汽车发动机进气道流场三维数值解析与优化
发动机进气道的优化仿真

发动机进气道的优化仿真【摘要】通过对进气道内气体流动的三维数值模拟计算,可获得流量系数,气道内压力、流速等参数的空间分布,并建立气道形状、安装位置与气体流动特性(包括流量系数等)的关系,为汽车发动机进、排气道的设计与改进提供依据。
【关键词】进气道;模型;仿真1.引言进气道气流流动状态最终直接影响发动机经济性、排放性以及动力性。
因此,发动机进气道的理论研究和实际工程的设计成为发动机研究者的重要课题之一。
传统的进气道设计流程是经验设计加稳流试验台上的反复试验。
在设计开发中存在着较大的盲目性与局限性,不仅设计开发期长,耗费大,而且较难得到理想的方案。
通过对进气道内气体流动的三维数值模拟计算,可获得流量系数,气道内压力、流速等参数的空间分布,并建立气道形状、安装位置与气体流动特性(包括流量数等)的关系,为汽车发动机进、排气道的设计与改进提供依据。
2.工作流程工作流程如图1所示。
基本控制方程通常包括质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程,以及这些方程相应的定解条件。
确定离散化方法。
即确定高精度、高效率的离散化方法,具体的说就是确定针对控制方程的离散化法,如有限差分法、有限元法、有限体积法等。
这里的离散方法不仅包括微分方程的离散方法及求解方法,还包括贴体坐标的建立、边界条件的处理等。
图1 工作流程图3.模型的建立气缸直径取68mm,气缸的长度为170mm。
在进气道进口处增加一个稳压箱,作用时使进气道入口处的气流流动状态稳定,这样便在计算入口边界条件中施加了一个稳定的压力条件。
发动机进气道如图2所示,气缸简化为圆柱体,气缸盖如图3所示,进气道-气门-气缸如图4所示,最终计算用模型如图5所示。
本文采用六面体和四面体的混合网格,在稳压箱及气缸内采用六面体网格,在进气道、气门、气缸盖处采用非结构化网格。
这样既节省了运算时间,又解决了进气道处外形结构复杂区的网格划分。
将入口、出口、气缸壁面等分别创建PART,以增加边界条件;将进气道-气门-气缸盖所在空间创建BODY命名为LIVE1并保证该点在各个棉所围成的空间内,如图6所示。
汽油机进气道的三维CFD分析

(3)
∆P 为进气压降 2.2 无因次涡流比 Ω
Ω= nD n
(7)
式中 S h 为能量方程的源项, h 为气体的比 焓, h = c ⋅ T +
; 式中, nD 为风速仪转速(单位 min-1) n 为假想发动机转速(单位 min-1) ;
1 2 ui 2
(4)
n=
状态方程,
30m ρVh
ρ=
p RT
1
2
3
4 5.2 6
升程(mm)
7
8
9 10.3
图 6 不同升程流量系数变化趋势
3.6 横截面涡流分布 对于双进气道四气门汽油机,在稳流 气道模拟过程,发现所有气门升程下叶片 风速仪转速均不超过 100r/min ,涡流比小 于 0.1,而且在模拟过程中数值和方向都不 稳定,这也说明气缸内没有形成大尺度涡 流运动,这是由于双进气道结构的对称布 置的特殊性决定了气流的运动特性,使绕
(5)
式中,Vh 为发动机气缸排量
式中 R 为气体常数, T 为气体温度 1.3.2 湍流模型 常用的湍流模型有亚网格尺度模型、 单方程模型、 k − ε 双方程(湍流动能和耗 散率方程) 模型、 雷诺应力模型和RNG k − ε
3 不同气门升程的流动特性分析
对双进气门不同升程的 CFD 分析,主 要工作在于计算气道-缸内的三维流动, 分析气门之间的干涉情况,以及气道-缸
c)气门升程 6mm d)气门升程 8mm 图 4 湍流动能分布
3.4 双气门流线干涉 图 5 所示为不同升程下两进气门周围 的流场分布,在中央交汇区域流线分布密 集,气体流动虽然会影响到进气流量的大 小,阻碍气流直接流向气缸,但是会增大 排气门一侧的流量,以至气流在干涉作用
某商用车发动机进气系统流场分析与优化改进

n l l l 1 ( c Ⅱ 1 1 、 2 )
式 中, P . 为气流密 度; U , 为气流 的平均 速度 。 根 据类 似机型 的稳流 试验数 据, 对 于不 同 的气 门升程 , 进 m r J 处 的 力差在 6 5 0 0 P a ~2 0 0 0 P a, 气 门升程 较 大时压 力差 较小 故存指 定进 气 压 力为
来获得这些参数, 并对流动计算模型进行处理。
3 发 动 机 进 气 系 统 模 型 建 立 与 流 场
轻 型 汽 车技 术
2 …7 ( 1 - 2) 3 _ 2 设 置 边 界 条 件
技 术 纵 横 2 1
分 析
3 . 1 计算域 网格 的生成
通过 所建 数学模 型 ,存 给定边 界 条件 和 初始
1 引 言
在现代发动机的研发中, 进气道 的设计 和进
气道 燃烧 室 的匹配 变得 十分 重要 。为获得 良好 的 混合 物质 量 和 高燃烧 率 ,新 鲜充 量 的运 动 需要 合
短 产 品设 计周 期, 降低成 本 。C F D技 术 的计 算误 差 可达 5%之 内,因此在 进 气 系统 设 计 中充分 利 用
Z I l 边 界 为静 压 P l I 。对进 几边 界, 总 和静 压 的关 系为 :
p I = p + — — E ! j ( 3 一 1 )
响. 许 号虑 汁算 收 敛 稳定 性 素, 数 值 计算 时取 气
缸 的高度 为 3 . 5 D 。 戊川 F A ME网格生 成技 术, 生成 以人嘶 体 网格 为主. 面体 、 四面体, 金 字塔 彤单 元 为/ f 精度 网格 的过渡 元 ,网格单 元 总数 约 4 0
三维进气道湍流流场数值模拟

测 量 点
其中: 湍动能生成项 G = S ,
扩张耗 散项 :
图 4 数 值计算值和实验数据对 比
Y =pM^M = ̄—T a — M 2e t // 。=√—T , ka — — — — R — 一
模型 中的常数 :
C =1 4 C2 1 9 =1 0 , =1 3 l . 4, : . 2, . 占 .
{
Q为外 加热 能 。
5O0 90 5Oo 8o
一
本文计算 的是超音速工况 , 雷诺数很高 , 采用标 准 湍流模 加壁 面 函 的 方法 。标 准 模 型 是 由 Ludr n pli 提出 , ane adSa n dg 对于高雷诺数的计算 , 可以 得到合理的精度。其输运方程如下 :
为压力 出口, 进气道的出口也设置为压力出 口如图2 。
靠的飞行 ¨ , 儿 进气道 内气流不仅受进气道几何形 状
的影响, 而且与前机身和进气道布局有关_ 。因此 , 3 J 为 了评估进气道出 口气流品质 , 需要对进气道 内外流场
统 一求 解 。
豳 1 S形进气道简 图
本文结合实验数据 , 对腹部进气的 S形进气道 进 行数值模拟 , 考虑了前机身对进气道 的影响, 分析其 不 同工况下的入 口激波分布和进气 道 出 口压 力分布情
p
5ol 7 0 o
四
500 60 500 50
吲 5 00 40
5O o 3 o 5Oo 2 o 5O o lo 7 8 9 1 l l l l l l 0 1 2 3 4 5 6
p
毒 ( 差 +-- 【+)] kE GR 警毒 (Ic + 一Gc = 【+J] 景 — 3 c 2 ag ,
汽车发动机的进气系统优化

汽车发动机的进气系统优化汽车发动机就如同人的心脏,为车辆的运行提供源源不断的动力。
而进气系统,则是发动机这个“心脏”得以高效工作的重要环节。
就好像人呼吸新鲜空气能保持活力一样,发动机的进气系统若能优化得当,就能显著提升发动机的性能。
进气系统的主要作用是为发动机提供清洁、充足且适量的空气。
它由一系列组件构成,包括空气滤清器、进气歧管、节气门等。
这些部件协同工作,确保空气顺利进入气缸,与燃油混合燃烧,产生动力。
在优化进气系统时,首先要考虑的是空气滤清器。
空气滤清器就像是发动机的“口罩”,它能过滤空气中的杂质和灰尘,防止其进入发动机内部造成磨损。
然而,如果滤清器的过滤性能过强,会导致进气阻力增大,影响进气量;反之,如果过滤性能不足,杂质进入发动机则会缩短其使用寿命。
因此,选择合适的空气滤清器至关重要。
高性能的空气滤清器在保证过滤效果的同时,能最大程度减少进气阻力,提升进气效率。
进气歧管的设计也是优化的重点之一。
进气歧管负责将空气均匀地分配到各个气缸。
传统的进气歧管通常是固定形状的,但随着技术的发展,可变进气歧管应运而生。
可变进气歧管可以根据发动机的转速和负荷,调整进气通道的长度和截面积,从而在不同工况下都能提供最佳的进气效果。
例如,在低转速时,较短的进气通道能够提高进气速度,增加扭矩输出;而在高转速时,较长的进气通道则有助于提高进气量,提升功率。
节气门的作用类似于水龙头,控制着进气量的大小。
优化节气门的响应速度和精度,可以使发动机的进气控制更加精确,从而提高燃烧效率和动力输出。
电子节气门由于其响应速度快、控制精度高,逐渐取代了传统的机械节气门。
同时,通过对节气门的调校,使其与发动机的其他系统更好地协同工作,也是提升进气系统性能的重要手段。
除了上述部件的优化,进气系统的管道布局和材质也会对进气效果产生影响。
合理的管道布局能够减少气流的阻力和紊流,使空气更加顺畅地进入气缸。
在材质方面,使用光滑内壁的材料,如铝合金或碳纤维,可以降低空气在管道内的摩擦损失。
402_某汽油机进气道优化分析_吉利汽车_丁树勇等

某汽油机进气道优化分析丁树勇1,刘建斌2,马冠钦3(1,2,3浙江吉利动力总成有限公司,浙江省慈溪市杭州湾新区滨海二路818号)[摘要] 本文以某自然吸气汽油机进气道为研究对象,以尽量不降低流量系数,提高滚流比为原则,应用A VL FIRE软件对进气道进行了三维数值模拟优化分析,通过气道稳态试验台对两个进气道样件进行了验证,并取得较好的一致性。
关键词:进气道;CFD;滚流比主要软件:A VL FIRE;Optimization Analysis of Intake Port for A Spark-ignited EngineShuyong Ding1, Jianbin Liu2 ,Guanqin Ma31,2,3 ZHEJIANG GEELY POWERTRAIN CO., LTD & 818. Second Binhai Road, Hangzhou Bay New Zone, Cixi, Zhejiang[Abstract] Target on the intake port of a naturally aspirated spark-ignited engine, with the principle of increasing tumble ratio while keeping discharge coefficient from decreasing, a 3D CFD simulation analysis for optimizing intake port has been carried out with the software A VL FIRE. Two intake port samples have been validated on the steady test bench and achieved good identical.Keywords: Intake Port; CFD; Tumble RatioSoftware: AVL FIRE1. 前言随着排放法规的日趋严格和世界性的能源短缺,当前汽车发动机技术的研究主要集中在提高能源利用效率和控制排放两个方面。
切向进气道发动机缸内流场三维瞬态数值模拟

的数值 模 拟 技 术 已经 成 为汽 车 虚 拟技 术 的重 要 部
分 , 是 当前发 动机 研究领 域 最为 流行 的研究 方法 。 也 我 国在 这方 面 的研究 大多 还处 于稳 态试验 和稳 态模
门 , 缩 比为 1 。模 拟 工 况 为发 动 机 转速 200r 压 5 0 /
mi, 上 止点到 下止 点 的进 气行程 全 过程 。 n从
拟计算 阶段 , 只有 少 数 学 者 进 行 了 瞬态 数 值 计算 的 研究 [ 。稳 态试 验测 量结 果 是 流 动 的综 合 量 , 能 2 l 只
值 计 算 可获 得 稳 态计 算 和 试 验 难 以得 到 的进 气 系统 三 堆流 场 流 动 规 律 , 进 气 系统 的 优 化 设 计提 供 可 靠依 据 。 为
关键词 :内燃 机 ; 进气系统 }瞬态;数值模 拟 ; 向进气道 切
中 图分 类 号 :T 4 13 K 2 . 文献标志码 : A 文 章 编 号 :10 —2 22 0 ) 30 3—5 0 12 2 ( 0 60 0 90
有 限体积 法求解 发 动 机进 气 过 程 控制 方 程 组 , 流 湍 模 型 采用 修 正 过 的标 准 肛e双方 程 模 型 。 续 性方 连
程 、 量 方程 、 量方 程 、 能 动 e方程 均采用 一 阶迎 风格
设计 、 进进气 道 提供较 高精 度 的定量 分析 ; 瞬态 改 而 计 算与 实 际过程 比较 接 近 , 开 展 发 动 机工 作 过 程 能 的研 究[ , 以更 准 确 地分 析 进气 过程 中各 项 指 标 1可 ] ( 如缸 内压力 、 流场 速度 、 流强 度等 ) 湍 随时 间的 变化
超音速进气道三维流场数值仿真与性能分析

例, 不仅要求其具有攻击 防区外远程或超 远程敌 方纵深 目标
的能力 , 还要求其提高 自身 战场主动权 和火 力系统 的 自身生 存能力 。因此 , 提高传统弹药 的射程 问题 已经成 为当今 战术 武器研究 的新 热点 , 并受到世 界各 国的重视 。冲压发动 机凭 借其构 造简单 、 量轻 、 积小 、 重 体 推重 比大 、 成本 低等 一 系列
W ANG Xio~rn JAN Ge a o g,I G n—z u, HOU C a g—s e g h Z hn hn
( o eeo ehncl n ier g N U T, aj gJ n s 10 4 hn ) C l g fM c ai g ei , J S N ni i gu2 0 9 ,C ia l aE n n n a AB T ACT:omnmi eia cs fa jt sie r eteadepc l pr nci e cni rv efe SR T ii z rs t e me as t po ci n sei l s es i n t a oe h r e sn or sd j l ay u o l mp t i
击f + , + ( + ( ( 告, S ) ) )
=0 。
0 唧 2- 。 1 - * 0 1
式 中, 西为通用变量 , 代表 /V 、 Z 、 T等求解 变量 ; 为广 义扩 . , F 散系数 ; 为广义源项。 定常情况下 ,
数值计算方法采用有 限体积法 , 对式 ( )中的对流项 采 1 用二阶迎风离散格式进行离散 , 对粘性项 采用 中心差分格式 离散。 初始条件处处为常数 即等 于来流 条件。 1边 界条件 进5 1 设为压力远场 。 口边 界条件 , 出 对于超声速一律外 推 ; 面采 壁 用无滑移绝热 固壁条件 , u = =W =0 即 。
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王 志.等: 汽车发动机进气道流场三维数值解析与优化
气缸轴线分布向下逐渐呈现出规律性(滚流逐渐耗 散,最终呈现出龙卷风式的涡旋运动),在1.75倍的 缸径处已无轴向回流。试验中常在此截面测量气流 转矩。流场计算中,在此截面对速度和动量矩积分, 即可得到流量q。和气流转矩7T:
图l气道一气缸网格
引用本文格式:王志.帅石金.王建昕.黄荣华.王必璠.卢蓓 汽车发动机进气道流场三维数值解析与优化[期刊论文]
-清华大学学报(自然科学版) 2004(8)
辇发生繁分袭离霎,气鼍门裂盘—下面要附慧近是流动墨紊全乱篡。一’部在分鎏气流簧未2竺耋。2气道、“改一进“
经螺旋室而直接切向入缸与气缸壁发生碰撞,形成 2.1改进原则
切向涡流和滚流。气缸内流场速度、压力、湍动能沿
在柴油机中,进气涡流可增加油气混合速率,缩
万方数据
清华大学学报(自然科学版)
短着火延迟和燃烧持续期。但高进气涡流会造成进 气流量减小和相邻喷油束间的油雾重叠。因此,车用 柴油机达欧Ⅱ以上阶段的排放控制都采用了低涡流 进气配合高压喷射的技术方案[6]。
(b)改进后 图5气道一气缸流场速度矢量投影
图6是改进前后气道一气缸流场湍动能等值线 图。可看出,原气道流场存在明显的螺旋气流与切向 气流的交汇区,此处湍动能是。。一378 m2/s2;改进 后,交汇区消失,忍…=288 m2/s2,出现在缸内。可 见,流场结构的调整,使得进气阻力降低。
@改进后 圈6气道一气缸流场湍动能等值线
流与切向气流发生了交汇(碰撞),能量耗散,减小厂
进气量。因此气道设计上此区域应尽可能避免。2)
切向气流偏少,约占总气流的20%。大量cFD计算
图2气道一气缸气门背
和气道稳流试验对比发现,性能优良的气道具有切 向涡流为总涡流30%左右的特点[5],此时流量最大 且流动结构最佳。可见,原进气道有改进潜力。
6.周明彪;王志;黄荣华 车用柴油机排放控制及欧Ⅱ阶段技术方案[期刊论文]-汽车科技 2002(02)
本文读者也读过(6条) 1. 周昌祁 C14D发动机进气道流场三维数值模拟[学位论文]2011 2. 宋龙甫 EQ4BTA3.9柴油机达欧Ⅰ排放的开发研究[会议论文]-2001 3. 左伏桃.ZUO Fu-tao 东风天龙问世重卡竞争加剧[期刊论文]-专用汽车2006(6) 4. 赵靖华.洪伟.李学军.李珏.Zhao Jinghua.Hong Wei.Li Xuejun.Li Jue GDI汽车发动机怠速时滞依赖的H∞控制 [期刊论文]-农业机械学报2010,41(11) 5. 王樵.马朝臣.施新 应用三维CFD计算发动机进气门流量系数[期刊论文]-车用发动机2002(6) 6. 吴美慧.WU Mei-hui 汽车发动机进气道造型与流场计算[期刊论文]-企业科技与发展2010(10)
清华大学学报(自然科学版) JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY(SCIENCE AND TECHNOLOGY) 2004,44(8) 3次
参考文献(6条)
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三坐标仪测量原始气道得到三维点云,使用 Sufacer软件从中抽取控轨线,使用Pro/Engineer 软件拟合出气道曲面,对气道曲面进行缝合和封闭, 即可提供给快速成型设备或数控加工,通过工业标 准的sTI。格式传递数据,快速成型得到三维纸质气 道芯盒,经抽气试验满足流通性能即可定型。定型后 数控加工出金属阴模,制作气道沙芯,浇注缸盖。
1.3边界条件 1)固定壁面边界 绝热无滑移,固定壁温为293 K;采用湍流壁面
函数对边界层进行处理[4]。 2)进出口边界 采用稳流试验条件,给定压差3 920 Pa(进口为
大气环境压力,出口为气道出口压力)。
1.4计算结果分析 气门全开时,气道一气缸三维流场迹线见图2。
从图2可以看出,在螺旋进气道的进气过程中,气流 的流动状况非常复杂,发生旋转、分离和回流等 现象。
g。一÷D2p。,
(1)
吐
r即r古D
丁一l I。厂副口ID口。rdrd护.
(2)
JoJ o
式中:D为缸径,jD为密度,秽。为三维速度矢量’,
沿气缸轴向的速度分量,可一为y的切向速度分量。
图3示出了不同气门升程I。下气道流量特性
和扭矩特性的计算结果与稳流试验台试验结果对
比。可以看出,流量的CFD计算值与试验值吻合较
万方数据
万方数据
汽车发动机进气道流场三维数值解析与优化
作者: 作者单位:
刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:
王志, 帅石金, 王建昕, 黄荣华, 王必璠, 卢蓓 王志,帅石金,王建昕(清华大学,汽车工程系,汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084) , 黄荣华(华中科技大学,能源与动力学院,武汉,430074), 王必璠,卢蓓(东风汽车工程研 究院,十堰,442001)
1)气流进入螺旋气道后,可分为两部分:绝大 部分气流为螺旋气流(沿螺旋段旋转后,沿着锥形气 阀背流入气缸);约20%的气流为切向气流(未经螺 旋段,直接进入气缸)。螺旋气流中气道顶部约5% 的气流经螺旋段旋转后回到喉口与一部分切向气流 交汇,形成了整个气道中动量变换最强烈的区域,这 是减小充气量的重要原因。
引证文献(3条)
1.孙平.冯伟伟.徐毅.缪岳川 直喷式柴油机进气流场的数值模拟研究[期刊论文]-拖拉机与农用运输车 2008(3) 2.张永恒.张力.黄永生 进气道喷油汽油机气道气流运动三维数值模拟及稳流实验研究[期刊论文]-世界科技研究与
发展 2013(1) 3.韩义勇 应用CFD评价和改进柴油机进气道[学位论文]硕士 2005
好,而气流扭矩积分值与测量值出现了在小升程时
偏差大、大升程时偏差小的现象。可能的原因是:小
升程时,气流流通截面狭窄,cFD计算耦合了壁面
函数模型,该模型在高Re下呈现出精度低的特点。
40
一
l 考20
i
0 L/m”
图3气道流通特性的测量值与计算值对比
通过对气道CFD计算结果的分析发现,原气道
有两个流动方面的缺陷:1)在气道喉口处,螺旋气
由于受到缸盖结构布置的限制,不能通过改变 气阀位置或旋转气道尾部的方法来调整切向涡流以 达到最大流通能力。因此,需要对螺旋气道头部几何 形状进行调整,见图4。调整的方向是增大切向入缸 气流量,减少螺旋段顶部返回的气流量。
(a)改进前
图4气道改进方案示意及改进前后的形状对比
2.2改进方法
发动机气道的现代研制流程是cAD/CAM/ cFD集成的方法[1|,即cAD造型、cFD优化、 cAM快速成型。
2.3改进前后的计算结果对比 图5是改进前后气道一气缸流场速度矢量在切
面上的投影。可以看出,进气最大流速发生在气道沿 程最小截面(气道喉口附近),喉口处流动的尺P量 级为105。改进前,气门全开时喉口处最大流速口。。 为1 22 m/s。改进后的气道最小流通截面积增大,喉 口处最大流速口。。也增大至1 28 m/s,流量较原气 遭提高14%,参见表1。可见,由于增加了切向气流 而减少了螺旋气流的份额,涡流下降。