浅谈节能赛车发动机进气道优化方法
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Research and Exploration 研究与探索·探讨与创新
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）
摘要：本文采用 fluent 对某汽油机进气道进行稳态 CFD 仿真，通过研究进气道对流量系数和滚流比，对发动机进气道 结构进行优化，气门座位置结构对于流量系数影响最大。
方程加湍流模型 k-ε 方程的方法。 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
总而言之，社会在不断发展，企业、高校、学生三者之 间的联系也在不断加深，在将来，这之间的联系还会更加频繁， 旨在培育出一批又一批适应社会发展的青年，与对企业员工进 行再培养。尤其是现在，国家电网发布了要建设坚强智能电网 的公告后，这种趋势更是明显，尤其是对我们电气工程及其自 动化的企业而言，这是一个企业发展的机遇，同时也是一个挑
关键词：进气道；Fluent CFD 仿真；汽油发动机；结构优化 中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）07（上）-0184-02
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。
发动机排量 /cc
125
缸径 /mm
52
活塞行程 /mm
58
气门最大升程 /mm
6.5
气门直径 /mm
24
表 2 不同转速下对应的进气速度
转速 /（r/min） 1200 1500 2000 2500 3000 3500 4000
进气速度 /（m/s） 11.0 13.7 18.3 22.9 27.5 32.1 36.7
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。
量流量
，将出口边界作为实际质量流量 mactual，理论质
式中：
为进气门座圈面积；dv 为进气门座圈直
径；n=1 为进气门数；ρ 为缸内气体密度；∆p 为气道进出口
压差；
为平均密度；ρ0 为缸外大气密度。
S=R+L-Rcosα-Lcosβ=R(1-cosα)+L(1-cosβ)
需要的是对人民与社会经济的负责。承办的两个重点单位是 全国的各大高校与相关企业，最直接的培育对象是需要具备 扎实基本功，了解互联网内容，并具有一定创新意识与能力 的新一代青年才俊。使学生的理论知识与能力更加贴近社会 的实际，这不仅仅是对学生的肯定，更是对企业和社会的负责。
战，所以进行该模式的探索是必要的，也是必须的。
参考文献： [1] 郑雪娜，沈国杰，罗平，贾渭娟 . 电气工程及其自动化培养模
式探索 . 重庆大学 . [2] 梁计辨 . 电气工程及其自动化专业人才培养模式探索 . 阳江市
凯源电力发展有限公司 . [3] 赵彪，周耀华 . 企业电气工程的管理分析 . 中国平煤神马集团
开封东大化工有限公司河南开封 . [4] 王平 . 电wk.baidu.com工程及其自动化专业“双合”人才培养模式探索 . 山
东华宇工学院 .
184 中国设备工程 2019.07 ( 上 )
China 中国 Plant 设备
Engineering 工程
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)λ ⁴ sin ⁴ α 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： S= R(1-cosα)+L(1/4)λ²(1-cos2α)
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 图 1 进气道三维模型 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
=R[(1-cosα)+(1/4)λ(1-cos2α）] 滑块的速度 V 为 V=dS/dt=(dS/dα)·(dα/dt)= ωR[sinα+λsin2α]= ωR[sinωt+(Rsin2ωt)/2L]（峰值为 1） 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
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）
摘要：本文采用 fluent 对某汽油机进气道进行稳态 CFD 仿真，通过研究进气道对流量系数和滚流比，对发动机进气道 结构进行优化，气门座位置结构对于流量系数影响最大。
方程加湍流模型 k-ε 方程的方法。 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
总而言之，社会在不断发展，企业、高校、学生三者之 间的联系也在不断加深，在将来，这之间的联系还会更加频繁， 旨在培育出一批又一批适应社会发展的青年，与对企业员工进 行再培养。尤其是现在，国家电网发布了要建设坚强智能电网 的公告后，这种趋势更是明显，尤其是对我们电气工程及其自 动化的企业而言，这是一个企业发展的机遇，同时也是一个挑
关键词：进气道；Fluent CFD 仿真；汽油发动机；结构优化 中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）07（上）-0184-02
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。
发动机排量 /cc
125
缸径 /mm
52
活塞行程 /mm
58
气门最大升程 /mm
6.5
气门直径 /mm
24
表 2 不同转速下对应的进气速度
转速 /（r/min） 1200 1500 2000 2500 3000 3500 4000
进气速度 /（m/s） 11.0 13.7 18.3 22.9 27.5 32.1 36.7
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。
量流量
，将出口边界作为实际质量流量 mactual，理论质
式中：
为进气门座圈面积；dv 为进气门座圈直
径；n=1 为进气门数；ρ 为缸内气体密度；∆p 为气道进出口
压差；
为平均密度；ρ0 为缸外大气密度。
S=R+L-Rcosα-Lcosβ=R(1-cosα)+L(1-cosβ)
需要的是对人民与社会经济的负责。承办的两个重点单位是 全国的各大高校与相关企业，最直接的培育对象是需要具备 扎实基本功，了解互联网内容，并具有一定创新意识与能力 的新一代青年才俊。使学生的理论知识与能力更加贴近社会 的实际，这不仅仅是对学生的肯定，更是对企业和社会的负责。
战，所以进行该模式的探索是必要的，也是必须的。
参考文献： [1] 郑雪娜，沈国杰，罗平，贾渭娟 . 电气工程及其自动化培养模
式探索 . 重庆大学 . [2] 梁计辨 . 电气工程及其自动化专业人才培养模式探索 . 阳江市
凯源电力发展有限公司 . [3] 赵彪，周耀华 . 企业电气工程的管理分析 . 中国平煤神马集团
开封东大化工有限公司河南开封 . [4] 王平 . 电wk.baidu.com工程及其自动化专业“双合”人才培养模式探索 . 山
东华宇工学院 .
184 中国设备工程 2019.07 ( 上 )
China 中国 Plant 设备
Engineering 工程
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)λ ⁴ sin ⁴ α 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： S= R(1-cosα)+L(1/4)λ²(1-cos2α)
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 图 1 进气道三维模型 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
=R[(1-cosα)+(1/4)λ(1-cos2α）] 滑块的速度 V 为 V=dS/dt=(dS/dα)·(dα/dt)= ωR[sinα+λsin2α]= ωR[sinωt+(Rsin2ωt)/2L]（峰值为 1） 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