DLH1110柴油机螺旋进气道的优化

第45卷第4期 船海工程V d.45 No.4 2016 年 8 月SHIP&OCEAN ENGINEERING Aug.2016DOI：10. 3963/j.issn.1671-7953. 2016. 04. 023DLH1110柴油机螺旋进气道的优化贺玉海1,王旭冉1,杨恒发2,卓建煜3(1.武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063; 2.广东德力柴油机有限公司，广东佛山528305;3.中国船级社船舶建造检验处，上海200135)摘要:为降低DLH1110柴油机进气流动阻力，增大缸内进气量，提出螺旋进气道设计修改方案，采用 AVL- Flr e对原气道方案和设计修改的螺旋进气道方案进行稳态数值模拟，得到气道和缸内详细的流场速度 分布信息及不同方案的Ricardo平均流量系数和R1Card o平均涡流比，气道稳流试验结果表明，不同方案进气 道稳流仿真计算数据对比可信;进气道螺旋曲面优化后可提高Ricardo平均流量系数。

关键词:柴油机;螺旋进气道;数值模拟;流量系数;涡流比中图分类号：U664. 121 文献标志码:A文章编号：1671-7953(2016)04^)098名5柴油机在进气过程中，气缸的进气充量及气 流运动状态影响着缸内过量空气系数和油气混合 均勻程度，最终影响到柴油机的功率、燃油消耗和 排放等性能指标[1]。

现代非增压柴油机提高进 气充量的技术方案主要有降低进排气系统流动阻 力和采用可变配气正时技术。

由于可变配气正时 技术结构复杂，价格昂贵，限制了其在一般柴油机 上的应用；而基于CAD/C A E的进气道结构优化 可以获得良好的流通性能和进气充量，方法简便 快捷，成本低，适用性广，在工程研究设计中得到 广泛应用[24]。

DLH1110是自然吸气立式单缸水 冷型柴油机，缸径稍小，缸径扩大后，需增大进气 量，满足柴油机性能提升的要求。

为此，以提高进 气道流量系数为主要目标，针对此型柴油机螺旋 进气道进行改进设计和稳态CFD数值模拟，得到 气道流场分布情况及相关性能指标，对比分析新 设计的3种气道方案与原机方案，并将优选方案 的试制缸盖和原机缸盖进行稳流试验对比，探讨 改变进气道螺旋曲面，提高流量系数的可行性。

1气道性能指标柴油机进气道性能指标，主要分为流通能力 及涡流形成能力两个方面[5]。

对于流通能力，采收稿日期=2016 - 02 - 08修回日期=2016 -04 -04基金项目：国家自然科学基金（51379169,51009112)第一作者简介:贺玉海（1976—），男，博士，副教授研究方向：内燃机工作过程优化与电子控制技术E-mail：hyh@ 用流量系数表示，即不同气门升程下的实际进气 量与理论流过气门座内径£»v值等截面的空气流 量之比;对于祸流形成能力，米用祸流比来表亦，即不同气门升程下，涡流计转速与发动机转速之 比。

本文选用Ricardo评价方法，该方法不但考 虑了气道本身及缸径大小，还考虑到气门升程曲 线，被国内大多数内燃机厂家采用[6]。

1) 流量系数C F。

Cr⑴n= (2)I Po式中:Q—试验测得空气流量，m3/S;Av—气门座内孔截面积，m2;n—气门数目；—理论进气速度，m/S;—气道前后压差，Pa;po---气门座处气体密度,kg/m3。

2) 涡流比定义。

^ 几p add pAS〜=^7 = 30:—式中:\---发动机当量转速,r/min;«P a d d---风速仪转速,r/min;p---气缸内气体密度,kg/m3;A---气缸截面积，m2;S—发动机冲程，m;m-----测量气体质量流量,kg/s。

3)平均流量系数。

C F…⑶⑷984)平均涡流比。

;f CF J V R da(5)([CF da)2^a\BSD(6)式中:a2进气门开启和关闭时曲轴转角;D y—进气门座内径。

2进气道仿真2.1几何模型将DLH1110型柴油机螺旋进气道三维模型 导入Hypermesh软件，进行几何清理，提取气道流 体区域几何面，并完善计算域几何模型。

见图1。

图1螺旋进气道稳态模型图1中，气缸缸径D= HO mm。

为稳定入口 压力为大气压力，在进气道前设置稳压箱;参考文 献[2,6]，为保证计算出口稳定且无回流，将模拟 缸套计算区域拉伸为2.5倍缸径长度即275 mm。

对于较小的特征面，需要单独提取出来，以便后续 划分网格时单独进行局部细化。

在原机方案S1的基础上，优化设计3种新方 案S2、S3和S4:S2增大蜗壳半径;S3增大蜗壳半 径，同时增大导向段与气门室过渡处曲面曲率，气 道出口直径增大至与气门座内径相等，使这些空 间的流体域更大;S4在S3的基础上，缩小蜗壳半 径，同时增大导向段与斜坡段过渡处最小截面积，4种方案结构见图2Q对4种方案进行相应的几何处理，输出sd格 式的几何面网格供后续AVL- Fire使用。

2.2网格划分在AVL- Fire软件中，导入处理好的stl格式 几何面网格后，生成关键特征线，应用软件自带▲a) S1方案b) S2方案c) S3方柬d) S4方案图2 4种不同螺旋进气道计算方案FAME网格生成技术，生成以六面体网格为主的非结构网格。

在气门座圈和气门接触处、气门边缘处等需要局部细化的区域，将网格尺寸设置为0.75 mm，进气道、进气门、气缸顶处的网格尺寸设置为1.5 mm，其余部分网格尺寸设置为3 mm，这样能保证网格过渡比较平缓，计算易于收敛，最终生成的网格单元总数控制在70万〜80万。

此外，在距离缸盖底面110 mm处建立网格集合，用于保存Ricardo叶片区域。

将模拟气缸顶部圆心点设为坐标原点@整体计算网格划分及几何坐标系见图3。

a)整体网格划分b) R icardo叶片尺寸及区域图3计算区域网格划分2.3仿真边界条件设置稳态仿真边界条件按照试验台测量参数设定。

1) 入口边界。

大气环境，压力为1〇〇 kPa，温 度为 293. 15 K,2) 出口边界。

负压，压力为97.5 kPa。

3) 初始化。

采用出口条件初始化整个流场。

流体介质为可压缩性空气，求解方程激活质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，湍流模型选择^ 方程，压力耦合方程采用SIM­PLE算法求解 ，近壁面采用标准壁面函数描述壁99第4期面附近边界层气流速度、压力等的分布〜]。

3仿真结果分析3.1气缸内部涡流的形成不同方案气门开度时的气缸内部的流场都比 较类似。

S1方案，气门升程为11.04 mm时的流 场迹线见图4。

气流经过螺旋进气道之后，一小 部分会直接进入气缸，但是绝大部分气流在斜坡 段旋转后，以较高旋转动量的形式流进气缸，这是形成气缸内部涡流的根本原因。

3.2流场速度分布选定气门升程6 mm和最大升程11.04 mm，图4气缸内部流场迹线选取截面过气门中心线，且平行于Y O Z的截面，不同方案下气缸内部的速度场分布云图见图5。

分析螺旋气道内流场，导向段截面逐渐缩小，在斜坡段出现整个气道的最小截面，气流速度不 断增大，气流通过气门座-气门开启截面，流动空 间大大减小，气体被压缩，速度都得到较大提升，并沿气门锥形表面旋转射流进入气缸，不同方案 下最大速度接近一致。

分析气缸内流场，由于气流经过气门之后依 然保持较高的冲量，而较高的冲量即射流速度又 使气门下方形成负压区，进而卷吸来流，在气门下 方产生明显的回流，形成大尺度逆时针滚流区域。

由于气门偏置，在距离气缸壁的近侧，气流碰壁改 变流动方向，壁面处形成快速流动的气流崖a100对比分析4种方案，当气门升程6 mm时，S4 方案最大速度92. 3 m/s，低于S1和S2,略高于 S3;当气门升程11.04 mm时，S4方案最大速度最 大，为107.3 m/s。

采用S4方案，中低气门升程 时，进气流动相对平缓，流动损失较小，大气门升 程时，进气流动迅速，利于气流进气，即在S4条件 下，螺旋进气道结构上的改进，可能更有利于组织 空气流动，形成相对较好的流场，在气门处能量衰 减更小，空气之间相互扰动减小，从而有利于柴油 机充量系数的提高。

3.3流量系数和涡流比根据不同气门升程下的流量系数C F和涡流比，获取的Ricardo 平均流量系数CF M 和Ricar ­do 平均涡流比 见表 1。

表1 4种方案流量系数和涡流比对比对比项S 1S 2S 3S 4平均流量系数CF M 0.2770.2700.2890.283平均涡流比& 5.8085.5655.3125.714相对 S 1(C FM)-2.28%+ 4.35%+ 2.41%相对 S l (/?s)-4.17%-8.54%-1.62%1)对S 2方案。

扩大进气道螺旋部分后，该结构对来流的螺旋导向作用有所降低，导致涡流 比略有降低。

另外，虽然该处流动域空间增加了， 但却使气体在该处膨胀，反而造成压力上的损失，导致平均流量系数CF M 同时略有降低。

2)对S 3方案。

扩大进气道螺旋部分，增大过渡曲面曲率以及气道出口直径，使得气流流动 过程受到的阻力减小，相对于原机方案S 1，平均 流量系数CF M 得以提升，但是此时由于螺旋导向作用减弱，气缸内涡流比有所降低。

3) 对S 4方案。

收缩进气道螺旋部分，螺旋 导向作用增强，涡流比提高。

本方案虽然能弥补 S 3中涡流比下降的不足，但同时其平均流量系数 CF M 相对有所下降。

由于进气道改进优化目标主要是在涡流比不 出现明显变化条件下，尽量提高流量系数C F，因 此综合考虑后，S 4方案相对较优，不同气门升程 下的流量系数CF 均高于原机S 1，平均流量系数 (：_从0. 277提高到0. 283，提高约2. 41%，平均 涡流比为5. 714，与原机5. 808相近。

4进气道稳流试验气道稳流试验采用定压差法，测试不同气门升程时进气道流动阻力和缸套内进气涡流强度。

试验测试简便，结果可靠，广泛应用于工程中气道 测试与开发。

稳流试验台组成结构见图6。

该装置先由风机吸气，气体经进气道、气门， 流入气缸内，带动叶片转动，由光电传感器测出叶 片转速，由孔板流量计测出气体的体积流量和质 量流量;调节气门气流通过面积，保证试验过程中模拟气缸真空度2 500 P a 不变;稳压箱用于稳定 气流流动，减小气体流动时造成的波动损失。

试 验通过测量流经系统的流量来评价气道流通能力，测量叶片半径范围内的涡流转速来评价气道 形成涡流强度的能力。

试验根据Ricardo 性能指 标来评价进气道是否满足设计要求。

根据上节CFD 仿真分析对比结果，试验测试 对比产品缸盖S 1和优选试验缸盖S 4,结果见图 7、80进气道流量系数试验值均随气门升程开度的 增大而增大，基本成线性趋势增加。