高朋博，朱泓澄，單鴻煊，林 玲

（常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 常熟 21550）

1 引言

通過提高進(jìn)氣缸的空氣量和改善氣缸內(nèi)混合氣體的流動(dòng)與燃燒可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性［1］. 進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量由進(jìn)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸決定. 進(jìn)排氣系統(tǒng)在加裝限流閥以后，其結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能有著更顯著的影響. 因此，對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著重要的意義.

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)一般通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法. 其中，相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，軟件模擬快捷方便且成本低，更適用于FSC的優(yōu)化及設(shè)計(jì). 代文慶［2］通過對(duì)可變進(jìn)氣歧管在賽車上的優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的最佳性能. 柳威［3］等人通過賽車限流閥的優(yōu)化仿真來提高發(fā)動(dòng)機(jī)在限制進(jìn)氣量下的充氣效率研究. 譚正平等人［4］通過對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化來提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性. 洪漢池等人［5］通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)諧振進(jìn)氣的研究來提升發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的可持續(xù)性. 彭才望等人［6-8］對(duì)FSAE發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能的研究使賽車發(fā)動(dòng)機(jī)獲得了更強(qiáng)的動(dòng)力輸出.

本文以CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，通過加裝20 mm限流閥，分析了不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的影響；研究了不同限流閥角度尺寸對(duì)進(jìn)氣流量的影響；對(duì)比了各類型進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣均勻性的影響；探討了不同回路排氣類型對(duì)排氣動(dòng)力損失以及噪聲的影響.

2 模型建立

中間進(jìn)氣是四缸機(jī)使用率最高的進(jìn)氣方式. 相較于側(cè)面進(jìn)氣，中間進(jìn)氣可以更好地實(shí)現(xiàn)四缸均勻進(jìn)氣. 因此，CIT5.0采用中間進(jìn)氣方式，并在此進(jìn)氣方式的基礎(chǔ)上對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而更好地實(shí)現(xiàn)各缸的進(jìn)氣均勻性以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率. 進(jìn)氣歧管與進(jìn)氣總管呈130°，這樣可以使進(jìn)氣系統(tǒng)全部處于車架的保護(hù)之中，增加了賽車的安全性，又可以為節(jié)氣門體和空氣濾清器的布置保留足夠的空間. 確定的進(jìn)氣模型如圖1所示.

3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

將進(jìn)氣系統(tǒng)數(shù)模圖以stp格式保存，導(dǎo)入Fluent，進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分. 分別設(shè)立一個(gè)進(jìn)氣口和4個(gè)出氣口，內(nèi)流場內(nèi)的區(qū)域四面體網(wǎng)格類型，因?yàn)檫M(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且需要對(duì)穩(wěn)壓腔以及進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體流動(dòng)進(jìn)行分析，所以對(duì)這一部分網(wǎng)格進(jìn)行加密，以此提高網(wǎng)格質(zhì)量，增加仿真的可靠性. 為了獲取更好的網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)氣口面網(wǎng)格大小設(shè)置為0.02 mm，出氣口網(wǎng)格設(shè)置為0.02 mm.確保網(wǎng)格總質(zhì)量大于0.01的最低標(biāo)準(zhǔn)，然后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行下一步操作. 進(jìn)氣系統(tǒng)網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖1 進(jìn)氣模型

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

圖3 13°上錐角

4 結(jié)果分析

4.1 進(jìn)氣總管的流體分析

4.1.1 限流閥上錐角流體分析

20 mm限流閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的限制是巨大的，但是通過合理的設(shè)計(jì)限流閥的上下口錐角，可以將限流閥的影響減至最小.限流閥上錐口連接節(jié)氣門體，氣流通過節(jié)氣門，在限流閥處突然收縮，合理設(shè)計(jì)的限流閥前錐角能起到組織氣流的作用，從而減少進(jìn)氣口的紊流，降低進(jìn)氣過程中的空氣阻力，增加空氣流量. 因此限流閥上錐口的設(shè)計(jì)很重要，通過實(shí)際使用情況初步選定上錐角為17°，再將錐角進(jìn)行上下微調(diào)分析，取13°、15°、17°時(shí)限流閥入口端的質(zhì)量流量對(duì)比分析，如圖3、4、5所示.

分析結(jié)果顯示限流閥上錐角取17°時(shí)，限流閥入口質(zhì)量流量為1.449 2 kg/s；錐角取13°時(shí)，限流閥入口質(zhì)量流量為1.410 3 kg/s；錐角取15°時(shí)，限流閥入口質(zhì)量流量為1.512 2 kg/s. 所以限流閥上錐角最優(yōu)角度為15°.

4.1.2 限流閥下錐角流體分析

圖4 15°上錐角

圖5 17°上錐角

空氣在通過限流閥的收縮之后流速變快，所以限流閥在整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中是流速最快的部位. 依據(jù)伯努利定律，限流閥也是進(jìn)氣系統(tǒng)中壓力最低的部分. 限流閥下錐口將高流速空氣的流速逐漸減小，并且氣流壓力逐漸恢復(fù)，引導(dǎo)氣流逐漸平順地進(jìn)入穩(wěn)壓腔體，將氣流均勻地分布在穩(wěn)壓腔中，并使氣流在進(jìn)入穩(wěn)壓腔入口時(shí)有足夠的流速，使出口端的質(zhì)量流量達(dá)到最大. 通過實(shí)際使用情況初步選定下錐角為7°. 再將錐角進(jìn)行上下微調(diào)分析，取7°、5°、9°時(shí)限流閥出口端即穩(wěn)壓腔入口處的質(zhì)量流量對(duì)比分析，如圖6、7、8所示.

分析結(jié)果顯示當(dāng)下錐角為5°時(shí)，出口質(zhì)量流量為0.750 1 kg/s；限流閥下錐角為9°時(shí)，出口質(zhì)量流量為0.693 3 kg/s；限流閥下錐角為7°時(shí)，出口質(zhì)量流量為0.773 2 kg/s，所以限流閥下錐角最佳角度為7°.

圖6 5°錐角

圖7 7°錐角

4.2 穩(wěn)壓腔與進(jìn)氣歧管的流場優(yōu)化

穩(wěn)壓腔在整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中起到了整合氣流的作用.穩(wěn)壓腔入口連接著限流閥導(dǎo)流出口，下端連接進(jìn)氣歧管，氣體從空氣濾清器中流入，通過限流閥，進(jìn)入穩(wěn)壓腔，在進(jìn)氣歧管分流后，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)各缸. 所以穩(wěn)壓腔的設(shè)計(jì)直接影響到進(jìn)氣的分流. 但如果穩(wěn)壓腔過大，在進(jìn)氣過程中有一定的延時(shí)，影響到油門的響應(yīng)；穩(wěn)壓腔過小，進(jìn)氣系統(tǒng)中氣體儲(chǔ)存量過少，又會(huì)影響進(jìn)氣的容積效率. 因此穩(wěn)壓腔的容積設(shè)計(jì)要合理. 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用情況，我們選用發(fā)動(dòng)機(jī)排量的5倍，也就是3 L的穩(wěn)壓腔容積. 穩(wěn)壓腔內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)主要與穩(wěn)壓腔的形狀有很大的關(guān)系，可以通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓腔的形狀來調(diào)節(jié)穩(wěn)壓腔內(nèi)部的氣流. 在穩(wěn)壓腔的設(shè)計(jì)中，通過限流閥出口端與穩(wěn)壓腔接合的形狀來控制氣流在穩(wěn)壓腔中的擴(kuò)散. 根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，將穩(wěn)壓腔設(shè)計(jì)為圓柱與橢球體相結(jié)合的形狀，可以避免因?yàn)橛欣饨嵌诜€(wěn)壓腔內(nèi)部產(chǎn)生紊流，并且可以均勻穩(wěn)壓腔內(nèi)部的氣流. 在這里針對(duì)進(jìn)氣道擴(kuò)散器的形狀做出兩種穩(wěn)壓腔內(nèi)部設(shè)計(jì)方案：一是采用高速擴(kuò)散的進(jìn)氣道方案，增加進(jìn)氣流量；二是采用逐步擴(kuò)散的進(jìn)氣道方案來調(diào)節(jié)進(jìn)氣的均勻性. 根據(jù)兩套方案做出三維模型，然后用Fluent軟件進(jìn)行流體分析，分析結(jié)果如圖9所示.

通過圖9分析結(jié)果可知，雖然進(jìn)氣道高速擴(kuò)散器可以相對(duì)增加進(jìn)氣量，但是逐步擴(kuò)散的進(jìn)氣道更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣均勻，平衡各缸動(dòng)力輸出. 因此選用逐步擴(kuò)散為進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)方案.

圖8 9°錐角

4.3 進(jìn)氣歧管縮放口優(yōu)化

進(jìn)氣歧管是進(jìn)氣氣流分流的起始點(diǎn). 進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)是否合理直接影響到各缸進(jìn)氣的均勻性. 如果某缸進(jìn)氣量相對(duì)其他缸進(jìn)氣量過少，可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣歧管的縮放口的結(jié)構(gòu)尺寸以及高度進(jìn)行進(jìn)氣補(bǔ)償.在進(jìn)氣系統(tǒng)的初始模型中，每根進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)尺寸以及高度均相同. 進(jìn)氣縮放口采用30-14-20的縮放設(shè)計(jì)來增加進(jìn)氣量，可以將進(jìn)氣流量提升至最大（如圖10所示）.

進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)完成后，還需對(duì)進(jìn)氣歧管縮放口進(jìn)行進(jìn)氣的補(bǔ)償優(yōu)化. 氣流在經(jīng)過穩(wěn)壓腔進(jìn)入進(jìn)氣歧管分流時(shí)，由于從進(jìn)氣道進(jìn)來的氣流的慣性作用，2-3缸的進(jìn)氣量必然要比1-4缸的進(jìn)氣量更多. 針對(duì)這種情況，采用不等長進(jìn)氣歧管來平衡各缸進(jìn)氣壓力. 通過降低2-3缸進(jìn)氣歧管的高度，使進(jìn)氣穩(wěn)壓腔的氣流更早接觸1-4缸的進(jìn)氣歧管，以達(dá)到對(duì)1-4缸的進(jìn)氣量補(bǔ)償. 如圖11所示，2-3缸的進(jìn)氣喇叭口入口比1-4缸入口低10 mm，用來平衡1-4缸的進(jìn)氣流量.

在針對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化之后，還需對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行流體分析，以此來達(dá)到仿真驗(yàn)證的目的. 分析結(jié)果如圖12所示.

經(jīng)過Fluent優(yōu)化分析后，可以看出，不等長進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)有著明顯的改善，已經(jīng)達(dá)到進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最初目的. 最后根據(jù)所設(shè)計(jì)的進(jìn)氣系統(tǒng)做出實(shí)物，如圖13所示.

9 進(jìn)氣道方案流體分析對(duì)比

5 結(jié)論

本文以CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，通過CATIA建立了進(jìn)氣歧管三維模型；采用FLUENT對(duì)進(jìn)氣歧管內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值仿真并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析了不同長度和結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣歧管對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響. 結(jié)果表明：限流閥上錐角為15°時(shí)入口質(zhì)量流量最大，下錐角為7°時(shí)出口質(zhì)量流量最大. 進(jìn)氣歧管縮放口的設(shè)計(jì)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)有最大的進(jìn)氣量，而不等長進(jìn)氣歧管的補(bǔ)償設(shè)計(jì)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)各缸有一個(gè)更均勻的動(dòng)力輸出. 計(jì)算結(jié)果為進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).

圖10 進(jìn)氣喇叭口設(shè)計(jì)

圖11 不等長進(jìn)氣歧管優(yōu)化

圖12 進(jìn)氣歧管縮放口流場分析

圖13 進(jìn)氣成品