（动力机械及工程专业论文）b15发动机进气系统设计及性能分析.pdf

摘要 近年来，随着经济的发展，汽车行业也发生了日新月异的变化。中国一跃 成为世界上第一大汽车消费市场，年产销量连续几年的增幅均超过3 0 。用户对 汽车持续增长的需求必然导致与整车及零部件相关的产业迅速发展。目前，对发 动机的设计除了要达到汽车的动力性、经济性指标外，还需要满足其排放及噪声 的要求，因此有必要对发动机的进排气系统进行深入的研究。进气系统主要包括 进气歧管前的管路和进气歧管两部分，其中歧管前的管路起降低进气噪声的作用。 如何合理的设计进气系统的元件，分析其综合性能，是目前工程项目中研究较多 的课题。本文的主要工作就是通过数值模拟的方法，对进气系统进行设计和性能 分析，综合评价b 1 5 发动机进气系统的优劣。 首先，本文介绍了可变气门正时与可变进气歧管技术的原理，在g t - p o w e r 软件中建立b 1 5 发动机模型，并利用试验数据完成模型的标定，使其误差不高 于5 ，以用于后续的仿真计算。为了设计进气系统的消声元件，对赫姆霍兹谐 振腔、1 4 波长管和空气滤清器的参数灵敏性进行计算分析，总结参数变化对消 声性能的影响规律。详细阐述进气消声元件的设计流程和方法，提出具体的设计 方案，并针对方案中某转速下个别阶次噪声高于目标值的问题，对消声元件进行 优化。优化后的进气系统进气口噪声明显改善，压力损失不高于2 5 k p a ，符合目 标值要求，优化效果良好。 其次，为了分析进气歧管的性能，本文提出3 种方法：利用零维或一维模 型做简化处理、利用c f d 软件完成稳态或孤立瞬态的计算以及利用一维和三维 软件进行耦合分析。通过比较3 种方法的优劣，发现利用软件的耦合可以在计算 过程中获得实时的边界条件，有较高的准确度。本文重点阐述利用g t p o w e r 软 件和s t a r c c m + 软件进行耦合设置需要解决的关键问题，并在此基础上完成模 型的计算。通过压力场结果分析表明：在发动机的运行过程中，利用三维软件获 得的进气歧管各支管的工作状态与利用一维软件计算的结果一致。选取几个不同 时刻下各支管进气状态的速度场进行分析，对进气歧管的结构提出适当减小管道 弯曲程度的改进意见。 最后，为了更好的评价进气消声元件的优劣，利用g t - p o w e r 软件中耦合后 的模型建立汽车加速行驶车外噪声仿真模型，计算得到进气系统的最大噪声值为 6 1 8 d b ( a ) ，其对通过噪声的单独贡献率满足目标要求。 关键词：进气系统；消声元件；耦合；加速行驶车外噪声；仿真与优化 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sb e e nc h a n g i n g w i t he a c hp a s s i n gd a y c h i n ab e c a m et h eb i g g e s ta u t o m o b i l ec o n s u m e rm a r k e to ft h e w o r l da to n ej u m p ，a n dt h ea n n u a lp r o d u c t i o na n ds a l e sh a v eb e e ni n c r e a s i n gb y3 0 f o rs e v e r a ly e a r s t h ei n c r e a s i n gd e m a n df o ra u t o m o b i l e sr e s u l t si nt h er a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p o n e n t sa n dv e h i c l ei n d u s t r y a tp r e s e n t ，t h ed e s i g no fe n g i n e s m u s tm e e tt h ec r i t e r i ao fe m i s s i o na n dn o i s el e v e lb e s i d e st h ep o w e rp e r f o r m a n c ea n d e c o n o m y , w h i c hm a k e si tv e r yn e c e s s a r yt om a k ea l le x h a u s t i v es t u d yo ne n g i n e i n t a k ea n de x h a u s ts y s t e m s t h ei n t a k es y s t e mi sm a d eu pm a i n l yb yi n l e tm a n i f o l d a n dt h ep i p eb e f o r ei n l e tm a n i f o l d t h ep i p eb e f o r ei n l e tm a n i f o l dc a nc u td o w nt h e i n d u c t i o nn o i s e h o wt od e s i g nt h ei n t a k es y s t e mc o m p o n e n t sa n da n a l y z et h e c o m b i n a t i o np r o p e r t yi sat o p i c a li s s u eo ft h ec u r r e n te n g i n e e r i n gp r o j e c t s i nt h i s t h e s i s ，t h ei n t a k es y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d ，a f t e rw h i c ht h e w o r k i n gl e v e lo ft h ei n t a k es y s t e mi se v a l u a t e dc o m p r e h e n s i v e l y f i r s t l y , t h ep r i n c i p l e so fv a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dv a r i a b l ei n t a k em a n i f o l da r e i n t r o d u c e d ，t h e nt h es i m u l a t i o nm o d e lo fb 1 5e n g i n ei se s t a b l i s h e di ng t - p o w e r , a f t e r w h i c ht h em o d e li sc a l i b r a t e db yt h et e s tr e s u l t sa n dt h ee r r o ri sl e s st h a n5 t h i sl a y s p r e l i m i n a r yg r o u n d w o r kf o rt h es u b s e q u e n tc a l c u l a t i o n t h ep a r a m e t r i cs e n s i t i v i t yo f h e l m h o l t zr e s o n a t o r , 1 4w a v et u b ea n da i rc l e a n e ri sc a l c u l a t e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e rc h a n g i n go na c o u s t i ca t t e n u a t i o np e r f o r m a n c ei ss u m m a r i z e d , b a s e do n w h i c ht h es i l e n c e re l e m e n t so fi n t a k es y s t e ma r ed e s i g n e d t h ed e s i g np r o c e d u r ea n d m e t h o do fs i l e n c e re l e m e n ta r ee x p l a i n e dt h o r o u g h l y , a n dt h ed e t a i l e dd e s i g ns c h e m e i sp u tf o r w a r d t h e ni no r d e rt om a k et h eo r d e rn o i s el o w e rt h a nt h et a r g e tv a l u ea t c e r t a i ns p e e d ，t h es i l e n c e re l e m e n t sa r eo p t i m i z e d t h eo p t i m i z e di n t a k e s y s t e m r e d u c e st h en o i s el e v e l ，a n dt h ep r e s s u r el o s si sl e s st h a n2 5 k p a ，w h i c hm e e t st h e d e m a n dv a l u e s e c o n d l y , t h r e em e t h o d sa r ep u tf o r w a r di nt h i st h e s i st oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c e o fi n l e tm a n i f o l d ，a n dt h e ya r es i m p l i f i e ds i m u l a t i o nb u i l tu pw i t hz e r o o ro n e d i m e n s i o n a lm o d e l s ，s t e a d yo rt r a n s i e n tc a l c u l a t i o nb yc f da n dc o u p l e ds i m u l a t i o n b yo n ed i m e n s i o n a lw i t ht h r e ed i m e n s i o n a ls o f t w a r e a f t e rt h ec o m p a r i s o no ft h e s e t h r e em e t h o d s ，i ti sf o u n dt h a tt h ec o u p l i n gp r o c e s sc a np r o v i d em o r ea c c u r a t e b o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h ec a l c u l a t i o n t h ep r o b l e m so fc o u p l i n gb e t w e e ng t - p o w e r a n ds t a r c c m + a r es o l v e d , a n dt h e nt h es i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t i tc a nb es e e l l f r o mt h ep r e s s u r ef i e l dt h a tt h er e s u l t so ft h et h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ea c c o r dw i t l l t h o s eo ft h eo n e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r ev e r yw e l l t h e nt h ev e l o c i t yf i e l do fe v e r y b r a n c hp i p ei nd i f f e r e n tt i m ei sa n a l y z e d ，a n dt h es u g g e s t i o ni st h a tt h ec u r v a t u r eo f t h eb r a n c hp i p es h o u l db er e d u c e d l a s t l y , i no r d e rt oe v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo ft h es i l e n c e re l e m e n t s ，t h e a c c e l e r a t i o nr u n n i n gn o i s em o d e li sb u i l tu pb a s e do nt h ec o u p l i n gm o d e l t h er e s u l t s h o w st h a tt h en o i s eo ft h ei n t a k es y s t e mi sl o w e rt h a n6 1 8 d b ( a ) ，w h i c hs a t i s f i e st h e d e m a n df o rc o n t r i b u t i o nr a t et ot h ea c c e l e r a t i o nr u n n i n gn o i s e k e yw o r d s ：i n t a k es y s t e m ；s i l e n c e re l e m e n t ；c o u p l e ；a c c e l e r a t i o nr u n n i n gn o i s e ； s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 噪声是世界公认的三大污染源之一。近年来随着汽车数量的增加，汽车已 经成为主要的噪声源。调查表明，汽车噪声占城市交通噪声的8 5 5 i n 。众所周 知，噪声的危害是多方面的，不仅干扰人们的正常生活和工作，还会使人的听 力和健康受到损害。而汽车作为一种流动的噪声污染源，其危害更大。为了保 护环境和驾乘人员的身体健康，同时保证汽车工业的可持续健康发展，各国都 制定出相应的法规或标准来控制汽车噪声，以尽量减小其对环境的污染和对人 体的危害。 西方一些发达国家由于具有强烈的噪声危害意识，在2 0 世纪6 0 年代就对 如何改进汽车噪声有足够的重视，为了控制机动车噪声，这些国家先后出台了 严格的法规和标准。联合国一欧洲经济委员会( e c e ) 、全球欧洲联盟( e 聊、美国和 日本等国家和地区，从7 0 年代起每3 巧年就会修订一次相关标准，其中制定的 噪声限值也越来越低。在欧洲，e c er 5 1 0 3 中规定了车辆加速行驶车外噪声限 值，见表1 1 。美国因各州有独立立法权，规定的汽车噪声限值标准各不相同， 轿车一般在7 4 l d b ( a ) 。日本的车外噪声试验方法中规定，轿车加速行驶 车外噪声限值为7 5 d b ( a ) 。 表1 - 1e c er 5 1 规定的汽车加速行驶车外噪声限值 车型分类 限值( d b ( a ) ) 座位数( 包括驾驶员座位) 9 个的客车 7 4 9 座( 包括驾驶员座位) ，最大授权质量 3 5 t 的客车： 发动机功率 1 5 0 k w ( e c e ) 座位数( 包括驾驶员座位) 9 座的客车及货车： 最大授权质量2 t 2 t 3 5 t 的货车： 发动机功率 7 5 k w ( e c e ) 7 5 k w 发动机功率 1 5 0 k w ( e c e ) 发动机功率1 5 0 k w ( e c e ) 7 8 8 0 7 6 - 1 1 1 7 8 8 0 武汉理工大学硕士学位论文 由于意识到噪声危害的严重性，从1 9 7 0 年开始我国着手采取实际行动控制 汽车噪声，先后制定和出台了一些相关的法规及标准，并对其进行定期修改。 这一控制手段使得我国对噪声的要求变得越来越高。2 0 0 1 年加入世界贸易组织 后，国家对汽车行业的污染问题更加关注，共制定了4 3 项关于汽车环保的强制 检查项目。在2 0 0 2 年又颁布实施了g b l 4 9 5 2 0 0 2 标准，即汽车加速行驶车外 噪声限值及测量方法，具体如表1 2 所示。 表1 - 2g b l 4 9 5 2 0 0 2 中规定的汽车加速行驶车外噪声限值 汽车分类 噪声限值d b ( a ) 第一阶段第二阶段 2 0 0 2 1 0 1 - 2 0 0 4 1 2 3 0 期间2 0 0 5 1 1 以后 生产的汽车生产的汽车 m 1 7 7 m 2 ( g v m 3 5 0 或n 1 ( c v m 3 5 0 ： p 1 5 0 k w8 2 p 1 5 0 k w8 5 n 2 ( 3 5 t 1 2 0 ： p 7 5 l 【w 7 5 k w p 2 t 时，根据p 的不同限值相应改变： 如果p 1 4 0 k w ，p g v m 的比值大于 7 5 k w t ，在用第三档做实地测试时汽车尾端出线速度为6 1 k m h 左右，限值增加 l d b ( a ) 。 近年来，各个国家都对汽车噪声提出了越来越高的要求，使得对汽车噪声 的研究刻不容缓。要降低汽车噪声，首先要确定噪声源。汽车是一个综合的噪 声源，包含许多不同性质的噪声，如发动机噪声、风动噪声、轮胎噪声、路面 噪声和共鸣噪声等。相关试验表明，汽车噪声以发动机产生的噪声为最大，它 属于结构噪声，随发动机转速的改变体现为不同的形式，主要通过前叶子板、 挡火墙、引擎盖、排气管产生和传递。因此如何降低发动机噪声成为降低汽车 噪声技术的中心环节【2 】。 燃烧噪声、空气动力噪声和机械噪声都属于发动机噪声，其中空气动力噪 声又包含进气噪声、排气噪声和风扇噪声。对试验结果的统计分析表明，在发 2 武汉理工大学硕士学位论文 动机的主要噪声源中，进排气噪声占了很大的比重。在绝大部分汽车上，发动 机的排气噪声是最主要的噪声源，它比进气噪声更加明显【3 1 。为了尽量有效地消 除排气噪声，在排气系统中安装消声器成为普遍运用的手段，这一技术目前也 相对成熟。而对于小型高速机和大型增压机，进气噪声是仅次于排气噪声的主 要噪声源，有时比发动机的本体噪声还要高【4 】。随着国家对汽车噪声的要求逐步 变高，仅仅考虑消除排气噪声已经不能满足国家相关法规的要求，因此有必要 研究如何有效的消除进气噪声。 发动机进气系统的功用是尽可能多和尽可能均匀地向各气缸提供可燃混合 气或纯净的空气。一般进气系统主要包括进气歧管前的管路( 如进气总管、空 气滤清器及其他消声元件等) 和进气歧管。在有些化油器式和节气门体汽油喷 射式发动机上，一般会装有对进气进行预热的装置。为了得到增强进气的效果， 有些发动机的进气系统还加装了谐振器【3 1 。对于汽油喷射式发动机，其进气系统 中还安装有计量空气的装置。空气滤清器的重要作用是滤除空气中的杂质和灰 尘，为气缸提供洁净的空气。另外，由于空气滤清器结构是一个膨胀的腔体， 类似于扩张型的消声器结构，还具有降低进气噪声的作用，所以发动机的进气 系统一般不会单独安装专门的进气消声器。 对噪声的控制可以从两个方面进行研究：一是对噪声源的控制，二是采取 外部降噪措施，如设计消声元件等。对进气噪声的控制主要是通过设计匹配的 进气系统消声元件来实现的，这是目前最有效、采用最多的方法。受安装空间 限制，进气消声元件一般与空气滤清器合为一体i 研。在某些仅凭空气滤清器不能 满足降噪要求的发动机上，还可以安装相应的赫姆霍兹消声器或1 4 波长管。如 何在满足发动机动力性和经济性的前提下，合理地设计进气消声元件，是一项 非常重要的工作。 除了进气歧管前的管路，发动机的迸气系统还包括进气歧管本身。进气歧 管对于降低进气噪声的作用很小，基本可以忽略，但其物理结构仍非常重要。 由于发动机正常工作所必须的空气由进气口流经进气歧管最后进入气缸，在流 体流动的过程中，歧管的结构对于流场的影响会得到明显的体现。一个好的结 构可以最大程度地减小摩擦，消除流动阻力，使流体的流动尽可能的顺畅。因 此，对歧管内流场的分析十分必要。 目前，对于汽车行业新产品的开发通常利用数值模拟的方法，为设计提供 必要的数据。在进气消声元件的设计中，这种方法计算迅速，结果比较准确， 这样将优化之后的部件再用于样车试验，大大缩短了产品开发时间。而在进气 3 武汉理工大学硕士学位论文 歧管的流场分析中，利用数值模拟可以准确地获取内流场的压力和速度的变化 图像，为改进歧管的结构提供理论依据。进气消声理论的日渐成熟、内流场分 析方法的逐渐完善和软件、硬件的更强支持，使国内外对于发动机进气系统噪 声的研究及进气歧管的设计优化技术日益成熟。但是目前还无法保证利用这些 技术就能准确无误的进行设计工作，因此，关于这方面的研究还有很长的路要 走。 1 2 研究现状 1 2 1 数值模拟在汽车行业的应用 数值模拟是以计算机为手段，通过数值计算和图像显示研究工程问题的一 种方法。近年来，由于计算机技术的发展及其应用的普及，特别是大规模和超 大规模集成电路及微型计算机的问世，计算机辅助设计、计算机图形学与计算 机辅助制造等新技术在各个行业都有了广泛的应用【6 l 。 在发动机新产品的开发中，传统的设计流程开发周期长、试验成本高，尤 其在样车验证上耗时过长，难以适应市场多样化的要求，见图1 - 1 。与此同时， 计算机软件、硬件技术有了巨大进步，相关基础理论也逐渐成熟。在这种背景 下，利用计算机做辅助工具的c a e 技术被广泛应用，大大缩短了设计时间，推 动了新产品的开发和市场应用进程。 设 样车 样车 图1 - 1 开发流程的演变 4 武汉理工大学硕士学位论文 由于发动机内部的燃烧、介质流动和传热等过程非常复杂，使用传统的数 学模型求解十分困难，数值模拟的应用就有效地解决了这一问题。其优点有： ( 1 ) 节约开发费用，缩短开发周期。新产品的开发过程中，很重要的一个阶 段是样车试验阶段。使用传统的开发方法，需要进行反复的试验验证，投入的 人力、物力过大。而采用数值模拟技术，在试验验证之前使用计算机预先进行 设计优化，将需要验证的目标进行模拟，即可预估试验结果，增强调试的目的 性，减少验证过程，缩短试验时间。 ( 2 ) 替代许多难以实施的试验。在样车试验中，由于试验投入资金受限等因 素，某些试验条件难以满足。通过数值模拟技术，预先在抽象的仿真模型上进 行虚拟的数值试验，反复验证新产品性能，就能够解决一些工程实际中难以解 决的问题。 ( 3 ) 针对性强，操作相对简单。传统的试验大多要搭建台架或生产样车，要 有专门的试验人员进行反复操作，过程较为繁琐。利用数值模拟方法，针对不 满足设计要求的部件进行局部优化，省去了优化前的试验过程，针对性更强。 另一方面，技术人员掌握数值模拟软件的操作相对简单，不需消耗大量体力， 且软件的操作具有可延续性，人员之间的技术交流障碍更少。 ( 4 ) 开发过程详细，延续性强。数值模拟方法能够从最初的设计方案到最终 的产品开发方案进行全面展示，建立产品开发数据库，有利于产品开发流程的 不断完善和后续产品的开发与选用。 总之，在发动机的设计开发中，利用数值模拟软件进行仿真计算可以大大 缩短试验时间，有效模拟某些难以达到试验条件或测量技术的工况。当然，就 目前的技术水平而言，数值模拟技术发展过程中可能会遇到一些困难，技术人 员在新产品的开发中难免会出现问题，如模拟结果与试验结果相比误差过大、 数值模拟难以准确描述工程实际等。因此，数值模拟技术还需要软件和硬件的 更强支撑。随着开发流程与规范的进一步完善，相信开发人员的工程实践经验 会更加丰富，以探索更新的设计方法和对前沿技术的研究，数值模拟技术的深 度和广度将会有质的提高。 1 2 2 国外的研究概况 关于发动机进气系统的研究在国外起步比较早，在2 0 世纪6 0 年代之前就 有专门针对汽车噪声的简单计算和试验，如h o s o m i m i k i y a 等人概括了发动机排 5 武汉理工大学硕士学位论文 气消声器的发展历程【7 1 。而后随着数值模拟技术的发展，结构分析被率先用于汽 车领域，采用有限元计算部件模态和响应i 踟。在7 0 年代采用有限元研究消声器 内部结构，8 0 年代实现三维有限元分析，完成了对消声器传递损失的简单计算【9 j 。 这些技术的实现表明：对于结构复杂的消声器，三维有限元的分析方法具有良 好的效果1 1 0 l 。后来，数值模拟技术得以广泛应用，发动机的仿真技术也日渐成 熟，如b h a t t a c h a r y a p a r i t o s h 等人通过数值模拟软件完成了两缸四冲程柴油机的 性能分析及噪声研究l l 。 计算流体动力学( c r d ) 技术在2 0 世纪7 0 年代的美国诞生，它被广泛应用于 各种流体流动与传热问题中。四十年来，c f d 在湍流模型、网格技术、并行计 算等方面都取得了飞速的发展，给工业界带来了革命性的变化。在汽车行业中， c f d 和其他计算机辅助工具一起作为产品开发工具，大大减少了样车试验数量。 1 9 9 4 年，t h o m a sm o r e l 和l e o na i 丑p o m t e 提出了“并行模拟和试验”的概 念，将模拟和试验互相补充，实现了一体化的解决方法【1 2 l 。建立数值模型，并 利用试验收集的基本数据对模型进行修正和完善，得到试验无法获取的数据， 在计算机的并行模拟和试验中完成发动机的设计优化与开发【1 3 1 。而在实际的仿 真计算中，为了避免单独使用三维软件计算精度不高的弊端，研究者提出了一 维与三维软件耦合的计算流体力学方法，以此分析消声器内部的流动特性，通 过计算结果预测发动机在实际运行工况下迸排气系统内部的压力损失及声学性 能，从而实现预先优化【。 1 2 3 国内的研究概况 我国对于进气系统的研究起步较晚，在1 9 7 9 年颁布机动车标准后才开始实 施以试验研制为重点的研究。随着中国与世界的联系日益密切，汽车工业也面 临着巨大的挑战，迫切需要自主研发生产新产品，其中对噪声的控制成为不可 规避的课题之一。 由于我国对于噪声污染的危害意识不够，使得目前对汽车降噪技术的研究 与发达国家有一定差距，开发能力相对较低。而随着噪声法规越来越高的要求， 只研究排气系统消声器已经不能满足降噪要求，迫切需要开展对进气系统的研 究。最近几年，国内不少汽车开发商意识到了这个问题，许多专家和学者也做 了不少工作。 6 武汉理工大学硕士学位论文 毛善勇等人通过比较发动机在不同工况下的声压云图，说明增压高速发动 机内进气噪声对整机噪声有显著影响【1 5 1 。范钱旺等人利用m a t l a b 编写程序，模 拟赫姆霍兹共振消声器结构参数对消声性能的影响，通过计算发现共振腔的体 积和主管截面积等对共振频率和消声量有重要影响1 1 6 1 。岳贵平等人利用 g t - p o w e r 软件分析进气系统的插入损失，开发进气消声元件中心频率设计专家 系统，将其传递损失影响参数考虑在内，分别设计了空气滤清器、赫姆霍兹谐 振腔和1 4 波长管，这一系统对进气系统声学元件的设计具有很高的实用价值【1 7 ，。 金岩、郝志勇通过比较加速行驶车外噪声的频谱特性，应用试验和边界元法研 究了空气滤清器的频率相应特性，在原有结构的基础上添加赫姆霍兹谐振腔， 很好地解决了进气噪声的问题，达到了整车降噪的目的【1 8 j 。张小燕等通过建立 发动机模型，优化进排气系统，对可变进气歧管系统进行了完整建模，提高了 模型的仿真精度1 1 9 1 。尹凌等通过分析不同的进气歧管设计方案，利用一维和三 维软件耦合计算的方法，分析两种进气歧管对整机动力性能的影响，同时解决 了单独使用三维软件仿真无法实时改变边界条件，造成结果精度不高的问题， 使模拟计算结果更加接近试验数值i 冽。这些研究成果对于今后进气系统的设计 与优化有着非常重要的意义。 总结国内外对于汽车相关技术的成果可以看出，使用数值模拟技术研究对 汽车噪声的控制和结构参数对整个进气系统的影响规律，为实际工程的开发奠 定了理论和数值基础，其应用非常广泛。采用计算机仿真的方法进行数值试验， 大大缩短了开发周期，节省了成本，使设计更有针对性，为新产品的开发提供 了宝贵的数据积累。 1 3 本文的课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本论文的课题来源于企业委托项目一一c n l o o 进排气系统性能研究 ( 2 0 1 1 2 h 1 6 5 ) 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 主要研究内容 本论文历时半年，主要运用数值模拟的方法完成对发动机进气系统消声元 件的设计及性能的分析。运用的c a e 软件主要有g t - p o w e r 和s t a r c c m + ， 分析内容包括声学和内流场两个方面。主要的研究内容有： ( 1 ) 利用g t - p o w e r 软件建立b 1 5 发动机工作过程仿真模型，利用试验结果 完成对模型的标定，使其动力性、经济性指标的误差均小于5 ，满足精度要求， 以用于后续的仿真计算。 ( 2 ) 利用g t - p o w e r 软件分析进气系统消声元件的参数灵敏性，探讨结构参数 对其消声性能的影响。设计b 1 5 发动机的消声元件，针对某频率下噪声过高的 问题提出合理改进意见，实现方案的优化。最终使方案满足噪声要求，且进气 压降不高于2 5 d b ( a ) 。总结设计流程和方法，为其他进气系统的设计提供经验 参考。 ( 3 ) 提出三种进气歧管的分析方法，并利用一维与三维软件耦合的方法，由 g t - p o w e r 软件提供实时的边界条件，输入到s t a r c c m + 软件中计算耦合后的 歧管内流场，分析压力场和速度场的结果，提出适当减小某个支管弯曲程度的 改进意见。 ( 4 ) 在耦合后的g t - p o w c r 模型基础上建立汽车加速行驶车外噪声模型，计算 进气噪声对整车通过噪声的单独贡献率，结果表明其满足噪声的目标值要求。 1 3 3 研究目的 本文通过数值模拟的方法，对b 1 5 发动机进气系统的消声元件进行设计与 优化，使其声学性能满足目标要求；分析设计后的进气系统性能，从宏观上评 价设计方案的优劣。具体来说，在设计和分析的过程中需要完成参数的灵敏性 分析，并总结开发进气系统消声元件的流程和规律；分析进气歧管的内流场， 检验一维和三维软件耦合方法的可操作性，使两者互为补充，提高模型计算的 准确度；通过建立更加准确的噪声评价模型，从宏观上评价消声元件的消声性 能，计算进气口噪声对整车通过噪声的单独贡献率。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于g t - p o w er 的b 15 发动机建模仿真 2 1 软件介绍 g t - s u i t e 系列为发动机、动力系统、车辆仿真软件包，其开发者是美国 g a m m a t e c h n o l o g y 公司。它是一个完整的、自成体系的开发平台，包含了发动 机本体、燃油供给系统、驱动系统、配气机构、冷却系统和曲轴机构等六个方 面1 2 。g t - s u i t e 是市场占有率第一的发动机仿真软件，成为大多数世界知名发 动机和车辆厂商的开发平台，是发动机及汽车零部件设计开发的理想c a e 工具。 目前国内一汽技术中心、上汽研究院、通用泛亚技术中心动力总成等技术部门， 及清华大学、上海交通大学、华中科技大学电动汽车研究院等高等学校都在使 用g t - s u e 系列软件进行产品开发及科学研究。 g t - p o w e r 是g t - s u i t e 系列软件中应用范围最广的一个软件。它是基于面 向对象的交互式界面，主要组成部分包括菜单、窗口、按钮、数据库、建模区 域、模块管理器等。g t p o w e r 的模型是在模块数据库的基础上建立起来的。从 发动机模型的建立、运行，到结果的后处理，这些操作都可以方便、高效地在 g t - i s e 中完成。 g t p o w e r 软件采用模块化的处理方式，将整体问题分成多个模块，针对每 个模块的具体问题集中建模。它可以仿真流体的流动计算、模拟燃烧过程和传 热传质、实现控制仿真等内容。g t - p o w e r 采用的是一维交错网格，压力、温度 等标量在网格中心计算；速度、质量流量等矢量在网格的交界面计算。用户可 以根据需要自定义模型的离散化长度，即网格的粗细。在一定的范围内，网格 的密度和时间步长的设定对计算时间和精度有很大的影响，网格越疏，时间步 长会相应变大，计算速度加快，但精度会有一定程度的降低；反之，网格越密， 计算时间越长，精度也越高。g t - p o w e r 利用一维气体动力学原理，其流动模型 包括三个方程，即动量方程、质量方程和能量方程。汽油机采用w i e b e 函数模 型作为燃烧模型，通过利用试验结果拟合得到的放热率曲线进行设置，使缸内 燃烧状态与实际运行情况一致。同时采用准三维的湍流火焰模型，使火花塞附 近产生球状火焰，从而与燃烧室结构互相作用，火焰速度可以通过缸内湍流计 算获取。 9 武汉理工大学硕士学位论文 利用g t p o w e r 软件建立发动机模型时，需要收集相关的数据，将复杂的模 型分解成若干子系统，利用软件的模块库建立相应的模型【3 1 。软件采用参数化设 置，将试验获取的参数逐一填入数据库的属性列表。子系统的参数全部设置完 成后，根据实际的发动机结构搭建物理模型，运行软件进行计算，最后将计算 结果与试验结果对比，以优化模型设置。具体的软件仿真流程见图2 - 1 。 2 2 发动机建模仿真 图2 1g t - p o w e r 计算流程 b 1 5 发动机为某公司新开发的自然进气、可变气门的四缸汽油机，具体的结 构参数见表2 - 1 。此发动机采用可变气门正时技术( ，t ) 和可变进气歧管结构。 根据收集的试验数据，利用g t - p o w e r 软件建立发动机整机模型。 表2 - 1b 1 5 发动机基本参数 发动机参数参数值 压缩比 排量 行程缸径比 进气压降 最大功率 最大扭矩 气缸点火顺序 排气背压 1 0 2 1 4 8 5 l 8 4 7 7 4 7 2 5 k l a 8 1 k w ( 5 8 0 0 r p m ) 1 4 2 n m ( 5 8 0 0 r p m ) 1 - 3 - 4 - 2 3 7 k p a ( 5 8 0 0 r p m ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 进排气系统建模 进气系统的优劣会影响发动机的性能，b 1 5 发动机的进气系统建模包括进气 歧管前的管路建模及进气歧管的建模。进气歧管前的管路包括空气滤清器、进 气主管和必要的消声元件。在本章的发动机模型中，空气滤清器选用直管代替。 进气歧管选用直管和分叉管连接至气缸。 对于排气系统的建模，将试验获取的参数依次填入各个模块。其中对于排 气消声器的建模利用软件自带的g e m 3 d 模块，在g e m 3 d 中建立消声器模型， 对其进行离散，见图2 2 ，并导入g t - p o w e r 中。建立的排气系统模型如图2 3 所示。 图2 2b 1 5 排气消声器离散模型 f lll， 即心叫圜卜。伽勘自 i n t e r p i f e 8 j a 硼p e 0 1 。1 篷! 苎：塑! ! 笪! 曼互 p r e p i p e 圃l 哪p q 曲1 i 傅p e 0 5 。1 v 留广 心蝴母。l 囵l 母叫蚤。唧 i n t e r p i p i e r 删p i e 6 e - 伽p e o 丘垣2 ：巴竺塑曼! 扣p i p e 帕旺唧p e d 却旁0 3 _ 1 园 咂b 母坷陋惯牺扭b 痼 t n d e n t 暑d 争i p e 0 9 。l a i l p i p e 0 8 。h i l p i p e 瞄1 1 ：l i p e o 瞄l p i p l m i , l p i p e 0 4 。1 图2 - 3 排气系统模型 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 可变气门正时的模型建立 ( 1 ) 可变气门正时的原理 近年来，各项法规的发布对发动机的油耗、效率和性能水平、尾气排放的 标准等方面提出了越来越高的要求，而可变气门正时技术( v 、，1 ) 作为一种性 价比很高的技术方案，得到了更大规模的推广和应用，并逐步商品化。由于不 能根据内燃机的转速改变其工作状态，传统凸轮轴结构的内燃机配气相位有很 多弊端，不能满足现在对发动机性能的高要求。这种弊端使得发动机在整个运 行范围内，只在某一个很窄的工况范围才有最佳的配气相位，在其他工况只能 相对兼顾1 2 2 j 。 衡量配气定时的主要参数有气门叠开角和进气门关闭角。为了使发动机的 怠速工况稳定性好，更好的优化内燃机的运行工况，在进行可变气门正时设计 时要求气门叠开角适当减小。在其他工况下，为了提高发动机的充气效率，降 低n o x 的排放，气门叠开角要相应加大。 为了兼顾发动机整个工况的运行要求，非常有必要设计可变的配气相位。 w t 技术在发动机运转时随时提供最佳的配气正时，很好地解决了高、低转速 和大、小负荷下动力性与经济性的矛盾，并在一定程度上改善了废气的排放。 因此，v v t 技术的发展，于改善发动机的动力性、经济性和排放性均有很好的 效果【2 3 1 。 ( 2 ) 可交气门正时的模型设定 图2 4 为发动机配气机构的相位图，可以看出气门升程曲线在实际工况下和 参考位置的形状没有变化，只是在横坐标上的位置有差别。这说明气门的开启 持续时间与参考值一样，只是在参考位置下开启和关闭时间整体改变了相同的 时间。进气门开启和关闭时间提前，排气门开启和关闭时间推迟。 根据提供的发动机凸轮升程曲线，在曲轴转角为4 9 0 。时进气门升程达到最 大值，在g t - p o w e r 中凸轮正时角的设置就以此角度为标准，曲轴转角在4 9 0 。 时对应的凸轮轴转角为2 4 5 。同理，排气门在曲轴转角为2 4 6 。时达到最大升 程，对应的凸轮轴转角为1 2 3 。由试验所得的发动机在各负荷各转速下曲轴转 角提前角的数据，根据曲轴每转两周对应凸轮轴转一周的关系，换算出在各转 速各负荷下进气门升程和排气门升程分别达到峰值时凸轮轴的转角，输入进气 门模块c a mt i m i n ga n g l e 的属性表格中，分别见图2 5 和图2 6 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 | i i t | _ _ i ：| 您滁j iiiiii_ 。 。，：，。ttif 、 l d 。- 2 7 0 0一1 8 0 。 摊气劳考位置 0 0 ! 摊气最远位置1 8 0 。 2 7 0 03 6 | m w 4 w ：一1 1 l !i 叼辨坶2 0 j 曲轴转角度) ： 进气最早位置 进气参考位置 _ m c _ 蒂- 2 1 l 曙ew = 2 6 t 自m p l a t e ：j 野臻蛐 图2 - 4b 1 5 发动机配气机构相位图 o b j t c t ：i n l t c * = t i m i a g t n d c o m u t zd “ty h tl23ts8了8鲁t ot lt 21 31 4 t j l d t1 0 0 01 2 0 01 6 0 02 0 2 舢3 ：瑚3 6 0 0 ；4 0 0 04 4 4 8 0 05 2 0 05 咖6 0 l92 4 52 4 52 牾2 4 s2 4 52 4 52 4 s2 4 52 4 52 4 52 4 52 4 52 4 s2 4 5 22 22 4 5 2 4 5 2 4 5 2 4 52 4 5 2 蝎 2 4 5 2 4 5 2 4 52 4 52 4 52 4 52 4 s2 4 5 33 52 4 52 4 52 葛2 3 52 衢 2 3 s 2 4 52 4 52 4 52 4 52 4 52 4 5z 屿2 4 5 4鸽2 4 t 52 3 52 2 52 衢2 2 5z 为2 52 嫣t2 蝎2 4 52 52 4 52 4 52 辐 sb 12 3 5绉52 1 52 l s2 2 52 3 52 3 52 3 52 3 52 3 52 3 5 2 4 52 4 52 t 5 67 42 3 52 2 s2 1 52 1 5 2 2 52 3 5 2 3 52 3 52 3 52 3 52 3 52 4 52 4 52 4 5 下8 72 2 52 i s2 1 52 1 52 2 5z 五2 巧2 3 02 3 02 3 52 3 52 3 52 4 52 4 s t e l t e ：一赶臻鞠 o b j e c t ：o u t c m t i s i n g “g c o m m e n t zd t t a ly “t 图2 - 5 进气门正时参数 ! 一l ! l ! 0 l 乙! 。l ! 上。! 一l 。! l ! 。l ! ! i 一! 土。j ! ! i ! ! 。 1 0 0 0 1 2 0 0 ；l 咖 2 0 0 0 2 4 0 02 8 0 03 2 0 03 6 0 0 ，4 0 0 0i “：4 8 0 05 2 0 0 ；5 6 0 0 1 2 3 1 2 31 2 31 2 31 2 3 1 2 31 2 31 2 3 1 2 31 2 3 1 2