本田节能赛车发动机进气管的优化设计

　　摘要：基于本田节能大赛规则，对WH1152FMI发动机进气管进行性能优化设计，对不同喷油角度的管道模型用Fluent进行进气仿真，结果显示，在初始阶段，进气管内的气体靠近管壁的流动快，靠近管道截面中心的流动慢，在进气阶段，靠近喷油器一侧管壁的气体流动速度快，并且距离越远(出口边界面上)，速度越小。管道内气体流动速度越快，其气压越低;出口处则相反;进气管拐角角度为35°时，管道内的流体流动综合性能最佳。

　　Abstract： According to the Honda Eco Racing regulation， WH1152FMI engine inlet pipe is redesigned. Air inlet simulation of the inlet pipe is proceeded in Fluent. The results show that at the beginning， the air by the pipe wall flows more quicikly than the air at the center of the pipe cross section. When at the intake stroke， the flow velocity of air at the spout of the injector is higher than the far air. As the angle of the air intake pipe is 35°， the composite performance is the best.

　　关键词：发动机;进气管;设计;流体;仿真

　　0 引言

　　进气管在发动机中扮演着重要的角色，内燃机缸内空气充量大小及形成涡流的强弱直接与结构相关，所以其結构影响着气缸内燃油的燃烧状况，进而关系到发动机的动力性、经济性及排放性能。运用Fluent软件对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，可以方便的在特定的区域内使计算速度、稳定性和精确度等方面达到最佳的配比，使原本各个流域复杂流动的计算变的容易，减少了计算量，提高了运算效率。

　　1 进气管参数设计

　　考虑到本田节能车升级、改进的过程中，进气管会间接影响发动机的性能，所以对其结构形式进行设计计算[1]。

　　为了减小进气管对发动机的充排气效应的影响，保证发动机的进气量能迅速响应油门变化，摩托车发动机的进气系统要设计的非常紧凑[2]。摩托车进气管设计，为响应单缸发动机转速的快速变化，进气管内的空间体积要大于发动机排量[3]，则进气管长度L有：

　　L=V/S(1)

　　式中，V——发动机排量;S——管道横截面积。

　　求得：最小管截面半径11mm下的最小长度：328mm;

　　最大管截面半径14mm下的最小长度：202mm。

　　考虑到车身体积，安装位置受限等因素，进气管长度不应小于202mm。经研究表明，同排量同缸径的发动机转速在7000转/分钟其进气压力波动相对较大，因此以标定转速为设计基础，根据经验选择[1]最佳进气管长度为0.323m。

　　2 进气管模型

　　进气管改进前后及简化情况如图1(b)所示。喷油角度决定B处管道的角度，两者同轴，C处的两个角度等于燃油喷射角，用Fluent软件分别对安装喷油器角度20°、30°、35°、45°的进气管管内流体环境的再现。

　　3 仿真分析

　　3.1 进气管网格划分及边界条件设定 自由网格划分，不限制模型的形状，即使是不规则的，也可以进行网格划分[4]，并将其简化，如图2所示，节点数为36348，单元网格数为125304。进气管的上游、喷油嘴入口平面、进气管的下游等部位在BC面板中设定指定边界条件，在进气门刚刚开启时，对管道内流体的瞬时状态进行分析。

　　3.2 管内流体压力 如图3(a)-图3(d)所示，分别为管路拐角为20°、30°、35°、45°的管道垂直截面的压力分布云图。通过仿真过程可以看出，管道内的气流压力在同一横截面上的压力分布并不均匀，区域的颜色高亮代表高压，角度越大，高亮区域越少，压力损失越大;弯角角度为20°的管内压力最高且气压分布最均匀，压力越高，气流恢复补充速度就越快;35°与30°、40°相比管道发生弯曲的压力分布最均匀，出口处的压力分布不均匀。

　　3.3 管内流体速度 如图4(a)-图4(d)所示，分别为管路拐角为20°、30°、35°、45°的管道垂直截面的速度分布云图。通过仿真过程可以看出，流体速度的大小与压力的变化有关，在速度开始发生变化的位置上，其压力必定发生变化;进口处气体流速很慢，其压力变化很小。靠近出口的气体流速会升高，其压力变化幅度大;出口段管道管壁附近的气体流动速度最快，如图4(d)所示，45°弯管在管道中心的速度等高线上差异最突出;与其余三图相比，35°的气体速度在管道截面上分布最平稳，有助于提高燃油雾化的均匀性。

　　4 结论

　　经过对四种不同弯度进气管管内的压力仿真分析，可得出以下结论：①管道中流动的气体内部压力分布不均匀;②总体上，管道越平直，压力分布相对越均匀;③管道内气体流动速度越快，气压越低;出口处相反。

　　参考文献：

　　[1]石皓天.GDI汽油机进气系统的数值模拟研究[D].天津：天津大学，2008.

　　[2]丁济凡.电喷摩托车发动机进气调节特性的研究[D].天津：天津大学，2009.

　　[3]王鑫鑫，雷基林，等.柴油机螺旋进气道三维造型设计与CFD分析[J].车用发动机，2011，5：24-25.

　　[4]都志辉，陈渝.网格计算[M].北京：清华大学出版社，2002：3-46.

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文章名称： 本田节能赛车发动机进气管的优化设计

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