（动力机械及工程专业论文）发动机进排气系统稳流试验装置的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 发动机进排气系统的结构和流动性能的优劣宣接影响到发动机的动力 性、经济性和排放性。然而，发动机进排气系统中的气体流动是一个非常复 杂的非稳态流动过程，目前仍无法精确计算出来。因此，进行发动机进排气 系统流动试验就很有必要。考虑到当前的急需及科研经费的限制，我们先研 制出发动机进排气系统整边垫坠菱嚣g 歹7 “嗣 本试验装置实现了隔室操作，具有点控和程瘟话焉实验的功能，能自动 采集、显示并处理实验数据，通过接头的转换能进行排气管吹风试验，进气 管吹风试验，m p c 三通管吹风试验，中冷器吹风试验和增压器放气阀或废 气再循环( e g r ) 阀等五种吹风试验。本文详细论述了每个试验的总体构 思与设计，试验原理及试验过程。最后附上各个试验的原理简图及装配 总图。 本试验装置的测控部分主要包括压力、温度、流量的采集及显示， 报警系统的处理，阀门的开度控制及压力控制，上位机与下位机之问通 讯等。上位机采用美国n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 虚拟软件编程，h 卜 位机采用0 m r o n c 2 0 0 h 可编程控制器( p l c ) 进行控制，它们之间按 r s 2 3 2 协议进行串口通讯。数据后处理在m i c r o s o f te x c e l 中进行。j 二位机 与e x c e l 之间通过动念数据交换机制( d d e ) 进行数据交换。在e x c e lr | i 很好地 实现了数据报表打印及图表的实时显示，界面美观大方。 试验装置研制完毕后，对某一型号发动机的m p c 系统排气管进行了吹 风试验，得到原始数据打印报表并绘制出流量系数与压比之问关系、瓜力= _ 失系数与马赫数之间关系两条曲线。 【最后用p r o e 软件对上述m p c 三通管进行了三维实体造型，然后调入 f i r e 软件中进行了三维流动数值计算，并用试验结果验证了计算结果。结果 表明：计算结果与试验结果吻合较好。 ，、r 关键词：发动机；进排气系统! 设计；似4 控，三维实体造型；流动计算 )l 7 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t r u c t u r ea n df l o wp e r f o r m a n c eq u a l i t yo fe n g i n ei n t a k e & e x h a u s ts y s t e mh a v e i n f l u e n c eo nt h ep o w e r ，e c o n o m ya n de x h a u s te m i s s i o n sp e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n e d i r e c t l y h o w e v e r ，t h ef l o wi ne n g i n ei n t a k e e x h a u s ts y s t e mi sa v er yc o m p l e xa n d n o n s t e a d yf l u i dd y n a m i cp r o c e s s ，w h i c hc a b tc a l c u l a t ea c c u r a t e l ys of a r t h e r e f o r e ，i ti s v e r yn e c e s s a r yo fm a k i n ga ne x p e r i m e n to nt h ef l o wo fe n g i n ei n t a k e e x h a u s ts y s t e m ： c o n s i d e r i n gu r g e n tn e e d o ft h ef l o wt e s tr i ga n dl i m i to ft h er e s e a r c hf i n a n c e ，w eh a v e f i n i s h e dm a n u f a c t u r i n gt h er i go fs t e a d yf l o wt e s tf o re n g i n ei n t a k e e x h a u s ts y s t e m s f i r s t l y t h i st e s tr i gh a sm o u s e c o n t r o la n dp r o g r a m - c o n t r o la n d h a sc a r r i e do u td a t a a c q u i s i t i o n ，d i s p l a ya n dp r o c e s s i n g m o r e o v e r , t h et e s tr i gc a nd om a n yk i n d so f e x p e r i m e n t ss u c ha ss t e a d yf l o wt e s to fe x h a u s tp i p e ，i n t a k ep i p e ，m p cs y s t e mt r l p i p e ， m i d - c o o l i n gc o m p o n e n ta n dd e f l a t i o nv a l v eo fs u p e r c h a r g e ro rv a l v eo fe g re t c t h i s p a p e rd i s c u s s e st h eg e n e r a lc o n c e i v ea n dd e s i g n ，e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l ea n de x p e r i m e n t a l p r o c e s so ft h et e s tr i gi nd e t a i l f i n a l l y ，p r i n c i p l es k e t c ha n da s s e m b l i n gd r a w i n go fe v e r y t e s td e v i c eu p w a r d sh a v eb e e np r o v i d e d t h em e a s u r e m e n t c o n t r o lp a r to ft h et e s tr i gi n c l u d e st h ed a t aa c q u i s i t i o n i n d i c a t o ro fp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n df l o w ，a l a r ms y s t e m ，t h ev a l v ec o n t r o lb yo p e n d e g r e eo rp r e s s u r e ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc v ia n dp l c ，l a b w i n d o w s c v i p r o d u c e db ya m e r i c a nn fc o m p a n yc o m p i l e st h es o f t w a r eo ft h et e s tf i g t h eh a r d w a r ei s c o n t r o l l e db yo m r o n c 2 0 0 hc o m p i l e db yp l cs o f t w a r e t h ed a t ap o s tp r o c e s si si n m i c r o s o f te x c e l 2 0 0 0 t h ei m p l e m e n to fd a t ae x c h a n g ei st h ed y n a m i cd a t ae x c h a n g e ( d d e ) b e t w e e nc v ia n dm i c r o s o f te x c e l t h ec h a r t sp r o d u c e di ne x c e la n du s e ri n t e r f a c e a r es u c c e s s f u ia n db e a u t i f u l a f t e rf i n i s h i n gt h et e s tr i g ，w eh a v ed o n ee x p e r i m e n to nonet y p eo fe n g i n em p c s y s t e me x h a u s tp i p ew i t ht h er i g s o m ea r r a y so fo r i g i n a ld a t ah a v eb e e np r o d u c e da n d f l o wc o e f f i c i e n tv s p r e s s u r er a t i oa n dp r e s s u r el o s sc o e f f i c i e n tv s m a t hn u m b e rh a v e b e e np r o v i d e db a s e do nt h e s ed a t a f i n a l l y ，t h et h r e e d i m e n s i o nd r a w i n go fm p cs y s t e me x h a u s tp i p ed e p i c t e db e f o r eh a s b e e nm a d ew i t hp r o ea n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss i m u l a t i o no ft h ep i p eh a sa l s o b e e nm a d ew i t hf i r e t h er e s u l ts h o w st h ep a r a m e t e r ss u c ha sp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，a n d f l o w ，f l u i dr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n te t c m a t c hw e l lw i t ht h er e s u l to ft h et e s t k e yw o r d s ：e n g i n e ，i n t a k e & e x h a u s ts y s t e m ，d e s i g n ，m e a s u r e m e n t & c o n t r o l ，c a d ，c f d 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 1 1 1 课题来源 课题来源于中国兵器工业第七。研究所。 1 1 2 课题的目的和意义 发动机进排气系统的结构和流动性能的优劣将直接影响发动机的动力 性、经济性和排放特性。而且，发动机所能发出的功率，归根结底是受吸入 的空气量，空气和燃料的混合比例和废气排出情况的影响，持续保持输 j j 商 额功率的关键之一是在换气过程中提高充量系数并降低进排气系统的流动 阻力。设计出最佳的管长和管径，就能在发动机一定的转速范围内增加充气 量，提高功率，改善扭矩特性，降低油耗率和烟度。减少排气系统的流动阻 力，就可以降低残余废气系数，减少泵气损失，提高指示功率和充景系数 川 2 l 【3 j 。因此，研究并改进排气系统的性能及结构无论是在理论上还是在实 践中都很有必要。然而，由于发动机进排气系统是一个复杂的非稳态的流体 动态过程，流体的状态参数和流速不仅是位移的函数，而且是时问的函数， 牵扯到流体力学，空气动力学及热力学等方面的知识，到目前为j l 还无法精 确计算出来1 4 1 1 5j 【6 1 。为此，我们进行了发动机进排气系统稳流试验装簧的研 制及试验，利用该装置不仅可以进行不同形状进排气管多种流型的流动 阻力( 或压力损失) 的试验研究，为进排气管的结构优化提供依据，而 且也可以对进排气系统的非稳流工况计算提供边界条件。因此，该试验 装胃的研制具有重要的意义。 1 2 国内外研究概况 进排气系统中的气体流动是一种非稳态的流动，为了弄清进排气系 统气体的流动特性，在国外，日本的长尾不二夫曾于1 9 5 9 年在一个脉 冲发生器上对排气管中的引射管进行了引射效应和产生最大稀疏波能 量的最佳条件进行了试验研究。英国的n w a t s o n 和m s j a n o t a 在1 9 7 1 年对带脉冲转换器的进排气系统中的非稳流流动进行了研究。他在试验 的脉冲转换器上进行了稳流试验，研究了不同流型的压力损失，以压力 损失系数的形式来表示，损失系数是支管闭的总动力头和质景流的嚼 数。在进行非稳流分析计算时，把稳流中的损失系数以一种“似稳流” 形式作为边界条件，通过特征线法应用到排气系统中的非稳流工况中 华中科技大学硕士学位论文 去。用预测的瞬时压力和用脉冲发生装置测得的瞬时压力比较，发现吻 合得很一致。日本的中阳哲朗和汤本正友利用激波管法对排气管系统的 压力波不稳定现象进行了试验与理论研究，提出了利用稳流叫1 的j k 力损 失系数对任意形状的分歧管都可适用的理论分析方法，且理论分析方法 的结果与试验结果相当一致。用激波管法试验可以找 n 压力波的反射条 件，其结果可以充分说明装机试验结果。英国的r s b e n s o n 在6 0 年代 也对各种形式排气管的稳流和非稳流进行了大量的研究，并在1 9 7 4 年 又对通过废气再循环( e o r ) 阀的气体进行了稳态和非稳态的研究i7 1 。 此外，英国曼彻斯特大学的d e w i n t e r b o n e 等人在1 9 8 5 年对m p c 三通 接头的压力损失系数进行了试验研究，并将该压力损失系数应用于特征 线法工作过程数值计算中，并开展了该种接头内气流的计算研究。i9 9 9 年d e w i n t e r b o n e 等人在前面研究的基础上又引入总压损失系数，对预 测压力损失系数进行了研究1 8 i 。 在国内，没有对进排气系统进行非稳定流动研究的脉动实验装胃。 在非稳定研究方面，朱义伦等人从试验角度着重研究了扩张角为6 度的 单根扩压长歧管的非定常流动特性，发现扩压歧管中的非定常流动规律 与m p c 系统以及其它脉冲系统的排气歧管的流动规律存祚蓿棚：1 1 人的 差异，得出了m s c e m ( 单总管) 系统扩压长歧管更适合于高增压、超 高增压柴油机使用的结论【9 】。对进排气系统进行稳流试验的研究方面， 华中科技大学曾经做过m p c 单个模件的6 个流向压力损失系数的试验 研究工作，并利用该压力损失系数作为边界条件，用特征线法进行了涡 轮增压柴油机的性能匹配计算，后又对进排气管内的三维流动进行了计 算分析。国内其它单位也进行了大量的性能匹配计算，通常选川阑外的 试验数据。因此，在国内还没有对迸排气系统进行过系统的稳流试验研 究和非稳流的试验研究。而进排气系统的流动状态，将影响到排气能罱 的传递与利用，换气过程的扫气，充气效率，进气均匀性等。凶此，研 制进排气系统的稳流和非稳流实验装置有着非常大的学术和经济价值。 但是，考虑到目前的情况，包括前期预研、技术储备以及科研经赞，j 3 能是先研制出稳流实验装黄，然后再研制非稳流实验装置。所以本次设 计任务围绕稳流试验装簧展开i l 。 1 3 发动机进排气系统现代化设计 1 3 1 发动机现代化设计概况 华中科技大学硕士学位论文 试验是为了更好地为设计服务，设计建立在试验的基础之上。近年来， 现代化设计发展迅速，已成为现代新技术在发动机研制中的重要应用之一。 发动机的现代化设计理论和方法主要包括：有限元分析、可靠性分析、优化 设计、专家系统、c a d c a e 、流体流动和润滑等方面的分析内容i 。 内燃机是一个极其复杂的动力机械，曲柄连杆机构、配气机构、机体、 供油系统等各子系统相互制约，而且许多零部件的机械负荷及热负荷非常严 重，因此内燃机的设计和研制是一项复杂而且要求极高的工作。从国内外内 燃机行业九十年代的发展趋势来看，内燃机的产品设计方法和手段f 益现代 化。随着计算机硬件性价比不断提高，超大规模集成电路和r i s c 技术的应 用，具有高速运算和图形处理能力的高分辨率三维彩色实时动态工作站不断 问世。同时在软件方面，各种建模变量几何原理和知识库、工程数据库技术 的应用，使计算机辅助设计已进入采用虚拟装配处理、数字化分析及变量技 术等更为广阔的发展空间，为现代设计理论和方法在内燃机行业中的应用提 供了深厚的基础。早从传统的类比设计上升到采用现代化设计理论和力浊， 利用计算机进行发动机工作过程的模拟仿真计算、动静态结构有限元分析、 系统优化设计以及可靠性设计。并由过去单纯的强度校核向刚度设计、低噪 音设计方向发展。在设计中均采用无图纸的计算机辅助设计( c a d ) ，通过 计算机辅助分析( c a e ) ，提高了设计质量，大大缩短了研制丌发周期1 12 1 1 ”i 。 计算机辅助设计( c a d ) 是从6 0 年代发展起来的现代化方法，经历了 曲面造型、实体绘图、参数化技术和变量化技术等改进。c a d 技术以信息技 术为基础，利用计算机软件和硬件进行产品的方案决策、- 初步设计、工程分 析和工程设计。c a d 技术除了利用图形软件和数据库完成几何和：r ：艺定义， 以及有关信息的存储和利用外，还可以进行产品决策、工程分析及可行性分 析和多方案优选。随着计算机的发展，结构有限元分析、优化设计与产品设 计结合在一起，形成产品分析、设计和制造一体化( c a d c a e c a m ) i l 2j 1 13 1 。 在这方面国内已有了很大的进展。王德海等人根据螺旋进气道的空间形状特 征，运用b e i z e r 曲面拟合和a d s 技术，在a u t o c a d f 实现螺旋进气道结构 汁算机三维造型，为柴油机的螺旋进气道的汁算机辅助设计和辅助制选提供 了现代方法和手段【1 4 l 。韩晓等人分析了螺旋进气道三维形状特征，在m i c r o s t a t i o n 下，利用蒙皮技术，实现了螺旋进气道的三维造型l l5 1 。常思勤等人， ： 展了发动机螺旋进气道三维造型设计的研究，应用非均匀有邢b 样条 ( n r u b s ) 描述气道外形的方法及仿形设计与概念设计的实现途径与关键技 术，探讨了螺旋进气道的设计规律，实现了根据给定设计参数自动建赢柴汕 华中科技大学硕士学位论文 机螺旋进气道的三维几何模型的目标【1 6 l 。王志等人以实际产品为研究对象， 使用三维工程设计软件p r o e n g i n e e r 完成柴油机气道的三维实体造型和模 具加工，使用三维流体动力学软件f i r e o m 完成稳流试验台中气道一气缸流 动的三维数值模拟计算，流动计算结果与试验结果吻合很好。并提出了基于 “c a d c a m c f d ”的气道研制流程。研制出的气道已大量投入产品生产， 发动机排放水平达到欧i i 标准【 】。以上这些研究工作均使内燃机c a d 设计 取得了很大的进展。 可靠性设计是采用概率统计方法来评估零部件的安全与寿命的一种现 代化设计方法。内燃机可靠性指内燃机在规定的使用条件下，在规定的时间 间隔内，完成规定功能的能力。可靠性差将造成内燃机使用效率低，使用费 用高，进而导致相关领域的经济损失，因此，内燃机可靠性问题同益受到人 们的重视。可靠性分析与性能分析、优化技术相结合的研究方法是开后内燃 机设计的趋势。专家系统就是利用存储在计算机内某一特定领域内人类专家 的知识，来解决过去需要人类专家才能解决的现实问题的一种计算机系统。 专家系统一般由知识库，全局数据库，推理机，解释等部分组成，内燃机工 作过程的组织，整机性能和结构选型和设计，以及零部件设计中均可应用专 家系统，应用前景非常广阔【l5 1 。 1 3 2 发动机进排气系统改进设计及优化设计 对于发动机进排气系统设计，主要是确定其结构参数和结构形式，其设 计的好坏直接影响到发动机的充量更换特性，进而影响到发动机的整机性 能。姚春德等人对一台车用柴油机的进气系统进气管长度、进气阻力以及排 气阻力等主要参数进行了详细的研究【l9 1 。结果表明，一定长度的进气管可以 获得最佳发动机综合性能，过长或没有进气管都使发动机的性能不利。研究 结果还表明，进气阻力要比排气阻力对发动机的性能影响大。王世卿等人设 计出一种可调进气管，即在六缸柴油机进气总管内加一可调整节气阀。同时 在6 1 0 2 柴油机上广泛测取了不同管径和管长新进气管充气效率、压力波和 整机性能参数。试验表明，新设计的进气管与原机迸气管相比，最大充气效 率提高1 0 l5 ：全负荷速度特性最大扭矩提高4 3 ；该工况烟度明显降低； 最低燃油消耗率下降2 3 【20 1 。在国外，刘敬平和jfb i n g h a m 等人系统分 析了进气系统各部件的设计参数对充气效率的影响。从压力波动机理上看， 这些影响或源于压力波谐振周期( 管长参数) 或源于压力波幅值( 管径参数) 。 试验结果表明，在中、低速区域，充气效率曲线形态取决于进气系统的总长 华中科技大学硕士学位论文 度，各部件之问的管长分布影响较小；在高速区域，则只与进气歧管有关。 因此，任一部件长度参数的变化，如果改变了系统总长度，将导致充气效率 曲线在转速轴上的平移，而管径参数则只在一相对狭窄的区域内对充气效率 施于影响。在同一系统总长度前提下，进气歧管的交汇方式，在交汇处的间 距，上游部件的形状等对发动机充气效率影响甚微1 2 t 1 1 2 2 1 1 23 1 。合理改进排气 系统的结构参数，也能提高发动机的整机性能。唐秋英等人从合理利用进气 管惯性效应和波动效应可以提高发动机充气效率的原理出发，设计了一个加 长进气管，通过在r 1 7 5 型柴油机上进行的对比试验表明，加长进气管可以 提高发动机充气效率，降低燃油消耗率【24 1 。关伟等人对c a 6 1 0 2 汽油机进气 管的直径与充量之间的关系进行了探讨，并利用c a d 辅助设计对进气管进 行了计算分析，设计了一种小截面进气管。试验结果表明，小截面进气管的 发动机使经济性改善3 ，中低速动力性提高3 以上f 2 ”。张会明等人在分析 2 8 5 型柴油机原进气系统的基础上，探讨了进气管形状、长度、柴油机转速 和它们之间的组合对进气过程和柴油机性能的影响。改进后的进气系统可有 效地利用进气动力效应、增加气缸充气量、改善燃烧过程及提高柴油机的动 力性和经济性 2 6 1 。 随着发动机电控燃油喷射系统的应用，发动机在车上的斫，置空| n j 越来越 小，以及为提高性能要求进排气系统的结构日益复杂，使得进排气系统丌发 难度也越来越大，采用传统的设计方法根本无法满足这些要求。因此，迫切 需要开发能够充分利用计算机辅助技术，加强设计与制造之间的联系，实现 高效率、低成本的发动机进排气系统集成快速开发环境。肖民等人针对内燃 机进排气系统设计，把仿真计算、计算机建模、快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p e m a n u f a c t u r e ) 技术和试验测试技术紧密结合起来，实现计算机辅助技术集成 化，建立了内燃机进排气系统集成快速开发环境，并用于j l 3 6 8 q 汽油机进 排气系统的改进设计中，设计出新型电控谐振进气系统。配气试验表明，采 用该方法，可提高设计的质量和一次成功率，缩短产品研制周期 2 7 1 。 排气系统结构参数影响排气管中的压力波动、排气能量的传递效率、泵 气功及整机的燃油耗率、扫气量及缸头排温的均匀性，以及柴油机高低工况 性能和瞬态特性等。对涡轮增压发动机则更是至关重要。根据发动机的机型， 在发动机工作过程数值模拟的基础上，给出进排气系统结构参数的初始取值 范围、目标函数和约束条件，采用适当的优化方法，即可实现结构参数的寻 优工作。优化设计已成为内燃机现代化设计的主要内容之一 2 8 1 。在迸气系统 优化设计方面，钱耀义等人提出了一种适合于高速柴油机进气管系的简化模 华中。科技大学硕士学位论文 型 2 9 1 ，利用了复合形优化方法可以计算出进气系统的参数，大大减少了计算 量。李建文还提出了一种以进气管系频向特性值为目标函数的多目标优化设 计方法p 。能够优化进气管系的支管长度和管径，外接管长度和管径以及支 管与外接管接口容积的最佳匹配。在排气系统的设计优化方面，帅石金等人 着重讨论了螺旋流m p c 三通管引射管截面收缩比、总管直径、引射管与总 管的夹角以及引射管曲率半径等结构参数对速度分布，压力分布和漩流强度 的影响【2 ”。1 9 9 0 年，卓斌等人在排气系统广义一维非定常流模型的基础上。 对m p c 系统结构参数进行了优化设计1 3 1 】。以排气系统炯差传递效率为目标 函数，优化变量选择排气管直径和支管缩口面积，采用罚函数法先将问题转 化为无约束问题，再选择单纯形加速法求解无约束优化问题。以上这些工作 在一定程度上提高了m p c 系统模型的精度。 1 4 发动机进排气系统数值模拟计算 采用试验与数值模拟相结合的方法是研制性能良好的进排气系统的有 效方法，单纯的试验，工作量很大，成本也较高，另外受测试条件的限制， 有些结果难以得到。因此，设计和改进发动机进排气系统除了进行试验外还 应进行模拟计算。数值模拟方法主要有s i m p l e 法、a l e 法及f v f l i c 法。 湍流模型主要有k e 模型、雷诺应力模型及s g s 模型。计算软件主要有 k i v a ，s t a r c d ，f i r e t 3 2 j 等。目前，发动机流动多维数值模拟的研究多集中 于缸内。对进排气系统的多维流动模拟相对较少，现有的研究大部分集中在 三分支管接头的流动模拟【2 ”。 在发动机工作介质更换阶段，进排气系统内的气体流动过程非常复杂， 具有典型的非定常流动特征。这种非定常流动往往导致管内和气门处十分强 烈的压力波动，并对与之相连的气缸和增压器的匹配性能产生决定性的影 响，在相当程度上影响着内燃机的经济性、动力性、排放性能和噪声。因此， 在进排气系统设计时，仅考虑降低流动阻力是不够的，还必须考虑管路中的 压力波动对换气过程及对增压器匹配性能产生的影响。多年来，各国学者一 直致力于研究采用气体动力学理论来模拟计算发动机进排气系统内气体交 换过程，进而开展诸如进排气歧管和消声器结构和进排气定时、凸轮外形等 有关参数的优化设计，进排气噪声、排放性能、增压器的匹配性能、催化器 的性能以及e g r 性能预测等项工作。所谓气体动力学模拟计算是通过采用 数值方法求解质量、动量及能量三个守恒方程，解决进排气系统内不稳定、 可压缩的气体流动问题0 3 】1 3 4 】。 华中科技大学硕士学位论文 传统的数值计算方法主要有容积法、特征线法及有限容积法。所谓容积 法是把内燃机描述成进行质量交换的一系列容器( 如气缸、进排气歧管和空 滤器等) ，对连接这些容器的管路内发生的气体动力学过程忽略不计。换吉 之，就是把发动机进排气过程简化成一个准定常过程，略去波动传递所需要 的时间，认为同一时刻缸内的压力处处相等。这种方法存在着明显的不足， 即忽略了管内压力波动效应。对采用比较复杂的进排气系统的发动机，应用 此方法将产生很大的误差。在对柴油机与涡轮增压器进行匹配计算时，为了 节省时间仍可采用此方法，原因是压气机和涡轮抑止了气体波动，但当管路 较长和转速较高时这种处理带来的误差较大。针对容积法存在的不足，压力 波的影响逐渐被重视，开始采用非定常流动的物理模型来解决问题，先后出 现了几种波动理论，如“小扰动理论”和“有限波理论”。特征线法是通过 在时空平面引入特征线，将偏微分方程转换成常微分方程进行特征关系求 解。相对前两种波动理论方法，这是一种较严密的解法，未对压力大小作限 制，所以迅速占据主导地位，并在发动机计算分析中被采用。这种方法的不 足在于其计算精度偏低，在时间域和空阃域上均为一阶精度，使得对发动机 性能预估精度受到限制，系统边界处理相当复杂。计算e g r 系统中多组分 混合流动比较困难。进入9 0 年代，有限容积法开始用于发动机进排气系统 的流动模拟计算。这种方法将计算区域划分为一系列互不重复的控制体积， 并使每个网格点周围都有一个控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积 进行积分，得到一组离散方程组。该方法系统边界处理比较简单，并且具有 二阶精度，这是对特征线法的重要改进，但是它失掉了特征线法对不连续性 问题的精确表达和处理方式。事实上，有限容积法最大的问题在于处理不连 续性问题时，如存在激波的流动，局部会出现较大的非物理震荡。在对结构 比较复杂的排气系统进行模拟计算时，这种不足尤为明显。为了解决这一问 题，出现了些改进算法。目前主流c f d 软件均采用有限容积法1 3 5 1 。国内 对发动机进排气系统进行了不少模拟计算。张江城等人应用有限容积法对发 动机排气管系中的气体流动作了模拟计算，他以8 l 2 4 0 z 四冲程柴油机为例， 进行了模拟计算，包括：发动机的性能参数、排气管系的压力波动情况及质 量流量的误差等。计算结果表明，该模拟方法具有较高的计算精度p “。邓康 耀应用有限容积法和特征线法分别计算了一台非增压1 0 缸柴油机的进排气 压力波和一台6 缸增压柴油机的涡轮入口及压气机出口压力，并弓其相应的 测量结果对比，结果表明：高速时以上两种方法计算的进气压力波与实测值 均存在较明显的误差，涡轮入口和压气机出口压力、排气压力波和低速时进 华中科技大学硕士学位论文 气压力波均与实测值吻合较好。与特征线法相比，有限容积法计算的压力波 更能反映高频部分的变化。还分析了两种方法对网格密度的依赖性和质量守 恒计算的误差，显示有限容积法均优于特征线法1 3 7 3 引。清华大学孟嗣宗等 人应用模拟循环对发动机可变进气系统进行了计算，与传统的“设计二_ 制作 一试验一再设计”方法相比，具有设计成本低，周期短的优点 3 9 j 。 除了对发动机进排气系统进行一维流动模拟计算外，近年来也开始对进 排气系统进行多维流动模拟。其中进气系统的模拟集中在进气道或迸气道与 缸内工作过程的耦合流动上。如杨玟等人曾对稳流实验中两种气门升程下螺 旋进气道一气门一气缸内流场进行了三维数值模拟，分析了气道和气缸内的 流动特性，比较了不同气门升程对气道和气缸内流动的影响1 4 0 1 。而对进气管 系的多维流动计算则很少。排气系统的多维流动模拟主要集中在三分支管接 头。帅石金等人采用任意拉各朗日一欧拉法，对柴油机三缸排气管进行二维 非定常湍流数值模拟，湍流模型采用亚网格尺度模型，入口边界的流动随排 气相位变化。模拟结果显示，当排气管处于一个缸排气时，流动出现很强的 旋涡、回流及高压区；当两个缸同时排气时，旋涡区消失，回流与高压区有 很大的削弱( 4 1 】。胡欲立等人也用任意拉各朗同一欧拉( a l e ) 法模拟m p c 模件三分支联接的流动，解决了三分支联接区域的三维贴体网格生成问题 “。他利用激光多普勒测速仪测量了矩形截面三分支联接试验件的三维速度 场，验证了所编程序的可靠性。并以某型发动机m p c 排气系统为例，数值 模拟了m p c 模件三分支联接三维定常湍流流场，从获得的流动特性分析了 引起排气能量传递损失的主要因素。华中科技大学罗马吉等人对多缸发动机 进气管内稳态流场进行了三维数值模拟，分析了各缸分别进气时进气管内的 流动特性，计算了进气管各出口处的质量流量和流量系数并用以研究各缸的 进气不均匀性1 4 】。1 9 9 1 年邓康耀用s i m p l e 算法对一根三缸排气管进行了二： 维不稳态可压粘性的湍流计算【4 3 1 ，湍流模型为k e 方程，采用等距赢角坐 标网格，非计算区域采用网格标记处理。张俊强等人采用非定熵不稳定流动 理论对3 9 0 q 柴油机的进排气系统进行了计算，同时介绍了系统边界条件的 处理、系统的简化以及参数的确定。通过对计算结果的分析，证明了3 9 0 q 柴油机进排气系统的设计指标良好 4 4 1 。 由上可知，对于发动机进排气系统流动模拟取得了定的成果，但由于 迸排气系统气体流动十分复杂，是可压缩，非等熵，非稳态流动过程，涉及 到各方面知识，目前为止还无法精确计算出来。因此，还需进一步努力探讨。 华中科技大学硕士学位论文 1 5 本文的主要工作 根据上述分析和评述可知，采用试验与数值模拟相结合的方法是研制性 能良好的发动机进排气系统的有效方法，单纯的试验，工作量很大，成本也 较高，另外受测试条件的限制，有些结果难以得到。单纯的模拟方法因无试 验数据支撑，往往与实际相差太远，不实用。因此，研制实验装置为进排气 系统的结构优化，为建立设计进排气系统的数据库和较精确的数值模型，以 及为确定进排气系统性能优劣的指标提供试验研究手段，是十分必要的。 本文主要开展了如下工作： 发动机进排气系统稳流试验装置的研制，包括该试验装置的机械设 计，测量与控制程序设计及数据后处理。这是本文工作的主体内容。 试验装置研制调试完毕，对某一型号发动机的m p c 增压系统的三通 管模件进行吹风试验，得出该m p c 三通管“流量系数与压比之间的关系” 和“压力损失系数与马赫数之间的关系”两条曲线。 用p r o e 软件将试验过的m p c 三通管模件造型，该三维实体造型应能 反映出m p c 三通管一些关键结构参数，如引射管截面收缩比、总管直径、 引射管与总管的夹角以及引射管曲率半径等。 采用a v l 公司的f i r e 软件计算出该模件的流量系数和压力损失系数 等参数。简要分析了m p c 三通管内三维稳态气体流动过程。最后，将理论 上计算出的数据与试验数据对比，检验试验装簧的精确性i 9 华中科技大学硕士学位论文 2 发动机进排气系统稳流试验装置总体构思与设计 2 1 试验装置技术要求l 1 0 1 【4 5 1 装置应满足6 0 0 1 6 0 0 p s 大功率发动机进排气系统及其相关附件 研究的需要，最大流量为i 4 k g s ，压力为0 4 5 m p a ；同时，该装置也 满足其它中小型发动机进排气系统及其相关附件研究的需要； 实验装置根据不同发动机排量和安装尺寸的变化，能够灵活地进 行流量调节和接头转换： 可进行不同结构、形状进排气管、多种流型的流动阻力( 或压力 损失) 的测定以及进气总管和支管流动阻力的测定和进气均匀性的研 究，并能根据测量结果进行计算分析，输出相关数据和图表； 可测定m p c 增压器系统单个模件不同结构参数、不同流型的流 动阻力、压力损失系数，并能根据测量结果进行计算分析，输出相关数 据和图表； 可测定不同结构中冷器的压降特性( 流动阻力) ，并能根据测量 结果进行计算分析，输出相关数据和图表； 可测定增压器放气阀或废气再循环( e g r ) 阀在不同开度下流量 系数i i 、放气量或再循环量； 实验装置采取隔室操作，具有手动( 点控) 和自动( 程控) 两种 操作方式。可采用自动或手动方式控制阀门的开度或，后端压力； 可对所有试验状态参数进行实时监测，集中仪表显示和计算机虚 拟仪表显示并存储； 具有对关键状态参数越限报警及紧急情况下自动保护的功能。对 报警情况时的故障进行分析诊断，并显示故障原因； 试验装置具有很好的兼容性、灵活性和扩展性等特点。 2 2 试验装置总体构思 研制发动机迸排气系统稳流试验装置的目的在于对发动机进排气系统 的结构进行评价与优化；而且还可以为发动机进排气系统的非稳流计算提供 边界条件。本试验装置通过接头的转换能进行排气管吹风试验，进气管吹风 试验，m p c 三通管吹风试验，中冷器吹风试验和增压器放气阀或废气再循 环( e g r ) 阀等五个吹风试验。本试验装置由以下几个分系统组成： 华中科技大学硕士学位论文 进气气源调控系统：捧气管吹风试验系统：进气管吹风试验系统； 脉冲转换器或m p c 三通接头试验系统；中冷器试验系统：增“ 器放气阀或废气再循环( e g r ) 阀试验系统；测控系统：数捌处州 及数据分析系统；系统集成。如图2 一i 所示。 圈2 1 进摊气系统实验装越总方案概i l 2 3 试验装置设计 本试验装鬣通过接头的转换可进行进气管、排气管、脉冲转换器缄 m p c 三通接头、中冷器、增压器放气阀或废气再循环( e g r ) 阀等f i 种试件的流动特性试验。山于要求进行的试验较多，i i - j j 箨系统订的零部 件相同，所以设计时要充分考虑这些系统零部件的通用性，以便安装和拆卸。 首先，设计试验的方案，根据方案采用a u t o c a d 软件绘制总装罔和零f i i f 件 图，同时在绘图的过程中可以适当的调整零部件的尺寸。 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ l 置_ _ _ - _ _ _ e 写昌宣皇昌；昌罱；掌鲁搴e = | ：昌昌； 2 3 1 排气管吹风试验系统 l 一电动阀门( v 7 ) 2 一手动阀门( v9 ) 3 一大稳压筒4 一法兰 5 一流量计( f7 ) 6 一l 乜动阀门 ( v 1 )7 一小稳艟筒8 一i u 动阀门( v i v 6 )9 一波纹警( b l b 6 ) l0 一流量计( i i p ) l l 一传感器位置( 测温度及压力)1 2 一捧气管 i3 一背压调节阀 1 4 一手动阀门( v l o ) 图2 2 排气管吹风试验系统简图 排气管吹风系统如图2 2 所示。试验时，手动阀门( v 9 ) 全丌，气源 进入系统。电动阀门( v 7 ) 作用是旁通气体，当减小阀门开度，则大稳压 筒中的压力上升，反之则降低。手动阀门( v io ) 控制增压器放气阀或e g r 阀试验的管路，本试验中该阀门关闭。v 8 为通径由1 0 0 r a m 的电动调节 阀，通过这个调节阀可调节小稳压筒压力。v l v 6 为通径中6 5 m m 的电 动调节阀，通过这6 个调节阀可分别调节排气管前的压力。f l f 6 是6 个通径为6 5 m m 的涡街流量计，用以测定流过排气管6 个支管的流量。 f 7 是通径为m 1 0 0 r a m 的涡街流量计，可测量通过主管的流量。b l b 6 1 2 华中科技大学硕士学位论文 是6 根金属波纹管，分别安装在6 根分测量管道上，它使各分管道具有 一定的柔性，便于安装及适应少量尺寸形状变化的各种排气管的试验 ( 如排气支管的距离相差较大，则需要更换稳压筒2 ) ，p l p6 、t l 、t 6 和p7 p 12 、t t t 1 2 分别是排气管6 个支管进口和出口的静压和静温的 测点，p l 一p6 和t 1 t 6 。分别是排气支管进口的滞止压力和滞止温度 的测点。pi3 和t i3 是稳压简l 的静压和静温的测点，p1 4 和t l4 则是稳 压筒2 的静压和静温的测点。 利用该试验装置可测排气管单支管阻力系数和压力损失系数。例如 测第1 支管，则关闭阀门v 2 v 6 ，通过调节阀门v l 、v 7 和v 8 即可改变 第1 支管进出口的压差和通过流量计f l 的流量，通过测定不同压差下 的pl 。、t l 。和p2 就可算出不同压差下通过支管最小截面的理论流量 g t 吨裔 k g s ；式中：f m i n 一气管喉截面积，m 2 ； p i 总压，p a ；r 一气体常数，j ( k g k ) ，取值2 8 7 ；正总温，k ；k 一绝热指数 取1 4 ；p2 一出1 ：3 静压，p a 。通过流量计f i 测定对应压差下的实际流景 g s ( k g s ) ，即可算出该支管的流量系数p = g s g t ，或算出阻力系数 ；l ，肛2 1 ，或算出压力损失系数l = ( p l p7 ) ，p l 。同理可分别测定第 2 、3 、4 、5 、6 支管的儿和l 。还可将多个m p c 三通营组成的二排排 气管，与排气背压阀( 模拟增压器排气背压) 联结，依据发火顺序，模 拟某一曲轴转角下的排气背压，测定本排气支管模件不同结构参数( 引射喷 嘴出口与进口截面比，总管内径，引射喷嘴与总管的夹角等) 一f 的流动阻力、 流速、压降等参数，并可测定本模件上游排气支管引射喷嘴处产生的真空度 ( 引射情况) ，以及下游排气支管引射喷嘴处的压力( 看是否会产生倒流) 。 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 排气管吹风试验系统总装圈 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 3 2 进气管吹风试验系统 进气管吹风试验系统如图2 - 4 所示。该系统是在图2 - 2 排气管吹风 试验系统的基础上，通过接头转换得到的。 i 一电动阀门( v7 )2 一手动阀门( v g )3 一大稳压筒4 一法兰 5 一流量计( f7 ) 6 一i 乜 动阔t l ( v i ) 7 一小稳骶筒8 一进气管9 一传感器位置( 测温度及骶力) 1 0 一流i t t i ( f i f 6 ) i i 一电动阀门( v i v6 ) i2 一手动阀门( v lo ) 图2 - 4 进气管吹风试验系统简圈 华中科技大学硕士学位论文 利用该实验装置，可以进行不同形状进气管、多种流型的流动阻力 ( 或压力损失) 和进气均匀性试验研究，为进气管的结构优化提供依据。 为进气系统的非稳流工况计算提供边界条件。 试验过程如下所述： ( 1 ) 单个进气支管的试验。例如测第2 支管，则关闭阀门v i 、v 3 、 v 4 、v 5 、v 6 和v l o ，打开v 9 ，通过调节阀门v 7 、v 8 和v 2 即可调节进出 第2 支管的压差和流量。通过测定p