汽油机进气管道造型及流动特性仿真浅析

黄伟健 艾亚灵

摘 要：降低排放减少油耗是现在汽车发展的方向，进气系统是影响汽车排放 油耗和动力的重要因素之一。进气道优良指标有进气道的光滑程度，气门座圈倒角，还有其進气压力，进气的流动特性都是其重要的影响因素。本文以汽油机进气道模拟仿真为研究对象，在发动机缸体上，应用动态分解软件UG提取进气道模型，并将其进行整合加装进气导管，再生产网格。

关键词：进气系统;油耗;进气道模型;流动特性

1.进气道研究的背景

发动机已成为当代社会不可缺少的动力配备，不管是飞机、舰艇还是汽车，都离不开它。动力设备的输出功率占所有设备总功率67.5%，燃油消耗占所有使用能源63.2%，是环境污染的最大来源之一，所排放的废气约占工业废气的44.96%。因此，从节约能源和保护环境的角度来看，人们不仅需要高输出功率，更小燃油消耗，又同时满足严格的排放法规（低排放或零排放）。影响这些性能的因素是多方面的，无论是压燃和点燃，无论两冲程四冲程，发动机进气系统都重要的影响因素之一。增大进入的新鲜空气的质量，从而增大功率和扭矩，达到发动机的动力最优化。同时快速的清除，细化在发动机的混合气在气缸内均匀分布，增加进气充量。

2.进气道的研究过程

发动机进气道提取过程，先用软件UG在K14B气缸盖上进行分割提取，在使用CFD确定其造型，在进气道上部分做网格使其更加光滑，再用两条引导线一个圆截面拉出来腿部的结构，接着过做一条直线再拉伸成平面，最后把空余的部分用网格补齐。用CAM软件进行优化，完成后可以计算进气管内的三维流动，分析流动特性，给缸内气体运动做研究。

发动机进气过程是个复杂的立体三维流动过程，在计算机快速发展的今天，我们不需要像传统单一的实验研究，更多的是用电脑完成。我们把提取好的进气道导入到CDF中建立好数字模型，在通过UG的计算分析和STAR-CCM+得到的数据来完成设计。气道曲面的光滑程度，气体流动的流动阻力;气体充气系数，气流进入气缸内可以形成与燃烧系统匹配的涡流比。满足给定涡流强度下进气道可以达到最好的流动特性。

3.研究CFD发展过程及应用

在以前的研究中没有计算机的应用我们必须通过具有的实验，得到的参数也比较有限，不能更直观的看到起流通特性和气需要改进的方向。因为缺少现代化的计算工具，发动机的开发设计就要做出很多不符合现实情况的假设，就是为了使计算可以进行。因为这些计算不能归纳许多现实过程中遇到的复杂成分，所以这些计算对发动机的研究起不到有效的指导作用。因为发动机的结构复杂，所以用仪器检测发动机内的气体运动也得不到相关的信息，所以就要运用多维的数值模拟。用流场的数值模拟计算的研究方法对进气道进行计算分析有下面的优点：

（1）通过分析进气道机构结构参数与计算结果，发现进气道性能与结构参数变化的关系，从中找出影响进气道性能的决定性参数，用来指导实际工作，减少工作的盲目性。

（2）可获得实验不能测量或难测量的结果，是对研究的一个重要补充;

（3）方便对气道结构设计进行优化，找出进气道性能最优的结构形状。

但是，运用流场计算的研究方法对进气道进行三维数值模拟时，也存在以下困难：

（1）反应计算几何模型的计算网格生成困难，因为在做模拟的时候会做不同程度的简化，简化就会造成模拟计算失去本来的特性，尤其在气门升程2mm-3mm的时候，模拟计算的结果会与实际的流动特性差异较大。若是生成的网格不合理，就会导致计算过程发散还会变得不稳定;

（2）计算速度比较慢，由于网格即要要求精细，而且数目又要多，所以为了保证计算精度，必须使用局部加密网格的方法;

（3）边界条件的确定依赖于经验，所以盲目性较大。

4.其它软件的介绍

CFD软件是近代流体力学，几何数学和计算机科学结合的产生的，是一门强大科学技术。它以电子计算机为工具，应用各种分散化的几何数学方法，对流体力学的各类问题进行数值检测、计算机动态造型的分析研究，以解决各种实际操作中的问题。

STAR-CCM+软件是由CD-adapco公司研发的通用计算流体力学分析软件，它运用了最先进的连续介质力学数值技术，拥有最新的网格生成技术，可以表面网格重新生成、自动体网格生成。

5.结论及展望

分析了流体动力效应和进气道造型进气道的结构对发动机进气效率的影响，并用UG软件，初步得到K14B进气道效率的具体参数。

其次，在理论设计计算的基础上，利用UG 进行网格生成，在通过STARccm进行气体仿真的动态分型，在进气道进行气体的流速和压力的观察和计算。实验可以看出气道内气流流速分布均匀性同发动机的性能有着密切关系，气道越光滑弯曲角度越小其阻力越小。不同气门开度大小不同进气门周围气流流速分布也不一样，一般在气门开度小时气流流速较小，但流速分布较均匀。随着气门升大气流流速也增大，分布均匀性就变差。气门导管台阶对气流流速及其分布有一定影响，和压缩过程中流量分布预测，可以对发动机性能和排放的进一步研究减少排放，提高动力性能和经济性能的内燃机。

UG和其他辅助发动机工程理论和计算机性能的提高进行了深入的研究，将仿真结果更精确，模拟计算的结果将会更加精确，在发动机开发和改进设计的模拟将成为更大的实用价值。

（1）进气道造型仿真分型需要整机来进行模拟分析，仅研究进气道模拟仿真不能直接用于实际的设计生产，本文的实验设备条件有限，不能进行实验验证。

（2）研究室是气道稳态，在研究过程中我们假定不管进气还是排气都是不变的，在实际工作中不管进气还是排气都是不断变化的，在以后计算机跟先进的时候，我们可以使用气道的瞬态模拟。

（3）在气道的模拟仿真中，活塞也是一个影响因素，在今后的模拟仿真中，要把活塞的运动也考虑进去。

参考文献

[1]《内燃机学》周龙保主编 机械工业出版社 2000年第二版

[2]《高速柴油机概念设计与实践》许道延 丁贤华主编 机械工业出版社 2004年第一版

[3]《汽车发动机现代设计》徐兀编著 人民交通出版社 1995年第一版

（作者单位：1.瑞金中等专业学校;2.金溪县鑫悦汽修汽配店）