竇 昊，何云信，謝文尚，陳 暉

(廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004)

進氣系統(tǒng)是內(nèi)燃機五大系統(tǒng)中供給系的重要組成部分，氣體在進氣系統(tǒng)的流動，在很大程度上影響了內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性和排放性，它對油氣混合、滯燃期、著火、燃燒、火焰?zhèn)鞑?、排放物生成、傳熱以及對汽油機的爆震和循環(huán)變動等，都有著重要的影響，內(nèi)燃機氣體流動具有重要的意義。匹配優(yōu)良的進氣系統(tǒng)，能以最小的泵氣功來最大限度地提高進氣終了時留在發(fā)動機氣缸內(nèi)充量的純度和密度[1]。本文針對LJ276QE汽油機電噴化后的進氣管，對其進氣管流場進行分析，以及優(yōu)化改進設計，以提高其發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性等性能。

表1 LJ276Q E型發(fā)動機主要參數(shù)

1 LJ276QE原進氣管的建模分析

LJ276QE汽油機整機、進氣管三維模型如圖1所示。

圖1 LJ276QE進氣管三維模型

LJ276型汽油機是傳統(tǒng)的化油器式發(fā)動機，原進氣管是傳統(tǒng)的“Y”型進氣管，LJ276QE是LJ276的電噴化機型，采用進氣管多點電噴方式取代化油器供油。發(fā)動機在電噴化后，多個相關(guān)參數(shù)發(fā)生改變，原進氣系統(tǒng)不能滿足電噴化后得進氣需要，需要重新設計進氣管，以提高進氣效率，并便于安裝噴油器。

通過逆向工程技術(shù)，使用非接觸式三維測量設備掃描LJ276汽油機進氣管的鑄造沙芯，然后利用UG軟件構(gòu)造和編輯曲線和曲面，完成進氣管氣道的三維實體建模[2](如圖2所示)。

圖2 原機氣管氣道的三維實體模型

2 進氣管的改進設計計算

新設計的進氣管，需考慮到氣體動力增壓效應和噴油器安裝等問題。考慮到氣體增壓效應，設計計算進氣總管直徑和長度，穩(wěn)壓腔容積，進氣歧管直徑和長度[3]。

2.1 利用波動效應確定管長和管徑[4]

其中，

L——進氣歧管長度；

q——波動效應系數(shù)3/2，5/2，7/2，9/2…

n——發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

以標定功率和最大扭矩點為基點，計算出來管長為多值，并結(jié)合的汽油機的實際尺寸，選擇發(fā)動機進氣管長度為0.440m，這個距離包括了進氣道的長度，故設計發(fā)動機諧振進氣管長度

利用慣性效應確定進氣管管徑

其中，

準t——慣性系數(shù)；

D——缸徑；

S——沖程；

d——進氣管管徑；計算得d=44.34(mm)

2.2 諧振腔容積的確定

諧振腔容積要設計得合適，不能過大，也不能過小。一方面，如果過大，腔內(nèi)壓力波動程度下降，諧振效果減弱，穩(wěn)壓效果增強，諧振進氣得效果從而會大大降低；另一方面，若容積過小，則不能滿足發(fā)動機高速時對進氣量的需要。大多數(shù)文獻設定的諧振腔容積一般為發(fā)動機排量的0.55倍左右[5]。LJ276QE汽油機的排量為0.644 L，故設計其進氣管穩(wěn)壓腔容積為0.354L左右，結(jié)構(gòu)為完全矩形腔，為穩(wěn)壓腔中間進氣結(jié)構(gòu)。

3 CFD仿真模型的建立

根據(jù)計算所得參數(shù)，使用三維軟件UG建立新的進氣管氣道模型(如圖3所示)。

圖3 改進氣管氣道的三維實體模型

圖4 改進氣管氣道模型網(wǎng)格劃分

將此模型導入Fluent軟件自帶的前處理軟件Gambit，劃分網(wǎng)格，原進氣管氣道模型網(wǎng)格數(shù)136 433，新進氣管氣道網(wǎng)格數(shù)163 649；以安裝原進氣管的充氣效率曲線(如圖5所示)。根據(jù)關(guān)系式

計算出進氣管入口出的速度作為各個轉(zhuǎn)速下的入口邊界條件，出口邊界均設定為自由出流，湍流模型為標準K-ε模型，耦合能量方程，設定壁面溫度293 K，計算結(jié)果如下所述。

由圖6、圖7可知，進氣管出口處的速度和湍動能均有了很大的提高，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，速度和湍動能的提升量也呈增大的趨勢，速度的增量都在50%以上；由圖7可知，原進氣管出口處湍動能變化不大，新進氣管出口湍動能的增量有了極大的提高。速度和湍動能有了很大的提高，主要原因是在設計時減小了進氣管支管直徑。由流體力學中伯努利方程可知，當進氣歧管的管徑減小，流量不變的情況下，進氣歧管速度會升高。速度升高，湍動能也會隨之升高。進氣速度和湍動能的提高，必然可以提高發(fā)動機進氣量和進氣能量。

圖5 原進氣管的充氣效率曲線

圖6 兩種進氣管速度曲線比較

圖7 兩種進氣管進氣湍動能比較

4 結(jié)束語

綜上所述，我們可以得出下列結(jié)論：

(1)發(fā)動機的進氣管結(jié)構(gòu)尺寸，對發(fā)動機的性能有很大的影響；

(2)利用進氣管中的諧振效應，匹配優(yōu)良的進氣總管、穩(wěn)壓腔、進氣歧管，可以提高發(fā)動機進氣速度和湍動能；

(3)FLUENT計算結(jié)果表明，CFD可以較為準確的預測發(fā)動機進氣管流場，可以輔助設計發(fā)動機進氣管正向設計的有效手段。

[1]W.J.D.安南德，G.E.羅埃.內(nèi)燃機中的氣體流動[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981.

[2]劉志恩，蔣炎坤.CFD輔助發(fā)動機進氣道設計方法研究[J].內(nèi)燃機工程，2006，12(6)：6-7.

[3]蔣炎坤.CFD輔助發(fā)動機工程的理論與應用[M].北京：科學出版社，2004.

[4]靳紅玲.469Q汽油機進氣系統(tǒng)流場特性及優(yōu)化設計[D].太原：太原理工大學，2007.

[5]劉 宇.基于GT-POWER的汽油機仿真及優(yōu)化設計[D].吉林：吉林大學，2006.