进气限流阀体结构分析

白云龙，关亮亮，曾令辉，王思朋

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

引言

本文针对限流阀体中限流阀前段的渐缩管部分和限流阀后段的渐扩管部分进行角度的分析比较，为限流阀体找到合适的角度，从而使发动机可以输出最大动力和最好的动力响应。

1 进气限流阀设计

规则要求进气总管道上加装一个20mm 的限流阀，由于它的存在，使发动机进气受到很大限制而减少，所以发动机的扭矩就会有很大的损失，因此需要对限流阀前后的管路进行优化设计。在本文所研究的发动机进气系统中，空气先通过节气门进入进气总管道前段，经过限流阀后进入总管道后段，最后进入到稳压腔中。因节气门直径和稳压腔接口直径都大于限流阀直径，这正好行了一个文丘里管，所以可以借助文丘里效应对其进行分析。由文丘里管可知，空气在管路流动时，管路直径经过了一个大-小-大的过程，正是因为通过中间直径较小的喉管，即限流阀，使气流由粗变细，这样可增加空气的流动速度，加大进气的真空度，这样就可以利用真空度和空气的惯性来增加进气量（低转速时效果明显）。

1.1 限流阀前段设计

由流体力学基础知识知，空气在管道中流动时，由于惯性的存在，空气不能按照管道的突然变窄也突然收拢，所以文丘里管中将喉管前部设计成逐渐收缩的管路，外缘呈喇叭口展开，这样可以更好的引导气流，将空气快速收拢起来。本文研究的限流阀结构中，进口处与节气门相连接，直径30mm，中间喉管处为限流阀，直径20mm，二者差距较大，如果设计成阶梯状的管道，进气空气的流动能量将会受到很大损失，从而降低发动机的进气效率，所以也必须参考文丘里管结构，将前段设计成渐缩管形式。由流体力学理论知，在假设管道为完全光滑的前提下，渐缩管的缩进角度愈大，其阻力系数就会越大，所以可以通过加长渐缩管长度来减小缩进角度，降低阻力系数。但实际应用中，管路不可能是完全光滑的，管路越长，流动过程中阻力越大，进气损失越多。由参考资料知，最佳收紧角度为35 度到45 度，同时考虑到赛车主环尺寸和空间，本文中取减缩管缩进角度为38 度。

1.2 限流阀后段设计

进气管道中，限流阀的后端与稳压腔垂直连接，稳压腔为100mm 左右的圆柱形，所以连接处直径约为60mm。进气管道中的空气，经过前段减缩管的收拢后经过限流阀，速度变大，压力减小，高速流动的空气如果突然遇到截面的突然变大，会在稳压腔内形成很强紊流，对进气影响很大，所以需要将空气流过的管道直径逐渐由20mm 扩大为60mm，即形成一个渐扩管的形式，来减少稳压腔腔内的紊流。由参考资料知，渐扩管内阻力系数与进出口面积比值有关，同时与渐扩角度相关，渐扩角度愈大，整体的阻力系数越大。常见渐扩角度数一般设定在5 度到10 度，因为在此角度范围内，摩擦系数较小且变化范围小。考虑到空间安装需求，本文取渐扩角分别为6，7，8 和9 度四种情况分别对限流阀进行建模，分析其进气效果。

2 进气系统三维流场分析

本文利用Fluent 流体分析软件，分别对限流阀入口，喉管和出口的压强，速度和流量进行模拟计算，用于对比分析，找到最合适的一个限流阀设计。

2.1 三维模型建立

通过上述分析，设定本文中所分析的限流阀渐扩角度分别为6，7，8 和9 度，在CATIA 中分别建立模型如图1 所示，图中A 为渐扩角度6 度，B 为渐扩角度7 度，C 为渐扩角度8 度，D 为渐扩角度9 度。

图1 四个渐扩角度的三维模型

2.2 数据模拟

根据已知条件，设置边界条件以及计算控制参数，运行模拟计算得出结果。在对模拟出的数据进行分析对比前，需要先对其进行准确性的判断，即分析其残差收敛曲线是否为迭代收敛。四种模拟计算中，进口质量流量与出口质量流量的差值都很小，最大的值为0.0026g/s，相较于进口质量流量的72g/s 可以忽略不计，因此可判定迭代收敛，所以可以对模拟输出数据进行对比分析。将四种渐扩角下模拟出的速度云图和压力云图整合到一起，如图2 所示：

图2 四个渐扩角度的速度和压力云图

2.3 数据整理分析

通过模拟计算，可得出渐扩角度分别为6，7，8 和9 度下列几个关键数据，其中包括限流阀处压强（KPa），最大速度（m/s），出口压强（KPa）和出口流量（g/s）。限流阀处压强为35.1，34.5，35.3，35.7。最大速度为393，395，395，384。出口压强为90.61，90.58，90.04，90.70。出口流量为71.77，72.19，72.11，72.14。

判断限流阀渐扩管部分性能好坏的指标有很多，其中相对较重要的有空气流量和压力损失，所以重点对比不同渐扩角度下的末端压强和空气流量。首先对比限流阀处空气流速，流速越快，说明渐缩管部分空气流动能量损失越少，通过限流阀处的流量越大，结果显示渐扩角为9 度时空气速度最低，且明显低于其他三个。接下来对比出口压强，压强越高说明压力损失越小，结果显示渐扩角为8 度时出口压强最小，且明显低于其他三个。最后对比出口流量，流量越大说明单位时间通过空气量越多，结果显示渐扩角为6 度时出口流量最小，且明显低于其他三个。同时对比上述三个数据，可发现不同角度下，各组数据都有不同的缺点，只有一组数据相对最合理，那就渐扩角为7 度时的数据，此时限流阀处流速最快，出口流量最大，压力损失虽然不是最小，但与其他角度的数据十分接近。所以通过对比可以知道，选择渐扩角为7度最合适。

3 结论

通过将进气总管道抽象成文丘里管，对其前段渐缩角度和后段渐扩角度进行理论分析和模拟对比分析，可得出如下结论。在前段减缩部分最合适的角度为38 度。而在后端渐扩部分，通过对进气限流阀体渐扩部分的角度进行不同的设定，并利用三维流体模拟软件对限流阀处压强和流速及出口处压强及流量进行模拟计算。通过对不同角度下的输出数据进行整理分析对比，可得出最适合的渐扩角度为7 度。此时限流阀处流速最快，出口流量最大，压力损失虽然不是最小，但与其他角度的数据十分接近。于此同时还需要考虑安装位置和空间的问题，所以最终得到渐扩角度为7 度最适合本设计。