李春青　姜峰　文代志（.廣西科技大學(xué)，柳州545006；.柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，柳州545005）

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基于數(shù)值模擬的LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

李春青1姜峰1文代志2
（1.廣西科技大學(xué)，柳州545006；2.柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，柳州545005）

【摘要】以LJ465Q汽油機(jī)進(jìn)氣道為研究對(duì)象，利用UG軟件對(duì)該進(jìn)氣道進(jìn)行實(shí)體建模，通過(guò)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)對(duì)模擬計(jì)算提供邊界條件。利用AVL-FIRE軟件進(jìn)行進(jìn)氣道-進(jìn)氣門-氣缸流動(dòng)的穩(wěn)流三維數(shù)值模擬計(jì)算，研究在不同氣門升程下不同進(jìn)氣門倒角對(duì)缸內(nèi)流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，在不同氣門升程下進(jìn)氣門倒角為30°時(shí)較之氣門倒角為20°、45°、60°時(shí)的流量系數(shù)呈現(xiàn)最優(yōu)值，即該角度可作為改善該機(jī)進(jìn)氣道流量系數(shù)的最佳方案。

1　前言

進(jìn)氣道作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)直接影響進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量、氣體速度分布及其湍流狀況等，而這些因素直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能［1］。因此，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)氣體流動(dòng)特性分析，對(duì)了解和研究發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能是至關(guān)重要的。

傳統(tǒng)進(jìn)氣道研發(fā)采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和穩(wěn)流試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研制周期長(zhǎng)且較難得到理想方案，已不能適應(yīng)現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作的需要［2～4］。應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行進(jìn)氣道的模擬計(jì)算，不僅能夠提供試驗(yàn)研究所不能提供的詳盡信息，且花費(fèi)小、周期短、適用性強(qiáng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行廣泛的變參數(shù)研究［5、6］。在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，應(yīng)用CFD技術(shù)能準(zhǔn)確找出進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)不合理的部位并進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。本文采用發(fā)動(dòng)機(jī)CFD計(jì)算軟件AVL-Fire對(duì)LJ465Q汽油機(jī)進(jìn)氣道不同進(jìn)氣門升程下氣體流動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算分析，研究不同氣門升程下缸內(nèi)氣流速度特性。

2　進(jìn)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)過(guò)程

以柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司制造的LJ465Q汽油機(jī)為研究對(duì)象，在美國(guó)Super Flow生產(chǎn)的SF1020SB型氣道試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所列。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)工作原理為鼓風(fēng)機(jī)吸氣，使氣道進(jìn)氣口與穩(wěn)壓箱之間產(chǎn)生壓差，大氣中的空氣由進(jìn)氣道流入，經(jīng)模擬氣缸、孔板流量計(jì)、穩(wěn)壓箱等排到大氣中；適用于氣缸直徑小于130 mm、氣缸總數(shù)少于6的發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)臺(tái)的流量試驗(yàn)精度為±0.5%，壓差精度為±0.05 kPa。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理如表2所列。

表2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3　模型建立與網(wǎng)格劃分

3.1模型建立

首先采用逆向工程，利用三坐標(biāo)掃描儀掃描進(jìn)氣道砂芯模型，獲取其點(diǎn)云圖，然后導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中進(jìn)行縫合等處理，最終得到進(jìn)氣道實(shí)體模型。進(jìn)氣道砂芯模型如圖1所示。

圖1　進(jìn)氣道砂芯模型

將獲得的進(jìn)氣道模型導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中，正向建立進(jìn)氣道—?dú)忾T—缸內(nèi)系統(tǒng)完整CAD模型，進(jìn)而得到不同氣門升程下的計(jì)算模型。完整的CAD計(jì)算模型如圖2所示。

圖2　CAD計(jì)算模型

3.2網(wǎng)格生成

利用AVL-FIRE軟件中FAME自動(dòng)網(wǎng)格生成技術(shù)，對(duì)2 mm、4 mm、6 mm、8 mm 4種升程下計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證模擬計(jì)算精度，對(duì)氣門座、氣門以及氣門喉口處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。FAME對(duì)氣道部分的處理采用六面體與四面體混合網(wǎng)格，而氣道前部的穩(wěn)壓箱與氣缸所用網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格。圖3為6 mm氣門升程下網(wǎng)格生成圖。

圖3　6mm氣門升程下網(wǎng)格生成圖

4　計(jì)算理論與結(jié)果分析

由于主要對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，不考慮流體與外界熱交換，其流體動(dòng)力學(xué)特性可采用質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程描述［1］。

湍流的模擬在主流區(qū)域采用雙方程湍流模型，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程進(jìn)行處理。

4.1初始邊界條件

a.進(jìn)、出口采用壓力邊界條件，為便于進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，取與氣道穩(wěn)流試驗(yàn)相一致的初始條件，即進(jìn)口截面處總壓為1.013×105Pa，環(huán)境溫度為25℃，通過(guò)穩(wěn)流試驗(yàn)確定進(jìn)、出口壓差為2 500 Pa。

b.所有壁面均采用固壁絕熱邊界。

4.2不同氣門升程下渦流場(chǎng)結(jié)果分析

圖4為不同氣門升程下氣缸橫切面的速度分布。

由圖4可知，氣缸內(nèi)有兩個(gè)較大的渦流，且渦流的旋轉(zhuǎn)方向相反。其形成原因?yàn)闅饬鲝倪M(jìn)氣道進(jìn)入氣缸時(shí)，受到缸壁約束，產(chǎn)生相反作用力使氣流向反方向運(yùn)動(dòng)；隨著氣門升程不斷增大，兩個(gè)渦流逐漸向氣缸中心移動(dòng)，從線的密集程度來(lái)看，兩個(gè)渦流的線比小氣門升程時(shí)密集，說(shuō)明渦流強(qiáng)度變大；隨著氣門升程繼續(xù)增大，氣門升程的影響相對(duì)減小，氣流的流通面積變大，進(jìn)氣阻力變小，動(dòng)能損失減少，使氣缸內(nèi)進(jìn)氣量增加，氣門節(jié)流效應(yīng)減少，使進(jìn)氣速度變快，缸壁產(chǎn)生的作用力增大，從而使渦流強(qiáng)度增大。渦流強(qiáng)度的增大使油氣混合更加充分，從而改善燃燒過(guò)程，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

圖4　不同氣門升程下橫切面速度分布

4.3不同氣門升程下速度場(chǎng)結(jié)果分析

圖5為不同氣門升程下速度等值線圖。由圖5可知，隨著氣門升程逐漸增大，整個(gè)氣缸內(nèi)平均進(jìn)氣速度也在逐漸變大。其原因是在氣門升程較大時(shí)，進(jìn)氣相對(duì)容易些，進(jìn)氣量增加，氣體快速進(jìn)入缸內(nèi)，氣體相互作用減小，從而氣體的平均進(jìn)氣速度在逐漸增加。其次，速度等值線值最大的地方均在氣門口附近，說(shuō)明在氣門口附近的速度值最大。這是由于在氣門口附近結(jié)構(gòu)的改變，使流體截面變小，進(jìn)氣壓力相對(duì)增加，使氣體流速加快，當(dāng)氣體進(jìn)入氣缸后，壓力減小，氣體流速隨之變慢。由于受到氣門處節(jié)流效應(yīng)的影響，在氣門升程較小時(shí)氣流速度相對(duì)較低。因此，在較小氣門升程下，需考慮降低節(jié)流效應(yīng)以增大流量系數(shù)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

圖5　不同氣門升程下速度等值線

4.4計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

表3和表4分別為流量系數(shù)和渦流比的試驗(yàn)值與計(jì)算值結(jié)果對(duì)比。

表3　流量系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

表4　渦流比試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

由表3和表4可知，流量系數(shù)和渦流比相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，可見(jiàn)試驗(yàn)值與計(jì)算值結(jié)果比較吻合，能夠作為氣道改進(jìn)的重要參考依據(jù)。

5　進(jìn)氣道改進(jìn)

5.1氣門倒角改進(jìn)

通過(guò)對(duì)進(jìn)氣道流場(chǎng)分布分析可知，氣門口附近流場(chǎng)非常復(fù)雜，在氣門升程較小時(shí)，流通截面小、進(jìn)氣阻力增加等因素使得進(jìn)氣流量系數(shù)減小，流速不均勻。因此，考慮對(duì)氣門和氣門座改進(jìn)，使兩者之間走氣部分從幾何空間形狀上更趨于流線型。對(duì)原氣門倒角（45°）進(jìn)行改進(jìn)，將其角度重新設(shè)定為20°、30°、60°，并比較3種倒角與原倒角的流量系數(shù)變化。

5.2氣門倒角對(duì)流量系數(shù)影響

表5為氣門倒角改進(jìn)前、后流量系數(shù)對(duì)比結(jié)果。

表5　氣門倒角改進(jìn)前、后流量系數(shù)對(duì)比

由表5可知，氣門倒角改進(jìn)前、后流量系數(shù)變化趨勢(shì)一致，即均隨著氣門升程增大，流量系數(shù)也增大。當(dāng)氣門升程較小時(shí)，氣門倒角變化對(duì)流量系數(shù)的影響比較大；當(dāng)氣門升程較大時(shí)，氣門倒角改變對(duì)流量系數(shù)的影響不明顯。氣門倒角為20°、30°時(shí)，流量系數(shù)隨著氣門升程增大而增大且均高于氣門倒角為45°時(shí)的流量系數(shù)，而氣門倒角為60°時(shí)小于氣門倒角為45°時(shí)的流量系數(shù)。這是由于在氣門內(nèi)徑不變的前提下，氣門倒角變小，相當(dāng)于氣門口附近氣流流通截面積變大，進(jìn)氣流通阻力變小，進(jìn)入氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量增加，從而使流量系數(shù)增加。特別是當(dāng)氣門升程較小時(shí)，進(jìn)氣量較小，較小的進(jìn)氣量變化容易使流量系數(shù)產(chǎn)生較大變化；當(dāng)氣門升程較大時(shí)，進(jìn)氣增加量對(duì)流量系數(shù)變化的影響則不顯著。

由表5還可知，氣門倒角30°的流量系數(shù)大于氣門倒角20°的流量系數(shù)，這說(shuō)明氣門倒角并非越小越好，在一定范圍內(nèi)減小氣門倒角有利于提高流量系數(shù)，超出一定范圍反而影響進(jìn)氣質(zhì)量，使流量系數(shù)降低。因此，確定氣門倒角30°為最佳改進(jìn)方案。

6　結(jié)束語(yǔ)

a.流量系數(shù)和渦流比試驗(yàn)值與計(jì)算值結(jié)果吻合較好，隨著氣門升程增大，流量系數(shù)和渦流比隨之增大；

b.不同氣門升程下氣缸橫切面形成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反且向氣缸中心移動(dòng)的渦流，兩個(gè)渦流的線隨著氣門升程增大而逐漸密集；隨著氣門升程增大，氣缸內(nèi)平均進(jìn)氣速度也變大；

c.提出不同氣門倒角改進(jìn)方案，改進(jìn)前、后氣門倒角流量系數(shù)變化趨于一致，都隨著氣門升程增大，流量系數(shù)增大；

d.選取氣門倒角30°為改善流量系數(shù)的最佳方案。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年1月19日。

主題詞：汽油機(jī)進(jìn)氣門倒角缸內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

Optimization of Intake Port of LJ465Q Engine Based on Numerical Simulation

Li Chunqing1，Jiang Feng1，Wen Daizhi2
（1.Guangxi University of Science and Technology，Liu Zhou 545006；2.Liuzhou Wuling Liuji Power Co.，Ltd.，Liuzhou 545005）

【Abstract】In this paper，we take the intake port of LJ465Q engine as research object，and use UG software to establish the solid model of intake port，and carry out the steady flow test to provide the boundary conditions for the simulation.Numerical simulations of the steady flow of port-valve-cylinder system are carried out by software AVL-FIRE to study the effects of the variable inlet cone angle under the variable valve lift on cylinder flow performances.The results show that the inlet cone angle 30°has the optimal flow coefficient under the variable valve lift compared with the angles of 20°，45°and 60°，therefore the inlet cone angle 30°could be used as the optimal way to improve flow coefficient of intake port.

Key words:Gasoline engine，Inlet cone，Cylinder flow field，Numerical simulation

中圖分類號(hào)：U464.134.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）05-0011-04

*基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013GXNSFAA019317）；廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KY2015YB168）；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（14-A-01-04）；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（2014KFMS02）。

通訊作者：姜峰，講師，E-mail：18277202672@163.com