進(jìn)氣限流閥體結(jié)構(gòu)分析

白云龍，關(guān)亮亮，曾令輝，王思朋

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

引言

本文針對(duì)限流閥體中限流閥前段的漸縮管部分和限流閥后段的漸擴(kuò)管部分進(jìn)行角度的分析比較，為限流閥體找到合適的角度，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)可以輸出最大動(dòng)力和最好的動(dòng)力響應(yīng)。

1 進(jìn)氣限流閥設(shè)計(jì)

規(guī)則要求進(jìn)氣總管道上加裝一個(gè)20mm 的限流閥，由于它的存在，使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣受到很大限制而減少，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩就會(huì)有很大的損失，因此需要對(duì)限流閥前后的管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在本文所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中，空氣先通過節(jié)氣門進(jìn)入進(jìn)氣總管道前段，經(jīng)過限流閥后進(jìn)入總管道后段，最后進(jìn)入到穩(wěn)壓腔中。因節(jié)氣門直徑和穩(wěn)壓腔接口直徑都大于限流閥直徑，這正好行了一個(gè)文丘里管，所以可以借助文丘里效應(yīng)對(duì)其進(jìn)行分析。由文丘里管可知，空氣在管路流動(dòng)時(shí)，管路直徑經(jīng)過了一個(gè)大-小-大的過程，正是因?yàn)橥ㄟ^中間直徑較小的喉管，即限流閥，使氣流由粗變細(xì)，這樣可增加空氣的流動(dòng)速度，加大進(jìn)氣的真空度，這樣就可以利用真空度和空氣的慣性來增加進(jìn)氣量（低轉(zhuǎn)速時(shí)效果明顯）。

1.1 限流閥前段設(shè)計(jì)

由流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)知，空氣在管道中流動(dòng)時(shí)，由于慣性的存在，空氣不能按照管道的突然變窄也突然收攏，所以文丘里管中將喉管前部設(shè)計(jì)成逐漸收縮的管路，外緣呈喇叭口展開，這樣可以更好的引導(dǎo)氣流，將空氣快速收攏起來。本文研究的限流閥結(jié)構(gòu)中，進(jìn)口處與節(jié)氣門相連接，直徑30mm，中間喉管處為限流閥，直徑20mm，二者差距較大，如果設(shè)計(jì)成階梯狀的管道，進(jìn)氣空氣的流動(dòng)能量將會(huì)受到很大損失，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率，所以也必須參考文丘里管結(jié)構(gòu)，將前段設(shè)計(jì)成漸縮管形式。由流體力學(xué)理論知，在假設(shè)管道為完全光滑的前提下，漸縮管的縮進(jìn)角度愈大，其阻力系數(shù)就會(huì)越大，所以可以通過加長(zhǎng)漸縮管長(zhǎng)度來減小縮進(jìn)角度，降低阻力系數(shù)。但實(shí)際應(yīng)用中，管路不可能是完全光滑的，管路越長(zhǎng)，流動(dòng)過程中阻力越大，進(jìn)氣損失越多。由參考資料知，最佳收緊角度為35 度到45 度，同時(shí)考慮到賽車主環(huán)尺寸和空間，本文中取減縮管縮進(jìn)角度為38 度。

1.2 限流閥后段設(shè)計(jì)

進(jìn)氣管道中，限流閥的后端與穩(wěn)壓腔垂直連接，穩(wěn)壓腔為100mm 左右的圓柱形，所以連接處直徑約為60mm。進(jìn)氣管道中的空氣，經(jīng)過前段減縮管的收攏后經(jīng)過限流閥，速度變大，壓力減小，高速流動(dòng)的空氣如果突然遇到截面的突然變大，會(huì)在穩(wěn)壓腔內(nèi)形成很強(qiáng)紊流，對(duì)進(jìn)氣影響很大，所以需要將空氣流過的管道直徑逐漸由20mm 擴(kuò)大為60mm，即形成一個(gè)漸擴(kuò)管的形式，來減少穩(wěn)壓腔腔內(nèi)的紊流。由參考資料知，漸擴(kuò)管內(nèi)阻力系數(shù)與進(jìn)出口面積比值有關(guān)，同時(shí)與漸擴(kuò)角度相關(guān)，漸擴(kuò)角度愈大，整體的阻力系數(shù)越大。常見漸擴(kuò)角度數(shù)一般設(shè)定在5 度到10 度，因?yàn)樵诖私嵌确秶鷥?nèi)，摩擦系數(shù)較小且變化范圍小。考慮到空間安裝需求，本文取漸擴(kuò)角分別為6，7，8 和9 度四種情況分別對(duì)限流閥進(jìn)行建模，分析其進(jìn)氣效果。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)三維流場(chǎng)分析

本文利用Fluent 流體分析軟件，分別對(duì)限流閥入口，喉管和出口的壓強(qiáng)，速度和流量進(jìn)行模擬計(jì)算，用于對(duì)比分析，找到最合適的一個(gè)限流閥設(shè)計(jì)。

2.1 三維模型建立

通過上述分析，設(shè)定本文中所分析的限流閥漸擴(kuò)角度分別為6，7，8 和9 度，在CATIA 中分別建立模型如圖1 所示，圖中A 為漸擴(kuò)角度6 度，B 為漸擴(kuò)角度7 度，C 為漸擴(kuò)角度8 度，D 為漸擴(kuò)角度9 度。

圖1 四個(gè)漸擴(kuò)角度的三維模型

2.2 數(shù)據(jù)模擬

根據(jù)已知條件，設(shè)置邊界條件以及計(jì)算控制參數(shù)，運(yùn)行模擬計(jì)算得出結(jié)果。在對(duì)模擬出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比前，需要先對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確性的判斷，即分析其殘差收斂曲線是否為迭代收斂。四種模擬計(jì)算中，進(jìn)口質(zhì)量流量與出口質(zhì)量流量的差值都很小，最大的值為0.0026g/s，相較于進(jìn)口質(zhì)量流量的72g/s 可以忽略不計(jì)，因此可判定迭代收斂，所以可以對(duì)模擬輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。將四種漸擴(kuò)角下模擬出的速度云圖和壓力云圖整合到一起，如圖2 所示：

圖2 四個(gè)漸擴(kuò)角度的速度和壓力云圖

2.3 數(shù)據(jù)整理分析

通過模擬計(jì)算，可得出漸擴(kuò)角度分別為6，7，8 和9 度下列幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其中包括限流閥處壓強(qiáng)（KPa），最大速度（m/s），出口壓強(qiáng)（KPa）和出口流量（g/s）。限流閥處壓強(qiáng)為35.1，34.5，35.3，35.7。最大速度為393，395，395，384。出口壓強(qiáng)為90.61，90.58，90.04，90.70。出口流量為71.77，72.19，72.11，72.14。

判斷限流閥漸擴(kuò)管部分性能好壞的指標(biāo)有很多，其中相對(duì)較重要的有空氣流量和壓力損失，所以重點(diǎn)對(duì)比不同漸擴(kuò)角度下的末端壓強(qiáng)和空氣流量。首先對(duì)比限流閥處空氣流速，流速越快，說明漸縮管部分空氣流動(dòng)能量損失越少，通過限流閥處的流量越大，結(jié)果顯示漸擴(kuò)角為9 度時(shí)空氣速度最低，且明顯低于其他三個(gè)。接下來對(duì)比出口壓強(qiáng)，壓強(qiáng)越高說明壓力損失越小，結(jié)果顯示漸擴(kuò)角為8 度時(shí)出口壓強(qiáng)最小，且明顯低于其他三個(gè)。最后對(duì)比出口流量，流量越大說明單位時(shí)間通過空氣量越多，結(jié)果顯示漸擴(kuò)角為6 度時(shí)出口流量最小，且明顯低于其他三個(gè)。同時(shí)對(duì)比上述三個(gè)數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)不同角度下，各組數(shù)據(jù)都有不同的缺點(diǎn)，只有一組數(shù)據(jù)相對(duì)最合理，那就漸擴(kuò)角為7 度時(shí)的數(shù)據(jù)，此時(shí)限流閥處流速最快，出口流量最大，壓力損失雖然不是最小，但與其他角度的數(shù)據(jù)十分接近。所以通過對(duì)比可以知道，選擇漸擴(kuò)角為7度最合適。

3 結(jié)論

通過將進(jìn)氣總管道抽象成文丘里管，對(duì)其前段漸縮角度和后段漸擴(kuò)角度進(jìn)行理論分析和模擬對(duì)比分析，可得出如下結(jié)論。在前段減縮部分最合適的角度為38 度。而在后端漸擴(kuò)部分，通過對(duì)進(jìn)氣限流閥體漸擴(kuò)部分的角度進(jìn)行不同的設(shè)定，并利用三維流體模擬軟件對(duì)限流閥處壓強(qiáng)和流速及出口處壓強(qiáng)及流量進(jìn)行模擬計(jì)算。通過對(duì)不同角度下的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析對(duì)比，可得出最適合的漸擴(kuò)角度為7 度。此時(shí)限流閥處流速最快，出口流量最大，壓力損失雖然不是最小，但與其他角度的數(shù)據(jù)十分接近。于此同時(shí)還需要考慮安裝位置和空間的問題，所以最終得到漸擴(kuò)角度為7 度最適合本設(shè)計(jì)。