（动力机械及工程专业论文）柴油机可变涡流进气系统流动特性的数值仿真研究.pdf

摘要 可变涡流进气技术是在发动机运行过程中，通过可变的进气模式，对进气运 动进行组织，使进入缸内的充量大小和涡流运动能够适合发动机不断变化的运行 工况，从而起到改善发动机的性能的作用。本文以一台2 0 l 四气门直喷式柴油 机为研究对象，进行了可变涡流进气系统研究，使其在不同工况实现不同的进气 模式，满足各个工况下对涡流比的要求，从而改善发动机动力性和经济性，降低 排放指标。 首先分析了进气系统中气流运动的流动阻力和能量损失以及进气涡流在促 进油气混合、改善发动机性能方面的作用，并对可变涡流进气系统进行了设计研 究，提出了其设计要求、一般实现方法及具体设计方案，包括进气歧管铝改塑设 计和涡流控制阀的设计，并对进气歧管铝改塑前后的发动机进气流量和动力性进 行对比，结果表明，进气流量和动力性有一定的提升。 研究了c f d 数值仿真方法在柴油机进气系统设计中的应用，使用a v l f i r e 分别对柴油机的单螺旋进气道、单切向进气道和双进气道型式的气体运动 进行了仿真，分析了不同型式进气道的流通干涉特性、涡流特性、湍流特性，结 果表明，双进气道的气流会产生干涉，造成少量流量损失，且不同型式气道具有 的不同的涡流特性，该差异性为可变涡流进气技术的实现提供了可能性。 针对该四气门柴油机，设计了可变涡流进气系统，并提出了两种涡流控制阀 方案，对两种方案分别建立了进气歧管一可变涡流控制阀一进气道一进气门一气 缸系统的三维计算模型并进行仿真，研究了不同方案的涡流控制阀对进气流通特 性和涡流运动的影响并选出了较优方案。进一步研究了节流造成的流量分配对进 气流动特性的影响。 使用a v l b o o s t 建立了该柴油机的一维整机模型并进行仿真，比较了进 气流量、扭矩和功率的实验和仿真结果，分析了柴油机可变涡流进气系统对发动 机工作过程中不同转速时进气流量特性和涡流特性的影响，为发动机控制方案的 选择提供了理论指导。 本文采用c f d 数值仿真的分析手段，对可变涡流进气系统的进气流通干涉 特性、涡流特性以及流量分配对流动特性的影响等方面进行了比较全面的分析。 在可变涡流进气系统设计分析方面，本文具有一定的指导意义。 关键词：四气门柴油机可变涡流进气系统涡流控制阀计算流体动力学数 值仿真 a b s t r a ct v a r i a b l es w i r li n t a k et e c h n o l o g yc a ni m p r o v ep e r f o r m a n c eo f e n g i n ea taw i d e s p e e d r a n g eb yo r g a n i z i n gv a r i a b l es w i r li n t a k ef l o w t h i sp a p e rd e v e l o p e dav a r i a b l e s w i r li n t a k es y s t e mf o ra2 0l i t e rf o u r - v a l v ed id i e s e l e n g i n e t h i ss y s t e mc a n p r o d u c es u i t a b l ei n t a k ea i rm o t i o nt om e e tt h er e q u i r e m e n to fs w i r lr a t i oa td i f f e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hc a ni m p r o v et h ee n g i n ep o w e ra n de f f i c i e n c ya n dr e d u c e t h ee r d a a u s te m i s s i o n f i r s t l y ，i n t a k er e s i s t a n c ea n de n e r g yl o s so fa i ri n t a k es y s t e mw e r ea n a l y z e d ，a n d t h ee f f e c to fi n t a k es w i r li n t h ep r o m o t i o no fq u a l i t yo fm i x t u r ea n de n g i n e p e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d d e s i g np r i n c i p l e sa n dt h es p e c i f i cm e t h o do fv a r i a b l es w i r l i n t a k es y s t e mw e r er e s e a r c h e df o rt h i se n g i n e t h et h e o r yo fc f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) a s s i s t e di ni n t a k es y s t e mo f e n g i n ea n a l y s i sw a ss t u d i e d t h et h r e e d i m e n s i o n a ls t e a d ys i m u l a t i o no fa i r f l o w si n t h ei n l e tp o r to fd i e s e le n g i n ew a sp e r f o r m e db yu s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e 彳记一 f i r e t h es i m u l a t e df l o wf i e l dp r o v i d e dd e t a i l e di n f o r m a t i o no fd i f f e r e n ti n l e tp o r t s o nf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n ds w i r lc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l o wo f t w oi n l e tp o r t sc a ni n t e r f e r ew i t he a c ho t h e r , w h i c hw i l lc a u s et h el o s so ff l o w c a p a c i t y ，a n dt h ed i f f e r e n c es w i r lc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ti n l e tp o r tp r o v i d e st h e p o s s i b i l i t yt oa c h i e v ev a r i a b l es w i r l t h ev a r i a b l es w i r li n t a k es y s t e mw a sd e v e l o p e df o rt h i sf o u r v a l v ed id i e s e l e n g i n e ，a n dt w od i f f e r e n to p t i o n so fs w i r lc o n t r o ls y s t e mw e r ep r o p o s e d a t h r e e - d i m e n s i o n a ls t e a d yc f dm o d e lw h i c hi n c l u d e sa i ri n t a k em a n i f o l d s ，s w i r l c o n t r o lv a l v e ( s c v ) ，i n l e tp o r t s ，i n t a k ev a l v e sa n dc y l i n d e rw a se s t a b l i s h e d f l o w c o e f f i c i e n ta n ds w i r lr a t i oa td i f f e r e n to p e n i n go fs c vw e r ec a l c u l a t e d t h eo p t i m a l o p t i o ni ss e l e c t e db ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n to p t i o n s t h er e s u l t s s h o w e dt h ev a r i a b l es w i r li n t a k es y s t e mc o u l dc h a n g et h es w i r lr a t i oa n dg i v es o m e a d j u s t m e n tt ot h es w i r la n df l o wc o e f f i c i e n t o p t i o no n eh a dab e t t e re f f e c tb e c a u s eo f i t sw i d ev a r i a b l es w i r lr a n g ea n dl o we n e r g yl o s so fi n t a k ef l o w i tc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fs w i r lr a t i ou n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ao n e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nm o d e lf o rt h i sd i e s e l e n g i n ew a se s t a b l i s h e da n d s i m u l a t e d b yu s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ea v l b o o s t t h ei n t a k ef l o w c h a r a c t e r i s t i c sa n ds w i r lc h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n eu n d e rd i f f e r e n ts p e e dc o n d i t i o n s w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti n t a k ef l o wa n ds w i r lr a t i oi n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n go fe n g i n es p e e d ，a n dt h r o t t l i n gl o s s e so fs c v a tl o ws p e e di sn o to b v i o u s ， t h r o t t l i n gl o s s e sb e c o m eg r e a t e rw i t ht h ei n c r e a s i n go fe n g i n es p e e d s ot h a ti t i s f e a s i b l et oc h a n g et h es w i r lr a t i ob yu s i n gv a r i a b l es w i r li n t a k es y s t e mt om e e tt h e n e e do fs w i r la td i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n t h i sp a p e ri sa b o u tt h es t u d yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ev a r i a b l es w i r li n t a k e s y s t e mo ni n t a k ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n ds w i r lc h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e rh a ss o m e r e f e r e n c ev a l u ei nd e s i g na n da n a l y s i so fv a r i a b l es w i r li n t a k es y s t e mf o rd i e s e l e n g i n e k e yw o r d s ：f o u r - v a l v ed i e s e le n g i n e ，v a r i a b l es w i r li n t a k es y s t e m ，s w i r l c o n t r o lv a l v e ( s c v ) ，c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 第一章绪论 1 1 本课题研究背景 第一章绪论弟一早硒记 能源和环境问题是当前各国社会普遍关注的问题。随着能源消耗量的增加， 受供需结构变化的影响，能源价格也与日攀升；汽车排放是空气污染的主要来源， 受国际社会和国家对于环保问题的关注的影响，排放法规日益严格。这两个问题 将对汽车产业发展带来不利影响。从汽车和发动机技术上来讲，研发节能减排技 术已经成为了一个重要的课题，能够在一定程度上解决带来的能源和环境的问 题。当前虽然大力发展新能源汽车，但是由于技术手段的普及、替代燃料的制备、 配套设施的建设等方面的问题还未得到完善解决，故新能源技术现在主要处于研 究和小规模试用阶段，在很长一段时间内并不能完全代替柴油机和汽油机作为主 要的动力系纠。 柴油机与汽油机相比具有一些独特的优势，如动力性强、耐久性好、c o 和 h c 排放较少、燃油经济性高等。随着人们对汽车各项性能需求的不断提升，人 们又开始再次重视柴油机领域。加之新技术，如电控、e g r 等的发展与应用， 目前在重负荷领域柴油机应用较广，并且逐步延伸到轻型车和轿车领域，如最初 f o r d 公司在轻型货车上采用高速直喷式柴油机，随后是a u d i 、f i a t 和r o v e r 等 公司在轿车上使用高速直喷式柴油机。 改善柴油机性能的关键就是优化燃烧性能，而燃烧性能主要是由燃油喷射系 统、燃烧室以及进气系统之间的合理设计与匹配所决定的，其中，进气系统结构 直接影响柴油机缸内充量大小和涡流强度，关系到混合气形成和燃烧，进一步影 响动力性、经济性和排放性。 柴油机在不同工况下的最佳涡流强度是不同的，一般来说，低速工况时需要 较强的涡流运动，高速工况时需要较弱的涡流运行，而常规的进气系统的设置不 能实现涡流强度的控制，无法满足各个工况对涡流强度的要求，从而出现了对可 变涡流进气技术的需求。 目前在汽油机上应用可变涡流进气技术已经取得了显著的成效，如有效的改 善了汽油机的排放性，大大提高了其经济性。但是，柴油机由于是质调节，其组 织缸内空气运动的目的和作用与汽油机存在显著差异，如柴油机内的进气涡流强 度的增加将导致流量系数的降低，从而进气量减少，影响发动机性能。因此，设 计研制柴油机可变涡流进气系统的关键问题是：使进气系统保证尽可能小的流动 第一章绪论 阻力，即具有高的流量系数：并有足够的涡流强度变化范围，用以保证进气涡流 与柴油机工况的最佳匹配。 目前，发动机研究的一个重要分支即为计算流体动力性( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，c f d ) 在发动机研究开发中的应用。c f d 在进气系统的设计和开发 中具有重要指导作用，不但能减少实验量、缩短开发周期，而且能提供许多通过 实验都难以取得或观测到的参数。 本文利用计算流体动力学方法对柴油机进气流动进行仿真研究，分析了四气 门柴油机单螺旋进气道、单切向进气道、双进气道的流通干涉特性和涡流特性， 研究了可变涡流进气系统对进气流动特性和缸内涡流特性的影响并提出了通过 相关参数对可变涡流进气系统进行研究的可能性，对柴油机可变涡流进气系统的 设计开发具有一定的理论意义和实际意义。 1 2 柴油机可变涡流进气技术研究现状 柴油机可变涡流进气技术作为实用性的技术已经得到了广泛的研究并应用 到产品上，能够针对具体工况改变涡流强度以改善发动机性能，其核心为可变涡 流控制机构，一般设计原则为：实现较大范围涡流比变化；牺牲较小的流量系数； 对进气系统改动较少；控制方式简单可靠。根据不同的发动机进气系统结构，主 要分为针对两气门和四气门的可变涡流进气系统。 1 2 1 两气门柴油机可变涡流进气技术研究现状 对于两气门柴油机，可变涡流进气技术的实现方法一般是在进气道进行改 进，主要实现方式包括：导气屏气门方式、双层气道方式、副气道控制方式、喷 气方式、阀片控制方式。 ( 1 ) 导气屏气门方式【2 】 导气屏气门方式是最早采用的可变 涡流进气系统方式，其结构如图1 - 1 所 示，它是通过转动进气门上的导气屏来 调整涡流强度，采用这种方式改变涡流 的系统的缺点是由于导气羼占进气门周 边的1 4 1 3 ，致使流量系数下降，另 外由于需要阻止进气门转动，使得这种 机构比较复杂；且由于气门不转动，使 气门与气门座之间有可能产生异常磨 3 1 进气门2 导气屏3 活塞 图1 1 导气屏气门方式可变涡流进气系统 第一章绪论 损，由于存在上述问题，这种机构已被淘汰。 ( 2 ) 双层气道方式【3 1 其结构如图1 2 所示，在螺旋气 道内设置水平的隔板，将进气道分隔 为上下两层，入口处设置涡流控制 阀，当打开涡流控制阀时，上下气道 均进气，进气流量增加，但流速较低， 缸内涡流强度较弱；当关闭上层进气 道时，下层进气道进气流速升高，产 1 生较强涡流；调整涡流控制阀的开 度，可以实现涡流强度的连续调节， 满足各个工况下对涡流强度的要求。 稳流气道实验结果表明，双层气道方 式的可变涡流进气系统为了实现强 涡流，必须减少下层气道的截面积， 1 气道分隔板2 涡流控制阀3 上部气道 4 下部气道5 气缸 图1 2 双层气道式可变涡流进气系统 从而提高气体流速，从而导致进气流量的限制下降，此时对发动机性能有不利的 影响。 ( 3 ) 吾l j 气道控制方式【4 其结构如图1 - 3 所示，图1 - 3 ( a ) 为单副气道控制方式，该结构包含一个产生 强涡流的主气道，以及一个控制涡流变化的副气道，在一定的角度下，能够使副 气道在上方能够与主气道相连，并在入口处安装涡流控制阀。当涡流控制阀打开 时，主副气道同时进气，进气流量增加，但反向涡流扭矩增加，故整体上涡流强 度降低；当涡流控制阀关闭时，只有主气道进气，此时在确保进气流量良好的前 提下获得较高的涡流强度；当涡流转换阀位于中间开度时，可以通过开度调节可 获得变化的涡流强度，该系统仅用于强涡流进气系统，降低过强的进气涡流。图 1 3 ( b ) 为双副气道控制方式，该结构除了主气道外，还设置了两个副气道，其中 一个副气道起到加强涡流强度的作用，另一个起到减弱涡流强度的作用，可以通 过合理控制两者的开闭对进气涡流强度起到调节作用。 5 第一章绪论 5 1 涡流控制阀2 涡流控制副气道 3 主气道4 气缸5 正向涡流 6 反向涡流 4 1 涡流控制阀2 副气道3 主气道4 气缸 5 喷嘴6 主涡流7 增强涡流8 减弱涡流 9 喷嘴1 0 扃0 气道 ( a ) 单副气道 ( b ) 双副气道 图1 3 副气道控制式可变涡流进气系统 ( 4 ) 喷气方式【5 】 其结构如图1 4 所示，该结构在螺旋进气道的下方设置空气喷孔，当喷孔处 于关闭状态时，螺旋气道进气，能产生较高涡流强度；当喷孔处于打开状态时， 空气由此处喷入，并与螺旋气道的气体干涉，从而降低了涡流强度，但是进气流 量有所提升。 ( 5 ) 阀片控制方式【6 】 其结构如图1 5 所示，在螺旋气道中安装一适当形状的阀片，通过对进气进 行导流，达到改变涡流强度的目的。 l 露孔 气缸 图1 4 喷气式可变涡流进气系统 4 醅 r 7 7 ，气一方翔 1 阀片转动阀2 阀片3 进气门4 进气道 图1 - 5 阀片式可变涡流进气系统 第一章绪论 这些两气门柴油机可变涡流机构虽然可以实现进气涡流的调节，但实际应用 较少，因为这些机构或者结构较复杂，对缸盖改动较大，或者当涡流比增加时， 流量系数下降较多，难以同时满足各种工况下的要求。 1 2 2 四气门柴油机可变涡流进气技术研究现状 由于四气门技术能够大大提升柴油机的性能，目前在柴油机中得到广泛应 用。与传统的两气门相比，四气门柴油机具有以下优势：增加流通面积，降低进 气损失；中一t l , 垂直布置喷油器有助于改善混合气形成和燃烧；具有良好的扭矩和 排放特性；易于实现对进气涡流的调节。四气门柴油机可变涡流进气系统的实现 方法一般是：在其中一个进气道上设置可变涡流控制机构来改变该侧气道开度， 从而调节进气涡流强度。a v l 和f e v 对四气门可变涡流进气系统进行了实验研 究，结果表明：这种型式的可变涡流进气系统能够在保证牺牲较小流量系数的前 提下实现较大的涡流变化范围，实现最佳涡流比的调节和控制，以满足发动机运 行的各个工况，从而对燃烧过程的改善起到显著效果。这种可变涡流方案的特点 是结构简单且易于实现电控，是提升四气门柴油机性能的有效技术措施之一，在 当前已经应用于具体的产品【8 】 9 。 四气门直喷式柴油机可变涡流进气系统在国外的汽车厂商应用的比较广泛， n i s s a n 、h o n d a 、v o l k s w a g e n 、a u d i 、b m w 、m e r c e d e s b e n z 、f o r d 、h y u n d a i 等 均有自己的可变涡流进气系统。一般缸盖不做改动，只在进气歧管支管出口处设 置涡流控制机构来达到调节涡流强度的目的，采用的可变涡流进气的方案一般包 括几种：螺旋气道与切向气道组合，切向气道侧设置涡流控制阀( n i s s a n 、h o n d a 、 b m w 等) ；螺旋气道与切向气道组合，螺旋气道侧设置涡流控制阀( v o l k s w a g e n 、 a u d i 、m e r c e d e s b e n z 等) ；两切向气道组合，较短气道侧设置涡流控制阀( f o r d 等) ；两螺旋气道组合，产生涡流较弱气道侧设置涡流控制阀( 玉柴等) 。 n i s s a n 汽车公司在四气门高速 直喷式柴油机上使用同时降低n o x 和p m 的称之为m k ( 调谐动力1 方式 的新燃烧概念，其中一项必要技术 就是可变涡流进气技术，进气道由 产生高涡流的螺旋气道和产生低涡 流的切向气道组成，在切向气道入 口设置涡流控制阀，通过改变开度 来改变流量，从而控制涡流比，如 图1 - 6 。在常用区域内，关闭涡流控 图1 - 6n i s s a n 柴油机可变涡流进气系统 第一章绪论 制阀，只通过螺旋气道进气，形成强涡流，实现稳定燃烧；在高负荷区域，打开 涡流控制阀，使两进气道同时进气，显著提高了充气效率，满足发动机对进气量 的要求，该可变涡流进气系统的涡流比调节范围为3 5 - - 一1 0 1 0 】。 h o n d a 公司开发了智能型共轨涡轮增压直喷式( i c t d i ) 2 2 l 四缸柴油机，采 用一种线性可变涡流控制阀，它能在整个工况范围内实现精确的最佳涡流控制， 从而优化燃烧过程。进气系统包括两个独立的进气歧管和气道，两个气道由主气 道的涡流气道和次气道的切向气道组成，涡流控制阀置于前后排列的进气歧管上 游且装有开启角传感器，由频率电磁阀电子控制的负压驱动，该结构的涡流比调 节范围为1 4 4 0 【m 1 2 。 a u d i 公司的3 lv 6t d i 和4 2 lv 8t d i 等发动机均采用了螺旋气道节流的可 变涡流进气系统，如图1 7 为a u d iv 8t d i 发动机的可变涡流进气系统结构，该 进气系统包括两组稳压腔和进气支管、切向进气道、螺旋进气道，其中进气歧管 材质为塑料，支管出口处设置了旋转阀片，用来控制螺旋气道的进气流量，从而 调节涡流强度使其满足各工况下需求。阀片通过旋转轴由电机驱动，根据特定工 况，有打开、关闭、中间等状态。可变涡流控制阀片与特定气道造型的结合，能 够保证缸内涡流在一个较宽的范围内变化。 ( a ) 可变涡流进气歧管( b ) 进气道 图1 7a u d i4 2 lv 8t d i 发动机可变涡流进气系统结构 涡流控制阀的状态可以分为三种：当阀片全开时，进气能够大量的通过进气 道进入燃烧室，由此保证良好的充气效率；当涡流阀片变化时，能够降低未处理 的排放，根据不同工况点，精确调整缸内涡流来改善燃烧过程，这需要连续涡流 阀片的调节；当涡流阀片全关时，燃烧室内的强涡流能够改善低负荷情况下的燃 烧过程，从而降低排放，如图1 8 所示。 第一章绪论 ( a ) 涡流阀片打开 ( b ) 涡流阀片变化( c ) 涡流阀片关闭 图1 - 8a u d i4 2 lv 8t d i 发动机涡流控制方法 可变涡流进气能够通过灵活控 制涡流比的大小降低排放，柴油机 的主要排放物是n o 。和p m ，降低 两者的条件是矛盾的。图1 - 9 为发 动机1 2 0 0 r p m 时n o 。和p m 随涡流 控制阀位置的变化情况，柴油机的 n o 。与p m 呈一个折衷的关系，通 | - 常一者增加，另一者减少，可以看 出，通过控制阀片的位置，可以调 图1 - 9n o x 和p m 排放与涡流控制阀位置关系 节n o 。和p m 的生成，从而可以实现优化排放的目的。 2 0 1 0 年a u m 公司推出了第二 代3 0 lv 6t d i 柴油机，其可变涡 流控制机构得到了改进，涡流控制 由1 个中央涡流阀来完成，而不是 以前的6 个独立阀。中央涡流控制 阀下游的进气歧管设计成双流道， 直接通到气缸内，如图1 1 0 所示。 这种可变涡流机构更加简单、易于 控制，并且提高了其可靠性【1 3 】。 图1 1 0a u d i 中央涡流阀式可变涡流进气系统 福特与f e v 合作开发了1 2 l 柴油机d i a t a ，由于小缸径柴油机对进气涡流 的要求，选用了切向进气系统，其特征是进气门中心连线和排气门中心连线均与 曲轴轴线垂直。进气道是两个独立的切向气道，由于空气偏心进入气缸产生涡流， 其中一个进气道中设置一个关闭气道的阀片，安装在进气歧管与气缸盖之间的法 第一章绪论 兰中。阀片装在公共轴上并由电动执行器操纵，当执行器工作时，阀片把每一气 缸的短进气道关闭，从而把流量系数降低约5 0 ，同时涡流比由2 5 提高到4 ， 涡流比的增加和进气流速的提高有助于改善柴油机低转速下的混合气形成【1 4 】。 2 0 1 0 年，广西玉柴提出了一种 双螺旋气道的可变涡流进气系统， 如图1 - 1 1 ，该系统包含两个稳压腔 并各自通向两种型式的进气道，一 种是大流量系数、小涡流比的螺旋 气道；一种是小流量系数、大涡流 比的螺旋气道，气道之间呈平行方 式布置，涡流控制阀设置在小涡流 比的螺旋气道入口并通过电控 图1 11 玉柴可变涡流进气系统 e c u 控制，当发动机低速全负荷运行，涡流控制阀全关，产生最大涡流比；当 发动机中速中负荷运行时，涡流控制阀打开一定开度，根据工况自行调节；当发 动机在高速及中低负荷运行时，涡流控制阀全开，此时进气流量系数达到最大1 5 。 1 3 发动机进气系统数值仿真研究的发展概况 发动机进气系统的数值仿真方法已经成为其设计开发中的一种有效手段，并 得到了广泛应用，该手段的使用不仅能够使我们获得有关进气系统的相关结构参 数对进气流动的影响，并且可以获得关于内部流场的详尽信息，如进气压力和进 气流速的分布、两进气道气流干涉情况，从而为进气系统的设计与开发提供了可 靠的依据。 1 3 1 国外进气系统数值仿真发展历程及研究现状 国外在进气系统数值仿真方面已经进行了大量的研究工作，并取得了丰富的 研究成果，使数值仿真软件的应用得到了进一步推广。1 9 8 7 年，a b m e d 和g o s m a n 对轴对称的进气道、进气门、气缸组成的进气系统内的流动情况进行了计算和实 验对比研究【16 1 。1 9 9 0 年，s u g i u r a 等学者应用三维稳态仿真方法对切向进气道、 进气门、气缸组成的进气系统内气体流动情况进行了研究了，其研究结果如下： 对进气系统进气过程的仿真中加上进气门与未加进气门相比计算结果较准确【17 1 。 同年，k e n n a i t o h 等人应用三维瞬态仿真方法研究了发动机的进气道和缸内气体 流动情况研究，其结果表明：流动现象比较复杂，在进气门座附近出现分离流动， 接近压缩终了时出现小涡旋【1 8 】。1 9 9 2 年，通用汽车的w e ik u ot a n g 使用修改过 第一章绪论 的k i v a 程序对切向气道和缸内系统的气体流动进行了三维瞬态仿真【1 9 1 。同年， 英国帝国理工学院的f uh 等人应用三维稳态仿真计算和实验方法对发动机进气 管内的气体流动情况进行了研究，研究结果表明：由仿真得到的平均速度与使用 l d a 测量得到结果具有很好的一致性【2 0 1 。1 9 9 3 年，k a n gy h u h 等人对k i v a i i 程序进行了改进，并对四气f - j n 冲程发动机工作过程进行了计算【2 l 】。1 9 9 4 年，g o d r i e ，z e l l a t 和d e n t 等分别对切向进气道和螺旋进气道内气体流动进行了 三维稳态仿真，并将仿真结果与实验结果进行了详细比较，结果表明：流量系数 和缸内速度场一致性较优田】， 2 3 1 。同年，b a h r a mk h a l i g h i 等对内燃机的进气道、 进气门、缸内系统的流动使用自主开发的c f d 程序进行三维仿真【2 4 1 。1 9 9 5 年， k a n gy h u h 等人采用修改过的k a i i 对螺旋进气道、进气门、气缸系统内 的流动进行仿真，其仿真结果表明：内燃机工作时缸内涡流比可以通过稳流实验 来进行预测，并且仿真得出的涡流比之间可以比较 2 5 1 。1 9 9 6 年，麻省理工( m i t ) 的w o l f b a u e r 和j o h nb h e y w o o d 使用s t a r - - c d 构建了一台单缸四气门汽油机 进气系统的计算模型，对其瞬态流动进行仿真，并与实验结果比较，研究了整个 进气流动过程，包括倒流现剿2 6 1 。同年，德国的w u n s c h e 通过对进气系统内气 体流动的研究，得出结论：对于四气门柴油机，螺旋进气道和切向进气道的组合 效果较好【27 1 。1 9 9 7 年，w i l l i 锄t a y l o r 对包括进气导管、进气总管、进气歧管、 进气道和气缸整个进气系统内流动进行仿真，得出了不同气门升程时的总压力损 失以及各部分压力损失的相对大小【2 8 】，【2 9 1 。1 9 9 8 年，c l e m s o n 大学和c a t e r p i l l a r 公司对柴油机进气系统内气体流动使用f l u e n t 进行了稳态仿真，结果表明： 仿真与实验得到的流量系数最大的误差达到7 4 3 0 1 。同年，f u c h st r 和r u t l a n d c j 对四气门发动机的进气过程使用v a i i 进行了仿真 3 1 。同年，p e r k i n s 公 司对进气道内的流动进行了三维仿真，结果表明：仿真与l d a 测量出的涡流强 度的最小误差值为5 t 3 2 】。1 9 9 9 年，t a k a s h ik o b a y a s h i 等对进气系统的进气流动 损失进行了仿真分析，并对整个进气系统进行了优化 3 3 1 。同年，日本的j u n i c h i k a w a s h i m a 对高速四气门直喷柴油机切向进气道和螺旋进气道内气体流动进行 了仿真，结果表明：通过对切向气道进行节流，可以有效的实现涡流强度的变化 口4 1 。2 0 0 4 年，美国的c a n t o r eg i u s e p p e 等对四气门柴油机的进气流动进行了仿真， 研究结果表明：稳态仿真分析可以较好的预测进气道流动性能【3 5 1 。 1 3 2 国内进气系统数值仿真发展历程及研究现状 国内关于进气系统的数值仿真研究方面也取得了一定的进展。1 9 9 7 年，吉林 工业大学的孙济美教授等人开发了s u n i 程序，该程序的基本功能、计算精 度和易用性与v a i i 程序基本相n t 3 6 1 。1 9 9 8 年，华中科技大学的杨玟对螺旋 第一章绪论 进气道、气门、缸内系统的三维流场进行了仿真【3 7 1 。同年，蒋勇使用基于k i v a 程序开发的i p i c - - c f d 程序对直喷式柴油机的螺旋进气道、进气门、气缸系统 内气体流动进行了仿真【3 8 】。1 9 9 9 年，天津大学的刘书亮对四气门汽油机进气及 压缩过程的气体运动进行了仿真，研究了滚流的形成及演变规律【3 9 1 。同年，武汉 汽车工业大学的常思勤等人对螺旋进气道进行了三维仿真【4 0 1 。2 0 0 0 年，华中科 技大学的罗马吉对多缸发动机进气系统进气流动进行了仿真，进气系统包括空气 滤清器、进气管、进气道，分析了各缸分别进气时进气管内的流动特性，研究了 各缸的进气不均匀性 4 1 1 。2 0 0 2 年，中科院工程热物理研究所的王海刚等用对柴 油机进气道和缸内进气流动进行了三维仿真【4 2 1 。同年，无锡油泵油嘴研究所的夏 兴兰等对柴油机进气道中的气体流动过程进行了仿真 4 3 1 。2 0 0 3 年，天津内燃机 研究所的康秀玲等人对两个进气道内的进气流动进行仿真】。同年，华中科技大 学的曹暑林对四气门柴油机双切向气道进气流动进行了仿真，结果表明：仿真结 果与实验吻合较好，切向气道产生的涡流较强，两进气道同时工作时气流存在干 涉，造成了一定流量损失，但涡流强度增加【4 5 1 。2 0 0 8 年，天津大学的任立红对 发动机可变进气系统的进气流动进行了稳态和瞬态仿真，研究了不同进气模式的 流动特性，并对发动机性能进行台架实验，以及整机优化仿真，结果表明：使用 可变进气技术可以对发动机性能进行优化【4 6 1 。 进气系统三维仿真研究方法现己得到广泛的应用并以日趋成熟，相比实验的 方法具有理论性强、易于观测、节省时间、成本较低的优势，故未来将进一步代 替实验在进气系统开发中起到重要作用。 1 4 课题意义及主要研究内容 柴油机缸内的涡流对油气混合和燃烧起着重要作用，直接影响发动机的性 能。研究表明，不同工况下的最佳涡流强度不同，常规的进气系统难以满足柴油 机各个工况下对涡流强度的要求。针对该问题，出现了柴油机可变涡流进气技术， 对柴油机不同工况下的性能起到了优化调节的作用。当前市场上己经出现了应用 可变涡流进气系统的柴油机，该种技术在柴油机上的普及将成为未来汽车行业发 展的趋势。 发动机进气系统的数值仿真能够有效的指导设计和开发，并能够减少实验 量，缩短开发周期，降低开发成本，在实际科学研究和工程应用中发挥着重要的 作用。 本课题组已经通过进气系统数值仿真的手段成功设计开发了多款汽油机、柴 油机进气歧管，包括可变长度进气歧管、可变截面进气歧管。本文在柴油机进气 1 0 第一章绪论 歧管研究的基础上，采用c f d 数值仿真方法研究了可变涡流进气系统对柴油机 进气流动特性的影响，为可变涡流进气系统的设计开发提供了一定指导。本文主 要的研究内容归纳为以下几个方面： 1 分析了进气系统中气流运动的流动阻力和能量损失以及进气涡流在促进 油气混合、改善发动机性能方面的作用，并对可变涡流进气系统进行了设计研究， 提出了其设计要求、一般实现方法及具体设计方案，其中对进气歧管进行了铝改 塑设计并进行台架试验验证进气流量的改善和对发动机性能的影响。 2 研究了c f d 数值仿真方法在柴油机进气系统设计中的应用，使用a v l f i r e 分别对柴油机的单螺旋进气道、单切向进气道和双进气道型式的气体流动 进行了仿真，研究了不同型式进气道的流通干涉特性和涡流特性，以及两气道产 生气流运动的湍流特性。 3 设计了柴油机可变涡流进气系统，并提出了两种涡流控制方案，研究了其 各自的进气流通特性和涡流特性，选出较优方案，达到可变涡流进气的目的，从 而改善发动机性能，并分析了利用节流气道流量与非节流气道流量之比为设计参 数进行流动特性研究的可能性。 4 根据优化结果选取较优方案，并对于配置可变涡流进气系统的柴油机进行 一维整机建模及仿真，对比了实验与仿真的进气流量、扭矩以及功率，一致性较 好，分析不同转速下可变涡流进气系统对进气流量变化和涡流变化情况的影响， 从而为可变涡流进气系统的控制方案提供了理论指导。 第二章柴油机进气流动特性及可变涡流进气系统设计研究 第二章柴油机进气流动特性及可变涡流进气系统设计研究 柴油机进气流动对混合气形成和燃烧意义重大，组织良好的进气流动能够加 快油气混合、提高燃烧速率、改善发动机性能。进气系统主要影响进气流通和进 气涡流，进气流通性影响发动机的动力，进气涡流影响混合气的形成。因此，深 入了解柴油机进气流动特性对开发具有高性能低污染的发动机具有重要意义m 】。 2 1 柴油机进气流通特性分析 柴油机进气系统的进气流通性直接决定发动机的性能，进气阻力时进气流通 性的一个重要评价参数，主要表现在进气能量的损失，下面从能量损失的构成和 原理来探讨进气系统的流通特性。 2 a 1 进气系统能量损失构成 进气系统的流动阻力分为沿程阻力和局部阻力，其中，沿程阻力即摩擦阻力， 与管道长度、直径和表面质量有关；局部阻力是由流通截面大小、形状和流动方 向的变化导致的局部产生涡流损失引起的。克服沿程阻力的能量损失称为沿程能 量损失；克服局部阻力的能量损失称为局部能量损失，整个进气系统内的能量损 失等于各段的沿程能量损失加上局部能量损失。 进气系统内管道较短且壁面比较光滑，故沿程阻力较小；但由于形状复杂， 出现截面大小和形状的变化以及管路的弯曲，局部阻力较大。图2 1 和表2 1 为 进气系统能量损失的分布情况，可以看出，摩擦损失属于沿程能量损失，只占总 能量损失的1 2 ，而其它均为局部能量损失，可见在进气系统中局部能量损失是 影响进气流通性的主要因素1 4 8 。 第二章柴油机进气流动特性及可变涡流进气系统设计研究 图2 - 1 发动机进气系统能量损失分布 表2 - 1 进气系统能量损失分布 能量损失的位置及内容 损失的能量( ) 摩擦损失( f r i c t i o n ) 1 2 进气总管入e ( m a n i f o l de n t r a n c e ) 2 节气门连接法兰处fc o n t r a c t i o nt ot h r o t t l eb o d y )2 节气门体( t h r o t t l eb o d y ) 9 稳压腔入e l ( d i f f u s e r ) 4 进气歧管入n ( p r i m a r y r u l l l l e re n t r a n c e ) 5 2 歧管弯曲部位( p r i m a r yr t m n e r18 0 0b e n d ) 1 8 2 1 2 进气系统沿程能量损失 进气系统中的沿程能量损失出现在进气流动的整个过程中，损失的量与流动 状态关系很大，如进气系统中为湍流流动，其沿程损失的大小与平均速度的 1 7 5 2 次方成正比【4 9 1 。进气系统中流体的沿程损失由式( 2 1 ) 表示，可以看出， 沿程能量损失与管长成正比，故在进气系统设计中，各管段长度也是重要的设计 参数。 i 1 ，2 h ，= 力二二( 2 1 1 。d 2 9 。 式中，见为沿程损失系数，受流体流速、粘度、管径及管壁粗糙度影响；，为 管长；d 为管径；v 2f ( 2 9 ) 为单位重力流体的速度水头。 第二章柴油机进气流动特性及可变涡流进气系统设计研究 2 1 3 进气系统局部能量损失 进气系统的局部能量损失为主要能量损失，其产生的原因是流动受到扰动， 流动的速度在大小和方向上都有急剧变化的结果。当流动发生急剧减速时，必将 出现分离，产生大尺度的分离旋涡。在分离旋涡的产生、脱离以及破碎、衰减的 周而复始过程中，来自主流的机械能将不断转变为热能而耗散。实验研究表明， 局部能量损失和沿程能量损失一样，不同的流态遵循不同的规律，但在实际工程 中很少有局部障碍处是层流运动的情况， 管中单位重量流体的局部能量损失， 办r = f 移( 2 9 因此只讨论湍流状态下的局部损失。 用式( 2 2 ) 表示： ( 2 2 ) 式中， 为局部损失系数，主要通过实验确定。 局部阻碍的种类虽多，如分析其流动的特征，主要有过流断面的扩大或收缩， 流动方向的改变，流量的合入与分出等几种基本形式，以及这几种基本形式的不 同组合，下面对进气系统中出现的几种形式进行分析。 2 1 3 1 截面变化引起的能量损失 进气系