竇 昊,何云信,謝文尚,陳 暉
(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣西南寧530004)
進(jìn)氣系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)五大系統(tǒng)中供給系的重要組成部分,氣體在進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng),在很大程度上影響了內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性,它對(duì)油氣混合、滯燃期、著火、燃燒、火焰?zhèn)鞑?、排放物生成、傳熱以及?duì)汽油機(jī)的爆震和循環(huán)變動(dòng)等,都有著重要的影響,內(nèi)燃機(jī)氣體流動(dòng)具有重要的意義。匹配優(yōu)良的進(jìn)氣系統(tǒng),能以最小的泵氣功來最大限度地提高進(jìn)氣終了時(shí)留在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)充量的純度和密度[1]。本文針對(duì)LJ276QE汽油機(jī)電噴化后的進(jìn)氣管,對(duì)其進(jìn)氣管流場(chǎng)進(jìn)行分析,以及優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì),以提高其發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能。
表1 LJ276Q E型發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)
LJ276QE汽油機(jī)整機(jī)、進(jìn)氣管三維模型如圖1所示。
圖1 LJ276QE進(jìn)氣管三維模型
LJ276型汽油機(jī)是傳統(tǒng)的化油器式發(fā)動(dòng)機(jī),原進(jìn)氣管是傳統(tǒng)的“Y”型進(jìn)氣管,LJ276QE是LJ276的電噴化機(jī)型,采用進(jìn)氣管多點(diǎn)電噴方式取代化油器供油。發(fā)動(dòng)機(jī)在電噴化后,多個(gè)相關(guān)參數(shù)發(fā)生改變,原進(jìn)氣系統(tǒng)不能滿足電噴化后得進(jìn)氣需要,需要重新設(shè)計(jì)進(jìn)氣管,以提高進(jìn)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(cè)量設(shè)備掃描LJ276汽油機(jī)進(jìn)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(jìn)氣管氣道的三維實(shí)體建模[2](如圖2所示)。
圖2 原機(jī)氣管氣道的三維實(shí)體模型
新設(shè)計(jì)的進(jìn)氣管,需考慮到氣體動(dòng)力增壓效應(yīng)和噴油器安裝等問題??紤]到氣體增壓效應(yīng),設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)氣總管直徑和長(zhǎng)度,穩(wěn)壓腔容積,進(jìn)氣歧管直徑和長(zhǎng)度[3]。
其中,
L——進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度;
q——波動(dòng)效應(yīng)系數(shù)3/2,5/2,7/2,9/2…
n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
以標(biāo)定功率和最大扭矩點(diǎn)為基點(diǎn),計(jì)算出來管長(zhǎng)為多值,并結(jié)合的汽油機(jī)的實(shí)際尺寸,選擇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管長(zhǎng)度為0.440m,這個(gè)距離包括了進(jìn)氣道的長(zhǎng)度,故設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)諧振進(jìn)氣管長(zhǎng)度
利用慣性效應(yīng)確定進(jìn)氣管管徑
其中,
準(zhǔn)t——慣性系數(shù);
D——缸徑;
S——沖程;
d——進(jìn)氣管管徑;計(jì)算得d=44.34(mm)
諧振腔容積要設(shè)計(jì)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(dòng)程度下降,諧振效果減弱,穩(wěn)壓效果增強(qiáng),諧振進(jìn)氣得效果從而會(huì)大大降低;另一方面,若容積過小,則不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)對(duì)進(jìn)氣量的需要。大多數(shù)文獻(xiàn)設(shè)定的諧振腔容積一般為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的0.55倍左右[5]。LJ276QE汽油機(jī)的排量為0.644 L,故設(shè)計(jì)其進(jìn)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(jìn)氣結(jié)構(gòu)。
根據(jù)計(jì)算所得參數(shù),使用三維軟件UG建立新的進(jìn)氣管氣道模型(如圖3所示)。
圖3 改進(jìn)氣管氣道的三維實(shí)體模型
圖4 改進(jìn)氣管氣道模型網(wǎng)格劃分
將此模型導(dǎo)入Fluent軟件自帶的前處理軟件Gambit,劃分網(wǎng)格,原進(jìn)氣管氣道模型網(wǎng)格數(shù)136 433,新進(jìn)氣管氣道網(wǎng)格數(shù)163 649;以安裝原進(jìn)氣管的充氣效率曲線(如圖5所示)。根據(jù)關(guān)系式
計(jì)算出進(jìn)氣管入口出的速度作為各個(gè)轉(zhuǎn)速下的入口邊界條件,出口邊界均設(shè)定為自由出流,湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型,耦合能量方程,設(shè)定壁面溫度293 K,計(jì)算結(jié)果如下所述。
由圖6、圖7可知,進(jìn)氣管出口處的速度和湍動(dòng)能均有了很大的提高,且隨著轉(zhuǎn)速的升高,速度和湍動(dòng)能的提升量也呈增大的趨勢(shì),速度的增量都在50%以上;由圖7可知,原進(jìn)氣管出口處湍動(dòng)能變化不大,新進(jìn)氣管出口湍動(dòng)能的增量有了極大的提高。速度和湍動(dòng)能有了很大的提高,主要原因是在設(shè)計(jì)時(shí)減小了進(jìn)氣管支管直徑。由流體力學(xué)中伯努利方程可知,當(dāng)進(jìn)氣歧管的管徑減小,流量不變的情況下,進(jìn)氣歧管速度會(huì)升高。速度升高,湍動(dòng)能也會(huì)隨之升高。進(jìn)氣速度和湍動(dòng)能的提高,必然可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量和進(jìn)氣能量。
圖5 原進(jìn)氣管的充氣效率曲線
圖6 兩種進(jìn)氣管速度曲線比較
圖7 兩種進(jìn)氣管進(jìn)氣湍動(dòng)能比較
綜上所述,我們可以得出下列結(jié)論:
(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)尺寸,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有很大的影響;
(2)利用進(jìn)氣管中的諧振效應(yīng),匹配優(yōu)良的進(jìn)氣總管、穩(wěn)壓腔、進(jìn)氣歧管,可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣速度和湍動(dòng)能;
(3)FLUENT計(jì)算結(jié)果表明,CFD可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管流場(chǎng),可以輔助設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管正向設(shè)計(jì)的有效手段。
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