（动力机械及工程专业论文）电喷汽油机可变进气系统与配气系统的流动特性研究.pdf

t 冈o n 6 浯j i 一呋i 学t y 申请硕士学位论文 摘要 利用进排气管动态效应是提高发动机性能的有效措施之一。因此，为了使发动机在较宽 的转速范围内具有良好的动力性能，现在越来越多的电喷发动机采用了可变进气系统与可变 配气正时系统。本文主要以一台微型车用电喷汽油发动机为研究对象，在充分研究与本课题 有关的国内外文献的基础上，利用一维发动机流动过程仿真软件b o o s t 建立计算模型，对 其进行可变进气歧管系统设计计算，并在此基础上探讨了采用可交配气正时系统进一步提高 该款发动机性能的可行性。主要研究内容有： 1 ) 对一款电喷汽油机流动过程进行模拟计算分析，并与试验值进行比较，验证了模型 的正确性。 2 ) 为了进一步提高发动机的性能，利用商业软件b o o s t ，在该发动机的基础上建立 了可交进气系统计算模型，运用进气系统内的气体动态效应理论，通过对进气系统内气体的 流动特性的研究进行了结构优化设计，提出优化方案。最后确定了针对该款发动机的可变进 气歧管结构优化方案，为该发动机的改型设计指明了方向。 3 ) 同时，还探讨了采用可变配气正时系统进一步提高该款发动机性能的可行性，并对 采用可变配气正时系统后的流动特性进行了分析研究，为其进行可变配气机构动力性和运动 学研究进而实现可变配气方案提供了设计依据。 关键词：汽油机，可变进气系统( s ) ，可变配气正时系统( v v t ) ，动态效应， 申请硕士学位论文 a b s t r a c t i t i so n eo fm o s te f f e c t i v ew a yt oi m p r o v ee n g i n ep e r f o r m a n c eb yu t i l i z i n gg a sd y n a m i ce f f e c ti n a i ri n t a k ea n de x h a u s ts y s t e m n o wm o r ea n dm o r ev a r i a b l ei n t a k es y s t e m ( v l s ) a n dv a r i a b l e v a l v et i m i n g ( v v t ) s y s t e ma l ei n t r o d u c e di n t oe l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o n g a s o l i n ee n g i n et o i m p r o v et h ee n g i n e sp o w e rp e r f o r m a n c ei ni t sw h o l eo p e r a t i n gr a n g e i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c h f o c u s e s0 1 1 a l le l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ng a s o l i n ee n g i n eu s i n gi nm i n ic a r as i m u l a t i n ga n d c a l c u l a t i n gm o d e lf o rt h i se n g i n e sn e wi n t a k es y s t e mi sb u i l tb ym e a n so fb o o s tw h i c hi sa o n e - d i m e n s i o ne n g i n eu n s t e a d yf l o wp r o g r a m t h ed i a m e t e ra n dl e n g t ho ft h en e wi n t a k es y s t e m s m a n i f o l da r ed e s i g n e da n do p t i m i z e d i nt h em e a nw h i l e ，t h ee f f e c t so fv a l v et i m i n go nt h en e w v a r i a b l ei n t a k es y s t e m sv o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya r ea n a l y z e d ，a n dt h ep o s s i b i l i t yt oa p p l yv v t s y s t e mo nt h ee n g i n ei sa l s od i s c u s s e d a f t e rt h ep a p e r , t h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sh a v eb e e n a t t a i n e d ： a t h ee l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ng a s o l i n ee n g i n ei ss i m u l a t e db ym e a n so fo n e - d i m e n s i o n u n s t e a d yf l o wp r o g r a mb o o s t t h es i m u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e dt ot e s t i n gr e s u l t s ，a n d v a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so f t l l i sm o d e l b av a r i a b l ei n t a k es y s t e mm o d e li si n t r o d u c e di n t ot h i se n g i n em o d e lf o ri m p r o v i n gi t sw o r k i n g p e r f o r m a n c e b a s eo ng a sd y n a m i ce f f e c tt h e o r yi ni n t a k ea n de x h a u s ts y s t e m ，w ef i g u r eo u t t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r so fc o n f i g u r a t i o na n dd i m e n s i o nt h r o u g h a n a l y z i n gi t s f l o w c h a r a c t e r i s t i ci ni n t a k es y s t e m c i nt h em e a nw h i l e ，w ea l s od i s c u s st h ep o s s i b i l i t yt oa p p l yv v ts y s t e mo nt h ee n g i n et o f u r t h e ri t sp e r f o r m a n c ea n da n a l y z et h ef l o wc h a r a c t e r i s t i ca f t e rt h i sa p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ，v a r i a b l ei n t a k es y s t e m ( v i s ) ，v a r i a b l ev a l v e t i m i n g v d ， d y n a m i ce f f e c t 2 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，撰写成硕士学位论文：鱼噬遗澶扭丑变遘氢丕统皇醒氢 丕统的运动挂蛙硒究：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 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。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开 发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：辛l 醌玫 2 0 0 5 年1 月1 2 日 申请硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 随着与汽车发动机相关的先进技术不断向前发展，同时也由于面临着生态环境日益紧 迫的要求以及能源紧缺的严峻事实，使得现代汽车发动机的发展趋势逐渐趋于：在更广阔的 转速范围内动力输出越来越大，经济性更高，运行更可靠，寿命更长，同时对排放的要求也 越来越高。与此相适应的是进气系统与配气系统的设计越来越复杂，越来越先进。 进气系统在整个发动机的部件中，具有举足轻重的作用，它设计的好坏直接影响发动机 的充气效率，从而影响发动机动力性能的优劣。大多现代发动机设计为在低速时得到大扭矩； 这就意味着当发动机减速时扭矩上升，避免了频繁换档。对发动机的迸气系统进行谐振设计 可以得到这种动力特征。通过这样的设计，车辆能够使用较高的总传动比，从而在同样的车 速下发动机的转速变低，从而改善车辆的燃油经济性。因此，国外发动机进气系统的设计普 遍利用波动效应与惯性效应。 目前，国内的汽油机上大多已广泛的采用多气门技术，但多气门结构提高了高速动力性， 而同时降低了低速动力性能。通常，发动机配气相位是通过对不同的配气相位试验，从中选 出兼顾发动机各种工况下性能的折衷方案。随着轿车汽油机的高速化和废气排放法规的日趋 严格，配气相位固定不变的缺点变得越来越突出。因此，可变配气正时的研究和生产从较早 时候就已经得到各研究机构和生产厂家的高度重视。 可变气门机构( v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n ，简称，a ) 可以在发动机的整个工作范围的 负荷和转速下提供合适的气门正时和升程，从而改善发动机的迸排气性能，解决高转速和低 转速、大负荷与小负荷的动力性、经济性和废气排放的矛盾。 谐振进气管与可变配气正时的设计结合在一起可以使发动机性能得到更充分的发挥。 同时，内燃机工作过程模拟计算在设计内燃机结构、改进内燃机性能方面发挥了越来越 重要的作用。模拟计算的意义已不仅仅在于一台已经产品化的发动机，在开发设计的初级阶 段，不仅能够利用模拟计算来预测发动机的性能，还能对发动机的进气系统和气门正时进行 初步设计，对涡轮增压器进行匹配，辅助试验开发。 因此，利用内燃机工作过程模拟软件，比较简单、快速、有效地进行进排气系统和配气 系统的设计，对发动机总体性能评估，可以减少试验次数，大大减少前期的开发费用。这对 于企业来说有非常重要的意义。 5 申请硕士学位论文 1 2 国内外可变进气系统和可变配气正时研究状况及发展趋势 1 2 1发动机流动过程模拟的理论研究和软件开发的发展状况及趋势 发动机流动过程模拟程序已历经一个很长的阶段，所依据的理论基础有： 线性行波理论这种理论建立在流体力学守恒定律的基础之上，忽略了摩擦，并假定 状态量的变化与绝对值相比很小，质点速度小于音速。这种处理方法只能用于小振幅波动， 这样的简化与内燃机进排气系统中的实际流动情况相差较大。 充满和排空法( 或称容积法) 很定进排气系统由圆管组成，圆管相当于一个具有无 限大音速的储气室，流进的速度能被转换为内能，而不考虑空气动力学方面的效应，并忽略 扰动的传播速度对管系状态的影响。于是，状态变化仅仅由充满和排空过程中进入容器和从 容器中出来的质点来确定。这种方法适用于排量大、转速低、排气管相对较粗和较短的柴油 机。 非线性行波理论一对流体微元的状态变化应用质量、动量和能量守恒定律，可以计 算较大振幅的波的传播。应用这一理论可以得到一阶准线性双曲面偏微分方程，可以按照特 征线性理论得出这些方程的解。 容积法建立的物理模型为零维模型，即在研究的容积内，各状态参数只是时间的函数， 与空间位置无关。而基于线性行波理论与非线性行波理论建立的模型为一维模型。根据发动 机的实际流动状况。后两种方法在发动机中得到广泛应用。 根据不同理论建立的模型可以由不同的数值解法进行求解，常用的有特征线法、有限 差分法、有限容积法。 r s 本森提出的特征线法是将偏微分方程组在特定条件下转化为一阶全微分方程组进 行求解，该方法具有一阶精度，但缺点是质量流量误差较大。顾宏中对传统的一维非定常流 动模型作了改进，提出了广义一维非定常流动模型。 选取适当的差分格式将偏微分方程转化成差分方程组，形成了有限差分法，其中由于 采用的差分格式不同，又形成了两步中心差分法、迎风差分法、l a x - w e n d r o f f 差分法( 一般 具有二阶或以上精度，但对于间断解很容易出现数值振荡) 。 经验表明差分法在稳定性和计算精度方面存在矛盾，因此近年来又发展了一种高分辨 率格式如t v d 、e n o 、1 、m 等。而有限体积法与有限差分法、特征线法相比，具有精度高， 稳定性好且计算速度快的优点。本文所用的b o o s t 软件就是基于e n o ( e s s e n t i a l l y n o n - o s c i l l a t o r ys c h e m e ) 格式的，该方法中控制方程的离散采用有限体积法，截面数值通量 采用考虑截面变化的e n o 格式。 现在三维不稳定流动理论也开始出现，其中较典型的是yz h a o 等用f v f l i c 法求解三 维n a v i e r - s t o k e s 方程，研究了进气歧管内的三维不稳定粘性流动，但其精度仍低于二阶的 l a x - w e n d r o f f 法。近来，焦天明等人又提出了一种在概念上和方法上都有别于传统数值方法 的全新数值模拟方法一时空守恒和解元法( s e c e ) ，计算采用简单的t a y l o r 展开式，且 6 燃 申请硕士学位论文 具有二阶精度。 关于内燃机进排气系统的模拟计算中，国内外已经开发出一维和三维流动模型。在一维 流动模型中，在国外已经商业化的模型有a v l 公司的b o o s t 软件、英国r i c a l d o 的w a v e 软件、德国f e v 公司的c a t s 软件、德国s e i f e r t 教授开发的p r o m o 、美国g t i 的g t p o w e r 等；在三维模型中有a v l 公司的f i r e 、英国的f l u e n t 、英国r i c a r d o 的v e c t i s 等，国内 上海交通大学、西安交通大学、武汉汽车工业大学等也开发了一维和三维流动仿真程序。 1 2 2可变进气系统的研究发展状况及发展趋势 目前，国外发动机进气系统的设计普遍利用动态效应( 波动效应与惯性效应) 。进气系 统的动态效应与配气相位相配可以获得最佳效果，因此发动机进气系统动态效应是现代进气 系统设计中正在着力研究且不可避免的问题。 可变结构的进气系统可以使发动机很好地利用气体动态效应，提高充气效率，使发动 机在较宽的转速范围内均具有良好的动力性能，改善固定结构参数的进气系统所存在的不能 兼顾高低速充气效率的矛盾，即长细进气管影响高速时的充气效率而短粗进气管则影响低速 时的性能。 目前已经有许多可调进气系统方案，其调谐方法、执行机构动作原理和可控参数变化 特性各不相同。如： 1 )奥迪v 6 发动机可变几何形状进气歧管。 如图1 1 所示，转速低于4 1 0 0 r m i n 时，进气管内每个气缸中的转换翻板( 由燃油喷 射系统电控单元控制) 处于关闭状态，进气路径长，横截面小，气流速度加快，有利于混合 气形成( 图1 1 a ) ，转速大于4 1 0 0 r m i n 时，转换翻板开启，进气路径变短，横截面大进气 阻力小，进气量大( 图1 1 b ) 。 ( a ) ( b ) 图1 - 1奥迪v 6 可变进气系统 ( a ) n 一4 1 0 0 r m i n ，转换阀开启，进气管粗短 2 ) 进气管粗细长短可变的可交进气系统 日产c a l 8 d e t 发动机的可交进气系统如图l 一2 所示。当发动机在低速中小负荷工作 时，转换阀关闭，进气仅通过细长的进气管进入，细长管的动态效应也改善了中低速的扭矩 特性。当发动机在高速大负荷工作时，转换阀开启，短而粗的进气管大大提高了充气量，从 7 申请硕士学位论文 而获得了较大功率。 图1 - 2日产长短可变的可交进气系统 l 一总管2 一租短管3 一细长管 3 ) 双进气管分别参加工作 丰田汽车公司采用了双进气管分别参加工作的可变进气系统以适应发动机不同工况 的要求。当发动机在低速中小负荷工作时，由真空控制的主进气管被关闭，这时仅有一个副 进气管开启( 图1 - 3 a ) ；当发动机在高速大负荷工作时，双进气管同时开启( 图1 3 b ) 。 ( a ) ( b ) 图1 - 3可变进气系统 ( a ) 低、中速运转时，s 阀关( b ) 高速运转时，s 阀开 4 ) 可变进气谐振增压系统 日本马自达公司成功开发了可变进气谐振增压系统，其结构原理如图1 - 4 所示。它是 利用由谐振腔容积、谐振管长度与直径所决定的共振频率来控制的，当与发动机的气缸工作 频率一致时，在谐振箱内产生共振或谐振，使压力达到最大值，恰好这时关闭进气门，从而 使进气充量最大，以获得最大扭矩。图i 5 便是利用转换阀来改变谐振管长度，以改变扭矩 及相对应的最佳转速。高速时，转换阀开启，空气流动方向为总室a b 、c 室，然后经过 各缸支管到各气缸，因转换阀开启，b 、c 被连为一室( 见图1 - 5 a ) ，这时，b 、c 室受到6 个气缸的共同作用，压力基本保持不变而相当于稳压箱，进气脉动仅发生在与气缸相连的进 气歧管中。低速工作时，转换阀关闭，谐振室b 、c 被隔为两个室( 见图1 - 5 b ) 。这时b 室 ( 或c 室) 分别仅由3 个气缸加振，而a 室这时则分别由b 室和c 室边6 个气缸共同加振， 故a 室压力保持基本不变，谐振管路增长，共振转速移向低速，从而改善低、中速扭矩。 3 燃 申请硕士学位论文 图1 4可变进气谐振增压系统图 1 转换阀2 短共振管3 长共振管4 双节气门5 惯性增压 高速 乎一一器 黧糍 锄f 废逡 图1 5可变进气谐振增压系统示意图 1 2 2可变配气正时系统的研究状况及发展趋势 可变配气正时系统按照驱动方式可以分为凸轮驱动系统和无凸轮驱动系统两大类。凸轮 驱动的可变气门系统研究时间较长，相对简单，目前汽车上绝大多数使用的是凸轮驱动的气 门。随着微电脑技术的发展，无凸轮驱动可变气门系统成为最近2 0 年来研究的新领域。 1 ) 凸轮轴气门驱动机构 凸轮轴气门驱动机构有两种实现形式，一种是凸轮轴和凸轮可变系统，通过凸轮轴或者 凸轮的变换来改变配气相位和气门升程；另一种是气门一挺杆可变系统，工作时凸轮轴和凸 轮不变动，气门、挺杆、摇臂或拉杆靠机械力或者液力作用而改变，从而改变配气相位和气 门升程。 a )凸轮轴调相 凸轮轴调相机构都是通过正时带轮与凸轮轴内轴之间设置一环型柱塞，柱塞和凸轮轴内 轴以直键或花键传动，电控单元通过液压或电子控制控制柱塞，使柱塞带动凸轮轴相对于曲 轴转动一个角度，从而改变配气正时。如宝马公司v a l v e t r o n i c 机构( 图l 一6 ) ，它既可改变 气门正时，又能改变气门升程。 9 一 _ 铲端嚣扩理 一 黜隐臻 申请硬学位论文 f $ n 伯目h e i 嚷t # h l ”t 自q 蝴张 囝l - 6 传统气门机构与v a l v e t r o n i c 机构 三荽i 瓣 磊l 慕啊怒1 2 墨基i 黜乇斡轻-i 塑霹岬 蕊f 驴i 图1 7d o h c w r e c 的工作过程图1 - $ h o n d z 的i - v t e c 2 ) 无凸轮轴驱动可变气f 1 系统 无凸轮轴气门驱动机构取消了传统气门机构中的凸轮轴及其从动件而以电磁、电渡 燃 申请硕士学位论文 电气、电机等方式直接驱动气门。 a )电磁气门驱动 a u r as y s t e m s 公司、f e v 公司和g m 公司都提出了工作原理近似的双弹簧双电磁铁气门驱 动方案。目前a u r as y s t e m s 公司和f e v 公司的电磁驱动气门机构已经装车试用。电磁驱动 气门机构由电磁线圈直接驱动气门，通过改变线圈的通断电时刻控制气门的开启始点和开启 持续期。理论上电磁气门控制方便，结构简单，实际应用中气门落座冲击大，电磁响应速度 不够高，能耗及机构尺寸过大 b )电液气门驱动 电控液压气门驱动是将气门与一个液压活塞相连，通过电磁阀控制液压缸内高低压液体 高压单向月低压单向闶 图1 - 9 电液气门驱动机构 的流入和流出来控制气门的运动。图1 - 9 是f o r d 公司的液压活塞式可变气门系统。高压电磁阀在气 门开启的加速过程中开启，减速过程中关闭。低压 电磁阀的开启控制气门的关闭过程。系统还包括一 个高压单向阀和一个低压单向阀，以保证气门达到 最大开启行程时活塞上部压力不会太低，气门落座 之前活塞上部油腔压力不至过高。系统工作时，高 压液体的压力波、可压缩性、电磁阀的响应速度以 及发动机缸内气体压力波动使气门运动难以精确 控制，此外电液系统的高压流提供装置和密封装置 大大增加了气门驱动机构的成本。 c )电气气门驱动 电气气门与电液气门的工作原理相似，只不过所用的介质为空气。与液体相比，空气的 粘度低、运动惯性小，有利于提高电气气门的响应速度；但空气的可压缩性更高，更难精确 控制。因此，空气作为传动介质的优越性并不明显。寻找合适的传动介质是提高此类气门驱 动机构性能的关键h d ) 电机驱动气门 电机直接控制凸轮的可变气门驱动机构中，每一个气门都由一套永磁无刷直流电机通过 凸轮驱动，并通过增加或减少电机的角速度、改变电机的旋转方向来改变气门开启和关闭相 位和升程。该系统的转速灵活性范围很大，但同样的，气门落座冲击大、响应速度慢、能耗 高依然成为制约因素。此外，运行过程中电机的转速、转向频繁变化，难以精确控制嘲旧 e )其它 有学者提出了用旋转驱动器- 摇臂驱动气门的方法。也有人尝试了以旋转气门代替往复 运动的菌形气门，但密封性和润滑依然没有解决。 所有的可交气门系统，只要保留了凸轮，气门的动作特性都要受到凸轮型线的限制。而 无凸轮可变气门驱动系统的气门正时、开启持续期、升程、动作速度完全柔性可调，因而无 t 冈o n c _ 湃d l 云嗲 申请硕士学位论文 疑是到目前为止最有潜力、自由度最大的可变气门系统。随着电控技术的发展，由电控单元 控制的电磁、液压气门驱动机构，已成为气门机构的发展趋向。表1 1 为各种可变气门驱动 机构的比较。 表i - i 可变气门驱动机构的比较 方法途径优点 缺点 凸轮轴气门 凸轮轴调相、多 可变气门正时和持续时间； 实现简单，对原有机型改变 调节范围有限：气门运动 驱动机构 凸轮、三维凸轮 规律受凸轮型线限制 较小 电磁铁改变励磁控制开启正时和开启持续时气门落座冲击大；能耗 线圈通断电时刻间；开启关闭迅速大；机构尺寸大 无凸轮轴气电动机改变凸轮控制开启持续期：摩擦小、 门驱动机构角转速转速调节范围大 控制难度较大 电控液压顶杆改控制开启正时、气门升程；调节范围受凸轮型线限 变油腔的容积容易实现控制制 1 3 本课题研究的主要内容和意义 随着人们对整车性能的要求的不断提高，随之对发动机的性能也越来越重视。就发动 机而言，由公式a = o 1 2 l 导等仉譬可知，在过量空气系数五和指示热效率矾不变的条件 l oj 下，平均指示压力p ，与充气效率仇成正比。因此，对于汽油机而言，充气效率的高低直接 影响发动机对外输出功的大小。因此如何提高充气效率就成为了设计与改进发动机时首要考 虑的问题。 在换气过程模拟技术还不成熟之前，对进排气与配气系统的设计只能通过大量的试验研 究和经验来设计，这不仅需要花费大量的人力、物力、财力，而且这种经验性的研究方式往 往达不到优化的目的。这是因为空气流动的动力学特性是一个很复杂的现象，不仅要研究空 气流经的零部件的空气动力学性能，而且还要将这些相关的零部件组合起来作为一个整体考 虑。在总体性能评估方面，一维模型对于进排气系统的选型和优化已有足够的精度，但对具 体的结构设计，缸内流场研究方面仍然精度不足。 b o o s t 软件用于计算气体在流动方向上的压力、温度、流动速度等参数的变化，从而 计算出发动机工作过程中气体流动的变化过程，用来评价发动机性能指标的优劣，对发动机 做开发阶段的方案确定起到一定的指导意义。 本文主要是运用发动机一维工作过程模拟仿真软件b o o s t ， 1 ) 对一款电喷汽油机流动过程进行模拟计算分析，并使其与试验值进行比较，验证了 模型的正确性。 2 ) 为了进一步提高发动机的性能，利用b o o s t ，在该发动机的基础上建立了可交进 1 2 燃 申请硕士学位论文 气系统计算模型，运用进气系统内的气体动态效应理论，通过对进气系统内气体的流动特性 的研究进行了结构优化设计，提出优化方案。最后确定了针对该款发动机的可变进气歧管结 构优化方案，为该发动机的改型设计指明了方向。 3 ) 同时，还探讨了采用可变配气系统进一步提高该款发动机性能的可行性，并对采用 可变配气正时系统后的流动特性进行了分析研究，为其进行可变配气机构动力性和运动学研 究进而实现可变配气方案提供了设计依据。 1 3 姒鬟 申请硕士学位论文 第二章气体动态效应及其对充量的影响 2 1 进排气系统内气体的动态效应 发动机的进、排气系统是典型的不稳定( 不定常) 流动过程，一般简化为一维不定常流 来处理。 众所周知，不定常流动中的管内总伴有压力波的传播现象。压力波是可压缩弹性介质中 的“状态扰动”的传播。“状态扰动”指的是介质中“状态扰动”压力、速度等状态参数的 瞬间变化。换气过程中，若某一管端若出现状态变化( 扰动) ，譬如，进、排气门开关过程 中，气门端会出现速度及压力的变化，则此变化值将以一定的速度c 向管的另一端传播，所 到之处也产生相同性质的状态变化，此即压力单波的传播。压力单波传到另一管端，由于该 处边界条件( 指边界处确定的流动规律) 的限制，又会产生反向传播的压力单波。于是整个 流动过程中，管道内任意点、任意时刻都有正、反两个方向的压力单波到达。两波扰动的合 成，确定了该点、该时刻的状态变化值，再叠加该点的原状态值，就决定了该点、该时刻的 状态。这就出现了状态随时间、地点而变化的不定常流的典型特征。 可以想象，进、排气过程的这种不定常流动，使得进、排气门处的压力和流速不断改变， 从而对充气效率、排气流速以及各缸进、排气的不均匀性都有不同的影响。这就是进、排气 系统的动态效应。 2 1 1 管道中的压力波传播的基础知识 压力波传播原理是分析流体动态问题的基础知识，也是掌握和了解发动机动态性能的 必备知识之一。 在静止介质中，压力波传播的速度就是该介质状态下的音速。若管道中某点在压力波传 到时已具有流速v ，则压力波面的传播速度为c - - - - - - - = v a 。管道中某一点( 包括边界点) 向左、 右两方以波速c 传播的“扰动”叫做压力单波。压力单波传到之处，其效果是使该处压力上 升的叫压缩波。反之，使该处压力下降的叫膨胀波。 管道边界处要保持确定的流动规律，以p ；f 【v ) 的函数关系表示，这就是边界条件。最简 单而典型的边界之一就是封闭端，v = 0 就是它的边界条件。 压力单波到达边界后，要满足边界条件，必然出现反射波，以封闭端为例，设若有右行 波到达右封闭端，为保证边界处v - - 0 的条件，必然出现左行反射波来加以调节，因而封闭 端出现了全正反射，反射波的性质( 密波或疏波) 及幅值均与来波相同。 管端完全开口叫开口端，由开口端亚音速流出的边界条件为p 吼，& 是管外的背压。 同理，右行单波到达右开口端时，为保证边界条件，必然有反射波出现，为全负反射波，即 1 4 t 丹o n g 湃j i 懒六学申请硕士靴论文 反射波的性质与来波相反，而幅值相同。 管端封闭与全开口是两个极端。由封闭到全开口是孔口不断加大的过程。分析结果表明， 反射波将有封闭端的全正反射变为部分正反射( 反射波性质与来波相同，但幅值减小) ，再 到无反射，再成为部分负反射( 反射波性质与来波相反，但幅值减小) ，最后变为开口端的 全负反射。所有这些都可严格证明，此处从略。 以上列举的是最基本最简单的边界条件，碰到复杂的边界条件如空滤器、节气门、谐 振腔等，则如同上述思路，列出边界方程与压力波方程来联立求解。 2 1 2 进气管内的动态效应 对于自然吸气式发动机，由于活塞和气门周期性的运动，不可压缩流体在管道的流动会 产生压力波动现象。因此，进气管等管状部分装在气缸上时，靠近进气门前方的压力在进气 期间必然发生变化。利用这种动态效应，可以增加吸入的空气，从而增大功率。这很早以前 就在理论和试验上进行了研究。这种动态效应可以分为波动效应和惯性效应，以下分别说明。 ( 1 ) 波动( 谐振) 效应的利用 试验与理论分析结果表明，如果冷在进气后期加大进气门端进气压力，能够有效的提高 充气效率的值。以一台与一直管相连的单缸四冲程发动机为例说明，图2 - 1 。在进气过程中， 但进气门刚打开时，在由于活塞下行进气门进气口处产生一定真空，形成膨胀波，并以音速 a 向管口传播，在管口反射，形成压缩波，经过一段时间t 返回到达进气门端。假设管长为 l ，则气门口由发出压力波到接收反射压缩波所需时间为乒2 l a 。 如果进气管很长，t 大于换气时间乙，压缩波不会对该进气过程产生直接的影响；如果 进气管较短，t 小于换气时间红则返回的压缩波与膨胀波重叠。进气门关闭后进气管内的 压力波动逐渐衰减，并与下一个循环的进气脉冲叠加。如果本循环进气时，正巧上循环残余 压缩波到达时，会对充气效率产生有利效果；反之，则出现不利影响。因此在分析压力波形 的持续变化时应该考虑多次来回反射的影响。若反射波振幅较大并且阻尼较小，反射压缩波 就会对充气效率产生明显的影响。由于压缩波有利于增加充气量，因此可以通过压缩波与进 气脉冲达到最佳匹配，使进气终了的压缩波波峰恰恰到达进气门端口。最佳的匹配取决于进 气管长度、内燃机的转速和进气门迟闭角等。 图2 - 1单缸发动机简单迸气系统 1 5 燃 申请硕士学位论文 但是这个简单的原理还不能直接应用到实际的发动机的充气效率曲线上，因为它没有反 应直径对充气效率的影响，同时，由于实际的发动机还与容器及上游元件如质量流量传感器、 谐振腔和空滤器这样复杂的边界条件连接在一起，管道内的压力波动现象会发生改变，当进 气波动的频率和由整个进气系统( 包括空滤器，谐振腔等) 固有频率接近时，进气压力波动 剧烈而产生谐振，发动机此时的转速称为谐振转速。这时波动的振幅明显增大，充气效率曲 线因此会被改变：产生低速谐振波峰，而低速至中速区域的充气效率曲线会显著的改变。这 可以通过图2 - 2 ( a ) 赫尔姆兹谐振腔来说明。这里，管道里的气体视为不可压缩的质量块， 而各容腔视为没有惯量的弹簧，弹簧力即容器里的压力波动。进气歧管谐振的基本机理即是 在进气门处提供高的压力值，这样在一定发动机转速下流入气缸内的充量质量增加。特别是 在充气过程的上止点与进气门关闭点之间与进气门处的提供高压力最为关键。图2 3 ( b ) 是进气系统谐振与未谐振时充气效率曲线的区别。 磬 占 鲁 每 r r m 硼t 一臂气1 1 全开霄i d e0 奢匝 r t r o t t l e ( - )c b ) 图2 - 2赫尔姆兹谐振效应( h e l m h o l t zr e s o n a n c e ) e n g e l m a n 2 1 假设管道和气缸作为一个赫尔姆兹谐振腔，两者谐振后产生的主要的进气 压力波峰出现在进气上止点附近，从而产生充气效率一转速的曲线的波峰。这样推导出以下 发动机谐振转速与结构参数之间的关系式： ， 1 5 a = 瓤 ( 2 1 ) 其中：n 是发动机谐振转速r r a i n ，f p 是管道截面积，l p 是管道长，而v 。是气缸容积， 按下式计算： 、，c _ 、3 ( v l + v 2 ) - f v h f 2 ( 2 2 ) 其中：一谐振腔自身容积 v l 、v 2 各缸进气管及进气道容积 v l 广一各缸工作容积 e n g e l m a n 3 9 发现共振系统中发动机转速和固有频率之间的准确关系还要由发动机气门 正时决定的。从式( 2 2 ) 可以看出随着管径的增加发动机的谐振转速增加。 ( 2 )惯性效应的利用 在进气冲程的前一半由于活塞的抽吸作用造成气缸内压力真空，使进气管内产生高速气 流，随后活塞减速，进气流的动能转变为压力升高，如果在进气压力达到最高值时关闭气门， 1 6 t 冈o n g 胁y i 大i 荸t y 申请硕士学位论文 可以增大进气量。若气门关闭迟，则一部分吸入的充量会出现倒流。这种对进气流惯性的利 用叫做惯性效应。可以通过赫尔姆兹充压式充气说明( 图2 3 ) 。在进气冲程下止点附近， 由于惯性，质量块仍有克服弹簧力( 等同于气缸压力) 向下运动的趋势，即弹簧依然有被压 缩的趋势，缸内气体增多。因此，为了利用惯性效应，气门不在下止点处关闭，而是迟些 关闭，若关闭过迟，则质量块会向上运动，出现倒流。惯性的大小与发动机转速、气门正时 以及质量块即歧管尺寸( 直径和长度) 有关，充压效应主要影响发动机高速时的充气效率。 图2 - 3 赫尔姆兹充压效应( h e i m h o l t zr a m ) 2 2 气体动态效应对多缸发动机性能的影响 实际发动机进气系统相对单缸机来说更为复杂，但动态效应的机理仍然能够说明各个系 统元件对充气效率曲线的影响，见图2 _ 4 。波动( 谐振) 效应和惯性效应的结果使得整个充 气效率曲线出现两个峰值，谐振效应产生低速峰值，该转速称为低速谐振点，当4 根或者更 多的歧管与单个的稳压箱连接时，谐振效应会相对减弱；而惯性效应则产生高速峰值，该转 速成为高速谐振点。当加长歧管长度或者直径减小时，高速峰值点向低速移动而低速峰值不 会明显移动。如果歧管继续加长，两个峰值会逐渐开始合并，其结果是在一个相当大的发动 机转速范围内逐渐提高充气效率乃至扭矩。但随之产生的一个问题是高速时充气效率下降得 很快。可见歧管对充气效率曲线的特征影响很大。 r p m l 璩m ( a ) 空气瀚谐振影响c b ) 歧管长的影响 图2 4进气系统的动态效应对发动机性能的影响 1 7 墨bi口卜工。譬 墨bio工8参 申请硕士学位论文 2 3 配气正时对充气效率的影响 进气门和排气门主要控制发动机换气过程，其特性参数主要有三个：气门开启相位、气 门开启持续角和气门升程。随着发动机负荷和转速的改变，这三个特性参数( 特别是进气门 开启相位和开启持续角) 的最佳选择是根本不同的。 ( 1 )排气门开启提前角对充量的影响 排气门提前角一般来说对进气充量的影响较小。 ( 2 ) 排气门关闭迟闭角充量的影响 如果排气门在上止点关闭，此时废气还具有一定的往外的运动速度。为了充分利用这一 惯性，增大排气量，可适当晚关排气门，大约在缸内压力接近排气f - j # b 背压时关闭，则可以 获得最大排气效果。 ( 3 ) 进气门开启提前角对充量的影响 进气门若在上止点开启，则因开启初期气门上升缓慢，截面通过面积小，以及进气气流 的加速需要一段时间等气流惯性的影响，会使缸内真空度加大，进气量减少，而进气损失增 大，因此，要求进气门适当提前开启，此即进气门开启提前角。 低速时进气门提前开启时排气尚未结束，缸内压力要高于缸外背压，这样会造成废气 倒流入进气管的回流现象。但事实上，进气门开启初期流通截面窄小，以及废气倒流也有一 定惯性等影响，提前角不大时，回流现象一般不会出现。更何况排气气流的引射作用，一定 程度上也会降低缸内进气门附近的静压力。另一方面，由于气门叠开角增大，有更多废气进 入进气管，随后又同新鲜充量一起返回气缸，造成较高的内部排气再循环率，可降低油耗和 n o x 的排放，但同时也导致启动困难i 怠速不稳定和低速工作粗暴。 高速时进气提前角为进气过程提供了较多的时间，有利于解决高转速时进气时间不足 的问题。 因此，进气提前角应该有一个最佳值，过大会回火，过小进气不足。随着转速上升， 进气提前角适当增大。 ( 4 )进气门迟闭角对充量的影响 进气门迟闭能够利用高速气流的惯性来增加每循环气缸的充气量。若转速一定，气流动 能一定，进气门迟闭最佳角也是一定的。当转速较低时，活塞在下止点位置上的气缸压力差 不多与进气压力相接近，如果这时采用较大的进气迟闭角，就会把新鲜的充量推回进气管中。 当转速较大时，活塞在下止点位置上的气缸压力远低于进气压力，这时，如果进气迟闭角较 大，将会使更多的新鲜充量流进气缸，因此，较大转速时，宜采用较大的进气迟闭角。 迟闭角过小时不能充分利用惯性，过大时则又可能把已冲入缸内的新鲜空气推回进气歧 管中，所以应该存在一个最佳进气迟闭角。 ( 5 )气门重叠期对充量的影响 由于排气门迟闭与进气门开启提前角的存在，必然存在排气门与进气门同时开启即气门 1 8 刃1 d n g 胯g 嘲” 申请硕士学位敝 重叠开启现象。对于自然吸气式汽油机，对进气门提前角比较敏感，因为废气倒入进气歧管， 出现回火，负荷越小，节气门开度愈小，进气管内的真空度越大，就越更出现回火，因此汽 油机的气门重叠角一般小于4 0 0 。 如果进、排气过程是稳态流动过程，气门重叠时，新鲜混合气不可能由排气门流出，但 实际上换气过程是一个动态过程，无法完全排除在气门重叠期内引进气管的动态效应而由正 压脉冲到达进气门端。这样就有新鲜充量排出的可能，这也是气门重叠角不宜过大的原因。 ( 6 ) 气门升程 气门升程增大，一方面在高负荷时有利于提高容积效率，另一方面在低负荷时又不得不 将节气门关得更小，造成更大的泵气损失和节流损失。低转速时降低进气门升程可以增加进 气流速，加快燃烧速率，提高怠速稳定性。 与进气门相比，排气门的开启提前角和迟闭角对进气过程的影响与进气门的相位角相比 小得多；进气门迟闭相位的影响比进气门提前角大。 综上所述可见，出于不同考虑，对气门特性参数提出了不同要求。为了提高标定功率， 需要提早开启、推迟关闭进气门，并提高进气门升程；为了提高低速扭矩，要提早关闭进气 门：为了改善起动性能并提高怠速的稳定性，则要推迟开启进气门，减小气门重叠。 2 4 课题的基本思路 由以上分析，进气系统特别是进气歧管对发动机的性能有重大影响，当空燃比一定时， 平均指示有效压力与进入气缸的空气量有关，并最终影响发动机的扭矩输出。而波动现象支 配了整个进气系统内的流动过程，充分利用内燃机歧管内不稳定流的本质就是了解和能够预 测其对发动机性能的影响，因而一维流动模型已经作为非常成功的设计及分析的工具。 为了增大充气效率，进气系统的总体设计原则应该是对应不同的转速确定各段进气管最 佳的管道形状、长度和直径，寻找减少进气系统内空气动力损失的方法和正确的选择配气相 位0 因此本课题的基本思路，即利用动态效应原理进行可变进气系统和可变配气系统的进行 匹配及优化设计。 1 9 申请硕士学位论文 第三章发动机流动过程仿真软件b o o s t 及模型建立 3 1 软件的基本原理 本文所使用的软件b o o s t 是一种基于w i n d o w s 操作系统的适合分析各种发动机性能 的c f d 软件，它以一维流体动力学为基础，管系采用有限体积法进行数值技术，充分考虑 了可燃混合气体的组分不同引起的相应的热力学性质的变化。 b o o s t 的基本原理，简单地说，就是将使用者提供的发动机的一系列参数代入软件内 所带的一系列公式内，通过计算机的计算得到发动机的相应的计算结果。需要使用者提供的 参数包括发动机的几何参数：进气管的长度、直径及弯曲情况，气缸的直径、冲程、余隙容 积等；气缸、管道和外界环境内气体的物性参数：密度、压力、温度、成分等；还有与时间 有关的转速、进排气门升程等。程序内带的公式则包括了工程热力学、传热学、流体力学等 各方面的原理和经验公式。 在实际应用中，为了方便用户建模，b o o s t 软件将内燃机的结构特征( 相对于流动特 性) 模块化，每一个元件都有各自的模型，如气缸模型，管道模型，容器模型等。这样，用 户就可以象搭积木一样，根据所要计算的发动机的结构特征，自由组合出自己需要的发动机 模型。而具体的计算则由软件自身的功能来实施。 3 1 1 管内流的基本方程 “管道”有固定的长度，而且它的横截面面积可以随着长度的变化而变化。模型考虑了 管壁摩擦、管壁热传递、由于强迫或自由对流而引起的向外界的热传递、管道弯曲( 增加了 摩擦损失) 等因素： 管道模块的基础是一维气体动力学的： 质量方程( 连续性方程) ：詈+ 罢+ 甜警+ 了p u 百d f = 。 动量方程：塑+ “塑+ ! 鱼+ g ：0 0 ta ) c pa x ( 4 - 1 ) ( 4 - 2 ) 能量方程：( 鲁+ 甜罢) 一口2 ( 害+ 甜警) 一 一，诊q + 甜g ) = 。 c 4 嘞 式中：g 一单位质量的壁面摩擦力，g = 厂譬蕾丢，其中茴项保证摩擦力总是与运 动方向相反“、p 、p 、f 、d 分别表示流体的流速、密度、压力、截面面积和当量直 申请硕士学位论文 径。对于一维流动，认为管内截面面积的变化率别出很小，管道周壁有能量交换而没有 质量交换，在垂直于流线的截面上，可以有能量和质量交换。 为了使计算过程更稳定更快速，使用精密数字图表来解管流的双曲线守恒定律是一个关 键。b o o s t 使用对换气模拟行之有效的e n o 图表，它被证明是非常稳定的，甚至能精确地而 稳定地解决冲击波问题。 3 i 2 边界条件的处理 由于内燃机进排气系统中气体流动很复杂，在建立模型时，还需要先做必要的假设以 忽略一些次要的影响因素。同时，由于管系中不同的结构形式而导致不同的流动状态，因此， 还需要确定不同的边界条件，在应用上述方程时，将内燃机中管系流动的边界分为带有进、 排气道的气缸；管道分叉( 即歧管) ；管端孔板( 开口端) ：管中孔板( 如节气门和不连续的