倪計民， 李飛鴻， 顧詩帆， 石秀勇

(同濟大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804)

三葉片節(jié)氣門進氣系統(tǒng)的CFD計算和分析

倪計民， 李飛鴻， 顧詩帆， 石秀勇

(同濟大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804)

以一款新型三葉片式節(jié)氣門為主要研究對象,通過發(fā)動機臺架試驗，獲得發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況下進氣歧管三維CFD計算的邊界條件，選取不同轉(zhuǎn)速、不同負荷率的12個有代表性的工況點，建立配置傳統(tǒng)的單葉片節(jié)氣門和三葉片節(jié)氣門的進氣歧管網(wǎng)格模型，并進行CFD計算和流場分析。結(jié)果表明：發(fā)動機處于中、高負荷時，由三葉片節(jié)氣門產(chǎn)生的進氣渦流比單葉片節(jié)氣門大，且優(yōu)勢隨節(jié)氣門開度的增加而更加明顯，但在低轉(zhuǎn)速、小負荷的工況下，配置三葉片節(jié)氣門的進氣歧管內(nèi)的渦流強度小于單葉片節(jié)氣門。

節(jié)氣門； 三葉片； 計算流體力學(xué)； 流場； 進氣系統(tǒng)

發(fā)動機缸內(nèi)氣體的宏觀運動對混合氣的形成和燃燒過程有著重要的影響。在汽油機中，宏觀的進氣渦流運動在壓縮上止點破碎時，缸內(nèi)氣體的湍流運動會得到加強，從而提高燃燒速率，改善燃燒過程。節(jié)氣門作為進氣系統(tǒng)的一個重要零部件，對發(fā)動機進氣效果存在較大影響。新型的三葉片節(jié)氣門在開啟時沿相同方向打開，可減小負壓區(qū)的影響，并可組織氣體從三個葉片開啟的間隙處穿過，在進氣管內(nèi)形成進氣渦流，并有利于增加進氣動能，可以改善缸內(nèi)工質(zhì)的霧化和混合，從而改善燃燒過程，提高發(fā)動機熱效率。

然而，對于整個進氣系統(tǒng)來說，安裝在進氣總管和進氣歧管之間的節(jié)氣門體僅為進氣系統(tǒng)的一小部分，因此在氣體流過進氣歧管的容積腔進入不同的進氣岐管后，三葉片式節(jié)氣門所產(chǎn)生的進氣渦流是否還能保留一定強度的渦流運動，并最終對進入缸內(nèi)的氣體運動產(chǎn)生影響，這是需重點研究的內(nèi)容。

1 進氣歧管CFD計算模型的建立

1.1 幾何模型的建立

單葉片式節(jié)氣門和三葉片式節(jié)氣門實物圖見圖1。在幾何建模中，將單葉片節(jié)氣門命名為O1(見圖2)，三葉片節(jié)氣門命名為T1(見圖3)。本研究將對裝配了這兩種不同節(jié)氣門的進氣進行CFD計算和流體特性分析。

為保證進氣流動的穩(wěn)定性和計算的收斂性，減少入口處的反流，對節(jié)氣門前段的進氣總管長度進行適當(dāng)加長。同時為了減少三維數(shù)值模擬計算的網(wǎng)格總數(shù)，節(jié)約計算時間和計算量，只對節(jié)氣門體、進氣歧管容積腔和各缸進氣岐管的前端進行三維建模和CFD計算。裝配模型見圖4。

1.2 網(wǎng)格模型的建立

圖5示出導(dǎo)入ICEM軟件的節(jié)氣門與進氣歧管三維裝配模型，由于在一定工況下任何時間內(nèi)都只有一根進氣岐管進氣(不計提前角和遲閉角)，因此，每次計算只給定一個進口，一個出口，其余都為壁面邊界條件。單個工況下的所有計算均采用相同的邊界條件。分別對進氣歧管、進氣總管、節(jié)氣門進行網(wǎng)格劃分(見圖6)。

1.3 邊界條件和收斂條件設(shè)置

由于進氣總管和進氣歧管都采用粗糙度較小的材料，因此將壁面視為光滑絕熱無滑移壁面。設(shè)置壁面溫度為300 K。設(shè)定入口邊界為壓力入口邊界，設(shè)定進氣總壓p0=1.0×105Pa，進氣溫度T0=300 K，根據(jù)仿真計算經(jīng)驗以及文獻，設(shè)定κ=1 m2/s2,湍流耗散率ε=1 m2/s2，出口邊界條件根據(jù)發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)進行設(shè)置。

2 CFD計算工況點選取

2.1 發(fā)動機臺架試驗

為得到節(jié)氣門與進氣歧管穩(wěn)態(tài)CFD計算所需的進氣壓力和進氣流量，需對所研究的發(fā)動機進行臺架試驗。試驗所用的發(fā)動機為1.5 L VCT汽油機，基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機參數(shù)

2.2 CFD計算工況點的選取

圖7示出發(fā)動機臺架試驗中，在不同轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)工況下測得的進氣壓力與進氣質(zhì)量流量的變化曲線。

由圖7可以看出，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣壓力的變化，發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況下的進氣質(zhì)量流量主要集中在0.002～0.09 kg/s之間。在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)運行工況下，節(jié)氣門的工作區(qū)域僅占該節(jié)氣門可能的流動范圍的很小一部分。因此，在后續(xù)研究中，對兩款不同節(jié)氣門在實際工況下進氣流動特性的分析將集中在該區(qū)域內(nèi)進行。

發(fā)動機臺架試驗的結(jié)果見圖8。為了在發(fā)動機穩(wěn)定運行的工況下從全局工況中選擇具有代表性的工況點，覆蓋從低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速，從小負荷到大負荷的不同工況,并考慮到網(wǎng)格數(shù)量和計算機CFD計算工作量的問題，本研究按照下述方法，對進氣系統(tǒng)的計算方案進行設(shè)計，并對計算工況點進行選擇。選擇2 400，3 600，4 800,6 000 r/min 4個轉(zhuǎn)速點，并選取各轉(zhuǎn)速下外特性扭矩的30%，60%和90%的工況點作為CFD計算工況(見圖9)。從試驗獲得的發(fā)動機特性場數(shù)據(jù)中，提取這些工況下CFD計算所需的邊界條件和單葉片節(jié)氣門O1開度設(shè)置。對三葉片節(jié)氣門的全工況質(zhì)量流量MAP圖(見圖10)進行插值，按照等流量原則求出上述12個不同工況下三葉片節(jié)氣門T1相應(yīng)的開度。

根據(jù)表2中所列出的兩款節(jié)氣門在不同工況下的開度，對圖4中配置不同節(jié)氣門的進氣歧管幾何模型進行節(jié)氣門開度的設(shè)置，并進行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置，得到不同工況下配置兩款不同節(jié)氣門的進氣歧管網(wǎng)格模型，導(dǎo)入Fluent軟件進行計算。

3 進氣歧管流場特性CFD計算及分析

3.1 進氣歧管進氣量標定

根據(jù)進氣歧管CFD計算結(jié)果，對模型的進氣質(zhì)量流量在12個計算工況點進行標定，標定結(jié)果見圖11。從圖11可以看出，兩種不同的進氣系統(tǒng)CFD模型的進氣量計算值曲線與試驗值曲線較為吻合，模型仿真精度符合CFD三維計算的精度要求。

表2 裝配兩種不同節(jié)氣門進氣系統(tǒng)的CFD計算方案

3.2 進氣歧管CFD計算結(jié)果分析

圖12示出12個選定工況下裝配兩款不同節(jié)氣門的進氣系統(tǒng)第1缸進氣渦流強度的對比。可以看出，裝配單葉片節(jié)氣門O1的進氣歧管在各工況下第1缸的進氣渦流強度普遍大于三葉片節(jié)氣門T1，這是由于第1缸進氣岐管離進氣總管和節(jié)氣門的距離較遠，且進氣岐管的走向與其他3缸不同，第1缸進氣岐管的走向不利于保持三葉片節(jié)氣門形成的進氣渦流。但對于單葉片節(jié)氣門來說，由于進氣歧管容積腔的幾何結(jié)構(gòu)和壁面形狀正好可以對節(jié)氣門O1閥片下端形成的層流有很好的導(dǎo)流作用，通過壁面引導(dǎo)形成較強的大尺度渦流運動(見圖13)，因此，單葉片節(jié)氣門O1進氣歧管的第1缸渦流強度在各個工況下均大于三葉片節(jié)氣門T1。之后的研究還發(fā)現(xiàn)，單葉片節(jié)氣門O1進氣歧管第1缸的進氣渦流強度也大于其他各缸的進氣渦流強度。

圖14示出12個選定工況下配置兩款不同節(jié)氣門的進氣系統(tǒng)第2缸進氣渦流強度的對比?？梢钥闯?，三葉片節(jié)氣門進氣歧管的第2缸進氣渦流強度在部分工況下已經(jīng)大于單葉片節(jié)氣門，且這部分工況主要集中在中、高轉(zhuǎn)速和中、高負荷工況下。在這些工況下，節(jié)氣門開度相對較大，通過三葉片節(jié)氣門T1形成的進氣渦流強度較強，且第2缸進氣歧管靠近節(jié)氣門和進氣總管，其走向有利于進氣渦流的保持。因此在這些工況下，三葉片節(jié)氣門T1在第2缸進氣歧管出口處的渦流強度大于裝配單葉片節(jié)氣門O1的進氣歧管。但另一方面也可以發(fā)現(xiàn)，在節(jié)氣門開度較小時，尤其是低轉(zhuǎn)速或小負荷工況下，三葉片節(jié)氣門T1的渦流強度并沒有明顯優(yōu)勢，有些工況下依然小于單葉片節(jié)氣門。所以，對于三葉片節(jié)氣門T1而言，具備一定的開度，且進氣岐管的走向適合渦流運動的保持，是保證進氣岐管內(nèi)的氣體具有良好渦流運動的兩個關(guān)鍵因素。

圖15示出12個選定的工況下，配置兩款不同節(jié)氣門的進氣系統(tǒng)第3缸進氣渦流強度的對比。由圖15可以看出，裝配兩種不同節(jié)氣門的進氣歧管在第3缸的進氣渦流強度情況與第2缸相似。對于三葉片節(jié)氣門T1，在相同轉(zhuǎn)速下隨著負荷率的增加(即節(jié)氣門開度角的增加)，渦流強度呈明顯的上升趨勢。在多數(shù)中等負荷(60%負荷)和大負荷(90%負荷)的工況下，三葉片節(jié)氣門T1在第3缸進氣歧管的渦流強度均大于單葉片節(jié)氣門O1，但在小開度(30%)工況下，單葉片節(jié)氣門依然具有一定的優(yōu)勢。

圖16示出12個選定的工況下，配置兩款不同節(jié)氣門的進氣系統(tǒng)第4缸進氣渦流強度的對比?？梢钥闯觯m然在一些節(jié)氣門開度較大的工況下，三葉片節(jié)氣門T1的渦流強度大于單葉片節(jié)氣門O1，但在其他工況下，配置三葉片節(jié)氣門T1的第4缸出口渦流強度波動較大，且相比于單葉片節(jié)氣門O1不具有明顯優(yōu)勢。由于第4缸進氣歧管離節(jié)氣門和進氣總管距離較遠，因此三葉片節(jié)氣門T1所產(chǎn)生的進氣渦流在進入進氣歧管之后，在流動過程中其旋轉(zhuǎn)動能會發(fā)生損耗，因此對于第4岐管來說，三葉片節(jié)氣門T1在出口處的渦流強度相比單葉片節(jié)氣門O1優(yōu)勢并不明顯。

4 結(jié)束語

本研究建立了配置兩種不同節(jié)氣門的進氣歧管三維幾何模型和網(wǎng)格模型；通過發(fā)動機臺架試驗，確定了發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況下特性場中具有代表性的12個工況點，并通過試驗數(shù)據(jù)的提取和對節(jié)氣門進氣質(zhì)量流量MAP圖的插值，確定了兩種不同進氣歧管CFD流場計算的邊界條件；根據(jù)所確定的邊界條件對配置兩種節(jié)氣門的進氣歧管的流場進行CFD計算，分析了12個工況下，配置兩種不同節(jié)氣門的各缸進氣岐管內(nèi)的進氣流動狀態(tài)和渦流運動強度。

通過對計算結(jié)果的分析和比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三葉片節(jié)氣門開度較大時，即發(fā)動機處于中、高負荷，或發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高的情況下，由三葉片節(jié)氣門T1產(chǎn)生的進氣渦流比單葉片節(jié)氣門O1大，且優(yōu)勢隨節(jié)氣門開度的增加而更加明顯。但在低轉(zhuǎn)速、小負荷的工況下，配置三葉片節(jié)氣門T1的進氣歧管內(nèi)的渦流強度依然小于單葉片節(jié)氣門O1。

[1] 林文武.4110柴油機進氣歧管進氣回流數(shù)值仿真及優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[2] 黃征宏.汽車發(fā)動機進氣管材料改型設(shè)計的數(shù)值模擬及優(yōu)化[D].上海： 上海交通大學(xué)，2007.

[3] Kent J.Observations on the Effects of Intake Generated Swirl and Tumble on Combustion Duration[C].SAE Paper 892096,1989.

[4] 倪計民.汽車內(nèi)燃機原理[M].上海：同濟大學(xué)出版社，1997.

[5] 劉增勇，劉瑞林，高 進.采用可變斜軸渦流系統(tǒng)的四氣門汽油機缸內(nèi)斜軸渦流特性試驗研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2006，24(2)：146-151.

[6] Li Y,Zhao H.Analysis of Tumble and Swirl Motion in Four-Valve SI Engine[C].SAE Paper 2001-01-3555.

[編輯: 李建新]

CFD Calculation and Analysis of Three-blade Throttle Intake System

NI Ji-min, LI Fei-hong, GU Shi-fan, SHI Xiu-yong

(School of Automotive Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

For a new three-blade throttle, the boundary conditions of 3D CFD calculation for intake manifold under engine steady state conditions were acquired through the engine bench test, 12 typical operating points with different speeds and loads were selected, the network models of intake manifold with single-blade and three-blade throttle were built and the CFD calculation and flow analysis were conducted. The results show that the intake swirl intensity of the three-blade throttle is greater than that of the single-blade throttle and the trend becomes more obvious with the increase of throttle opening in medium and high load, but it shows opposite trend in low speed and low load.

throttle； three-blade; CFD; flow field; intake system

2014-04-28;

2014-09-03

倪計民(1963—)，男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向為發(fā)動機節(jié)能與排放控制；njmwjyx@hotmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.06.006

TK421.44

B

1001-2222(2014)06-0028-05