内燃机进气道的优化设计.doc

关于内燃机进气道的优化设计分析 热工101班 周维顺 1001100135摘要：发动机进气道系统的气体流动特性复杂，影响发动机的充气效率和换气损失，对发动机的动力性和经济性有重要的影响。以AVLFIRE软件为平台，进而利用CFD技术进行三维稳态CFD分析和优化，研究发动机内的进气道内的气体流动状况是目前的研究热点。采用合适的湍流模型和计算方法对发动机气道内的三维流场进行数值模拟，得到了不同气门升程下详细的流场信息。通过流场分析，找到了进气道不合理的部位，提出了进气道改进优化措施，并再次进行了数值模拟计算，并进行优化前后的对比，达到内燃机的优化效果。关键词：内燃机进气道 AVLFIRE CFD 优化措施 仿真（1）我们为什么要对内燃机的气道进行优化这是一个值得深思熟虑的问题。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的空气量、气体的速度分布及其湍流状况等，这些因素都直接关系到发动机的燃烧过程，从而影响发动机的经济性、动力性和排放性。因此，对发动机进气道内气体的流动特性进行分析对了解和研究发动机的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实验相结合的方法，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。在现代发动机的研发中，进气道的设计和进气道一气门一燃烧室的匹配变得十分重要。为获得良好的混合物质量和高燃烧率，新鲜充量的运动需要合适的宏观和微观结构：宏观结构包括缸内大尺度充气运动，如涡流和滚流；微观结构通常用湍流强度、湍流积分尺度和湍流时间尺度来度量，它们决定了火焰的传播速度。因此由进气过程产生、在进气门关闭时刻建立的缸内流场结构对着火燃烧前燃烧室内的流场结构具有重要影响，并影响后续的燃烧过程。在发动机产品的开发阶段，应用CFD能准确找出气道结构不合理的部位，进行改进优化。能够有效缩短设计周期，降低设计成本。所以对内燃机的进气道进行优化是很重要的。（2）然而内燃机进气道的优化具体涉及到哪些尺寸发动机迸气道的设计涉及到如气流压缩的多个不同的气流折转角。这些变量对设计目标总压恢复系数、进气道阻力、进气道升压比都有直接的影响。同时进气道的设计又考虑到进气道的尺寸以及转折角的约束限制和气道横截面，气门升程等，实际上进气道的设计是一个多目标约束优化问题。我们知道增大气门座直径，以便于增加进气道的流通能力，提高高转速下的充量系数；优化进气道的形状，以消除流动分离。就比如说进气道内管道分为扩张段、双s弯拐折段、等直截面段、收敛段等在管道各段, 其轴线的形状、管道沿轴线的截面积分布以及截面形状, 各不相同。又如说某种螺旋气道主要结构参数包括：底坡角、螺旋坡角、主螺旋坡角、副螺旋坡角、涡流室高度、气门锥角等等都可以进行优化。（3） 仿真的过程及计算的一些大概的边界条件 气道CFD可以计算气道内三维流动，分析流动特性生成，将三维气道几何模型输入流动计算软件FIRE，可以建立气道内气体流动的数学模型，并进行计算，流动计算精度可以达到很高。故内燃机进气道三维仿真模型的建立，首先得进行网格的划分：先画出简单的CAD模型，在FIRE中生成的网格并对气门附近得网格做了相应的细化，保证了计算结果的可靠性，并对相应的仿真参数进行设定。为了与气道稳流试验结果进行准确对比，并保证计算的收敛性，在AVL FIRE软件中设定与进气道稳流试验相一致的边界条件（概述总结）：1） 进口边界采用总压，其值为环境大气压，进气道压差取N值；2）根据上述压差值设置出口静压，同时为了避免进口和出口的总质量流量在计算时发生太大的振荡，初始压力必须近似等于出口压力边界条件的压力；3）固定壁面边界选择绝热无滑移，采用标准壁面函数对边界层进行处理；4）不考虑气缸套与流体之间的热交换；5）设计收敛准则时收敛精度，当各方程迭代残差均小于收敛精度时，认为计算收敛，设定最大迭代循环数，计算结果以流量系数和滚流比值趋于判断收敛。（4）进气道仿真结果分析及计算分析仿真结果分析：总结了一下仿真的结果可以知道，在气门升程大于某N值时，仿真值与实验值很接近；当气门升程为某M值时，仿真值偏小，而且可以发现随着气门升程的减小，仿真值减小的速率要快于实验值减小的速率。造成可能有一下原因：当气门升程变小时，在气门座处局部流场梯度加大，湍流度增加，使得同样网格数下的仿真误差增大；二是气道边界处的阻滞的影响，实验中所用管道的管壁是均匀光滑的，而仿真所用的模型在边界处的网格大小不均匀，因此阻力也是不均匀的，这可能会增大沿程阻力系数，增加流动损失，而在气门升程较小时，这样的损失所占的比重增大，所以会出现仿真值减小的速率要快于实验值减小的速率的现象；三是稳流吹风实验本身存在误差，当气门升程较小时，由于气流流通截面太小，流量很小，实验时水柱的读数很小，不易读准，因此其测量误差在气门升程较小时显得尤为明显；四是由于模型是根据截面图绘制出来的，难免会存在形状上的误差。计算分析：根据三维数值模拟计算的结果对进气道流场进行分析，找出气道结构中需要改进的部位，从而对气道结构进行改进。(1)流量系数和平均流量系数的试验值与计算值的结果吻合较好，采用数值模拟的方法有益于克服传统设计中的盲目性与局限性，为进气道的改进设计提供了高效实用的手段。(2)气门附近的气流运动十分复杂，气门的存在更是加剧了阀座附近气流运动的复杂程度。气门附近速度较低的区域即为回流区域，缸壁附近的涡流表现得更为明显，随着气体向气缸出口流动，缸内气体运动越来越趋于均匀。如果气门升程最大时进气道流量增加了，结果表明进气道改进方案是成功的。 （5）一些AVL评价进气道优化设计好坏的方法及前提评价进气道设计好坏主要通过进气道流通能力及其产生涡流(或滚流)的能力来确定。为了能够比较不同形状和尺寸气道的流动特性，一般用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力，用无量纲涡流比评价不同气门升程下气道形成涡流的能力。使用三维数值模拟计算方法对进气道的流动特性进行评估，可以采用与稳流试验类似的方法来获得这些参数，这时需要对当前流动计算模型进行些处理。而AVL评价方法主要是获取滚流比等参数来对气道性能进行评价。使用此种方法的前提：1)假设试验时所用的流体是绝热、不可压缩的，不可压缩性主要体现在流体的速度不超过一定的马赫数；2)发动机内产生的滚流、涡流等流动特征是由于几何外形等因素强迫产生的；3)在试验中，气缸内流体的轴向分速度是平均值；4)缸内涡流、滚流的尺度比较大，壁面足够光滑，表面摩擦力不会改变缸内的转动角动量；5)缸内的容积效率可以达到100 ；6)气缸内流体质量流量的变化率取决于由于活塞运动而产生的缸内容积的变化率；7)气门只在进气门打开期间流入缸内。（6）知道了AVL的评价方法与仿真过程以及计算的边界条件，那么各优化措施优化后的各效果怎样比如说对气门升程的优化设计时，在优化后相对比与原始气门升程，其进气流量系数均随着气门升程的增加而不断增加，这就说明随着气门升程的增大，缸盖进气道的进气性能随之增加，并且在高升程下，进气道的气体流动性能逐渐接近，进气一致性较好。那么所设计发动机进气道在不同气门升程下的进气效率较好，流量系数高，流通阻力小。气门设计合理，与进气道结构匹配，能获得良好的进气充量，缸内滚流运动明显，设计合理。 对气道横截面进行优化设计时，在圈定的区域内，低速区明显减小，流速在该区域的出口处有明显增加；在相同的气门升程下，进气马赫数有所提高，流量也有所增加；从仿真结果可以看出，气门升程较小时改进的效果更明显，这可能是因为在进气门前，不同气门升程下流动区域的改变量是相同的，而在气门升程较小时，该改变量占整个流动区域的比重更大。 进气道进行优化后进气流量系数提高后，缸内的进气量也有所提高，为了保证柴油机空燃比不变，使增加的空气量和燃油充分燃烧，将燃油量从M值提高到N值，计算的空燃比几乎不变。改进气道流通性能已很好，进气道内部局部阻力点很少，其流量系数达到了X值；（7）结论（1）AVL FIRE可以较为准确的形成一个直观的进气道内部流场，通过对流场的分析，可以得出流场的改进办法，为内燃机的进气道优化提供一个新的途径。在气门升程较大时，利用数值仿真所得到的进气道原型的流量与实验值有良好的一致性，以该模型为参照对进气道进行优化，优化的结果具有一定的可信度。（2）进气门及气门座附近的流动对整个气道流场的影响最大，气道的优化应该以气门附近区域的形状优化为主，这样对整个汽缸盖的布置影响最小。缩小气门杆后部的气流停滞区就很符合要求，它不但提高了进气道的流量，对汽缸盖的布置及气门的影响也很小。（3）进气道的流量增加后，内燃机内的进气流量也有所提高。在保证空燃比不变的前提下，加大燃油量可以提高柴油机的有效功率和指示平均有效压力，改进内燃机的性能。（4）气流量系数提高后，缸内的进气量也有所提高，进气流通性能将得到很好的改善。（5）气门升程的是否设计合理影响到内燃机进气道的进气效率。参考文献：（1）贾金鑫，李全通，高星伟，申景生 基于多目标优化算法的发动机进气道设计，第28卷第4期2 0 1 1年4月；（2） 李明海，王磊，崔洪江 基于数值模拟的螺旋进气道结构优化，2009年6月，第6期(总第424期)（3） 李敬 李天 武哲 进气道外形参数的多层次、多目标优化（4） 刘志恩，蒋炎坤，陈国华，张鸿领，陈红涛 CFD辅助发动机进气道设计方法研究，第27卷第6期，2