e-4时，判定其收敛。

3　计算结果及分析

3.1平均流量系数

平均流量系数的计算公式如式（5）、（6）所示。

式中，m：实际质量流量；mtheory：理论质量流量

式中，ρ：为气缸内气体密度.ρm：进口与出口的平均密度

式中，c（α）：对应于曲轴转角α的瞬时活塞速度，m/s

cm：平均活塞速度，m/s

3.2计算结果

3.2.1二维计算结果

不同气门升程下的流量系数计算结果如图2所示。由图2可知，随着气门升程的增加，流量系数增大，当气门升程增大到一定值时，流量系数的上升幅度变缓，这与文献［5］的试验和文献［6］的计算结果一致。

图2　不同气门升程下的流量系数

3.2.2三维计算结果

为了进一步研究不同气门升程时的流场情况，分别对最大升程、最小升程和中间升程的三维模拟计算结果取不同的切片图进行分析，取切片图所参照的坐标如图3所示。

图3　切片图所参照的坐标（纵向为Z轴，左侧图水平方向为Y轴）

图4为不同进气升程时的气道及缸内流场速度在X方向切片图，图中深浅不同的颜色代表流动速度的大小。由图4可知，缸内的最大气流速度出现在气门喉口处，升程为1 mm时，最大速度值为170.98 m/s，随着升程的增大，最大速度值有所降低。在小升程时，气流进入缸内，存在撞壁现象，这会影响其流通特性。随着气门升程的增大，X方向切片图的流场强度增大，缸内气流形成的涡旋形状随着气门升程的变化而有所变化，这主要是由于小升程时，流动方向受气阀结构的影响较大，而随着气门升程的增大，气阀结构对气体流入的导向作用减小。图5为不同升程不同截面下的Z向切片图，由图可以看出，随着距离顶平面的距离增大，缸内形成两个明显的逆向涡流。流动速度随着距离顶面的距离增大而减小。

图4　不同升程时的气道及缸内流场速度图及其局部放大图（X向切片，x=15 mm）

图6和图7分别为不同升程时的湍动能图。由图可以看出，中小升程时，气门喉口处因其流速相对较高，因而最大湍动能出现在喉口处。在大的气门升程下，X切片中，湍动能最大值由气门喉口处开始向气门杆处转移；Y切片下，小升程时，最大湍流速度出现在进气门入口处，随着气门升程的增大，缸内最大湍流出现在两气门交汇处，如图7中所示A处。

图5　不同升程不同截面下的Z向速度切片图

图6　不同升程时的气道及缸内湍动能图及其局部放大图（X向切片，X=15 mm）

图7不同升程时的气道及缸内湍动能图及其局部放大图（Y向切片，Y=18 mm）

图8为不同升程不同截面下的Z向湍动能切片图，由图可以看出，在小升程下，气道湍动能最大的区域基本都集中在气门入口处，是切向气流的一部分碰壁产生的。而其它区域的气道动能交换并不是很强烈。随着气门升程的增大，缸内同一位置的湍流动能增大；在同一气门升程下，随着切片截面距离活缸盖底面的距离增大，缸内最大湍流动能位置出现转移，由图8可以看出，在最大升程7 mm时，在缸筒中间位置时，湍流动能的最大值出现在气缸中部。

图8　不同升程不同截面下的Z向湍动能切片图

图9、图10为不同升程时的气道及缸内压力等值线图，由图可知，小气门升程时，压力等值线图规律性略差，随着气门升程的增大，压力等值线图出现对称现象。由图9的等值线图可以看出，不同升程下的气道位置B处均存在一个高压，此处高压的存在会影响气流的通畅性。

图9　不同升程时的气道及缸内压力等值线图及其局部放大图（X向切片，X=15 mm）

图10　不同升程时的气道及缸内压力等值线图（Y向切片，Y=18 mm）

图11为在缸筒的叶轮放置处的截面切片图，对此位置的流场、湍动能及压力在不同升程下进行了比较。由图中可以看出，升程为7 mm时的流场较为对称，存在两个逆向涡旋；在升程为1 mm和3 mm时，该截面处除了存在两个逆向涡旋外，在进气门侧还存在小的涡旋，因其扰动小涡旋的存在，可以看到其进气门侧的湍动能也较大。缸内压力等值线图中，小升程时，压力不平稳，对称性略差。中大升程时，从图中可以看出，该截面处其压力对称良好。

图11　不同升程下叶轮截面的流场及湍动能切片图（z=-126 mm）

4　结论

本研究应用FIRE软件对发动机进气道进行了数值模拟计算，通过计算，得到了进气道在不同气门升程时的流量系数。一方面为发动机的热力计算提供了边界条件，另一方面还可以直观再现试验中难以获取的流场现象，并对其进行了分析。通过分析得知，影响气道流通性的因素有很多，进气入口处气门的形状以及气道的切向角度都是关键因素。本研究中发现，一方面在图9中气道的B处存在局部高压；另一方面，小升程时气门头部倒角及气门阀座形状对进气流动有较大影响。要提高该气道的流量系数，一方面需要尽量降低在气门入口处的气流撞壁现象，另一方面需通过改进气道形状，尽量克服气道内的局部高压现象。

1Chang-sik Lee，Ki-hyung Lee.Investigation of in-cylinder flow patterns in 4 valve S.I.engine by using single-frame particle tracking velocimetry［J］.KSME International Journal，2001，15（1）:108-116

2Fire_v8.5_FAME_Grid Generation.

3Laimbock Franz J，Gerhard Meister，Simon Grilc.CFD application in compact engine development［J］.SAE Transactions，1998，107（3）:1998-2044

4Fuchs T R，Rutland C J.Intake flow effects on combustion and emissions in a diesel engine［J］.SAE Transactions，1998， 107（3）:566-581

5Xiang-Rong Li，Lu-Ming Zhao，Fu-Shui Liu，et al.Study on characteristics of intake port on supercharged diesel engine［C］.2012 Inter-national Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring，Hunan

6Ren Hongjuan，Ma Qihua，Zheng Xiajun.Numerical simulation of gas flow in a gasoline engine under different valve lifts［C］.2011 Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，713-716

Numerical Simulation of Flow Characteristics of Engine′s Intake Port

Jiao Yunjing1，2，Shi Chuntao3，Yuan Zhangping4
1-Mechanical Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）；2-Shanghai Diesel Engine Co.Ltd；3-Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute；4-Zhejiang Chunfeng Power Co.，Ltd.

A numerical calculation of engine's intake is conducted.At first，connected the experiment and simulation，the reliability of model is proved.Through the simulation，the flow coefficients in different valve lift are gotten.In the one hand，it gives the boundary conditions for thermal calculation；in the other hand，the flow field which is difficult to watch in experiment can be watched directly.Then，the flow characteristic is analyzed from several aspects of flow field，such as velocity，pressure and turbulent kinetic energy. Through the analysis，a conclusion is learned that the shape of inlet valve and the tangential angle of intake are more important to the flow characteristic.At last，two reasonable suggestions are presented and the study provides a theoretic basis for further intake port optimizing design.

Intake，Numerical simulation，Turbulent kinetic energy，Flow field

TK413.4

A

2095-8234（2015）04-0049-07

2015-04-14）

上海市博士后科研资助计划资助，项目编号：14R21420600。

焦运景（1971-），女，博士，主要研究方向为内燃机工作过程与排放控制。