（动力机械及工程专业论文）发动机可变进气歧管及空滤器的流场特性研究.pdf

摘要 低背压的发动机可变进气系统可提高进气效率，提高发动机性能，其关键 组成包括空气滤清器( 以下简称空滤器) 和可变进气歧管，二者的流体特性对 进气性能的影响很大。因此，本文主要就这两个部件进行流场特性分析：研究 了空滤器的结构特点和边界参数对流场的影响，为空滤器的改型设计提供了依 据；分析了可变进气歧管在旋转翻板角速度不同时的流动特性，为翻板角速度 的控制起到了一定参考。 首先，利用f l u e n t 流体分析软件模拟某种空滤器三维内部流场，并根据其 压力、速度、湍动能的分布情况对流体的流动特性进行了分析，研究表明空滤 器的压力损失和涡流损失主要是由于横截面积的突变所引起。 本文先分析了一款发动机的空滤器，在不同工况下，背压及流场分布的变 化规律；也分析了在同一工况下，采用不同粘性阻力系数和惯性阻力系数的滤 芯对进出口压降和内部流场分布的影响。分析表明：入口流速越大，空滤器出 入口压力损失越大；粘性阻力系数与惯性阻力系数越大，压降及腔体内的压力 梯度也越大，但其对导流管中心截面的湍动能分布影响甚微，其中，滤芯处惯 性阻力系数的设置对于滤芯对流体流动的阻碍作用相对于粘性阻力系数较明 显，惯性阻力越大，压力梯度层次越明显。本文根据上述研究结论，进行了另 一款发动机的空滤器设计分析。 分析研究表明：结构因素也是影响空滤器流场特性的一个重要因素，如导 流管道的引导弧度、入口管道弯曲度和横截面形状等结构因素对流场都具有较 大影响。 针对可变进气歧管的流场特性，从压降角度分析了支管在高低速时启用不 同长度管道的流动均匀性问题，一定程度上为翻板角速度的控制确定了依据， 分析了不同角速度在长短管道转换过程中对进出口压降的影响。旋转翻板角速 度越快对流体的冲击作用力越大，能量损失也会进一步增大，故当翻板转速过 大时，气流受到的阻碍越大，压力损失也越大。 关键词：发动机，空滤器，可变进气歧管，f l u e n t a b s t r a c t a ni n t a k es y s t e m 诵t 1 1l l i g hi n t a k ee f f i c i e n c ya n dl o wn o i s ec a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fe n g i n e t h ea i rf i l t e ra n dt h ev a r i a b l ei n t a k e m a n i f o l da r ek e y c o m p o s i t i o n so fa ne n g i n e ，w h i c ho f b o t hh a v eab i ge f f e c to nt h ei n t a k ep e r f o r m a n c e i nt h i s p a p e rt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et w oi n t e r n a lf l o wf i e l d sa r ea n a l y z e d r e s p e c t i v e l y t h r o u g hc o m p a r i n gt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sb yc h a n g i n gt h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r so f a l la i rf i l t e ra n dt h ea n g u l a rv e l o c i t yo ft h er o t a r yv a l v et h a ti nav i s ， t h er e s u l t sw i l lb ep r o v i d e da sr e f e r e n c e sf o rc h a n g i n gs t r u c t u r eo ft h ea i rf i l t e ra n d t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h er o t a r yv a l v e a tf i r s t ，t h ei n t e r n a lf l o wf i e l do fa na i rf i l t e ri ss i m u l a t e db yt h ec f ds o f t w a r e f l u e n t t h ed i s t r i b u t i o n so fp r e s s u r e 、v e l o c i t ya n dt u r b u l e mk i n e t i ce n e r g ya r e a n a l y z e dt og e tt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fa i rf i l t e r t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep r e s s u r e l o s sa n dt h ee d d yl o s sa r ed u et ot h es u d d e nc h a n g eo ft h ec r o s ss e c t i o n a la r e a t h ec h a n g e so ft h eb a c k p r e s s u r ea n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef l o wf i e l df o rt h e s a m ea i rf i l t e ru n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n te n g i n es p e e d sa r ei n v e s t i g a t e d , a n d t h e ya r ec o m p a r e db ya d o p t i n gd i f f e r e n tv i s c o u sr e s i s t a n c e sa n di n e r t i a l r e s i s t a n c e s u n d e rt h es a m eo p e r a t i o nc o n d i t i o n t h eb i g g e rt h ev e l o c i t yo ft h ei n l e ti s ，t h eh i g h e r t h ep m s s u r el o s si s ，a n dt h eh i g h e rt h ev i s c o u sr e s i s t a n c ea n di n e r t i a lr e s i s t a n c ea l e ， t h eh i g h e rt h ep r e s s u r eg r a d i e n to ft h ea i rf i l t e ri s c o m p a r e dt ot h ev i s c o u sr e s i s t a n c e ， t h ei n f l u e n c eo ft h ei n e r t i a lr e s i s t a n c et oh i n d e rt h ef l u i di sg r e a t e r t h ec o m p a r i s o n s a r ei l l u s t r a t e dt od i s c u s st h ei n f l u e n c eo ft h e s e sc o e 伍c i e n t so nf l o wf i l e d , a n dt o p r o v i d eas t r u c t u r ep r o t o t y p ea n dr e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g no fo t h e ra i rf i l t e r st h a t m a t c ho t h e re n g i n e s i ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ee f f e c to ft h es t r u c t u r a lf a c t o r so ni n t a k es y s t e m f l o wf i e l df o rd e s i g n i n ga i rf i l t e r t h ep a p e ra n a l y z e st h ei m p a c tw h i c hi sc a u s e db y t h er a d i a no fg u i d i n gp i p et h a tl e a d st h e 舭s ha i rf l o w i n g ，t h eb e n d i n go fi n t a k ep i p e a n dt h es h a p eo ft h e p i p e sc r o s s s e c t i o n f i n a l l y , t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i co fv a r i a b l ei n t a k em a n i f o l di s a l s od i s c u s s e d t h i sp a p e ra n a l y z e s ，i nt h ep e r s p e c t i v eo fp r e s s u r ed r o p ，t h eu n i f o r m i t ya n dt h e b a l a n c eo ff l o wi na i ri n t a k em a n i f o l da tt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n ts p e e d sa n dl e n g t h s i no r d e rt oo f f e re v i d e n c e st oc o n t r o lt h ea n g u l a rv e l o c i t yo ft h er o t a r yv a l v e ，t h e i n f l u e n c eo ft h ev e l o c i t yo nb a c k p r e s s u r ea td i f f e r e n te n g i n es p e e d si sa l s oa n a l y z e d t h ef a s t e rt h ea n g u l a rv e l o c i t yo ft h er o t a r yv a l v ei s ，t h eg r e a t e rt h ei m p u l s i v ef o r c e o f t h ef l u i di s ，a n dt h ee n e r g yl o s sw i l lb ea l s oe n h a n c e d k e yw o r d s ：e n g i n e ，a i rf i l t e r , v a r i a b l ei n t a k em a n i f o l d , f l u e n t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 进气系统作为发动机的重要构成，其结构直接影响着发动机工作性能，即 动力性、经济性及排放特性。现如今，汽车已作为主要交通及代步工具，汽车 工业也逐步成为国家支柱型产业，这些趋势促使进气系统性能的不断提高，在 过去几十年中，发动机进气系统的研发的步伐飞速加快。 一款设计良好的进气系统，可充分利用谐振效应、减少流动损失，在相同 的气缸容积和进气状态下，提供尽可能多的无沙尘新鲜空气，并使其均匀吸入 到发动机各气缸内，组织好燃烧室内气体的流动方式，配以足够的燃料进行充 分有效地燃烧，从而获得更大的有用功及更清洁的排放。 正因为如此，一些新兴的应用于进气系统的技术也获得开发使用，如电控、 可变参数技术等等，其中电子技术使得变参数的调控过程更易实现。1 9 8 9 年， 日本本田汽车公司自主研发出全球首例能同时控制气门开闭及升程的气门控制 系统可变气门配气相位和气门升程电子控制系统。 可变进气技术，一改传统单一的进气模式，可随着运行工况的变化，使相 关部件的结构参数做出相应改变；可重新组织进气，使发动机的工作性能达到 最佳。可变措施主要包括有可变配气定时、可变压缩比、可变喷油系统和可变 进气歧管系统等。可变进气歧管系统的采用，能摆脱传统的固定参数的限制， 可根据发动机不同的转速和负荷，选择不同参数的进气管道，保证较高的充量 系数，在高速和低速情况下都可以提供最佳的进气量，较大程度改善了进气性 能。 现如今，可变进气歧管技术已成为进气系统研究的一大重点。其主流设计 是采用一个控制阀来控制歧管长度的，如奔驰新s l k ；还有长度两级可调的螺 旋状进气歧管的设计，以及更能满足各个转速下时的进气效率的连续可变进气 歧管长度的机构。该机构是通过转子的角度变化来控制进气歧管长度的。 使进气系统具备较好的进气性能的同时也需要更好地减少进气噪声，二者 缺一不可。噪声过大，会对环境和乘坐舒适性都产生很大影响。非增压发动机 的进气噪声比机械噪声( 发动机表面的辐射噪声) 高出5 1 0 d b ，仅次于排气噪 声。增压柴油机柴油机离心式压气机的进气噪声往往是汽车最强的噪声源，它 武汉理工大学硕士学位论文 可高出机械噪声1 5 - 2 5 d b ( a ) n 1 。进气噪声虽是继排气噪声后的汽车发动机的 最主要噪声源，在国内，关于进气消声的实验研究却明显要少于排气消声。这 是由于现阶段法规中规定的限值，通过优化改进排气消声器即可达到要求，无 需把进气系统考虑其中。相信日后随着法规标准的愈加严格，以及国际市场的 技术壁垒的逐渐提高，关于进气消声的研究也必将丰富多样起来。 进气噪声隶属于空气动力噪声，是由于气流扰动以及气体与其它物体相互 作用产生的：它是由从节气门经由进气管道、空气滤清器向外传播的周期性压 力脉动噪声、障碍物引起的涡流高声强噪、气缸内气体压力波的共振噪声及进 气管的气柱共振噪声所组成的。且该噪声是随着发动机转速的提高而增大的， 因为转速的提高必然要求加大吸入空气的质量流量，从而来维持发动机的正常 运转。同一个发动机，质量流量越大，流体流速越大，各气流经过的管道内的 压力脉动强度与频率、涡流强度都随之增大。噪声值通常在额定转速区域内迅 速上升并到达峰值。 通常来讲，相对于进气系统本身的调整设计，采用进气消声器是控制进气 噪声行之有效的方法。消声器是能允许气流通过并能有效地阻止或减弱声能向 外传播的装置；既需有足够的消声量，又要能满足阻力小，压力损失小的空气 动力学性能，且需经久耐用。从布置安装上考虑，即防止车身各零部件的干涉 问题，消声器的通用性较差，需根据不同车辆单独设计。消声器一般包括抗性 消声器、阻性消声器、阻抗复合式消声器、微穿孔板消声器等。 进气系统一般由空气滤清器和进气歧管组成。位于空滤器腔体中部的滤芯 可以用来阻拦或吸附进气的杂质和灰尘，从而让洁净的空气流入高负荷工作的 气缸中；若大量空气进入气缸而不采取过滤措施的话，必然加速气缸、汽缸套、 活塞环、活塞及气门等主要零部件的磨损和故障，从而减少发动机的使用寿命。 实践证明，发动机若不安装空气滤清器，其寿命将缩短2 3 口1 。 出于物尽其用的考虑，一般空气滤清器的设计都会与进气消声器整合起来。 一方面进气管道与空滤器腔体的接合可以形成扩张腔，达到抗性消声的效果； 另一方面，多孔的纸质滤芯本身就是很好的吸声材料，声波在其中传播，因摩 擦将部分声能转化为热能，达到降噪的目的，具有较高的中高频消声性能，但 低频消声性能较差，通常再增设共振单元来弥补这一缺陷。 空滤器中滤芯材料的选择及其加工质量也很重要，一是要求透气性好，流 动阻力小，二是孔隙度要适当，获得较好的过滤精度及细度；这两个要求是矛 2 武汉理工大学硕士学位论文 盾的，需充分协调。 进气管道及腔体的横截面积大小的选取，在满足提高发动机充气效率和降 低进气系统噪声的要求上也存在着矛盾。对于降低进气系统噪声需增大扩张消 声器和进气管道的扩张比，扩张比越大，消声性能越好，即消声容积一定时， 要尽量缩小迸气管道的横截面积；但是狭小的管道会使在相同空气质量流量下， 流体流速提高，摩擦损耗加剧，最终导致压降升高，充气效率降低。如何获得 精确的抗性结构设计来协调这个矛盾很关键。 1 2 进气系统性能研究发展概况 1 2 1 进气系统流体分析发展概况 发动机进气系统的研究向来涉及很多方面，包括空滤器滤清效率、管道湍 流流动特性、及进气消声的性能提高等等。早期国内由于缺乏现代化的计算工 具，都是以传统的试验方法为主，要求研究人员具有相当丰富的经验阅历，凭 理论及经验的双重指导完成设计、样品制造及试验认证。且设计者一般考虑到 计算的可行性问题，不得不做出许多的简化假设，无法囊括实际过程中的各种 复杂因素，对研发工作的发展提高的作用很有限。若最终试验结果没达到预期， 还需从设计阶段重新出发，无疑导致研发周期的延长，耗时耗力，成本很高。 而且进气系统性能的研究不是简单、孤立的，需考虑到改进某项性能的同时可 能会对发动机的其他性能产生一定影响。例如在对进气噪声的控制中一般利用 空滤器及进气消声器来实现，但通常安装了进气消声器后气流的流动就会发生 一定程度的改变，即改变了原发动机的进气状态从而导致各个转速下发动机功 率等性能的变化。 如今，随着计算机的大规模普及，以及计算机仿真技术的不断革新，利用 数值模拟可以对进气系统流动特性及进气消声降噪做出比以往更加成熟细致的 研究。 常用的进气系统热力学和计算流体数值模拟包括零维模拟、一维模拟、二 维和三维模拟，以及现在新兴的1 d 3 d 的耦合模拟，同时也有采用准维模型来 提高空间离散程度的。模型的选取直接取决于研究目的。 零维模型的基本思想，就是假定各种热力学参数和热物性参数在空间中都 是均匀分布的，流体的流动是一个准稳态的过程，忽略了动力学细节。该模型 3 武汉理工大学硕士学位论文 适用于较短管道。例如将进气歧管谐振腔腔定为零维的热力学系统模型，代表 其随时处于热力学平衡状态。由于其容积较大，可考虑将其简化为一个或少数 几个容腔，然后再与歧管其他部件相接，每个容腔内部的流体压力速度均匀； 研究空滤器及其出入口管道时，同样可以将腔体视为一个容器，获得总体的平 均特性。 一维模型则是假设各截面上的参数变量是均匀的，可模拟出各类变量沿截 面轴向方向的变化规律。在进气歧管的分析中，可以用一维模拟分析歧管的支 管长度、直径及谐振腔的容积等对进气性能的影响；在空滤器中，也可用一维 模拟分析腔体内沿轴线的参数变化特性。一维模型在一定程度上改善了零维模 型过于理想化的缺点，可以获得一定的热力学信息。也可用于非稳态模型，由 于进气系统中流体的流动属于可压缩粘性气体的三维非定常流动，且管道的长 度与管子直径相比比值很大，直径方向上的流动可以忽略，即可简化为一维不 定常流动模型进行预测分析。国内的相关研究有：文华和刘永长等人团运用时空 守恒及解元法对进排气系统的中流体的运动状态进行预测；徐斌和史艳彬运用 了总参差减小的有限容积法分析了进气系统的谐振进气效应。 在进气系统一维数值模拟方面，已经开发出许多用于分析发动机性能的软 件，目前最新的是利用有限体积法进行数值模拟的g t - p o w e r 和b o o s t 等软件。 准维模型本来是在内燃机燃烧模拟中占主导地位的一种热力学模型，其相 对于零维，一维具有高离散度特性。我们亦可将这种方法应用于压力、速度， 及流动模拟中，作为复杂三维模型简化的依据。它是将研究对象的空间分布形 态分布成较多的区域，分别考查各区域的参数变化，且可以针对具体对象的不 同，进行有侧重的空间划分，可着重分析具有代表性的子区域的子过程，使研 究结果进一步接近实际情况。例如，形状并不是非常规则的进气歧管，不同位 置的流速、压力等流动参数并不一致，为了提高模拟结果的精确性，可考虑准 维模型，扩大空间差异，将谐振腔分割成很多小块。有多少小块，就有多少个 不同的状态点，状态点内的参数分布仍是均匀的，但不同状态点的参数值则会 有差异，同理空滤器的也可被简化划分成若干块，利用u g 等三维制图软件测量 好每小块的体积，然后进行下一步的模拟分析。 若采用计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 的方法 进行进气系统二维和三维的数值模拟，则可以准确预测研究对象每一个细节的 压力速度分布，有利于改进模型方案继而进一步优化流动特性。 4 武汉理工大学硕士学位论文 基于c f d 基础上的多维数值模拟与样机实验验证的强强联合，正成为进气 系统分析乃至发动机设计研究方法的主导。通过对进气管内气体流动的数值模 拟计算，可得到空滤器、进气管、谐振腔以及它们之间的相对位置( 结构参数 的变化) 对流动宏观特性的影响，而且可以获得内部的压力、速度、湍动能等 参数的分布规律，为其设计与优化提供了依据。将三维气道c a d 几何模型输入 c f d 软件( 如f l u e n t ，s t a r - c d ，f 瓜e ) 可建立气道内气体流动的数学模型， 流动计算精度可达5 之内巧1 。这些软件主要是在描述流动物理过程的模型及数 值计算方法上存在着差异。 根据离散原理划分，使用最广泛的c f d 分析分支则是有限体积法。有限体 积法是将计算区域划分为一系列控制体积，将待解微分方程对每一个控制体积 积分得出离散方程砸1 。常用c f d 软件s t a r - c d 、f i ，i 厄n t 等都是基于该离散方 法。该方法的几何体网格，网格线定义的是控制体或单元的边界。单元中心则 位于控制体或单元的几何中心位置，存储了所有的相关变量，例如：压力、温 度、速度等等，建立代数方程组并求解，最终利用一定的插值方法获得计算域 内所有位置的信息。 进气系统的c f d 分析计算一般包括常规的稳态计算，利用u d f ( u s e r d e f i n e df u n c t i o n ) 自定义函数给定动态的边界条件进行孤立的瞬态计算以及 c f d 软件和热力学软件的耦合计算，该耦合计算可以获得进气歧管对发动机整 体性能的影响，非常有意义。 e t h i y a g a r a j a n 和vg a n e s a t t j 采用f l u e n t 软件在已知滤芯阻力参数的情况 下对空滤器的储灰能力及压降情况进行了预测。c r s i q u e i r a 和m e k e s s l e r 等人 【8 】运用f l u e n t 软件模拟完成了基于f p t 动力驱动技术的进气歧管内部流体瞬 时流动情况的分析及汽车空滤器内部流场的三维稳态分析。国内的研究状况有， 彭北京等人【9 】利用a f 眦软件为某发动机进气道进行了优化设计，使得进 气道流量系数得到大幅提高。 在f l u e n t 软件中提供有很多的湍流模型，常用的有涡粘模型、雷诺应力 模型等，以及大涡模拟模型。涡粘模型中有使用最为广泛的有标准k - 模型，及 后来发展起来的r n gk - 6 模型和r e a l i z a b l ek - 模型。r n gk - 模型考虑了平均 流动中的旋转及旋流流动情况；在方程中增添一项，反映了主流的时均应变率。 g n a g a r a j a n 等人【1 0 1 应用雷诺应力模型进行了某车型空滤器的c f d 分析，对旋流 做出了较准确的预测。任立红，舒歌群等人【l l j 应用标准k - 模型分析了某单缸四 5 武汉理工大学硕士学位论文 气门可变进气系统的流动特性；在某发动机进气道流动特性的数值模拟过程中， 程莎莉和朱才朝f 1 2 1 通过l i n gk _ 模型计算，对流线弯曲较大的流动进行了更为 准确的预测，提高了计算精度。 如今多采用一维热力学数值模拟和三维流体分析的耦合方式来分析进气系 统的流动情况。二者可以互相各自的不足。一维模拟的分析比较符合发动机的 实际工况，能准确反映压力波在管道内的传递等，但是不能将实际的进气系统 三维流域分析细节化，无法看到细微结构对流动性能的影响，只能获得沿流体 流动方向上的数据；而三维分析时，模型的建立往往也需要作出一定的简化， 这样势必会影响分析结果的准确性，且不能与热力学系统的其他部分进行信息 的实时交换，动态效应的分析较差，使得整个系统的计算精度得不到提高。因 此，很有必要从一维热力学计算中获得瞬态的边界条件，然后代入三维计算中， 使其不再孤立，这点类似于采用了试验测得的瞬态条件，代入三维流体分析中。 w a g n e r 和m a h l e 1 3 j 将g t - p o w e r 和流体分析软件f l u e n t 进行1d 3 d 耦合， 并分别模拟了进气歧管的稳态及瞬态流动过程，形象地给出了流体在三维模型 中的详细的运动状态特征，且利用该耦合模型，可以很好地预测各缸进气均匀 与否及e g r 分配均匀性等问题，且解决了单独三维计算时无法准确获得气体分 布的弊端。 国内的叶明辉等人n 4 1 采用1 d 3 d 耦合模拟，利用一维c f d 进气系统模型和 三维稳态c f d 模型分析了发动机进气歧管内进气过程的流动问题，在分析了发 动机主要性能的同时也兼顾到三维结构的影响。 陶鸿莹分别使用零维、准维和1 d 3 d 耦合( g t - p o w e r 与c f d 软件s t a r - c d 的耦合) 模型模拟计算某自然吸气汽油机的进气歧管的功率和扭矩及流动性能， 分析比较三种模型模拟歧管内流体流动特性的优劣细致程度，以及性能预测的 准确程度。 考虑到计算的可行性，本文则主要利用c f d 软件进行三维模拟对可变进气 歧管和空滤器的流场特性进行研究。 1 2 2 进气系统噪声的研究概况 空滤器本身就可以看作是一个进气消声器，除了具有一定扩张比的扩张腔 外，也具有树脂处理的微孔纸，这种滤纸也属于多孔分散型消声器的有效消声 材料，在较宽的中高频范围内有较好的消声效果。在噪声法规要求不高的情况 6 武汉理工大学硕士学位论文 下，装上空滤器就能基本满足进气消声要求，但是随着法规的越加严格，进一 步降低进气噪声的要求也日渐迫切。国内的研究绝大多数是对空滤器本身的结 构改造或者是在管道上外加基于h e l m h o l t z 原理的共振式进气消声器。共振式进 气消声器属于抗性消声，用来消除中低频噪声，其中新研发的三腔并联旁支型 共振消声器属于效果较优的设计。 空滤器本身的结构也会对消声效果有较大的影响。空滤器的进气管道的长 度会很大程度上影响空滤器的消声效果，加大长度会使空滤器的消声频率移向 低频。因此，在空滤器的入口处安置一定长度的吸入管，可进一步提高空滤器 的进气消声效果。增大空滤器容积也可降低从进气口发出的噪声。近年来，在 发动机机舱容积逐渐狭小化的进程中，空滤器的容积却从原来的3 - - 4 l 发展到 如今的1 0 l 以上。 1 - 3 研究来源和目的 研究来源：某微型车进气系统的c f d 设计分析 研究目的：大多数进气系统的分析研究主要侧重于两方面：一是空滤器的 声学特性及如何进一步提高降噪效果；二是进气歧管本身结构固定、流体流动 方向基本不变时的稳态和瞬态分析，而没有做出可变进气系统，特别是可变进 气歧管长度，如何随着发动机转速的改变而改变流体运动特性的预测，也没有 深入的探究空滤器三维结构参数、滤芯参数等对流动特性的影响。 基于上述背景，本文运用f l u e n t 流体分析软件分别对空气滤清器及可变 进气歧管长度系统的内部流动特性进行三维数值模拟研究，根据仿真结果得出 流体流线走向，流速、湍动能及压力的分布规律，为空滤器及可变进气歧管的 结构改进提供依据。用数值模拟结果指导产品设计，有利于降低开发成本、缩 短开发周期。 1 4 研究的主要内容 本文的研究主要内容有： ( 1 ) 进气系统理论 研究汽车进气系统流动特性、噪声产生的机理和解决措施以及空滤器的设计 要求。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 进气系统流动特性分析 分析步骤：三维建模软件u g 建立计算域模型、前处理软件g a m b i t 划分 网格，最后应用f l u e n t 计算流体软件模拟流体运动时的各参数的三维分布情 况，最后用后处理软件t e c p l o t 输出直观的图像。 由于厂家并没有给出完整的进气系统，而是单独给出空滤器和可变进气歧 管的孤立模型，为了解决这一现实因素，本文c f d 模拟分析的主要内容涉及两 个方面：一是通过对a 型发动机空滤器流体分析计算域的建模，计算，获得内 部流场的特性规律，研究压力损失和较大湍动能产生的原因，并以此为指导， 进一步设计分析b 型发动机机型的空滤器，并提供优化改进方案进行比较分析； 二是依据a 型空滤器出口管道截面的流体参数作为可变进气歧管的入口参数， 分析可变进气歧管的各支管压力平衡性、临界转速时歧管内旋转翻板对流体流 动的影响等问题。通过流体参数的传递，使得二组成紧密联系起来。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车进气系统分析理论基础 汽车进气系统的流场分析过程，囊括了许多学科理论知识，包括声学、空 气动力学、热力学、计算流体力学等。在进行模拟分析之前，对前人分析的理 论知识进行一定的涉猎，有助于更好地以理论指导实践。下面则主要就声学、 空气动力学及计算流体力学三方面做介绍，其他相关理论在分析过程中涉及的， 在此不再详述。 2 1 进气噪声产生机理及测量方法 2 1 1 进气噪声的产生 进气系统噪声是车辆低速行驶时的主要噪声源，也是部分侧向进气式车辆 的通过噪声的重要来源。进气系统噪声主要是由于进气门的周期性开闭引起的 高速气流扰动、压力起伏变化及其与进气管道各接口处相互作用产生的碰撞、 分离等引起的。因此，进气口处的噪声占很主要的位置，且该噪声源离车厢较 近，是车内噪声的重要组成。 进气系统的噪声源主要包括周期性的压力脉动噪声、管道气柱共振噪声、 涡流噪声以及气缸的亥姆霍兹共振噪声等n 副。 2 1 2 空滤器的消声作用及声学性能评价 进气噪声的控制多采用无源控制。无源控制，是类似于排气噪声的控制方 式，是在系统的合适位置引入迸气消声器达到消声目的的控制方法，其技术核 心仍是消声器。且不能以牺牲发动机动力性为代价盲目降噪，应合理选择消声 量来设计消声器。 空滤器兼做消声器，其消声原理类似于阻抗复合式，主要涉及二个方面： 一是利用管道截面突变的扩张腔；二是多孔吸声材料的利用。前者的原理是截 面的突变，换言之则是声抗的突变，它引起声波向声源传播方向反射以降低辐 射声能，且收缩与扩张效果相同，并利用扩张腔和内插管的长度使向前传递的 声波与管道内不同截面反射得到的声波产生相位相反、振幅相等的干涉，从而 降噪；后者的原理则是将中高频声波沿着大量微小的孔隙进入材料内部，并因 9 武汉理工大学硕士学位论文 粘滞力的作用与其发生摩擦，最终将声能转化为热能并通过壁面的热传导耗散 掉，流速越大，摩擦造成的损耗也越大，从而提高吸声能力，其中逆流及气流 在管道内具有均匀流速更利于消声。 若单独的空滤器不能达到降噪的要求，可以在适当位置安插合适的消声元 件，如广泛应用于发动机进排气消声上的亥姆霍兹共振腔，来进一步消除窄带 低频噪声，其结构简单、压力损失小。 具有方向性的能量传播使得声学性能的测量复杂化。为了方便实际应用， 其主要有三个性能指标：一是将其简化为进出口端面声压级的差值，称为减噪 量，声压级一般采用a 计权声级。消声器内部两点之间的声压级之差，一般用 单位长度上的噪声衰减量( d b m ) 来表示。减噪量虽容易测量，但是并不能指导设 计研究。二是用传递损失来定义消声器的入射与透射声能之差，如果进出口端 截面相同，传递损失的数值便等同于减噪量。三是插入损失，是固定一测点， 测得整个系统在安装空滤器前后同一频率下的该点声压级之差，其受声源及测 点环境的影响很大。反映空滤器本身结构属性的传递损失的研究评价更值得关 注，其测量方法包括声波分界法、两声源法、两载荷法等。 空滤器的声学特性对发动机的进气噪声有重要的影响。空滤器的声学特性 与进气噪声的良好匹配可以使发动机的进气噪声特性达到优化n 仞。 2 2 进气系统流动特性分析 进气系统的设计好坏会对发动机的换气过程的优劣产生直接影响，其设计 应充分提高充量系数，使换气过程趋于完善。 2 2 1 进气管的谐振增压 不同于简单地从外界吸入稳定气流，进气歧管谐振增压没有使用任何增压 器，只是利用进气管中气体本身的不稳定流动通过提高进气门处的气流压力和 速度来增加进气压力，提高气缸内的充气效率。从下止点开始到进气门关闭这 一期间内，效果最显著。因此，了解进气系统压力波的规律具有重要的意义。 其基本原理为：进气过程中，当进气门快速打开时，由于活塞的抽吸作用， 在进气门的入口处形成了一个负压，构成了一个经气道、歧管、总管传播至管 内开口端的膨胀波，到达开口端后，又反射回来一个压缩波，及反射回来后进 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 气管中的压力大于大气压。如果在进气门即将关闭的时刻，歧管入口处的自身 负压波、上游各反射波及各缸的负压波在此处刚好合成为一个正的压力波，并 传到进气门处，则可使更多额外的空气进入气缸，进气量增多；若合成波为负 的压力波，则相反。活塞的来回往复、迸气系统中各气缸周期性进行的吸气过 程，会在进气管内产生激振，当该激发气柱的自振频率与激振频率一致时，就 会发生谐振，并在进气门处，振幅最大，获得了谐振增压的效果，此时发动机 的相应转速被称为谐振转速。当激振频率与谐振系统的固有频率一致时，还会 产生共振现象。 简单来说，这种是利用本循环吸气产生的膨胀波，达到开口端后反射回压 缩波，以达到增压目的的。 为了使更多的新鲜充量以较大密度进入气缸，需根据进气歧管内的压力波 动特性，选择合适的歧管长度、直径和配气相位。考虑到压力波传播路径除进 气管道外还需考虑气缸容积，可折算为当量长度。歧管长度影响合成波的相位， 配气相位则与发动机转速有关。 发动机进气系统主要有空滤器、进气歧管及这两个装置的连接管道所组成。 在考虑空滤器的问题上，主要是关注它的滤清和进气消声效果，且要尽可能地 减少流动阻力：对于进气歧管，我们除了要减少其流动阻力外，还要尽量利用 谐振增压的原理考虑其结构参数是否能达到要求。 影响谐振增压的因素除了进气歧管的结构以外，还有发动机转速和负荷、 配气定时、多缸机的相互干扰程度等因素。因此，只有优化好进气歧管的各个 参数，对其进行充分合理的设计，才能提高充气效率，使发动机在全部转速范 围内都能获得一个比较好的工作性能。参数优化主要包括以下几个方面：进气 管总管长度、管径、进气支管长度、谐振腔的容积、进气口位置等。 不同于进气歧管，进气总管的影响主用是由进气系统中的波动效应所引起。 管道长度影响进气管道内压力波的谐振频率，管道直径影响进气道内压力波的 幅值n 刀。减小进气总管的管径，可以增强谐振效应，但是从减小摩擦力方面来 看，管径的减小反过来会增加进气系统的沿程和局部损失，影响进气效果。 进气歧管的长度一般较短，压力振动属于惯性效应，只会影响此次的进气 过程。相较于其他因素，进气歧管长度的影响是最主要的，它直接影响谐振效 应产生的各个环节来提高充气效率。气体压力波的传播速度随着温度不同而发 生变化，最佳管长在冬季和夏季也不一样，但一般影响不大n 羽。 武汉理工大学硕士学位论文 多缸发动机谐振腔的设置可避免各气缸进气时的相互干扰。容积的大小由 长度和直径决定，由于是入射和反射波的必由之路，其对于谐振效应有很大影 响。容积在一定程度内增大，可增加压力波幅值，提高谐振强度；容积过小， 会降低气体的动力效应，且增加了进气阻力，降低充气效率。当容积取得合适 值时，“充气效率转速 曲线还会出现双峰值。大多研究设定谐振腔的容积一 般为发动机排量的5 5 左右u 9 】。 对于四气缸发动机而言，一般认为一端进气比中间进气有利于动力效应的 产生，有利于充气效率的提高。进气口位置的布置，要优先考虑进气的均匀分 配问题。 2 2 2 可变长度进气歧管 车用发动机的气体增压技术引用的最终目的是为了增加发动机的进气量， 提高吸入的气体密度，使汽油燃烧更为充分，从而增加发动机升功率。不管方 式如何，都是为了改善发动机的动力、经济、排放及动力响应特性。其中根据 发动机工况改变进气管的几何长度，从而改变其谐振特性的方法应用相当广泛， 结构简单、成本较低，可靠性好。 传统发动机进气管参数是固定不变的，因此，根据谐振效应原理计算好的 一套结构参数，往往只能保证发动机在某一个工况下具有最佳性能，并不能满 足全工况范围。据此，传统设计一般都是兼顾各个工况下的发动机性能，并从 中选取一个折中方案进行参数设计来平衡矛盾的，这样就阻止了发动机动力性 能的最佳发挥。 当进气歧管长度可随转速和负荷的变化而变化时，可使发动机在全转速、 各种负荷范围内，都获得相对较高的充量系数，输出转矩曲线也能较平坦地维 持在较高值，发动机综合性能整体提高。可变程度分为无级和有极。 可变长度进气歧管可充分利用谐振效应，缩小发动机在高、低速时的性能 差异，达到提高其充量系数和动力性的目的，尤其对中低速、中小负荷的动力 性的改善效果明显。当发动机在高转速、大负荷时，采用粗而短的管道；而在 中低转速和中小负荷时采用细而长的管道。 可变长度进气歧管每个支管都可有一长一短的两个通道，可根据转速由旋 转翻板控制气道的切换。高速时，对充气系数要求很高，为了保证高功率的输 出，该工况下，旋转翻板开启，截断掉本来是长管道中的一部分通道。空气经 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 由空滤器、节气门进入粗而短的进气支管。粗而短，表示进气支管长度较短且 横截面积较大，相应地，沿程阻力即气体与管道之间的摩擦阻力会随着长度的 减小而减小，进气阻力也小，进气量相应增多，从而改善了高速性能。当然， 可变长度进气歧管不仅可改善高速时发动机动力性，还可以改善发动机在中低 速运转时的性能。 低速工况下，对气体强度有较高的要求，从而获得大转矩。中低速时，旋 转翻板关闭，空气沿长管道最终流入进气门和气缸。进气管若依然维持较短的 状态，则进气系统内的压力波振荡周期也会相应缩短，不利用提高中低速转矩 来提高加速性能。因此，需利用谐振进气的原理，加长进气管长度，提高进气 充量系数和燃油经济性，在一定程度上改善燃烧过程，改善排放性能。 进气管长度可调的系统被认为是最有前途的进气系统，是因为：第一，它 最大可使发动机有效转矩平均增大8 5 ；第二，在发动机所有速度工况下转矩 均可增大；第三，在曲轴转速降低的情况下，最大转矩可增大1 2 1 4 【1 8 2 0 1 。 它真j 下做到了高低兼顾，同时并没有对发动机本身结构做出太大改变，适应性 较好。 2 3 进气系统设计要求 2 3 1 空滤器的设计要求 空滤器种类的选取与车辆的类型、常用转速下的进气流量及行驶环境的恶 劣程度等因素有关；其保养也应方便。 ( 1 ) 轿车、轻型货车发动机的进气的体积流量大多在3 0 0 m 3 h 以下，且行 驶环境灰尘度较低时，使用单级干式或单级湿式即可； ( 2 ) 进气体积流量在5 0 0 m s h 以上，环境条件较恶劣时，应采用总体紧凑 的双极空滤器：包含粗滤器和精滤器。 ( 3 ) 重型车，行驶条件相当恶劣时，且体积流量在1 2 0 0 m 3 h 以上时，应采 用盆形或筒形空滤器。 空滤器的作用有：( 1 ) 净化空气：( 2 ) 减少进气噪声；( 3 ) 减少进出口压 降：( 4 ) 连同进气管道，根据谐振效应，提高进气充量系数，惯性增压。据此， 可分析空滤器的相关设计要求。 常用空滤器采用纸质干滤方法，利用微孔滤纸过滤和吸附等方式净化空气， 武汉理工大学硕士学位论文 具有重量轻、效率高、成本低的特点，被广泛采用。 2 3 1 1 滤清效率的要求 多采用纸质或无纺布滤芯。标准额定空气流量下，滤清器的原始滤清效率 应不低于9 9 5 。其中，额定空气流量对于空滤器的设计是最关键的因素之一。 空气滤清器的滤芯孔径及过滤面积的选取通常受发动机的排量、运行环境、 更换周期及进气阻力等因素的影响，纸质滤芯往往为了在节省空间的同时增加 过滤面积，将其折出很多褶皱，来增大过滤面积。 2 3 1 2 空滤器的降噪作用 空滤器壳体容积越大，消声量也越大，但也要给机舱内其他部件预留足够 空间，且应考虑与管道的连接处的横截面突变问题。为了进一步降低进气噪声， 可在进气管处设置谐振腔。对空滤器容积设计一般要求满足发动机排量的3 6 倍，从进气消声的角度来分析，容积与单个气缸排量的比值应在1 5 - - - , 2 0 之间1 。 2 3 1 3 空滤器的进气阻力 进气阻力是空滤器出口处的静压绝对值，阻力大于规定值时将减少发动机 进气量，影响发动机的经济性和动力性。对于轿车汽油机常用的干式单级空气 滤清器，其进气阻力为1 5 k p a - 2 o k p a 。当轿车、m p v 车或s u v 车装用柴油机 时，其空气滤清器的进气阻力应1 2 k p a 2 2 。 设计时应注意横截面突变，过渡尽量均匀；腔体内壁光滑，少尖角。 2 3 1 4 空滤器的连接管道 具有一定长度的进气导流管，可用来增加谐振进气效果，加大流速和进气 效率。空滤器进气的金属管路的材质要不易生锈，且不准喷漆，防止脱落赃物 被气体吸入发动机。且应避免焊接，若需焊接，则须彻底清除氧化皮，内腔保 持光滑无泄漏。壳体和出入连通管道的设计应尽量直，避免转弯过大，当需要 管路弯曲时，可设计大的曲率半径来过度，以减少连接阻力，提高充量系数； 根据发动机计管道走向应使气体能均匀通过滤芯；管路接口的接口数量要尽量 少，采用平带式卡箍紧固软管，且3 6 0 0 全密封，以防止灰尘的进入，特别是空 滤器到发动机之间的管路，管道头部应有卷边或凸台的设计。要保证连接管路 的固定，不得因振动导致接头松动。 空滤器出气管上有一处柔性波纹管，便于空滤器在