浅谈节能赛车发动机进气道优化方法

张潇扬，任洪娟，孙裴，周梓桐，李超，朱祉彧，毛翼华

（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620）

在内燃机中，进气道结构对缸内气体的流动与燃烧过程具有关键作用，通过影响缸内气体速度分布、进气量和湍动能，进而影响发动机燃油经济性与动力性。然而，节能赛车对于经济型与动力性又有着更高的要求，需要在这两者之间找到一个更加精确的平衡点。因此，进气道结构的优化对于提升节能赛车的成绩有着至关重要的作用。对于汽油机来说，进气道分为两种，直气道和切向气道，描述两种进气道性能的参数皆为流量系数和滚流比。

由于进气道结构复杂，传统实验法通过不断改变实际进气道内部结构并通过试验得到较高的流量系数，较低的滚流阻力和适当强度的进气涡流。为了减少实验工作，我们通过硅胶翻模和3D 扫描技术将得到的点云通过UG 建立进气道模型，并通过Fluent 对进气道结构进行性能检验，对缺陷部分进行模型改进并通过仿真分析进行性能预测。分析不同气门升程下，缸内气体速度、压力和湍流强度变化。

1 进气道结构模型建立（图1）

硅胶倒模、3D 扫描、UG 逆向建模。

进气道-气门-气缸。

2 控制方程

利用Fluent 对发动机进气道与缸内气体流场包括：气体质量、动量、能量守恒及状态方程。本身发动机进气过程为可压缩三维非定常流并伴随有摩擦与发热现象。为了简化分析过程，我们采用时均方程加湍流模型k-ε 方程的方法。

图1 进气道三维模型

2.1 质量守恒方程

2.2 动量守恒方程

2.3 能量守恒方程

2.4 选用k-ε 湍流方程

对于模型有很高的计算精度，能达到预期效果。

3 边界条件设定

采用固定壁面边界，假定为绝热的，无滑移，边界层采用标准壁面函数，壁面温度边界设为定温293.15K。选择初始化模式为有势场。进出口边界取压力差3kPa，即进口为标准大气压，总压设为100kPa；出口取静压97kPa。气道内气体的流动是三维可压缩黏性流动，气流成分取标准空气。压力为98kPa，密度为31.164 81kg/m，我们选择中心差分法对流动方程进行离散求解。

4 进气速度计算

且Lsinβ=Rsinα

所以sinβ=Rsinα/L=λsinα （R/L=λ）

所 以cosβ= √(1-sin2β)= √（1-λ2sin2α）≈1-(1/2)λ2sin2α

（ 因(1/4)λ4sin4α几乎为零，可带入√(1-λ2sin2α)内，分解为√(1-(1/2)λ2sin2α)2）

且sin2α=(1-cosα)/2

所以cosβ=(1/4)λ2(1-cos2α)

所以有滑块运行距离：

滑块的速度V 为

进气速度：

V’=ωR(S 缸/S 进)（比例约为2.8）

表1 发动机部分参数

表2 不同转速下对应的进气速度

5 模型处理与网格划分

先通过硅胶倒模导出进气道内腔模型，通过3D 扫描得到进气道结构，通过UG 建立进气道模型对气门处过于复杂的结构进行适当简化，通过四边形网格与六边形网格对进气道实体模型进行划分，并对不同部分进行自动网格化建立。

由不通气门升程下，缸内速度矢量分布图可以看出气门座内侧（下口处），出现了明显的压力集中现象，在气道转弯处缸壁下方出现压降现象，气门处也出现压降现象，这是由于气道在转弯处过渡不平顺，气流流经此处时速度产生分离，局部形成涡流状态引起的阻力损失。在气门处速度很大，气流流通面积小,产生压降速度最快。

6 进气道结构的优化

在保证进气道截面积不变的情况下，对进气道喉口下侧部位进行优化，稍微缩小，减小下侧的进气量，同时将进气道部分曲面优化更加平滑，增加结构的平顺性。

7 数据处理

为了比较不同几何参数的进气道的性能，本文用无量纲流量系数评价不同气门升程下进气道流通性能的好坏，用无量纲滚流比评价不同气门升程下气道形成滚流的能力，并采用avl 评价方法。

流量系数：在发动机进气道数值模拟计算中，无量纲流量系数Cf 表示通过气道的实际流量与理论流量之比。

对Cf 按照AVL 标准气门升程曲线进行积分计算，求得积分后的流量系数称为平均流量系数Cfm：

式中：cactual为活塞实际运动速度，m/s；caverage为活塞平均运动速度，m/s。

滚流比：在数值模拟计算中，假定缸内流场平均轴向速度等于活塞平均速度，则滚流比TR 为

对TR 按照AVL 标准气门升程曲线进行积分计算，称为平均滚流比TRfm

图2 滚流比

由图可知，适当减小喉口下侧进气量，增大进气角，使得流量系数右下幅度的增加；流量比在气门升程处于4 ～6mm 区间中大幅度提高。

8 结语

（1）通过减小进气门座下侧的进气量，增大进气角度，增大进气门上下侧进气量差，提高滚流比。（2）通过增加气门座处的平顺性，来减少进气阻力，获得更高的流量系数。