基于数值模拟的LJ465Q发动机进气道结构优化*

李春青　姜峰　文代志（.广西科技大学，柳州545006；.柳州五菱柳机动力有限公司，柳州545005）



基于数值模拟的LJ465Q发动机进气道结构优化*

李春青1姜峰1文代志2
（1.广西科技大学，柳州545006；2.柳州五菱柳机动力有限公司，柳州545005）

【摘要】以LJ465Q汽油机进气道为研究对象，利用UG软件对该进气道进行实体建模，通过气道稳流试验对模拟计算提供边界条件。利用AVL-FIRE软件进行进气道-进气门-气缸流动的稳流三维数值模拟计算，研究在不同气门升程下不同进气门倒角对缸内流场的影响。结果表明，在不同气门升程下进气门倒角为30°时较之气门倒角为20°、45°、60°时的流量系数呈现最优值，即该角度可作为改善该机进气道流量系数的最佳方案。

1　前言

进气道作为发动机进气系统的重要组成部分，其结构直接影响进入气缸内的空气量、气体速度分布及其湍流状况等，而这些因素直接影响发动机的燃烧过程，从而改变发动机经济性、动力性和排放性能［1］。因此，进行发动机进气道内气体流动特性分析，对了解和研究发动机工作性能是至关重要的。

传统进气道研发采用经验设计和稳流试验相结合的方法，研制周期长且较难得到理想方案，已不能适应现代高性能发动机研制工作的需要［2～4］。应用CFD技术进行进气道的模拟计算，不仅能够提供试验研究所不能提供的详尽信息，且花费小、周期短、适用性强，能够在短时间内进行广泛的变参数研究［5、6］。在发动机产品开发阶段，应用CFD技术能准确找出进气道结构不合理的部位并进行改进优化。本文采用发动机CFD计算软件AVL-Fire对LJ465Q汽油机进气道不同进气门升程下气体流动特性进行计算分析，研究不同气门升程下缸内气流速度特性。

2　进气道稳流试验

2.1试验过程

以柳州五菱柳机动力有限公司制造的LJ465Q汽油机为研究对象，在美国Super Flow生产的SF1020SB型气道试验台上进行试验。LJ465Q发动机主要参数如表1所列。

表1　发动机主要参数

试验台工作原理为鼓风机吸气，使气道进气口与稳压箱之间产生压差，大气中的空气由进气道流入，经模拟气缸、孔板流量计、稳压箱等排到大气中；适用于气缸直径小于130 mm、气缸总数少于6的发动机。试验台的流量试验精度为±0.5%，压差精度为±0.05 kPa。

2.2试验结果

对试验数据进行整理如表2所列。

表2　试验数据

3　模型建立与网格划分

3.1模型建立

首先采用逆向工程，利用三坐标扫描仪扫描进气道砂芯模型，获取其点云图，然后导入UG软件中进行缝合等处理，最终得到进气道实体模型。进气道砂芯模型如图1所示。

图1　进气道砂芯模型

将获得的进气道模型导入UG软件中，正向建立进气道—气门—缸内系统完整CAD模型，进而得到不同气门升程下的计算模型。完整的CAD计算模型如图2所示。

图2　CAD计算模型

3.2网格生成

利用AVL-FIRE软件中FAME自动网格生成技术，对2 mm、4 mm、6 mm、8 mm 4种升程下计算模型进行网格划分。为了保证模拟计算精度，对气门座、气门以及气门喉口处进行网格加密处理。FAME对气道部分的处理采用六面体与四面体混合网格，而气道前部的稳压箱与气缸所用网格为六面体网格。图3为6 mm气门升程下网格生成图。

图3　6mm气门升程下网格生成图

4　计算理论与结果分析

由于主要对进气道内流场进行模拟分析，不考虑流体与外界热交换，其流体动力学特性可采用质量守恒方程和动量守恒方程描述［1］。

湍流的模拟在主流区域采用双方程湍流模型，近壁区域采用标准壁面方程进行处理。

4.1初始边界条件

a.进、出口采用压力边界条件，为便于进行试验验证，取与气道稳流试验相一致的初始条件，即进口截面处总压为1.013×105Pa，环境温度为25℃，通过稳流试验确定进、出口压差为2 500 Pa。

b.所有壁面均采用固壁绝热边界。

4.2不同气门升程下涡流场结果分析

图4为不同气门升程下气缸横切面的速度分布。

由图4可知，气缸内有两个较大的涡流，且涡流的旋转方向相反。其形成原因为气流从进气道进入气缸时，受到缸壁约束，产生相反作用力使气流向反方向运动；随着气门升程不断增大，两个涡流逐渐向气缸中心移动，从线的密集程度来看，两个涡流的线比小气门升程时密集，说明涡流强度变大；随着气门升程继续增大，气门升程的影响相对减小，气流的流通面积变大，进气阻力变小，动能损失减少，使气缸内进气量增加，气门节流效应减少，使进气速度变快，缸壁产生的作用力增大，从而使涡流强度增大。涡流强度的增大使油气混合更加充分，从而改善燃烧过程，提高发动机的性能。

图4　不同气门升程下横切面速度分布

4.3不同气门升程下速度场结果分析

图5为不同气门升程下速度等值线图。由图5可知，随着气门升程逐渐增大，整个气缸内平均进气速度也在逐渐变大。其原因是在气门升程较大时，进气相对容易些，进气量增加，气体快速进入缸内，气体相互作用减小，从而气体的平均进气速度在逐渐增加。其次，速度等值线值最大的地方均在气门口附近，说明在气门口附近的速度值最大。这是由于在气门口附近结构的改变，使流体截面变小，进气压力相对增加，使气体流速加快，当气体进入气缸后，压力减小，气体流速随之变慢。由于受到气门处节流效应的影响，在气门升程较小时气流速度相对较低。因此，在较小气门升程下，需考虑降低节流效应以增大流量系数，从而提高发动机的性能。

图5　不同气门升程下速度等值线

4.4计算值与试验值对比

表3和表4分别为流量系数和涡流比的试验值与计算值结果对比。

表3　流量系数试验值与计算值对比

表4　涡流比试验值与计算值对比

由表3和表4可知，流量系数和涡流比相对误差均在10%以内，可见试验值与计算值结果比较吻合，能够作为气道改进的重要参考依据。

5　进气道改进

5.1气门倒角改进

通过对进气道流场分布分析可知，气门口附近流场非常复杂，在气门升程较小时，流通截面小、进气阻力增加等因素使得进气流量系数减小，流速不均匀。因此，考虑对气门和气门座改进，使两者之间走气部分从几何空间形状上更趋于流线型。对原气门倒角（45°）进行改进，将其角度重新设定为20°、30°、60°，并比较3种倒角与原倒角的流量系数变化。

5.2气门倒角对流量系数影响

表5为气门倒角改进前、后流量系数对比结果。

表5　气门倒角改进前、后流量系数对比

由表5可知，气门倒角改进前、后流量系数变化趋势一致，即均随着气门升程增大，流量系数也增大。当气门升程较小时，气门倒角变化对流量系数的影响比较大；当气门升程较大时，气门倒角改变对流量系数的影响不明显。气门倒角为20°、30°时，流量系数随着气门升程增大而增大且均高于气门倒角为45°时的流量系数，而气门倒角为60°时小于气门倒角为45°时的流量系数。这是由于在气门内径不变的前提下，气门倒角变小，相当于气门口附近气流流通截面积变大，进气流通阻力变小，进入气缸内气体质量增加，从而使流量系数增加。特别是当气门升程较小时，进气量较小，较小的进气量变化容易使流量系数产生较大变化；当气门升程较大时，进气增加量对流量系数变化的影响则不显著。

由表5还可知，气门倒角30°的流量系数大于气门倒角20°的流量系数，这说明气门倒角并非越小越好，在一定范围内减小气门倒角有利于提高流量系数，超出一定范围反而影响进气质量，使流量系数降低。因此，确定气门倒角30°为最佳改进方案。

6　结束语

a.流量系数和涡流比试验值与计算值结果吻合较好，随着气门升程增大，流量系数和涡流比随之增大；

b.不同气门升程下气缸横切面形成两个旋转方向相反且向气缸中心移动的涡流，两个涡流的线随着气门升程增大而逐渐密集；随着气门升程增大，气缸内平均进气速度也变大；

c.提出不同气门倒角改进方案，改进前、后气门倒角流量系数变化趋于一致，都随着气门升程增大，流量系数增大；

d.选取气门倒角30°为改善流量系数的最佳方案。

参考文献

1王福军.计算流体力学分析.北京：清华大学出版社，2007.

2王恩浩.基于结构参数的柴油机进气道优化设计：［学位论文］.济南：山东大学，2013.

3徐鹏.发动机进气道数值模拟与优化设计：［学位论文］.太原：中北大学，2014.

4曹暑林，黄荣华.四气门柴油机进气道的三维实体造型及流场数值模拟.内燃机工程，2004，25（6）：38～43.

5韩运动.16V240ZJB型柴油机进气道的CFD计算分析：［学位论文］.大连：大连交通大学，2010.

6杨敏官，袁春元，王春林.YSD475型柴油机螺旋进气道改进设计与试验.农业机械学报，2003，34（4）：32～34.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年1月19日。

主题词：汽油机进气门倒角缸内流场数值模拟

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

中图分类号：U464.134.4

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）05-0011-04

*基金项目：广西自然科学基金项目（2013GXNSFAA019317）；广西高校科学技术研究项目（KY2015YB168）；广西重点实验室建设项目（14-A-01-04）；广西重点实验室开放基金项目（2014KFMS02）。

通讯作者：姜峰，讲师，E-mail：18277202672@163.com