高朋博，朱泓澄，單鴻煊，林 玲

（常熟理工學院 汽車工程學院，江蘇 常熟 21550）

1 引言

通過提高進氣缸的空氣量和改善氣缸內混合氣體的流動與燃燒可以有效提高發(fā)動機動力性［1］. 進入氣缸內的空氣量由進排氣系統(tǒng)的結構尺寸決定. 進排氣系統(tǒng)在加裝限流閥以后，其結構對發(fā)動機動力性能有著更顯著的影響. 因此，對進排氣系統(tǒng)結構優(yōu)化設計的研究對于提高發(fā)動機性能有著重要的意義.

目前，國內外學者對與發(fā)動機進排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設計一般通過實驗和數(shù)值模擬兩種方法. 其中，相較于傳統(tǒng)的實驗方法，軟件模擬快捷方便且成本低，更適用于FSC的優(yōu)化及設計. 代文慶［2］通過對可變進氣歧管在賽車上的優(yōu)化設計來提高發(fā)動機在各轉速下的最佳性能. 柳威［3］等人通過賽車限流閥的優(yōu)化仿真來提高發(fā)動機在限制進氣量下的充氣效率研究. 譚正平等人［4］通過對進氣系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化來提升發(fā)動機的動力性. 洪漢池等人［5］通過對發(fā)動機諧振進氣的研究來提升發(fā)動機進氣的可持續(xù)性. 彭才望等人［6-8］對FSAE發(fā)動機進氣性能的研究使賽車發(fā)動機獲得了更強的動力輸出.

本文以CBR600發(fā)動機為研究對象，通過加裝20 mm限流閥，分析了不同進氣結構參數(shù)對發(fā)動機動力輸出的影響；研究了不同限流閥角度尺寸對進氣流量的影響；對比了各類型進氣歧管設計對發(fā)動機各缸進氣均勻性的影響；探討了不同回路排氣類型對排氣動力損失以及噪聲的影響.

2 模型建立

中間進氣是四缸機使用率最高的進氣方式. 相較于側面進氣，中間進氣可以更好地實現(xiàn)四缸均勻進氣. 因此，CIT5.0采用中間進氣方式，并在此進氣方式的基礎上對進氣歧管進行了結構優(yōu)化，從而更好地實現(xiàn)各缸的進氣均勻性以提高發(fā)動機的充氣效率. 進氣歧管與進氣總管呈130°，這樣可以使進氣系統(tǒng)全部處于車架的保護之中，增加了賽車的安全性，又可以為節(jié)氣門體和空氣濾清器的布置保留足夠的空間. 確定的進氣模型如圖1所示.

3 網格劃分及邊界條件

將進氣系統(tǒng)數(shù)模圖以stp格式保存，導入Fluent，進行非結構化網格劃分. 分別設立一個進氣口和4個出氣口，內流場內的區(qū)域四面體網格類型，因為進氣系統(tǒng)結構比較復雜，并且需要對穩(wěn)壓腔以及進氣歧管內氣體流動進行分析，所以對這一部分網格進行加密，以此提高網格質量，增加仿真的可靠性. 為了獲取更好的網格質量，進氣口面網格大小設置為0.02 mm，出氣口網格設置為0.02 mm.確保網格總質量大于0.01的最低標準，然后對網格進行下一步操作. 進氣系統(tǒng)網格劃分如圖2所示.

圖1 進氣模型

圖2 進氣系統(tǒng)網格劃分

圖3 13°上錐角

4 結果分析

4.1 進氣總管的流體分析

4.1.1 限流閥上錐角流體分析

20 mm限流閥對發(fā)動機功率和扭矩的限制是巨大的，但是通過合理的設計限流閥的上下口錐角，可以將限流閥的影響減至最小.限流閥上錐口連接節(jié)氣門體，氣流通過節(jié)氣門，在限流閥處突然收縮，合理設計的限流閥前錐角能起到組織氣流的作用，從而減少進氣口的紊流，降低進氣過程中的空氣阻力，增加空氣流量. 因此限流閥上錐口的設計很重要，通過實際使用情況初步選定上錐角為17°，再將錐角進行上下微調分析，取13°、15°、17°時限流閥入口端的質量流量對比分析，如圖3、4、5所示.

分析結果顯示限流閥上錐角取17°時，限流閥入口質量流量為1.449 2 kg/s；錐角取13°時，限流閥入口質量流量為1.410 3 kg/s；錐角取15°時，限流閥入口質量流量為1.512 2 kg/s. 所以限流閥上錐角最優(yōu)角度為15°.

4.1.2 限流閥下錐角流體分析

圖4 15°上錐角

圖5 17°上錐角

空氣在通過限流閥的收縮之后流速變快，所以限流閥在整個進氣系統(tǒng)中是流速最快的部位. 依據(jù)伯努利定律，限流閥也是進氣系統(tǒng)中壓力最低的部分. 限流閥下錐口將高流速空氣的流速逐漸減小，并且氣流壓力逐漸恢復，引導氣流逐漸平順地進入穩(wěn)壓腔體，將氣流均勻地分布在穩(wěn)壓腔中，并使氣流在進入穩(wěn)壓腔入口時有足夠的流速，使出口端的質量流量達到最大. 通過實際使用情況初步選定下錐角為7°. 再將錐角進行上下微調分析，取7°、5°、9°時限流閥出口端即穩(wěn)壓腔入口處的質量流量對比分析，如圖6、7、8所示.

分析結果顯示當下錐角為5°時，出口質量流量為0.750 1 kg/s；限流閥下錐角為9°時，出口質量流量為0.693 3 kg/s；限流閥下錐角為7°時，出口質量流量為0.773 2 kg/s，所以限流閥下錐角最佳角度為7°.

圖6 5°錐角

圖7 7°錐角

4.2 穩(wěn)壓腔與進氣歧管的流場優(yōu)化

穩(wěn)壓腔在整個進氣系統(tǒng)中起到了整合氣流的作用.穩(wěn)壓腔入口連接著限流閥導流出口，下端連接進氣歧管，氣體從空氣濾清器中流入，通過限流閥，進入穩(wěn)壓腔，在進氣歧管分流后，進入發(fā)動機各缸. 所以穩(wěn)壓腔的設計直接影響到進氣的分流. 但如果穩(wěn)壓腔過大，在進氣過程中有一定的延時，影響到油門的響應；穩(wěn)壓腔過小，進氣系統(tǒng)中氣體儲存量過少，又會影響進氣的容積效率. 因此穩(wěn)壓腔的容積設計要合理. 根據(jù)發(fā)動機的實際使用情況，我們選用發(fā)動機排量的5倍，也就是3 L的穩(wěn)壓腔容積. 穩(wěn)壓腔內空氣的運動主要與穩(wěn)壓腔的形狀有很大的關系，可以通過調節(jié)穩(wěn)壓腔的形狀來調節(jié)穩(wěn)壓腔內部的氣流. 在穩(wěn)壓腔的設計中，通過限流閥出口端與穩(wěn)壓腔接合的形狀來控制氣流在穩(wěn)壓腔中的擴散. 根據(jù)實際使用經驗，將穩(wěn)壓腔設計為圓柱與橢球體相結合的形狀，可以避免因為有棱角而在穩(wěn)壓腔內部產生紊流，并且可以均勻穩(wěn)壓腔內部的氣流. 在這里針對進氣道擴散器的形狀做出兩種穩(wěn)壓腔內部設計方案：一是采用高速擴散的進氣道方案，增加進氣流量；二是采用逐步擴散的進氣道方案來調節(jié)進氣的均勻性. 根據(jù)兩套方案做出三維模型，然后用Fluent軟件進行流體分析，分析結果如圖9所示.

通過圖9分析結果可知，雖然進氣道高速擴散器可以相對增加進氣量，但是逐步擴散的進氣道更有利于發(fā)動機的進氣均勻，平衡各缸動力輸出. 因此選用逐步擴散為進氣道的設計方案.

圖8 9°錐角

4.3 進氣歧管縮放口優(yōu)化

進氣歧管是進氣氣流分流的起始點. 進氣歧管的設計是否合理直接影響到各缸進氣的均勻性. 如果某缸進氣量相對其他缸進氣量過少，可以通過調節(jié)進氣歧管的縮放口的結構尺寸以及高度進行進氣補償.在進氣系統(tǒng)的初始模型中，每根進氣歧管的結構尺寸以及高度均相同. 進氣縮放口采用30-14-20的縮放設計來增加進氣量，可以將進氣流量提升至最大（如圖10所示）.

進氣歧管設計完成后，還需對進氣歧管縮放口進行進氣的補償優(yōu)化. 氣流在經過穩(wěn)壓腔進入進氣歧管分流時，由于從進氣道進來的氣流的慣性作用，2-3缸的進氣量必然要比1-4缸的進氣量更多. 針對這種情況，采用不等長進氣歧管來平衡各缸進氣壓力. 通過降低2-3缸進氣歧管的高度，使進氣穩(wěn)壓腔的氣流更早接觸1-4缸的進氣歧管，以達到對1-4缸的進氣量補償. 如圖11所示，2-3缸的進氣喇叭口入口比1-4缸入口低10 mm，用來平衡1-4缸的進氣流量.

在針對進氣歧管進行結構上的優(yōu)化之后，還需對優(yōu)化設計的結果進行流體分析，以此來達到仿真驗證的目的. 分析結果如圖12所示.

經過Fluent優(yōu)化分析后，可以看出，不等長進氣歧管的優(yōu)化設計對于進氣系統(tǒng)有著明顯的改善，已經達到進氣系統(tǒng)設計的最初目的. 最后根據(jù)所設計的進氣系統(tǒng)做出實物，如圖13所示.

9 進氣道方案流體分析對比

5 結論

本文以CBR600發(fā)動機為研究對象，通過CATIA建立了進氣歧管三維模型；采用FLUENT對進氣歧管內部流場進行了數(shù)值仿真并對其進行了優(yōu)化設計；分析了不同長度和結構的進氣歧管對發(fā)動機動力性的影響. 結果表明：限流閥上錐角為15°時入口質量流量最大，下錐角為7°時出口質量流量最大. 進氣歧管縮放口的設計可以使發(fā)動機有最大的進氣量，而不等長進氣歧管的補償設計可以使發(fā)動機各缸有一個更均勻的動力輸出. 計算結果為進氣歧管設計提供了理論依據(jù).

圖10 進氣喇叭口設計

圖11 不等長進氣歧管優(yōu)化

圖12 進氣歧管縮放口流場分析

圖13 進氣成品