（动力机械及工程专业论文）带egr增压柴油机进排气系统三维数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论炙 摘要 随着日趋严重的环境污染问题的加剧，世界各国对发动机排放的法规越来越 严格，从而促进对低排放发动机的研究。e g r 技术目日i 被认为是降低柴油机n o x 排放最实用和有效的方法之一，用e g r 技术降低柴油机n o x 需综合考虑柴油机的 动力性、经济性、h c 排放等来确定运行工况的e g r 率，还需确定e g r 接管在进 气管的位置，它影响各缸e g r 的分配均匀性和瞬态响应性，且e g r 均匀性和瞬 态响应性两者是相互矛盾的。为了取得柴油机的综合性能的优化，最大限度降低 柴油机n o x 排放，对e g r 率和e g r 阀接管在进气管的位置进行优化设计和试验 显得非常重要。 本文针对带e g r 阀4 l 8 8 增压柴油机的进排气系统进行研究，用试验确定运 行工况的e g r 率，利用a v l - - f i r e 三维模拟软件计算进排气系统内气体的实际 流动情况，借助计算结果对e g r 阀在进气管上的安装位置进行优化，使得其均匀 性和瞬态响应性达到最佳。模拟计算结果的精度受计算边界条件的制约，为了得 到正确的三维瞬态过程计算边界条件，本文通过4 1 _ , 8 8 增压柴油机的试验得出计算 的部分边界条件，同时利用a v l - - b o o s t 软件建立不带e g r 阀的整机一维计算 模型( 原机模型) ，并将柴油机的外特性及负荷特性的试验结果与一维模拟结果进 行比较，验证模型的正确性，在此基础上通过在一维模型上布置测量点得到输出 的计算结果( 压力、速度、和空气流量等) 作为三维计算的瞬态边界条件，对原机 的进排气系统进行模拟计算，分析优化进排气系统的结构参数。在此基础上根据 4 i , , 8 8 增压柴油机的试验结果和增压柴油机迸排气压力的特点设计弹簧一膜片式 e g r 阀，使该e g r 阀能够满足柴油机各个工况下e g r 率的要求，再将e g r 阀计 算模型加入到原机一维整机计算模型中，同样通过布置测量点来获得三维计算的 边界条件，建立了带e g r 阀增压柴油机的三维瞬态计算模型，分别对e g r 阀接 管在柴油机进气管上的不同安装位置进行模拟计算，研究了e g r 阀接管不同安装 位置对e g r 的分配均匀性和瞬态响应性的影响，得出了e g r 阎接管在进气总管 的位置和接管安装方向对废气成份在各缸分配均匀性和瞬态响应性的变化规律， 计算结果表明e g r 阀接管安装方向相对各缸进气岐管对称布置在进气总管上，废 江苏大学硕士学位论丈 气成份在各缸分配均匀性为最佳。用计算结果优化了带e g r 的4 l 8 8 增压柴油机 的进排气系统的结构设计。 关键词：柴油机，模拟计算，e g r ，越，i _ _ b o o s t ，a m _ f m e ，增压 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ee n v i r o n m e n tp o h u f i o ng e t t i n gw o r s ea n dw o r s e e v e r yc o u n t r ym a k em o f e a n dm o r es t r i n g e n tr e g u l a t i o n so ne n g i n ee m i s s i o n , w h i c hs t i m u l a t e st h er e s e a r c ho nt h e l o we m i s s i o ne n g i n e s e g rt e c h n i q u ei so n eo ft h em o s tp r a c t i c a la n de f f e c t i v ew a y st o r e d u c en o xe m i s s i o no fd i e le n g i n ec u r r e n t l y , u s i n ge g rt e c h n i q u et or e d u c en o x e m i s s i o nn e e d st oc o n s i d e rn o to n l ye g rr a t i o st h a td e t e r m i n e db yp o w e r , e c o n o m y , h ce m i s s i o no fd i e s e l e n g i n eb u tt h ep o s i t i o no fe g rv a l v eo nt h e i n t a k e m a n i f o l d , w h i c hi n f l u e n c e st h ed i s t r i b u t i o na n dt r a n s i e n tr c s p o n s eo fe g ro ne a c h c y l i n d e r , m e a n w h i l et h ed i s t r i b u t i o na n dt r a n s i e n tr e s p o n s eo fe g r i sc o n t r a d i c t i v e i n o r d e rt oo p t i m i z et h ei n t e g r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ed i e s e le n g i n ea n dg e tm a x i m a ln o x e m i s s i o nr e d u c t i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od ot h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt e s to ne g r r a t i oa n de g rv a l v ep o s i t i o n s0 1 1t h ei n t a k em a n i f o l d t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fi n t a k ea n de x h a u s ts y s t e mo f4 1 - , 8 8 s u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n ew i t he g r , u s i n gt e s tt od e t e r m i n ee g rr a t i oo fe a c h o p e r a t i o nc o n d i t i o n , c a l c u l a t e st h ep r a c t i c a lf l o wi nt h ei n t a k ea n de x h a u s ts y s t e mb y u s eo fa v l - - f i r et h r e e d i m e n s i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n d o p t i m i z e st h ee g r i n s t a l l p o s i t i o n so nt h ei n t a k em a n i f o l dt h r o u g ha n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr c s u l m ，w h i c hm a k ea t r a d e - o f fb e t w e e ne g rd i s t r i b u t i o na n dt r a n s i e n tr e s p o n s e b u tt h ea c c u r a c yo ft h r e e d i m e n s i o ns i m u l a t i o nr e s u l ti sr e s t r i c t e db yt h ec a l c u l a t i o nb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，i n o r d e rt og e tt h ea c c u r a t et r a n s i e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h i sp a p e rg e t sp a r tb o u n d a r y c o n d i t i o n st h r o u g ht e s t ，m e a n w h i l ec r e a t e so n e - d i m e n s i o nc a l c u l a t i o nm o d e lo f s a m p l e e n g i n ew i t h o u te g r a n dc o m p a r e st h et e s tr e s u l t so fp a r tt h r o t t l ec h a r a c t e f i s t i c s a n ds p e e dc h a r a c t e r i s t i c sa tf u l ll o a dw i t ht h er e s u l t so fs i m u l a t i o n , v a l i d a t i n gt h e p r a c t i c a b i l i t yo fc a l c u l a t i o nm o d e l o nt h eb a s eo ft h a tw eg e tt h eo u t p u t so fs i m u l a t i o n r e s u l t s ( p r e s s u r e ，v e l o c i t y , a n da i rf l u x ，e t c ) a st r a n s i e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n so f t h r e e - d i m e n s i o nc a l c u l a t i o nt h r o u g hs e t t i n gm e a s u r ep o i n t so nt h em o d e l w ec a r r yo n t h es i m u l a t i o n1 3 1 1t h ei n t a k ea n de x h a u s ts y s t e mo fs a m p l e e n g i n e ，a n da n a l y z et h e i n f l u e n c eo fs t r u c t u r e p a r a m e t e r s o fi n t a k ea n de x h a u s t s y s t e m o n e n g i n e s p e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t sa n dt h ep r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t a k ea n d e x h a u s to f4 l 8 8s u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n e ，w ed e s i g nas p r i n g - d i a p h r a g me g r v a l v e ， w h i c hc a nm e e tt h eo p t i m a le g rr a t i oo fe v e r ym o d e ，t h e na d dt h ee g rm o d e li n t ot h e 江苏大学硕士学位论文 o n e d i m e n s i o nc a l c u l a t i o nm o d e lo fs a m p l e - e n g i n e a l s ow eg e tt h et r a n s i e n tb o u n d a r y c o n d i t i o no ft h r e e - d i m e n s i o ns i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nb ys e t t i n gm e 踟f ep o i n t s c r e a t e t h r e e - d i m e n s i o ns i m u l a t i o nm o d e lw i t he g rv a l v e m a k ed i f f e r e n ts i m u l a t i o n so n d i f f e r e n tp o s i t i o n so fe g rv a l v e0 1 1i n t a k em a n i f o l dr e s p e c t i v e l y , i n v e s t i g a t et h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n te g rv a l v ei n s t a l lp o s i t i o n so ne g rd i s t f i b m i o na n dt r a n s i e n t r e s p o n s ea n dg e tt h ei n f l u e n c er u l eo fe g r v a l v ei n s t a l lp o s i t i o n sa n dd i r e c t i o n so n e g rd i s t r i b u t i o na n dt r a n s i e n tr e s p o n s ei ne a c hc y l i n d e r w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h e b e s tp o s i t i o ni ss y m m e t r i c a li n s t a l l a t i o no nt h ei n t a k em a n i f o l d u s ec a l c u l a t i o nr e s u l tt o o p t i m i z ei n t a k ea n de x h a u s ts t r u c t u r ed e s i g no f4 l 8 8s u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n ew i t h e g r k e y w o r d s ：d i e s e l ，s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，e g r , a v l - - b o o s t ，a v l f i r e ， s u p e r c h a r g e d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完个r 解学校有关保留、使用学位论文的规定， i _ j 意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复e ! | j 件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行榆索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位硷文属丁，在年解密后适用本授权书。 卜保密函 学位沦文作者签名：教孑曼 。衍。讪n 争r 指导教师签名易似之 u 1 勾年f 月罗口 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：往万蔓 日期：o ，。 年。5 月穆日 江苏大学硕士学位论文 第一章前言 随着世界各国排放法规的日益严格和能源的严重短缺，各国都在采用有效的 能源利用方式。近年来柴油机的技术的快速发展以其相对汽油机具有良好的经济 性和排放性在各国的能源利用方面占据很重要的地位。如何使柴油机朝着低污染、 低油耗和高比功率的方向发展一直是科研工作中的一个重要课题。目前高压共轨 喷射，增压中冷和废气再循环等都是研究的主要内容，柴油机采用增压和增压中 冷技术不仅可以提高平均有效压力而且还可以改善热效率、提高经济性、降低排 放和噪声。目前，大功率柴油机的绝大部分、达国i i 排放的车用柴油机以及相当 比例的高性能汽油机，均采用了增压技术。在提高柴油机性能降低排放方面除了 增压技术以外，废气再循环技术是当前研究的另外一个热点，废气再循环技术在 降低柴油机n o x 排放方面是目前最为有效的方法，但是增压和废气再循环使得发 动机原本相互独立的进排气系统联系了起来，彼此之自j 通过一连串的影响最终会 反映到发动机的综合性能参数上来，因此，研究废气再循环对增压柴油机进排气 系统的影响是很有意义的。 1 1 柴油机e g r 的发展和现状 汽车作为当今社会主要的交通运输工具，其发展在国民经济领域中占很重要 的地位。但是随着国民经济的快速发展，汽车保有量与日俱增，因柴油机比汽油 机具有更好的动力性、经济性和耐久性等优点，故使其在内燃机的发展中占据着 r11 越来越重要的地位。目前美国大部分商务车都实现了柴油机化“。，欧洲有4 5 轿车 和9 0 商务车采用柴油机，日本有2 0 轿车和5 0 商务车采用柴油机，我国的柴油 r 0 1 车这些年也得到了突飞猛进的发展，柴油车的发展已成为不可逆转的国际”。潮流。 但与此同时，柴油机的发展一直伴随着尾气污染的问题，随着人类生活水平的提 高，大自然迫使我们必须要对我们自身所处的环境投入越来越多的关注。在柴油 机有害排放物中，n o x 和颗粒是主要排放物，因而柴油机有害排放物控制技术主 要任务是在动力性经济性基本不变的基础上降低n o x 和颗粒的排放。废气再循环 rnl ( e g r ) 是目| ；i 被认为最为有效和实用的降低n o x 排放的措施之一”。，西方发达 江苏大学硕士学位论文 国家已经对废气再循环技术进行了较深入的研究，不仅积累了大量的试验经验而 且已经取得了实用性成果。但是e g r 本身是一个很复杂的控制系统，它涉及到机 械电子和控制策略方面的知识，同时e g r 的引入对发动机的工作过程以及性能影 响是很复杂的，所以国外一直都很重视对e g r 系统的研究，希望能够在尽可能不 牺牲发动机的动力性和经济性的条件下最大限度地提高e g r 率。在国内虽然受各 种主客观因素的影响“，使得我们对e g r 的研究工作与西方发达国家之间存在一 定的差距，但近几年其发展速度非常快，一些高校和科研单位已经纷纷开始对e g r 进行研究曲“，华中理工大学、上海交通大学、同济大学、西安交通大学、北京 理工大学等开展了汽油机废气再循环参数优化的研究7 1 8 1 引，指出各工况下都存 在一个最佳的e g r 率，随着e g r 率的变化，发动机的点火提f j 角和空燃比也相 应地发生变化。一般而占，e g r 率越大，则相应的点火提前角也应提前，e g r 在 中等负荷和中等转速下取得最大值，大负荷下不宜进行e g r 。吉林大学较早研究 了增压e g r 系统降低柴油机n o x 排放规律，上海交通大学等研究了e g r 对上柴 d 6 1 1 4 柴油机工作过程影响，针对再循环废气质量流量的难以准确测定，提出用 进排气管中的c 0 2 比值来表征e g r 率。这些研究是对柴油机e g r 有益的探索，有 些机型已小批量生产，这些工作也为以后我国柴油机e g r 研究取得突破性成果奠 定结实的基础“。 1 2 涡轮增压系统 在内燃机的各种增压系统中，按排气能量利用的方式可分为定压涡轮增压和 脉冲涡轮增压两种基本系统“，其他的增压方式可以认为都是由这两种系统演变 和发展而来的。定压增压系统把发动机所有气缸的排气通过一个体积较大的排气 管收集在一起，然后再引向涡轮的整个喷嘴环，虽然各缸是交替排气的，但由于 体积较大的排气管的稳压作用使得进入涡轮前的压力基本不变。 脉冲涡轮增压系统足为了尽可能利用排气的能量而把排气管做得短而细，使 容积非常小，且为了减少各缸排气压力波的相互干扰，利用两根或更多排气支管 1 将相邻发火气缸的排气相瓦隔开“”。目前脉冲增压系统有单脉冲系统、双脉冲 江苏大学硕士学位论文 系统、脉冲转换增压系统、多脉冲转换系统以及模块式脉冲转换器系统。图1 1 为四缸柴油机常用的脉冲转换器增压系统结构示意图，从图中可以看出，脉冲转 换器可以分为喷管( 收缩段) 、混合管、扩压管( 渐扩段) 以及稳压箱等主要部分。 其基本原理是：各缸在排气时，排气脉冲首先到达喷管，气流在喷管中加速而压 力下降，排气的压力能转变为动能，然后来自各缸的排气在混合管中进行混合， 各股脉冲气流的能量的相互交流，最终使来自两个支管的气流流速平衡。在此过 程中，混合管中会由于流速的不平衡而产生膨胀波，当这个波传播到先期排气即 速度较慢的排气支管中时，就会产生一个较大的压力降而造成对气流的所谓引射 作用，可促进先期排气的支管中气缸的扫气。脉冲系统比定压系统能更好地利用 内燃机的排气能量，由于排气管容积比较小，当内燃机负荷改变时，排气的压力 波就会立刻发生变化，并迅速传递到涡轮机，从而改变增压器转速，以适应负荷 变化的要求，所以采用脉冲增压系统的内燃机加速性能较好，但是脉冲增压系统 的结构也比较复杂。本文研究的4 l 8 8 增压柴油机的增压压力为0 1 8 m p a ，由于是 四缸机，因此采用脉冲转换系统。根据实际空间位置限制，采用脉冲转换系统时 增压器布置在柴油机侧面，涡轮增压器不用支架直接固定在排气管上，增压器在 排气管中间使排气管最短，空间尺寸最为紧凑。脉冲转换系统兼备了定压系统与 脉冲两种系统的优点，既利用脉冲能量又不降低涡轮效率，在两者之间取得折中 的效果，特别是脉冲转换器通过喷嘴可使气流膨胀、加速、引射邻管的气流，在 混合管中将两只排气管排出的气体汇合在一起并进入扩压管，使其动能变为压力 能，不存在相邻气缸排气干扰的问题，适合于任意气缸数的发动机使用。实际使用 的脉冲转化器是一个简单的y 形管，即去掉了转换器中的稳压室部分，将混合管长 度减小，减小了引射作用，而在涡轮中直接进行脉冲能量的转换，这时涡轮进口虽 r 1 1 然有压力波动但却是全周进气的“。本论文研究的脉冲转换系统如图1 2 所示。 图1 1 脉冲转换器示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i co f t h ep u l s ec o n v e r t o r 图1 24 l 8 8 脉冲转换式排气管 f i g 1 2 4 l 8 8p u l s ec o n v e r s i o ne x h a u s tp i p e 江苏大学硕士学位论文 1 3 进排气系统内气体流动数值模拟方法 对于带e g r 的涡轮增压柴油机而占，由于e g r 的引入使得内燃机进排气系 r 1c 1 统内的气体流动更加复杂化“，e g r 管路的不同布置不仅对涡轮机的工作效率有 影响同时也对再循环废气在各缸中分配的均匀性和瞬态响应性产生很大的影响 “，所以e g r 在各缸中的分配均匀性和瞬态响应性是目前进排气系统研究中的一 个重要部分。为了能够深入详细地了解进排气系统内的气体流动的情况有必要对 rldl 柴油机的进排气系统进行试验和模拟计算帽结合的研究“。 对内燃机进排气系统的气体流动的数值模拟方法有容积法或充排法、波动法 r 7 1 和有限体积法等”。 容积法是一种零维方法，它是描述管道内气体状态参数随时问变化的一种最 简单的方法。它将发动机的进排气管简化为一个与其容积相等的“容器”，用“容 器”的填充和排空来模拟发动机实际的进排气过程，即所谓的“填充和排空”模 型，忽略管道内压力波的传播和反射，认为容器内的状态参数是均匀的，只考虑 气体状态参数随时间的变化，用常微分方程对管道内的热力过程进行描述，这样 避免了使用复杂的运算，使得计算过程大大简化，运算时间也大大缩短，但是计 算的精度明显降低。对中、低速柴油机或进排气管相对较短的情况下，由于可以 1 忽略管内压力波的传播，利用该方法计算可以达到很满意的结果“。 波动法是一种一维方法，它考虑压力波的影响，即管道内的气体状态参数不 仅随时问变化而且随地点变化，但是它假定管中每个截面上的参数在空间上是 相同的。该方法用一维非定常流的偏微分方程组来描述管道内气体流动方程，通 过求解偏微分方程组来获得参数随时间和地点的变化( 如压力波) 。对于求解偏微 分方程组的解，上个世纪8 0 年代主要采用特征线法来求解，特征线法对时问和空 间的离散均采用一阶格式，精度比较差，对于边界条件的处理上显得比较烦琐， 对几何形状突变的地方需要建立一套很复杂的边界模型。另外，该方法同样不适 合对含有多种组分( 如废气再循环) 的气体流动进行计算。随后出现了具有二阶 精度和守恒性的l a x w e n d r o f f 差分格式运用于进排气管内气体的非定常流动计算， 精度有所提高，但边界条件的处理仍采用特征线法。 4 江苏大学硕士学位论文 到了9 0 年代后期有限体积法开始被用于计算进排气管内气体的非定常流动 “。有限体积法将计算区域划分为有限个连续、不重叠的容积，在每个容积内运 用控制方程的守恒形式，积分得到代数方程。计算节点一般位于容积内部，边界 上的值由相邻节点上的变量插值得到，这样就可以在每个控制体内得到一个以本 节点和若干个相邻节点变量表示的方程组，补充相应的边界条件使方程组封闭， 这样求解与节点数相同的方程组就可以得到整个计算区域的解。此外有限体积法 的体积可以根据几何边界进行划分，所以对复杂几何形状的适应能力很强。有限 体积法能够严格满足守恒性，方程在每个控制容积内都是守恒形式，在边界处满 足一定条件( 变量值和导数连续) 就可以保证在整个计算区域上的守恒性，所以 该方法对流量和能量等物理量具有很强的守恒性憎1 例。在边界条件的处理上也简 单，尤其可以方便地用于对含有多种组分掺混( 如e g r ) 的流动计算。因此，伴 随着计算机技术和数值方法的飞速发展，采用有跟体积法的多维模拟计算使得发 动机的模拟计算变得越来越精确。 目前比较有代表性的内燃机多维数值模拟程序有“：a v l 公司的f i r e 、英国 帝国理工学院的p h o e n i c s 、美国l o s a l a m o s 国家实验室的k i v a 以及f l u e n t 、 s t a r - c d 、f i d a p 、p o w e r f l o w 、s c r y u 、c f x - 5 等。这些软件各有各自的优缺 点，但是大部分软件在专业人员使用下，计算误差都可以控制在1 5 以内，因此对 工程实践有很重要的指导意义。但不管采用何种计算模拟软件，它们的理论基础 是相同的，任何流体流动都要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质 量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含不同成分( 组元) 的 混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还 要遵守附加的湍流输运方程。任何多维数值模拟软件的理论基础都足建立在这些 基本控制方程上，通过对方程进行离散求解，就可以得到极其复杂问题的流场内 各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布。 以上三种方法各有优缺点，容积法简单方便，常用于发动机性能的总体预测； 特征线法可以计算进排气管内的压力波，但是编程比较烦琐，耗时耗力；有限体 积法理论上可以完全描述管内气体流动的过程，但其对进排气门和气缸运动的处 理还不够完善，另外，多维模拟计算软件比较昂贵。对计算机的配置要求比较高， 江苏大学硕士学位论文 耗时较长，这些都制约了多维模拟软件的运用。 1 4 本论文的研究内容及意义 为了在4 l 8 8 增压柴油机进排气系统上找到最佳的e g r 安装位置，使得e g r 在各缸中的分配均匀性最好，本文利用a v l f 取e 软件建立进排气系统的三维流 场计算模型。通过分析再循环废气在进气管内的空间分布情况，在进气管上找到 影响e g r 分配均匀性的位置并对其进行结构优化，但是三维计算所需的瞬态边界 条件仅仅通过试验是无法全面获得的。本文在试验验证的基础上，利用a v l b o o s t 软件建立整机工作过程计算模型，该计算模型不仅能够为三维计算提供瞬 态边界条件同时也能对进排气系统进行一维优化计算，因此本课题研究的主要内 容包括： 1 原机工作过程一维计算模型的建立及进排气系统的一维优化计算 首先依据柴油机产品图样，并对原机的几何结构参数进行测量和整理，然后 将这些结构参数输入到a v l - - b o o s t 软件中，同时选择合适的燃烧模型并查阅相 关资料确定相关的参数数值，对三个不同转速下( 1 4 0 0 r m i n 、2 2 0 0 r m i n 和 3 2 0 0 r m i n ) 的负荷特性和外特性的各个工况点进行计算，并将计算结果与试验测 定的数据进行对比，反复地修正模型参数使得模型能够正确反映发动机的实际工 作过程。其次在正确计算模型的基础上改变进排气管的几何结构参数，分析进排 气管的不同结构参数对进排气系统内气体流动的影响。 2 利用一维计算结果作为边界条件，对原机进排气系统进行三维优化计算 用p r o e 三维造型软件建立原机进排气管的三维造型，并以s t l 格式输入 到a v l - - f i r e 软件中进行网格的划分。将a v l - - b o o s t 软件计算得到的随曲轴 转角变化的输出结果( 速度、压力、流量等) 作为进排气管三维计算的瞬态边界 条件，计算各缸气门从开启到关闭这段时b j 内进排气管内气体流动的详细情况， 根据计算结果分析发动机各缸进气的不均匀性。 3 建立了带e g r 阀增压柴油机的三维瞬态计算模型 根据试验得到的发动机各工况下最佳e g r 率脉谱图和进排气压力特点设计了 弹簧膜片式e g r 阀，该e g r 阀能够保证实现所有工况下最佳e g r 率。在原机 工作过程计算模型中加入e g r 阀模型，并将所设计的e g r 阀的结构参数、阀的 6 江苏大学硕士学位论文 运动参数输入到e g r 阀计算模型中。本文利用单向阀模型来体现e g r 阀计算模 型，模拟计算发动机各工况下e g r 率，并与试验所得e g r 率进行比较，进一步 验证模型的正确性。建立了带e g r 阀增压柴油机的三维瞬态计算模型。 4 e g r 阀安装位置的优化计算 同样利用a v l - - b o o s t 软件计算得到的一维计算结果( 速度、压力等) 作为 a m ，_ f 像e 计算的瞬态边界条件，模拟e g r 在进气管内的流动和在各缸中的分配 均匀性。在进气外接管上选取不同的e g r 阀安装位置作为研究对象，在相同的边 界条件下分别进行计算并将计算结果进行对比分析，找到e g r 阀的安装位置对各 缸中废气成份及数量分配均匀性的变化规律。 5 为了进一步改善e g r 分配均匀性，提高进气管的流通特性，减少气流速 度集中区域，利用越，i ，_ _ f m e 对进气管进行局部的结构优化。 研究带e g r 增压柴油机的进排气系统内的气体流动不仅有利于改善柴油机的 换气过程，提高柴油机的充气效率，而且也有利于改善废气再循环在各缸中分配 的均匀性，最大限度地降低柴油机n o x 排放，因此具有很重要的研究价值。 江苏大学硕士学位论文 第二章a v lb o o s t 、f i r e 的理论研究 根据本课题研究的内容，以试验数据为基础，采用一维模拟与三维模拟相耦 合的方法可以使计算的结果与实际更加接近。目时，众多数值模拟计算软件中， a v l - - b o o s t 与a v l - - f i r e 之间的耦合是较令人满意的，a v l - - b o o s t 软件是 奥地利a v l 公司开发的一个功能强大、界面友好的发动机稳态和瞬念性能分析软 件 2 】 2 。它以一维流体动力学为基础，管系采用有限体积法进行模拟计算，充分 考虑了可燃混合气的组分不同引起相应的热力学性质变化，并且提供了许多不同 类型的边界条件子模型可供选择，可对各种发动机整机或局部子系统进行模拟计 算。整个软件由前处理模块、主计算模块和后处理模块组成。f i r e 软件同样是奥 地利a v l 公司开发的专用流体动力学模拟软件，f i r e 应用主要针对发动机领域， 包括；瞬念缸内流动；喷雾燃烧；喷嘴内流动：迸排气系统优化设计；催化转化 器起燃过程；冷却水套热力分析等等2 引，其计算精度和计算方法都通过大量的试 验验证，使模拟结果的误差控制在5 范围之内。为了更加准确地使用这两个软件， 本章对这两种软件的模拟计算的理论基础进行简要的介绍。 2 1b o o s t 整机工作过程模拟的计算模型 2 1 1 缸内模型 内燃机工作循环的计算主要基于热力学第一定律2 m ； 警 - p c 署+ 鲁一盟一h b b d a 堕d a 协， d晓d岱d伍- 堡华型缸内内能的变化 d 口 一儿尝 工质对活塞所做的机械功 粤生 燃料所放出的热量 y 生盟 传给气缸壁面的热垦 一d a 8 江苏大学硕士学位论文 排出气缸废气所损失的焓值 缸内工质质量 气缸内工质内能 气缸内工质压力 气体工作容积 燃料燃烧放热量 气缸壁面损失能量 曲轴转角 排出气缸废气的焓值 排出气缸废气的质量流量 该公式不仅适用于燃科在缸内混合的发动机( 如柴油机) 的模拟计算，而且 也适用于燃料在缸外混合的发动机( 如汽油机) 的模拟计算。 对燃料在缸内混合的发动机假定如下： 1 ) 燃料喷入到气缸内就能迅速燃烧 2 ) 燃烧产物和缸内其他成分孵时混合并形成均一混合气体 3 ) 空燃比a f 从燃烧始点到燃烧终点逐渐连续变化 4 ) 工质为理想气体，其比热、内能仅与气体温度和气体成分有关 为了求解方程( 2 一1 ) ，需要对燃烧过程和壁面传热进行建模，同时还需要工 质特性随压力、温度及工质成分之间的变化函数关系，再结合气体状态方程 1 p2 寺肌c 氓。一 ( 2 棚 运用r u n g e k u t t a 方法求出缸内温度，一旦知道缸内温度，缸内压力也能通过 气体状态方程求得。 2 1 2 燃烧模型 内燃机缸内工质燃烧是一个受很多参数影响的化学反应过程，这些影响参数之 一是空燃比的影响。如果空气比工质完全燃烧所需的理论空气量多则称为富氧燃烧， 相反称为贫氧燃烧。公式( 2 3 ) 给出完全燃烧lk g 燃油所需要的理论空气量： 鲁 已 一他掰见矿绑靠口鲁 江苏大学硕士学位论丈 小m 鼢( 赤+ 志+ 志一赤) 慝嚣 亿s ， 对于富氧燃烧，每个工作循环供给总热量可通过缸内燃油的质量和燃油的低 热值计算得到；对于贫氧燃烧，每个工作循环供给总热量受缸内空气量限制。 2 1 2 1 放热规律 模拟缸内燃烧过程的方法是直接获得燃烧放热规律，内燃机特定工况下燃烧 放热规律决定了气缸压力，通过计算高压逆循环方式，例如为了得到望墼，求解 方程( 2 1 ) ，就可以获得放热规律随曲轴转角的变化曲线。 b o o s t 提供了多种预测内燃机燃烧放热规律的模型，它们都有各自的优缺点。 这些模型包括v i b e 、d o u b l ev i b e 、v i b et w oz o n e 、a v lm c c 、h i r o y a s u 、 w o s h n i a n i s i t s 、准维燃烧模型和定容、定压模型，由于本课题选用v i b e 作为燃烧 模型，所以本文只对v i b e 进行简要介绍： v i b e 函数 2 3 】 韦伯函数通常用来估算内燃机实际放热特性的： 凳= ( + 。) y m 1 ”e ”一 沿4)d = i + i ”。7 ，o 一“ 口 口、 7、士7 d x ：丝 q 。：竺二丝 。 a o t ， q燃料放出的总热量 口 曲轴转角 以燃烧开始时刻 a 口燃烧持续期 m燃烧指数 口韦伯参数a = 6 9 完全燃烧 对韦伯函数进行积分得到自燃烧开始时刻到指定的曲轴转角范围内所燃烧的燃料 质屠： 1 0 江苏大学硕士学位论文 x = 壤砒斗p ”少柚 陋s ， x 燃烧部分质量 2 1 2 2 缸内传热 燃烧室壁面的传热，由下式求得： q 。- a ；口。o ：一l ) ( 2 6 ) q 。 壁面热流量 a表面积( 气缸盖，活塞，缸套) 口。 传热系数 疋 缸内气体温度 乇 壁面温度( 气缸盖，活塞，缸套) 在计算缸套壁面温度时，要考虑上止点和下止点之间轴向温度的变化： 毛一瓦。- x ! c ( 2 - 7 ) 川n ( 嚣t 】 瓦 缸套温度 瓦j d c 在上止点位置缸套温度 瓦一 在下止点位置缸套温度 x冲程比( 实际活塞位置比上整个冲程) 为了计算传热系数，b o o s t 提供如下传热模型： h o h e n b e r g l o r e n z ( 仅适用于分隔式燃烧室) 对于w o s c h n i 传热模型，其传热系数公式为： ”瑚矿矿卜+ c z 麓h ，卜删 江苏大学硕士学位论文 式中，c 1 2 2 8 + 0 3 0 8 - c 。c 。； 对于直喷式发动机c ，= 0 0 0 3 2 4 ； 对于非直喷式发动机c 2 = 0 0 0 6 2 2 ： d 缸径，帆： c 卅活塞平均速度，m s ； q 圆周速度，m s ： p 。发动机起动时缸内压力，m p a ； 瓦。进气门关闭时缸内温度，k ； 以。进气门关闭时缸内压力，m p a ： 本文的计算模型采用w o s c h n i 传热模型。 2 1 3 管道模型 对于内燃机进排气道、进排气管等在b o o s t 软件中用管道来描述，管道内一 维气体流动，b o o s t 通过如下三个方程来描述： 1 ) 连续性方程 一a p ：一划一p 肾一1 坐( 2 - 9 ) 以缸 a 出 2 ) 动量守恒方程 旦虹尘：一盘：竺：旦) 一口：1 0 4 一丘( 2 一l o ) 以缸 aa xy 3 ) 能量守恒方程 詈一掣一h 伍+ p ) i 1 否d a + 矿q w ( 2 - 1 1 )以缸 、 1 a 出y 其中， p 密度 甜 流动速度 x 管道轴向坐标 a管道截面积 t 时间 p 静压力 江苏大学硕士学位论文 b 壁面摩擦力 y 体积单元( = a d x ) e 气体能量( = p 石t + i 1 p “2 ) c v定容比热 r温度 吼 壁面热流量 壁面摩擦力通过壁面摩擦系数a ，确定： 鱼=熹秒叫圳(2-12v2d ) 五，壁面摩擦系数 d 管道直径 利用雷诺相似理论，管道壁面热流量可通过壁面摩擦力和壁面与气体之问温 差计算得到： 盟=熹缈cp饥-t)v2d ( 2 一1 3 ) i p 、 c ， 定压比热 l 壁面温度 2 1 4 管内分支模型 在内燃机中，管道分支边界条件是多缸发动机进排气过程研究中一个比较重 要的边界条件。由于实际流动过程是很复杂的，流体在边界处存在参数突变的现 象，计算时必须对其结构作合理的简化和适当的假设。各种边界模型的区别之处 在于对分支接头中心处压力与等熵的处理。目前较常用的是由本森提出的等熵等 压模型和动量模型。 1 ) 等熵等压模型 等熵等压模型假设各分支管在接口处的压力和熵均相等。此模型的优点在于不 对支管接口的数量进行限制，求解速度比较快，通用性比较强；缺点就是计算精 度不高。 江苏大学硕士学位论文 蟹l 蕾2 图2 i 三分接头 f i g 2 i t h r e ew a ya d a p t e r 如图2 1 为所示的三分支接头，向着接头的方向为正。 根据等压的条件 p l = p 2 = p 3 ( 2 1 4 ) 又由假定等熵的条件，即p l = 见= 岛，故连续流方程： 约只+ 甜2 e + “，只= 0 ( 2 1 5 ) 由黎曼变量的定义和连续流方程，各支管处的黎曼变量可写为 屈：壹勉一 ( 2 - 1 6 ) 8 1 f j ；l 将上式作为边界方程，联合特征方程即可求出相应的参量。 2 ) 动量模型 动量模型是一种比较接近与实际的模拟分支边界的方法，但是它仅适用于三 管接头的处理。根据各分支管的流动方向的不同将接头处的流动可划分为六种类 型，并提出了相应的动量方程和能量方程，其中含有流量系数c l 、c ：，如图2 2 为所示的六种类型： l o p - 、c n 鱼h c l v 。友一弋。霹6 图2 2 三分支接头流型 f i g 2 2 f l o wt y p eo f t h r e ew a ya d a p t e r 聱 江苏大学硕士学位论文 对于流型i ： p l p 2 - c l ( p 2 u 2 2p l u l 2 ) ( 2 1 7 ) p l p 3 - c 2 ( 岛站3 2 一n “1 2 ) ( 2 1 8 ) 其中，c 1 、c ：分别由试验得到，c i = 0 3 6 ，c 2 = 0 3 1 其他类型依次类推 b ) 连续方程 p u 。只- 0 ( 2 1 9 ) 化为 却( 譬小z 。， 这里定义星号变量，a = 丢，刀2 丢，其他星号依次类推。 丸+ 为流入特征线的黎曼变量，为流出特征线的黎曼变量。 c ) 能量方程 分别考虑分散流和聚合流两种流动情况： 对于分散流，认为分散流是两股分开的气流，这两股分开的气流在同一根管 道中流入管接i = 1