3 气门摩托车汽油机进气流动特性模拟.docx
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3气门摩托车汽油机进气流动特性模拟
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125mL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125mL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125mL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ALE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
Av0
A=
πd2
vn
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
VEHICLEENGINE
Supplement（SerialNo.176）
Jun.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
293K;
进出口边界:
采用进出口定压差,进口总压
100kPa,出口静压97.5kPa;
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为气道及缸内的压力分布;图3为进气门
升程4mm时气缸横切面的速度分布;图4为进气
门升程5mm时气缸横切面的速度分布;图5为进
气门升程6mm时气缸横切面的速度分布。
图2 气道及缸内的压力分布
图3 进气门升程4mm时气缸横切面的速度分布
图4 进气门升程5mm时气缸横切面的速度分布
图5 进气门升程6mm时气缸横切面的速度分布
由以上3张气缸横切面速度分布图可以发现,
在气缸内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,而且当气门升程较大时,气流漩
涡的动能较大。
图6为进气门升程4mm时,气道气缸纵切面
的速度分布图。
图7为进气门升程5mm时,气道
· 80 · 车 用 发 动 机 2008年增刊
气缸纵切面的速度分布图。
图8为进气门升
程6mm时,气道气缸纵切面的速度分布图。
图6 进气门升程4mm时气缸纵切面的速度分布
图7 进气门升程5mm时气缸纵切面的速度分布
图8 进气门升程6mm时气缸纵切面的速度分布
由以上3张气道气缸纵切面速度分布图可以发
现:
在进气门的下方会形成明显的纵向气流漩涡。
5 计算结果与稳态试验的对比
虽然稳态试验并不能完全真实地反应实际流动
状况,但实践表明,在稳流试验中性能较好的气道,
通常在实际发动机中也有较好的工作特性[3],根据
气道稳流试验所判定的气道流动特性总是与实际发
动机工作性能相一致[4]。
因此,通常将模拟计算结
果与试验数据进行对比分析。
本研究为利用FIRE
对气道气缸内空气流动进行模拟计算,得到气道流
量系数与试验值比较（见表1）。
表1 流量系数试验值与计算值的比较
气门升程/mm123456
计算值0.1510.2950.3870.5910.7020.790
试验值0.1360.2690.3640.5520.5990.648
相对误差/%9.9 8.8 5.9 6.6 14.7 17.9
由表1可知,数值计算结果和试验测试结果的
变化趋势是一致的。
在气门升程较小和较大时存在
一定偏差,这主要是因为网格划分造成的误差。
6 结束语
本研究利用CFD方法模拟了3气门发动机进
气道及缸内的三维流场,发现了进气门下方的横向
空气流动漩涡和纵向气流漩涡流动,并得到不同气
门升程下的进气道流量系数;通过与稳流试验对比
可知,在一定程度上用CFD计算可代替稳流试验。
由于稳流试验无法得到大量的三维流场信息,
因此,在进行发动机改型设计或全新设计时,可先利
用CFD进行发动机工作过程模拟计算,为发动机进
气道的优化设计提供依据。
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2008年6月 黄 琪,等:
3气门摩托车汽油机进气流动特性模拟 · 81 ·
SimulationofIntakeFlowCharacteristicofMotorcycleEnginewithThreeValves
HUANGQi1,LIYun2qing2,ZHANGLi1,LIYing2quan3,HEZe2long4
（1.CollegeofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing 400044,China;
2.Dept.ofAutomobileEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing 100083,China;
3.TechniqueCenterofJiaLingCompany,Chongqing 400032,China;
4.Chongqinguniversityofscienceandtechnology,Chongqing 400010,China）
Abstract:
Theflowfieldintwointakeportsofone32valve125mLenginewasnumericallysimulatedbyCFD.Twoairspiral
vortexwhichwerelargescaleandcrossdirectionwerefoundonvelocityscatterdiagramofcrosssection,andairspiralvortex
whichwasstrongandlongitudinaldirectionwasfoundonvelocityscatterdiagramoflongitudinalsection.Atthesametimethe
flowcharacteristicsweresimulatedunderdifferentvalvelift.Thecalculatedresultsfortheflowcoefficientagreedwellwith
steadyflowmeasurements,whichprovedthatthetestedmethodoftheflowcoefficientcanbesubstitutedbytheCFD.
Keywords:
gasolineengine;in2takeport;numericalsimulation;flowcoefficient[编辑:
李建新]
（上接第75页）
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江西科
学技术出版社,2002:
972110.
ComparativeInvestigationofMainBearingBolt
betweenFEMAnalysisandFormulaCalculation
YAOLiang2yu,CHENZe2zhong,GUOChang2ming
（ChinaNorthEngineResearchInstitute,Datong 037036,China）
Abstract:
Thepaper,thestiffnesscoefficientofdifferentdiametermainbearingboltiscalculatedwithFEMmethods.Comparedthe
FEMdatewithformulaones,theresultsindicatethattheformula2calculatedstiffnesscoefficientincreasesslowerthantheFEM2ana2
lyzedbecausethesimplifyofformulacalculation,whendiametervariedfrom16mmto18mm,thedisparityis3percent.
Keywords:
mainbearingbolt;stiffnesscoefficient;finiteelement;formulacalculation[编辑:
潘丽丽]
（上接第78页）
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15
（1）:
15218.
NumericalSimulationofCoolantFlowinDieselEngine
CoolingWaterJackets
YEYi2su,XINZhe
（ChinaAgriculturalUniversity,Beijing 100083,China）
Abstract:
Inthispaper,coolingwaterjacketmodelofasix2cylinderengineissetupbymeansofathree2dimensionCADsoft2
warenamedPro/E.ThenthemodelischeckedandmeshedbyakindofCFDpre2preprocessornamedGAMBIT.Subsequently,
theflowfieldsinformation,suchascoolantflowfieldrate,pressurelossandflowdistributionarecomputedandanalyzed,and
thendisplayedallbyusingFluent,oneimportantkindofCFDsoftware.Theresultsareusefulforoptimizationdesignofthe
structureofenginecoolingwaterjacket.
Keywords:
dieselengine;waterjacket;numericalsimulation;C__
图1 计算模型及网格示意图
图2 气道及缸内的压力分布
图3 进气门升程4mm时气缸横切面的速度分布
图4 进气门升程5mm时气缸横切面的速度分布
图5 进气门升程6mm时气缸横切面的速度分布
图6 进气门升程4mm时气缸纵切面的速度分布
图7 进气门升程5mm时气缸纵切面的速度分布
图8 进气门升程6mm时气缸纵切面的速度分布
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