汽油机进气歧管均匀性影响因素分析及结构参数优选

李楠，朱晨虹，黄英铭，陈良，吴广权，占文锋

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434)

进气歧管是发动机进气系统最重要的部件之一，主要作用是通过节气门将气体均匀分配到发动机各个气缸，直接影响发动机的缸内燃烧，进而影响发动机的动力性、经济性、排放性[1]。因此进气均匀性是进气歧管最重要的性能指标。研究进气歧管流动状态对提高充气效率和改善发动机的各缸均匀性具有重要的作用。目前，采用CFD软件来指导进气歧管的均匀性优选是业内一项常用且有效的方法[2-3]。行业内也有许多学者、工程师针对一些实际的进气歧管开发项目进行了CFD仿真分析以及结构优选，探究了进气歧管稳压腔大小、气道长度、局部结构等对进气歧管均匀性的影响[4-10]。然而关于节气门安装角度、节气门后进气歧管总管长度以及气道-稳压腔圆角大小对进气歧管均匀性及进气歧管流场分布的影响却少有研究。

本研究基于Star CCM+软件分析了气道与稳压腔过渡圆角大小、节气门安装角度以及进气歧管总管长度对进气歧管质量流量均匀性和流场分布的影响，并基于以上影响因素对进气歧管的结构参数进行优选，使得进气歧管均匀性满足要求。

1 仿真模型建立

1.1 三维结构

对于发动机进气歧管的CFD仿真工作，业内普遍做法是只针对进气歧管零件本身进行单独的仿真分析，然而由于流体的连续性，进气歧管前后相连的零件对流场分布也可能产生重要影响。因此本研究仿真所用的三维模型(见图1)考虑了节气门和缸盖气道对进气歧管均匀性的影响，包括节气门、进气歧管和缸盖气道的内腔结构。另外为了防止在计算过程中进、出口出现回流，影响计算结果的收敛性，在进、出口处沿法向拉伸一段距离。计算某一缸气道的进气均匀性时，该出口打开，其他气道出口关闭[11]。

图1 三维模型

1.2 网格的生成

采用STAR CCM+软件进行进气歧管的均匀性仿真分析，网格模型选择surface remesher，Polyhedral mesher，prism layer mesher。网格基础尺寸为3 mm,对局部较小尺寸处自动加密处理，棱柱层网格设置为4层，生成以六面体为主的混合网格，单个气道模型的网格数为60万左右。

1.3 求解参数的设置

计算工况采用标定工况，稳态计算，节气门全开，空气流动为可压缩黏性湍流流动，采用理想气体状态方程。国内外学者对流体湍流模型已经做过很多理论研究[12-13]，而κ-ε湍流模型因具有较高的精度被广泛应用于计算流体力学中,因此湍流模型选择Realizableκ-εTwo Layer 模型[6,9-10]；对于进气歧管CFD 计算, 壁面模型的影响不能忽略，张继春等[14]研究表明双层模型壁面函数更适合用来对多缸汽油机进气歧管进行CFD计算，此处壁面函数采用Two-Layer ALL y+ Wall Treatment, 固壁面采用无滑移边界条件。入口边界设置为滞止入口，出口边界设置为压力出口。当计算残差小于0.000 1，并且监控量趋于稳定之后，认为计算收敛。

1.4 评价指标

进气歧管均匀性的评价指标有压损/质量流量不均匀度[14]、压损/质量流量偏差[6]等指标，实际上两种量化方法趋势是一致的，行业内并无统一说法。由于发动机各缸进气质量流量均匀性对发动机性能有着直接的影响，因此本研究采用质量流量偏差来量化进气歧管的均匀性大小，质量流量偏差计算公式如下：

(1)

式中：Qi表示第i个气道的质量流量；Qm表示所有气道质量流量的平均值。

2 影响因素分析

一般情况下，对于黏性流体，在经过粗糙管道的过程中流动的总损失包括沿程损失和局部损失两部分[15]：

hw=∑hf+∑hj。

(2)

式中：hw为总损失；hf为沿程损失；hj为局部损失。

沿程损失是指运动流体与壁面摩擦，将一部分运动机械能转换为热能，其公式为

(3)

式中：λ为沿程损失系数；l为管道长度；d为管道直径；V为管道内平均速度。

局部损失是指运动流体经过弯头、阀体等结构时，其运动受到扰乱，分离产生漩涡，一部分运动机械能会相应耗散，其公式如下：

(4)

式中：ζ为局部损失系数。

由于现在进气歧管是塑料的，壁面相对光滑，内腔粗糙度可以做到很小，其沿程压力损失并不大。进气歧管的主要压损是气流突变带来的。因此，降低局部压力损失是提高进气歧管质量流量的有效措施。

2.1 初始方案仿真结果

图2示出初始方案下各缸对应的质量流量。从图2可以看出，2缸气道对应的质量流量最大，3缸对应的质量流量最小。图3示出初始方案对应各缸的质量流量和压损偏差。从图3可知，3缸支气道质量流量偏差最大，达到了-7.49%。

图2 初始方案各缸气道质量流量

图3 初始方案各缸气道质量流量偏差

图4示出初始方案各缸支气道的速度流场。从图4中可以明显看出，1缸、2缸气道速度流线分布较为均匀、顺畅，并无明显涡流区域，但由于第1缸气道距离节气门较近，稳流段较短，气流经过节气门扰流后无足够的稳流缓冲区，气流方向和截面突变进入1缸气道，导致1缸气道流线相对2缸气道乱，因此局部损失相对较大，导致1缸气道进气质量流量小于2缸气道质量流量。相对比1缸、2缸气道流线，第3缸气道明显出现大尺度的涡流，导致第3缸气道气流局部损失大幅增加，质量流量相应减小。

图4 初始方案速度流场

2.2 稳压腔支气道过渡圆角的影响

在初始方案基础上，针对3缸支气道，研究了稳压腔与支气道之间圆角的大小对质量流量及速度流线分布的影响。圆角半径分别为2 mm、13 mm和25 mm，其中2 mm和25 mm分别是该歧管结构所能达到的最小和最大圆角值。

图5示出3缸支气道在不同圆角下的质量流量。由图5可以看出，圆角越大，质量流量越大，因为增大圆角减小了气流从稳压腔到支气道的局部损失。但由于结构限制，圆角并不能无限增大以增加相应支气道的质量流量。并且从图6速度流线分布可以看出，在3缸支气道与稳压腔过渡处依然存在大尺度的涡流，且随圆角的增大并没有减小的趋势。

图5 不同圆角半径下3缸气道的质量流量

图6 稳压腔支气道过渡圆角对速度流场分布的影响

2.3 节气门布置角度的影响

假设初始方案的节气门安装角定为0°，在初始方案的基础上，节气门安装角分别逆时针转动30°和60°，不同节气门安装角示意见图7。

图7 不同节气门安装角示意

图8示出不同节气门安装角下各缸对应的质量流量，图9示出相应节气门安装角下的各缸气道的进气质量流量偏差。从图8和图9可以看出，节气门安装角会对各缸支气道气流的质量流量产生不同程度的影响，增大安装角进气质量流量偏差会有不同程度的降低。在进气歧管初始方案结构下，改动节气门的安装角，使得1缸气道的进气质量流量增加，因为节气门离1缸气道距离近，对1缸的影响较大。另外，从图8也可以看出节气门安装角的改变对2缸气道的影响很小，可以忽略。

图8 不同节气门安装角下各缸支气道质量流量

图9 不同节气门安装角下各缸质量流量偏差

同时可以看到，节气门安装角的变化导致3缸气道质量流量大幅增加，但并无明显规律。结合图10速度的流线图可以看到，节气门安装角的变化使得3缸气道与稳压腔结合处的大尺度涡流明显减小，流场结构得到改善，因此压损降低，质量流量增加。反向推导可以得出如下结论：如果前期优选进气歧管均匀性时未考虑节气门安装角的影响，或者随意改变节气门的安装角，发动机的各缸进气质量流量偏差可能会大幅恶化，比如本研究中节气门安装角从30°变到0°，则质量流量偏差则会从1.68%恶化到7.49%。

图10 不同节气门布置角下的速度流场

2.4 进气总管长度的影响

假设初始方案的节气门后进气总管长度为0，进气总管长度分别延长至35 mm和70 mm。通过计算得到的不同总管长度下各缸支气道的质量流量及质量流量偏差见图11和图12。

图11 不同总管长度下各缸质量流量

图12 不同总管长度下各缸质量流量偏差

由图11和图12可见，随着进气歧管总管长度的增加，1缸气道的质量流量逐渐增加，由106 g/s增加到109 g/s，因为随着总管长度的增加，气体从节气门到1缸气道之间的稳流段得以增长，气流更顺畅，压损更小。相比较1缸气道而言，2缸气道质量流量略微增加，3缸气道质量流量大幅增加，尤其总管长度由35 mm增加到70 mm后，3缸气道质量流量由97.6 g/s增加到110.5 g/s,进气质量流量偏差也由初始方案的7.49%降低到1%以内。图13示出不同总管长度下各缸速度流线分布。由图13分析原因得出，进气总管长度的增加，改善了流场分布，尤其总管70 mm时，3缸气道处大尺度涡流消失，使得局部压损降低，因此3缸气道的质量流量大幅增加，降低了进气歧管的质量流量偏差。

图13 不同总管长度下各缸速度流场

3 结构参数优选

在分析以上因素对进气歧管均匀性的影响规律后，结合进气歧管在发动机上有限的布置空间进行参数优选。节气门安装角最终选为60°，以消除3缸气道与稳压腔的大尺度涡流；进气歧管总管长度由于整机布置空间限制，只加长35 mm,以提高1缸气道的质量流量；尽可能差异化地增大各缸气道与稳压腔之间的过渡圆角，整体降低进气歧管的局部损失，以增加各缸气流的质量流量，同时降低不同缸气道的质量流量偏差。1缸至3缸优选后的过渡圆角半径分别为20 mm，15 mm，25 mm。

各缸支气道的质量流量优选前与优选后结果见图14。由图14可见，参数优选后各缸支气道质量流量均有大幅提升，1缸至3缸支气道的质量流量分别增加4.3%，1.9%，14.3%。图15示出优选方案各缸流线分布。由图15可以看出，各缸流线较为流畅，无明显涡流区，尤其3缸支气道处大尺度涡流消失，流线较为流畅。

图14 优选前后各缸支气道质量流量

图15 优选方案各缸流线分布

4 试验验证

最后在优选后的进气歧管方案基础上，采用业内常用的气道稳流试验台对进气歧管均匀性进行了验证，气流稳流试验台示意见图16。

图16 气道稳流试验台示意

气道稳流试验台装置为吸气工作方式，工作时，被测模型置于该装置的模拟缸套上，启动风机，气流流动经由节气门—进气歧管—缸盖气道—缸盖燃烧室—模拟缸套—动量计—稳压桶—流量计—稳压箱—风机排出。由位移传感器得到气门升程，由压力传感器获得气道压差，测量气体角动量主要有动量计和叶片风速仪两种方式，最后通过流量计获得流经气道的流量。在获得以上4个数据的基础上，通过计算得到量纲1的流量系数和涡流强度。

试验结果见图17。由图17可见，优选后进气歧管的质量流量偏差仿真结果和试验结果均小于优选前的仿真结果，均小于1%，且试验结果与优选后的仿真结果趋势较为一致。

图17 优选前、优选后及试验结果对比

5 结论

a) 增大稳压腔与气道过渡的圆角，可以降低压损、增大进气流量；可以通过各缸气道与稳压腔的差异化圆角，调节进气歧管歧管各气道的进气均匀性；

b) 节气门布置的角度会对进气歧管内的流场产生影响，进而影响进气均匀性，在开发进气歧管时要考虑节气门的布置角度，且后期不能随意变动节气门的安装角度；

c) 节气门后总管长度对进气歧管流场分布有较大影响，整体趋势是总管长度越长，稳流缓冲距离就越长，流场越顺畅，同时进气均匀性也就越好，在空间布置允许的情况下，应尽量增加节气门后进气歧管总管长度。