溫舉林 張昱亮

【摘要】進(jìn)氣道是發(fā)動(dòng)機(jī)的要緊的組成部件，其構(gòu)造數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)和安裝方法不但影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣作用和每個(gè)缸的進(jìn)氣勻稱，而且影響到油耗和排放，和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和噪聲同樣的影響。運(yùn)用流體學(xué)理論和氣體動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)進(jìn)氣道預(yù)設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)氣道的構(gòu)造方式改善，獲得有關(guān)外接管、共振箱和進(jìn)氣管等最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。

【關(guān)鍵詞】進(jìn)氣道 流體學(xué) 優(yōu)化

1.引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程比較復(fù)雜，其中燃油供給和空氣供給所需要的混合比，是影響汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況的直接因素，它影響汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放性，其中還牽涉到燃油噴射、氣缸燃燒、壁面?zhèn)鳠帷⒛Σ料暮突瘜W(xué)反應(yīng)等多過程，用實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)然后根據(jù)累積經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)修改得到優(yōu)化的方法，周期長(zhǎng)，也有一定局限性，而且所得結(jié)果特征的是宏觀特性。由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)中獲得使用，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作過程的數(shù)值仿真成為探究者時(shí)常用的手段。設(shè)計(jì)人員通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的仿真模型，可以在研究時(shí)，結(jié)合多中因素進(jìn)行解析，通過模型的仿真計(jì)算結(jié)果分析，確定所設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)、燃油噴射和燃燒室等多方因素尋求最優(yōu)匹配，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，對(duì)原機(jī)型進(jìn)行改善、設(shè)計(jì)方案、性能問題診斷等方面，用發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程仿真模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)，可以更好的降低所需費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率，加快研發(fā)進(jìn)度，從而推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)更快更好地發(fā)展。

2 進(jìn)氣道設(shè)計(jì)的方法

內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣氣流的狀態(tài)研究，主要集中在兩個(gè)方向：一是重復(fù)模擬計(jì)算，從而引入進(jìn)氣、增壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)和抬高內(nèi)燃機(jī)的綜合性能;二是使用壓力曲線的流動(dòng)特征開發(fā)和建立新的裝配和體系，增進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，最明顯的例子，是研究出使用壓力運(yùn)輸能量的沖擊得增壓系統(tǒng)、調(diào)理增壓系統(tǒng)并且將排氣壓力曲線能量快速傳輸新鮮氣體的氣波增壓裝配。

利用進(jìn)氣道穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)與和CFD 仿真計(jì)算相結(jié)合的方式，得出進(jìn)氣道布局對(duì)流量系數(shù)的影響因素。對(duì)于現(xiàn)在的研究應(yīng)用水準(zhǔn)，直接套用大型流體計(jì)算軟件將不能徹底的做完實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣道的設(shè)計(jì)。運(yùn)用 CFD多維數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法，成為了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道研究的主流。

3? 進(jìn)氣道流動(dòng)的研究方法

進(jìn)氣道和排氣道是發(fā)動(dòng)機(jī)要緊的組成部件，缸內(nèi)氣體的流動(dòng)情況和氣道設(shè)計(jì)是否合適，會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性能和工作合理性。由于各個(gè)研究的提高和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的不斷加強(qiáng)，人們更加需要知道進(jìn)氣道里氣體流動(dòng)的準(zhǔn)確狀態(tài)，很多研究方式由此發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)氣體流動(dòng)有了更開闊的發(fā)展。

內(nèi)燃機(jī)氣道的氣體流動(dòng)的設(shè)計(jì)方方式分為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬設(shè)計(jì)兩大類。氣道里的氣體狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式主要有熱線風(fēng)速測(cè)儀法、激光多普勒測(cè)速法、熱線探針法和氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)法?，F(xiàn)在使用氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)研究和活動(dòng)特征的宏觀測(cè)量方式在全世界的研究和企業(yè)單位都得到了普遍的運(yùn)用。試驗(yàn)研究方法有丈量容易、花費(fèi)低和適合于大量檢驗(yàn)等特征，為氣道活動(dòng)數(shù)據(jù)模擬給了邊界條件和驗(yàn)證方法。

4.CFD軟件介紹

CFD 是流體力學(xué)的研究方式，它增進(jìn)了理論剖析方式和試驗(yàn)研究的提高。一方面是真正問題的需要促進(jìn)了 CFD 的進(jìn)步，另一方面是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使 CFD 成為一門單獨(dú)的學(xué)科。計(jì)算流體力學(xué)是一個(gè)復(fù)雜的學(xué)科，聯(lián)系到了流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、科學(xué)可視化等多種學(xué)科。CFD又促進(jìn)了這些學(xué)科。CFD 在發(fā)動(dòng)機(jī)里的使用重要的是缸內(nèi)氣體活動(dòng)、噴霧燃燒、排放物預(yù)測(cè)等方面的性能剖析和氣道、冷卻水套、廢氣渦輪增壓器葉輪和蝸殼、消聲器、NOX催化器等部件的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。CFD 不單用于一些物理問題的機(jī)理，而且經(jīng)常用于研究新的物理現(xiàn)象。在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)內(nèi)存的加多和計(jì)算速度的提升而擴(kuò)大，同時(shí)解決流體力學(xué)問題的深度和范圍也在不斷擴(kuò)大。

5.利用CFD軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

進(jìn)氣道構(gòu)造是影響進(jìn)氣在缸內(nèi)渦流強(qiáng)度的主要因素， 其包含氣道內(nèi)角、外角、仰角及喉口截面形狀等。汽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是把氣門座圈進(jìn)行多次倒角，原來的造型中氣門座圈只進(jìn)行了一次45°的倒角，優(yōu)化設(shè)計(jì)將座圈的倒角改為三次，分別在之前倒角產(chǎn)生的兩個(gè)角進(jìn)行再次倒角。這樣氣門座圈相對(duì)來說更加平緩。下面的表格一為優(yōu)化前后各個(gè)氣門升程流量系數(shù)的對(duì)比情況。

6.結(jié)論

可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后流量系數(shù)隨氣門升程的變化趨勢(shì)是大體一致的，但是每個(gè)氣門升程的流量系數(shù)都是優(yōu)化后的明顯高于優(yōu)化之前。這也證明了氣門座圈處的設(shè)計(jì)對(duì)于流體在缸內(nèi)的流動(dòng)及流量系數(shù)有較大影響，所以，在加工允許的情況下，應(yīng)盡量保證氣門座圈處的倒角平滑提高汽油機(jī)進(jìn)氣流量系數(shù)。

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