1某高强化柴油机进气道的设计开发

收稿日期:2011 01 15;修回日期:2011 03 05
作者简介:刘鹏飞(1983 ),男,硕士,主要研究方向为柴油机性能匹配;00liupengfei@ 。

某高强化柴油机进气道的设计开发
刘鹏飞1,许俊峰1,韩 君2,蔡忠周1,王 良3
(1.中国北方发动机研究所,山西大同 037036; 2.中北大学机电工程学院,山西太原 030051;
3.装甲兵驻长春地区军事代表室,吉林长春 130103)
摘要:以未简化的某柴油机进气道为研究对象,使用三维流动力学软件完成了气道稳流试验台中气道-气缸流动的三维数值模拟计算,模拟计算的流场显示出了在气道试验台条件下空气流动过程的详细状况,气道性能评价参数(流通系数和涡流比)的流动计算结果与气道试验结果吻合较好。

数值模拟精度表明,气道CFD 计算可以为发动机开发中气道设计提供理论依据。

关键词:柴油机;进气道;数值模拟;计算流体动力学
中图分类号:T K423.44 文献标志码:B 文章编号:1001 2222(2011)03 0017 03
进气道是柴油机的重要组成部分,它直接决定
了柴油机的充气系数,进而影响了柴油机的性能。

某柴油机在强化设计中将直气道改为螺旋与切向气道组合,设计目标为平均涡流比0.9~ 1.3,本研究应用FIRE 软件对该柴油机气道 气门 气缸实体模型进行了三维流动计算,计算出流通系数和涡流比等相关参数,最后进行了试验验证。

1 进气道仿真
1.1 网格的划分
在CAD 模型中,气缸长度取试验时的1.75倍缸径,即192.5m m,气门升程的取值与试验时相同,分别为1,2,3,4,5,6,7,8mm 。

三维模型见图1,在FIRE 中生成的网格见图2,对气道一些部位的网格作了相应的细化(见图3),保证了计算结果的可靠性。

图1 进气道三维模型 图2 网格图
图3 网格细化图(放大)
1.2 仿真参数的设定
计算中的边界条件(边界条件的设定以试验为标准)如下:进口总压p 1=89.6kPa;总温T =293K;出口静压p 2=p 1- p =84.6kPa(压差 p =5kPa)。

初始条件如下:p =89kPa,T =293K 。

湍流模型采用 模型,收敛标准为10-4。

1.3 计算结果及分析
1.3.1 沿气缸轴向截面流场分布
从图4可以看出,气门全开时(8m m 升程)由于进气气流被两个气门分开,因产生剪切层而引起大的速度梯度,于是产生湍流。

因此,较高的进气流速会形成较大的速度梯度,从而产生更大的湍流动能,形成了整个气道中质量和动量交换最强烈的区域,此区域内湍动能和耗散率均最大。

图5示出经过进气阀中心纵截面流线分布,可以看到,气门座与气缸连接,形成突扩区域,对气体而言相当于后台阶流动,容易出现流动分离现象;而在两气门相邻区域内,一方面由于气门座的影响,流
动分离出现漩涡运动,另一方面,又由于两股进气气
第3期(总第194期)2011年6月车 用 发 动 机V EH ICL E EN GIN E N o.3(Serial N o.194)
Jun.2011
流互相冲击,造成进气阻力加大以及能量损失,对进
气冲量产生影响。

图4 经过进
气阀中心纵截面湍流强度的分布
图5 经过进气阀中心纵截面流线分布
1.3.2 沿气缸径向截面流场分布
图6示出按照柴油机气缸内顶部到底部的顺序截下的流场图,从图中可以看出缸内涡流的发展情况。

从右侧螺旋气道流出的涡流占缸内湍流运动的主导地位,螺旋气道口流出的速度不均匀的气流形成局部涡团。

随着湍流运动在气缸内的进行,小涡团被分裂破碎,它将动量扩散给大涡团,最终衰减直至消失,
缸内形成均匀统一的绕气缸中心线的涡团。

图6 气道沿气缸径向截面流场分布
从图7可以看出,切向气道在气道出口处速度达到最大,而螺旋气道也在最小截面处速度开始加
大,并且在出口处速度达到最大。

2 进气道稳流吹
风试验
图7 气道表面速度云图2.1 试验台
试验台简图见图8,试验台主要仪器设备有测试设备、辅助设
备和电子控制系统。

测试设备包括叶轮风速仪、流量测量仪、压
力传感器、温度传感器;辅助设备包括模拟气缸套、气门开启装置、吹风机;电子控制系统包括微机、测试软件。

气道稳流试验参数见表1。

图8 试验台简图表1 气道稳流试验参数
进气门座喉口直径/mm 32排气门座喉口直径/mm 32进气门座锥角/( )60排气门座锥角/( )60进气门座宽/mm 1.75排气门座宽/mm 1.75进气门头直径/mm
37
排气门头直径/mm
37
2.2 试验方法
试验方法采用等压差法,测量方式采用叶片式,气体流动方向均与发动机实际进排气流动方向一致。

试验时环境温度为11 ,环境大气压为图9 气道芯盒
88.7kPa,气道压差为5kPa,气门升程分别取1,2,3,4,5,6,7,8mm 。

所用的气道模型为激光快速成型出来的模型(见图9)。

3 计算与试验对比
各种情况下流通系数和涡流比计算值与测量值的对比见表2。

18 车 用 发 动 机 2011年第3期
表2 不同升程下的计算与试验结果对比
升程/mm 流通系数测量值计算值偏差/%涡流比测量值计算值偏差
/%111.4611.02 3.8 1.555 1.129.3218.9517.88 5.6 1.254 1.0119.5326.7925.32 5.5 1.0630.9510.6433.5534.25-2.00.9760.93 4.7538.6939.85-3.00.90.88 2.2643.2945.11-4.20.8270.801 3.1747.3148.79-3.10.8630.84 2.78
49.55
51.21
-3.40.552
0.542
1.8平均流通系数测量值计算值偏差/%平均涡流比测量值计算值偏差/%0.308
0.317
-3.0
0.921
0.881
4.3
由表2可知,计算结果与测量结果吻合较好,平均流通系数及平均涡流比的偏差小于5%,由于一般气道试验台测量误差约为5%,所以从计算结果来看,可以应用CFD 计算来替代大部分稳流试验,加速气道的研制。

进气质量流量试验值与仿真值的对比见图10。

图10 进气质量流量试验值与仿真值的对比
从图10可以看出,在气门升程大于5mm 时,
仿真值与试验值很接近,当气门升程为3m m 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试验值减小的速率。

这可能由两个原因造成:一是,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。

试验中所用管道的管壁均匀光滑,而仿真所用的模型在边界处的网格大小不均匀,因此阻力也不均匀,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速率要快于试验值减小速率的现象。

总的来说,仿真值与试验值有较好的一致性,模型在气门升程较大的时候精度较高,同时该气道达到了初期开发的目标,平均涡流比为0.921。

4 结束语
通过气道内流动的三维数值模拟计算与稳流试验表明,气道内纯流动的三维数值模拟已有了相当高的精度,可以用CFD 计算部分代替稳流试验。

此外,气道CFD 计算能得到在气道稳流试验台上无法得到的大量三维流场的详尽信息,因此,在发动机产品的开发阶段(尚未生产出缸盖产品之前),采用CFD 技术能准确找出气道不合理的部位,并进行优化改进。

参考文献:
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Design and Development of Diesel Engine Intake Port
LIU Peng fei 1
,XU Jun feng 1
,H AN Jun 2
,CAI Zho ng zhou 1
,WANG Liang
3
(1.China N or th Eng ine R esear ch Institute,Dato ng 037036,China;
2.Schoo l of M echatr onic Eng ineering ,N or th U niversit y of China,T aiyuan 030051,China;
3.M ilitar y Representative O ffice of A r mored Fo rces in Changchun,Changchun 130103,China)
Abstract:F or a non simplified intake port ,the 3D numerical simulation and calculation of intake cylinder flo w under the
steady flow test bench conditio ns wer e completed w ith CFD softw are.T hr ough the simulated field,the details of air flow under the por t test bench conditio ns wer e displayed.In addition,the calculated results of flo w coefficient and sw ir l ratio co incided with the ex per imental r esults.T he results show that the CFD simulation of po rt can bring theo retical reference for eng ine design.
Key words:diesel engine;int ake por t;numerical simulatio n;CF D
[编辑:潘丽丽]
19 2011年6月
刘鹏飞,等:某高强化柴油机进气道的设计开发。