文档介绍：3 气门摩托车汽油机进气流动特性模拟
黄琪1 , 李云清2 , 张力1 , 李应全3 , 贺泽龙4
( 1. 重庆大学机械工程学院, 重庆 400044 ; 2. 北京航空航天大学汽车系, 北京 100083 ;
3. 中国嘉陵工业股份有限公司技术中心, 重庆 400032 ; 4. 重庆科技学院, 重庆 400010 )
摘要: 应用CFD 对具有两个进气道的某3 气门125 mL 单缸汽油机气道内流场进行了数值模拟,在气缸横切
面速度分布图上发现两个进气门的下方会形成两个尺度较大的横向空气流动漩涡;同时在纵切面速度分布图上发
现明显的纵向气流漩涡流动,获得了不同升程下的进气流量系数; 并将计算结果与试验结果进行了对比分析。结
果表明,所选模型和计算方法正确,可以利用数值模拟计算代替试验测试得到进气门流量系数。
关键词: 汽油机; 进气道; 数值模拟; 流量系数
中图分类号: TK413. 44 文献标志码: B 文章编号: 100122222 (2008) S120079204
目前,国内125 mL 及以下排量的小型摩托车
用汽油机由于受几何尺寸等因素的限制基本都是2
个气门,即一个进气门,一个排气门,且一般均为高
速机,其最大转速可达上万转。为进一步改善摩托
车用汽油机换气过程的质量,必须增大充量系数。
而充量系数正是评价内燃机换气过程的一个重要指
标。由于充量系数在很大程度上取决于气道、气门、
气缸的几何形状,这些因素也影响气体流动,而且气
体流动十分复杂,为了减少对进气道的试验调试工
作,对进气道内气体流场进行数值模拟,分析气道内
流动特性,探求气道几何形状结构对气体流动的影
响规律是非常必要的,并据此对所设计的气道进行
性能预测[1 ] 。
王樵[2 ] 等人利用三维CFD 对有一个进气道的
发动机进气门流量系数进行了计算,并将计算结果
与试验结果进行了比较分析,证明了三维CFD 计算
发动机进气门流量系数是可行的。两进气道发动机
与单进气道发动机在流动方面存在较大的差异,特
别是在小型汽油机上。本研究对正在开发的一款2
进气门1 排气门3 气门125 mL 汽油机(具有两个
进气道) 进行气道的三维数值模拟,计算不同气门升
程下的进气门流量系数。
1 研究方法
发动机气道和气缸内的气体流动是高湍流的三
维流动,为了增加进气量,气道的流动阻力越小越
好。气道的质量评价指标主要有流动阻力、流量系
数和涡流强度等,其中流量系数是评价气道质量的
重要指标。总的说来,对内燃机气道中气体流动的
研究方法分为试验研究和数值模拟研究两大类。其
中试验研究方法有热线风速仪法、激光多谱勒测速
法、热线探针法和气道稳流试验台;而数值模拟法主
要有Euler 法、Lagrange 法及AL E 法( 任意La2
grange —Euler 法) 。由于稳流试验中的气体流动是
稳定的气体流动,而实际发动机在工作过程中,活塞
和气门均在做变速运动,通过气道的气流实际是不
稳定流动,两者之间并不存在严格的相似性。目前
数值模拟技术取得了显著的进步,研究时可以采用
数值模拟方法计算流量系数,再与稳流测试进行对
比。本研究采用三维CFD 方法对气门升程不同时
气道及气缸内的空气流动进行模拟计算,得到气道
的流量系数。
模拟计算中流量系数的计算基于以下关系式:
CF =
Q
A v0
,
A =
πd2
v n
4
,
v0 = 2Δp/ρ。
式中, Q 为实际空气流量, A 为气门座内截面面积,
v0 为理论进气速度, n 为气门数目,Δp 为进气道压
力降,ρ为气门座处气体密度。
2 模型建立
建立的几何模型包括进气道、气缸盖及气缸套
增刊(总第176 期)
2008 年6 月
车用发动机
VEHICL E ENGINE
Supplement (Serial No. 176)
J un. 2008
等(见图1) 。由于进气道系统是截面曲率和面积变
化的复杂管系,要进行三维流场计算,合理构筑三维
网格极为重要,网格生成质量直接影响计算精度和
收敛性。本模型中,采用FIRE 中的FAME 模块生
成以六面体网格为主的计算网格,并对气门喉口处
网格进行了加密。最终模型中总网格数为30 万个
左右。
图1 计算模型及网格示意图
3 边界条件及初始条件
固定壁面边界: 绝热无滑移,固定壁面温度
293 K;
进出口边界: 采用进出口定压差,进口总压
100 kPa ,出口静压97. 5 kPa ;
初始条件:采用势流模式实现初始化。
4 计算结果及分析
图2 为气道及缸内的