（动力机械及工程专业论文）电喷摩托车发动机进气调节特性的研究.pdf

摘要 随着摩托车电子控制技术的进一步发展，摩托车排放法规的不断严格及驾驶 者对摩托车的动力性和稳定性的期望不断增加，摩托车产品需要不断地进行技术 升级。本文以c g l 2 5 电喷摩托车为研究对象，通过建立发动机模型对发动机的 进气特性进行仿真计算，为电喷系统控制策略的制定和进气调节系统的优化提供 参考。 本文系统地分析了迸气调节系统( 怠速旁通孔、怠速提高阀、节气门体) 的 流量特性和节气门开度对进气管的压力、温度的影响规律，明确了进气调节系统 影响进入气缸的循环进气量的本质，为发动机进气量影响因素的分析奠定基础； 然后从气体动力学的角度出发，通过特征线法的推导和重要的边界条件模型的研 究，了解了进气调节系统内气体流动的数值求解方法；运用g t - p o w e r 软件建立 了c g l 2 5 摩托车发动机模型，在确定其能够准确模拟稳态工况各项指标的基础 上，模拟不同的海拔高度、不同的怠速基准、不同的加速时刻对循环进气量的影 响，经分析，可为e c u 控制策略的制定提供参考；同时模拟节气门开度对冷起 动性能、e g r 节流孔径比对压力波的影响，为进气调节系统的优化和e g r 的设 计指明方向。 通过对进气调节系统和e g r 进行实验研究，结果表明进气调节系统的优化 可有效地提高节气门体的抗污染性能和发动机的怠速稳定性，e g r 能有效降低 摩托车的n o x 排放。 关键词：进气调节系统电喷摩托车控制策略e g r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee f im o t o r c y c l et e c h n o l o g y , t h es t r i c t e re m i s s i o n r e g u l a t i o ma n dt h er i s i n ge x p e c t a t i o no f e x c e l l e n ts t a b i l i t ya n dp o w e rp e r f o r m a n c eo f t h er m t o r c y c l eb yd r i v e r s ，m o t o r c y c l ep r o d u c t sn e e dc o m i n u o u s l yt e c h n o l o g i c a l u p g r a d e t h i sr e s e a r c hw a sc o n d u c t e do n ac g l 2 5e f im o t o r c y c l e am o d e lo ft h i s e n g i n ew a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i co fi n t a k ea i r , a n ds o m ea d v i c e s w e r eg i v e nf o rb u i l d i n gt h ee f ic o n t r o ls t r a t e g ya n do p t i m i z i n gt h ei n t a k ea d j u s t i n g s y s t e m a tf i r s t , t h ei n f l u e n c eo f t h ei n t a k ea d j u s t i n gs y s t e mf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e t h r o t t l e p o s i t i o no ni n l e tm a n i f o l dp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ew a ss y s t e m a t i c a u y a n a l y s e d ，a n dt h ew a yi nw h i c ht h ei n t a k ea d j u s t i n gs y s t e mi n f l u e n c e st h ei n t a k ea i r m a s si ne a c hc y c l ew a sf o u n do u t s e c o n d l y , b a s e do na e r o d y n a m i c s ，w ef o u n da s t u d ym e t h o do ft h ea i rf l o wi ni n t a k ea d j u s t i n gs y s t e ma r e rs t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c s l i n ea n db o u n d a r ym o d e l t h i r d l y , ac g12 5e n g i n em o d e lw a ss e tu pb yu s i n g g t - p o w e r , ap o w e r f u le n g i n es i m u l a t i o ns o t i w a r e ，佻m o d e lc a ne x a c t l ys i m u l a t e e v e r ye n g i n ep a r a m e t e ra ts t e a d y - s t a t eo p e r a t i n gc o n d i t i o m ，a n dt h e ni tw a su s e dt o c a l c u h t et h ea c t u a li n t a k ea i rm a s so fd i f f e r e n ta l t i t u d e s ，i d l eb a s e l i n e sa n d a c c e l e r a t i n gt i m e t h er e s u l t sc o u l dg i v es o m eg u i d l i n e sf o rt h em a k i n go fe f ic o n t r o l s t r a t e g y a d d i t i o n a n y ，t h ei n f l u e n c eo ft h r o t t l ep o s i t i o no nc o l d - s t a r tp e r f o r l l l a n c ea n d t h ei n f l u e n c eo fe g rv a l v ea p e r t u r er a t i oo np r e s s u r ew a v ew e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h e r e s u l tp r o v i d e dau s e f u lr e f e r e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o no fi n t a k ea d j u s t i n gs y s t e ma n d t h ed e s i g no f e g r s y s t e m a f t e rt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n , w ef o u n dt h a tt h eo p t i m i z a t i o n o fi n t a k ea d j u s t i n gs y s t e m sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ea n t i - p o u u t i o np e r f o r n 筐t n c eo f t h et h r o t t l eb o d ya n de n g i n ei d l es p e e ds t a b i l i t y , a n dt h ea d o p to f e g rc a nr e d u c et h e n o xe m i s s i o no f t h et e s te n g i n e k e yw o r d s ：i n t a k ea d j u s t i n gs y s t e m , e f im o t o r c y c l e ，c o n t r o ls t r a t e g y , e g r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢了有民签字隅矽口7 年占月，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 了柳砘 签字同期：7 年月f 同 翩签名：壶吖妇导师签名：髟1 矽k 签字隅彻? 年6 月弓同 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 摩托车诞生于欧洲，在2 0 世纪7 0 年代以前欧洲一直是世界摩托车制造中心。 7 0 年代初，亚洲国家在摩托车制造领域异军突起并逐步取代欧洲的核心地位。 随着我国国民经济的快速增长，交通运输行业也得到飞速发展，使得摩托车制造 业在我国得到迅猛发展，摩托车的产量从1 9 9 3 年起持续稳定增长，2 0 0 8 年全国 摩托车年产量达到2 7 5 0 万辆，占全世界总产量的一半以上，全国摩托车保有量 接近9 0 0 0 万辆 1 1 ，但由于产品技术水平低、污染重、能耗高，摩托车的使用给 城市和农村的带来严重的大气污梨2 1 ，国家和地方政府相继出台了一系列的排放 法规和地方限制政策，更加严格的国家第三阶段的摩托车排放标准将于2 0 0 9 年 7 月1 日正式实施【3 】。因此，近年来许多摩托车企业和科研机构都投入大量的人 力物力从事摩托车电子燃油喷射系统的开发。另一方面，随着燃油附加税的开征， 市场对摩托车的燃油经济性的要求也越来越高，电喷技术在摩托车的应用范围越 来越广【4 】。 成本问题一直是阻碍摩托车电喷系统取代化油器的主要因素。近年来，技术 的进步和电子元器件成本的大幅降低使开发高性能、低成本的电喷系统成为可 能。但电喷系统优势的发挥还得丰富其软件的功能，制定完善的电喷控制策略， 精确控制各个工况的空燃比，真正达到降低排放和提高燃油经济性的目的。而发 动机循环的喷油量可以通过喷油脉宽直接控制，因此，能否准确的计量实际进入 气缸的进气量成为准确控制发动机空燃比的关键。 对于稳态工况下实际进入气缸的进气量的测量，一般通过叶片式、卡门涡式 及热线热膜式空气流量计等直接测量法或速度一密度法、节气门一密度法、节气 门速度法等间接测量法。由于摩托车进气流量小、工作环境恶劣及成本因素， 不适合采用空气流量计的直接测量法；同时摩托车迸气管压力波动大，采用汽车 普遍使用的速度一密度法也有问题，例如选取什么相位测得的进气管压力计算密 度。因此，目前小排量的电喷摩托车主要采用成本低、过渡工况响应优越的节气 门速度法来预测进气量，但节气门一速度法的缺点也非常突出，它不能对节气 门污染、不同的初始节气门开度及环境温度和压力进行修正。而对于过渡工况及 其他特殊工况下实际进入气缸的进气量，由于实验条件达不到或实验成本过高， 不便直接测量。 一1 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 同时，随着摩托车排放法规及市场对摩托车的稳定性的要求的不断严格，摩 托车电喷系统需要不断地进行技术升级。而传统的节气门直接控制怠速进气量的 电喷系统在节气门体抗污染性能和冷起动性能方面存在不足之处，因此，需要对 其进行改进，增加怠速旁通孔和怠速提高阀；另一方面，国三摩托车排放法规对 n o x 有更高的要求，传统的控制空燃比、调节点火提前角已不能满足n o x 排放 的要求，而三元催化转换器的采用会提升摩托车电喷系统的成本，可采用e g r 来降低n o x 排放。而怠速提高阀和e g r 管路的设计需要大量的实验数据支持， 开发周期较长。 要解决上述问题，必须弄清楚内燃机进排气系统中的气体流动状况。关于进 排气系统内的气体流动的模拟计算的研究多年来一直是国内外内燃机研究的重 要课题，其中比较简单并应用广泛的是一维不稳定流动模型，各国研究人员先后 开发了特征线法、有限差分法、有限容积法等多种数值计算的方法，并开发了相 应的模拟计算软件，如g t - p o w e r ，a v l - b o o s t ，w a v e 等，方便快捷地解决实际 应用的问题【5 】。 本文通过g t - p o w e r 软件建立内燃机进排气系统内的气体流动的模型，对稳 态工况、过渡工况及某些特殊工况的进气过程进行模拟计算，分析不同的参数对 进气量的影响规律，为电喷发动机的控制策略的制定提供参考。同时对进气调节 系统、e g r 进行实验研究，验证进气调节系统在提高节气门的抗污染性能和发 动机的怠速稳定性、e g r 降低摩托车的n o x 排放方面的功效。本文的研究工作 是在这一大框架下展开的。 1 2 摩托车进气测量方法及误差来源 只有少数大排量的摩托车采用空气流量计直接测量进气量，中小排量的摩托 车是一般根据发动机进气管压力或节气门位置，结合转速、进气温度等参数预测 进气量。在我国中小排量的摩托车电喷系统中，普遍通过节气门位置和转速来预 测进气量，称之为节气门速度法【6 1 。 1 2 1 节气门速度法 节气门速度法( a - n 法) 是利用节气门开度( a ) 和发动机转速( n ) 来 推算每一循环的进气量，再根据空燃比确定喷油量。节气门速度法与发动机的 工况定义完全一致，因此理论上可以适用于任何稳态及过渡工况。在发动机工作 过程中，只要工况稳定，负荷就不会改变，因此喷油量也是定值。只需事先建立 在发动机工作范围内a 、n 所对应的喷油量的二维表厂( 口，胛) ，二维表f ( c r ，刀) 天津大学硬士学位论文第一章绪论 ( 喷油m a p 圈) 需通过标定实验测得，如图1 。i 所示。 差； 誊： 图1 1 基本喷油m a p 由于发动机的制造公差的存在，无法保证相同款式发动机与标定发动机的进 气规律完全一样，为消除由发动机问的差异引起的误差需要通过算法增强电喷 系统的自学习功能。基本方法是在每次摩托车的起动时，e c u 记录下发动机稳 定怠速时的喷油量，再根据节气门开度和转速相对于怠速时的变化值查表，基本 喷油量的计算方法如下： = ，7 + ，陋，月) 一f ( c e o ，n o ) 式中，珥w 、* 发动机的基本喷油量和e c u 记录的怠速喷油量 f ( a ，川、f ( a o ，n o ) 喷油m a p 图中口，n 点的喷油量和怠速喷油量，其中 “一、“一分别等于节气门开度和转速相对于怠速时的变化值 由于节气门速度法不能反映大气压力、环境温度、缸盖温度、电源电压等 因素对发动机喷油量的影响，因此必须对其进行修正，修正喷油量为： - = ，( 匕，矗，o ，岛)、 式中，珥。发动机的修正喷油量 r 、o 一进气温度和环境压力 “、，。缸盖温度和电源电压 1 2 2 节气门速度法的误差来源 节气门一速度法的优点是成本低、过渡工况响应优越。节气门一速度法能快 速地检测出加、减速情况，并且节气门位置信号不受压力波动影响，可以提供节 气门位置租节气门变化率等驾驶信息。另外，节气门位置传感器结构简单，可靠 性和精度高，不需要外围电路，在摩托车上安装方便，可得到大范围下的动态输 出，满足幸托车对传感器部件简单、小型、轻型化的要求 ”。 节气门一速度法作为我国小排量电喷摩托车普遍采用的一种进气量的测量 天津大学硕士学位论文第一章绪论 方法，它的缺点也非常明显，主要是控制精度不高，引起误差的因素主要有以下 几个方面： 1 ) 节气门污染及发动机的老化磨损对实际进入气缸的进气量产生影响，而 节气门速度法无法检测到节气门污染和发动机的老化磨损的程度，造成进气量 预测的误差，直接导致排放和油耗的恶化。 2 ) 当发动机怠速的节气门开度与标定发动机不一样时，其他各个工况点的 实际进气量与通过式( 1 一1 ) 的预测值有一定的偏差。这是因为节气门的有效流 通面积随节气门开度变化关系非线性，当节气门开度较小时，由于节气门后面的 真空度很大，进气量对有效流通面积非常敏感，不同怠速节气门基准引起的微小 流通面积的差异会产生较大的进气量偏差；当节气门大开度时，节气门后面的真 空度较小，进气量对有效流通面积不敏感，不同怠速节气门基准引起进气量预测 的偏差不大。 3 ) 节气门速度法不能直接反映温度和压力的变化对进气量的影响。因此 需要利用温度传感器和大气压力传感器( 或海拔修正方法) 来进行适当的修正。 综上所述，在节气门速度法中，引起进气量预测误差的因素主要有节气门 污染、发动机的老化磨损、怠速基准的差异和海拔。其中如何降低节气门污染的 影响、修正海拔和不同怠速基准引起的误差是本文研究的重要内容。 1 3f a i 电喷技术 8 1 9 摩托车发动机的实际工作情况很复杂，而且是时刻变化的，因此发动机要求 的混合气浓度与质量也应随之变化，任何先进的机械式化油器只能在发动机运行 时的个别点达到最佳状态，而在大部分工况下，均不能达到最佳值。电喷技术是 依靠各种传感器监控发动机的运转工况、转速、进气压力或者进气流量、进气温 度、燃烧状态等参数，经电子控制单元运算比较后，精细地控制电磁喷油器的喷 油时刻和喷油量以及点火时刻，从而使发动机在各种运行工况下都具有最佳动力 性、经济性及排放性【l o 】。电喷技术是摩托车技术的制高点，是摩托车满足国、 国排放法规的主要技术手段之一，也是我国摩托车企业参与国际、国内两个市 场竞争必须掌握的一种核心技术【1 1 】。 传统的气道电子喷射系统主要由油泵、调压器和喷油嘴三个部件组成，油泵 安装在油箱内，调压器和喷油嘴安装在油箱外，通过油管将三个部件连接起来， 其结构图如图l 一2 所示。燃油箱中的旋转电磁泵使油管中产生很高的油压，经调 压器调压后输入到燃油喷嘴，然后喷入进气管中。调压器的作用是保证喷嘴前后 的压差恒定，喷射量则与喷射时间成正比，喷射量的计量精度基本取决于喷嘴前 天津太学砸士学位论文第章绪论 后的喷射压差的稳定性 ：馏： 0 船。， 嵫 i h o ：c 喇y n h 图1 - 3f a t 电喷系统 与传统的电喷系统同相比，f m 电喷系统结构更加简单紧凑，投有裸露在外 的高压油管，它的燃油供应是由一个泵一喷嘴的高度集成喷射单元完成的，如图 1 3 所示。喷射泵一种特殊的直线式脉冲电磁泵，能在1 2 v 的电压条件下产生 1 6 g m p a 的高油压，并根据电控单元( e c u ) 的指令，随时谓整喷油压力，喷 射出理想的燃油量。 1 4 本研究的意义和主要工作 1 4 1 本研究的主要工作 本研究主要针对摩托车的进气谓节系统进行了模拟计算和实验研究。 本文的主要工作包括： 1 ) 本文系统地分析了进气调节系统( 怠速旁通孔、怠速提高闽、节气门体) - 5 偿n 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的流量特性和节气门开度对进气管的压力、温度的影响规律，明确了进气调节系 统影响进入气缸的循环进气量的本质；从气体动力学的角度出发，通过特征线法 的推导和重要的边界条件模型的研究，了解了进气调节系统内气体流动的数值求 解方法。 2 ) 用g t - p o w e r 软件建立c g l 2 5 摩托车发动机模型，在确定其能够准确模 拟稳态工况的各项指标的基础上，针对不同怠速基准、不同海拔及加速工况进行 模拟计算，为e c u 控制策略的制定提供参考。同时，通过对节流孔径比对压力 的影响、冷起动工况及不同怠速提高阀孔径对进气量的影响进行模拟计算，为怠 速旁通孔和e g r 的管路设计提供参考。 3 ) 通过对进气调节系统进行实验研究，验证怠速旁通孔、怠速提高阀在提 高进气系统的抗污染性能、解决发动机怠速不稳定方面的功效。同时通过摩托车 e g r 实验，测量不同节流孔径对n o x 排放及摩托车功率、扭矩的影响。 1 4 2 本研究的意义 本研究的意义主要包括两个方面： 一、摩托车电喷系统的开发需要我们对小型汽油机开展大量的基础性研究 中小排量的摩托车普遍采用小型风冷汽油机。和汽车发动机相比，单缸风冷 汽油机有着自身的特点：结构简单、空间紧凑、成本低、排量低、转速高、进气 管内波动大、油门变化快且频繁。这些特点使得发动机更适合采用节气门一速度 法来预测发动机的进气量，但节气门速度法控制精度较低，无法对节气门污染、 不同怠速基准、加速起始时刻、海拔等因素引起的进气量偏差进行修正。 因此，我们需要对小型汽油机开展大量的基础性研究工作，深入了解节气门 一速度法的控制策略，通过实验和模拟计算各个工况下的进气量，分析其偏差的 原因和变化规律，并采取有针对性的补偿策略和改进措施，以提高摩托车电喷系 统对发动机空燃比控制的精度，真正发挥电喷系统在降低有害排放和提高燃油经 济性方面的潜力。 二、本研究对进气调节系统和e g r 进行实验研究 f a i 传统的进气调节系统没有专门的怠速进气系统，结构简单、工作稳定性 好，加工制造方便等特点。这些特点使得： 1 进气系统抗污染性能差，在发动机怠速时，流通截面的周长很大，节气 门体轻微的污染对怠速进气量的影响很大，容易造成发动机怠速不稳定。 2 在发动机冷起动过程中，由于机油温度和机体温度较低，缸内燃烧不良 且摩擦耗功大，发动机怠速不稳定，容易熄火。 通过对设计了怠速旁通孔、怠速提高阀的进气调节系统与传统的进气调节系 天津大学硕士学位论文第一章绪论 统进行实验研究，验证怠速旁通孔、怠速提高阀在提高进气系统的抗污染性能、 解决发动机怠速不稳定方面的功效。同时由于国三摩托车排放法规对n o x 有更 高的要求，传统的控制空燃比、调节点火提前角已不能满足n o x 排放的要求， 本文通过对摩托车e g r 进行实验研究，测量不同节流孔径对n o x 排放及摩托车 功率、扭矩的影响。 天津大学硕士学位论文第二章摩托车进气调节系统的理论研究 第二章摩托车进气调节系统的理论研究 在摩托车的进气调节系统中，节气门开度是唯一体现驾驶者的操作意图的元 件，驾驶者通过转动油门控制节气门开度，从而控制每循环进入发动机的实际进 气量，电控系统根据进气量进行喷油，实现摩托车的加速和减速过程。而进气调 节系统对进气量的控制实际上是通过控制进入缸内的混合气密度实现的，由理想 气体状态方程p = p 兰丁，进入气缸的混合气密度与进气门前的管内压力和温度 朋 相关，下面首先分析进气管内的气体状态。 2 1 进气管内气体状态分析 2 1 1 进气管内压力变化的分析 为了减小进气管的充排气效应，保证油门变化时发动机进气量的变化能快速 响应，摩托车发动机的进气系统非常紧凑，与汽车多缸发动机的进气系统有显著 区别，如图2 1 。 摩托4 ：z 三动机 _ - _ - _ _ _ _ _ i i i 图2 1 摩托车发动机与汽车发动机进气系统比较 汽车发动机中，由于几个进气歧管共用一个稳压腔，压力波动会被稳压腔平 抑。摩托车多采用单缸发动机，没有进气稳压腔，节气门体距离进气门很近。摩 天津大学硕士学位论文第二章摩托车进气调节系统的理论研究 托车发动机中进气管和进气道的总容积与发动机的工作容积大小相当，每循环进 气管中压力波动很大。由于没有进气稳压腔，因此摩托车发动机进气管内存在的 压力波动是无法平抑的。 摩托车进气管中的压力波动是由发动机的进气方式决定的，在进气冲程，进 气门打开，活塞向下运动，相当于一个高速抽气泵从进气管内吸气，当进气门的 吸气速率大于进气调节系统流入进气管的进气速率时，进气管内压力下降；反之， 当进气调节系统的进气速率大于吸气速率时，进气管内压力上升。进气门快速的 开启和关闭，就会在进气管中产生压力波动，随着进气调节系统的进气流量的增 大，这种压力波动现象越来越明显。 在节气门关闭( 怠速) 或小开度时，进气管内的真空度较大，在进气门开启 阶段，缸内压力超过进气管中的压力，就会造成明显的废气倒流；随着活塞的下 行，缸内压力急剧下降，进气管中的混合气流入气缸，由于进气门的吸气速率远 大于进气调节系统的进气速率，进气管内的压力急剧下降；随着进气门的关闭， 当进气门的吸气速率小于进气调节系统的进气速率时，进气管的压力开始缓慢回 复至进气门开启阶段的压力值。 随着节气门开度的增加，通过节气门处进气速率增加，进气管内压力回复至 环境压力速度更快，在进气门开启阶段的废气倒流就会减少。当节气门全开或接 近全开时，进气调节系统的进气速率和吸气速率大小相当，管内压力的变化主要 由进气门的开启和关闭引起，随着转速的增加，进气门的启闭频率变快，进气管 内的压力波动就会更加明显。 2 1 2 进气管内温度变化的分析 在发动机的一个工作循环中，由于进气调节系统进气速率和进气门的吸气速 率不同步，管内压力随曲轴转角而变化，为了解管内温度随曲轴转角的变化情况， 下面对节气门小开度和大开度下的管内温度进行分析。 l 、节气f - 1 + 开度情形 在节气i l d , 开度下，进气门的吸气速率比节气门及旁通机构的进气速率大的 多，进气管内的气体流动可以近似为两个热力学过程，一个是进气门开启阶段的 等容抽气过程；一个是进气门关闭阶段的等容充气过程【1 2 】，如图2 - 2 所示。 天津大学硕士学位论文第二章摩托车进气调节系统的理论研究 体积= 常数 抽气过程 气缸 充气过程 图2 - 2 小开度下进气管内气体流动的热力学过程 在抽气过程中，忽略进气系统的充气过程，管内气体的内能转化成焓流入气 缸，存在如下能量方程： ( q + q ) 毒g r o = q 宰c 互+ g c 。i ( 2 1 ) 式中，q ，q 1 进气管中残余的气量和流入气缸的气量 瓦进气管中初始温度 正，乏抽气结束时的进气管温度及流入气缸的气体温度 g ，c 。气体的定容热容和定压热容 假设当互= i ( 热平衡) ，r = 0 q l ，有进气管温度表达式： 互：盟磊 ( 2 j 2 ) 刁c + q 。 在上式中，分子明显小于分母，进气管温度在抽气过程中是下降的。对于理 想气体，当，7 = 1 时，抽气引起的温度下降值为： a t = r o 一乃木2 0 ( g + q ) = 写6 ( 2 3 ) 在充气过程中，气体的焓转换成内能进入封闭容积，即存在如下能量方程： ( q + q ) 木g 互= q 木g t o - 4 - 0 _ o e 乙 ( 2 4 ) 式中，q ，q 充气前进气管中的气量和充入的新鲜气量 互，充入气体后的进气管内的温度和环境温度 假设当，r o = r 。( 热平衡) ，r l = 9 0 _ o ，有进气管温度表达式： 互= 篇写 协5 ， 在上式中，分子明显大于分母，进气管温度在充气过程中是上升的。对于理 想气体，当r = 1 时，充气引起的温度上升值为丁= 五- r o ( c 矿+ e ) ( 2 c v ) = o 2 t o 。 2 节气门大开度情形 在节气门大开度情况下，节气门的节流作用很小，发动机吸气速率与节气门 及旁通机构的进气速率相近。在进气门开启时，进气管内的压力、温度基本为大 气压力和环境温度，在发动机的抽气过程中，进气管流出的气量能得到快速补充， 管内的温度压力改变很小。因此，利用稳定流动的能量方程对进气管内的温度进 行定性分析，图2 3 为进气管内气体状态的示意图。 天津大学硕士学位论文第二章摩托车进气调节系统的理论研究 环境温度瓦 内温度乏，流速甜2 图2 3 进气管内气体状态的示意图 在整个流动过程中，有能量方程： 。2 = 口；+ 生彳= + 生呸2 ( 2 6 ) 二二 其中，口当地音速，口= 抛丁m p 气体状态常数，k = c o g ，理想气体k = 1 4 r - 理想气体常数 由于在一个工作循环中环境温度矗基本不变，因此音速a 。为常量。由式( 2 6 ) 可知，进气管内气体流速越大，管内音速越低，温度也越低。在发动机的进气相 位内，进气管内气体流速比当地音速小得多，二次项就更小，故进气管中的音速 和环境音速差不多，即大节气门开度下进气管内温度与环境温度相差不大。 2 2 进气调节系统流量特性的分析 进气调节系统的流通量主要由节流元件的流通面积和其两端的压差决定，节 流元件两端压差越大，通过节流阀流体的速度越大，通过进气调节系统的空气流 量越大。依据流量测量的基本原理，采用进气调节系统的流通面积和其前后压差 作为一对参量测定进气调节系统的流量，即q 。= 口，p ) d 3 。 2 2 1 流量方程的基本形式 对于存在两个或多个元件同时进气的进气调节系统，他们的相互影响使实际 的流动情况很复杂，计算通过调节系统的空气流量时，可以将流动简化为由大流 通截面n d , 流通截面的节流流动，应用差压式节流流量计的基本方程来研究【1 4 】。 对于不可压缩流体，节流流动时的流量方程为： rr q m = 套兰彳么2 户尸 ( 2 - 7 ) 1 一m 式中，g 。质量流量 天津大学硕士学位论文第二章摩托车进气调节系统的理论研究 c 流出系数，为实验标定参数 4 进气调节系统总的流通面积 m 面积比( 总的流通面积席气门处进气管面积) p 来流密度 a 尸节流前后的压差 对于可压缩流体，可用膨胀系数蜀对式( 2 1 ) b n 以修正： g 朋= 每q 么2 p p l m 。一r 碑2 膳 1 - m 2 1 一e 纠膳1 1 2 ( 2 - 8 ) x 毛叫古f 1 磊2 n 2 1 kx 1 j 。 式中，k = c 。q 为定压热容和定容热容之比 p ，= p 2 p 。为节流后面的压力和前面的压力之比 当发动机处于高转速、小节气门开度时，最小流通面积处的空气流速可能达 到音速时，相应流量达到临界流量，此时流量只与流通面积有关，与节流前后压 差无关，有流量方程： ， 生! p q m = c a k l 2 ( 南) 2 。1 惫 亿9 ) 式中，昂来流的滞止压力 瓦来流的滞止温度 足气体常数 2 2 2 进气调节系统的流通面积 对于多个元件( 怠速旁通孔、怠速提高阀、节气f - j ) 同时进气的进气调节系 统，其总的流通量为各个元件流通量的和，其流通面积也可以简化成怠速旁通孔、 怠速提高阀和节气门流通面积的和，有如下关系： a = 4 + 彳2 + 4 ( 2 1 0 ) 式中，么总的流通面积 4 节气门的流通面积 以怠速旁通孔的流通面积 以怠速提高阀的流通面积 在进气调节系统中，一旦确定发动机的稳定怠速转速，也就确定了怠速调节 螺钉的位置，随着发动机工况的变化，怠速旁通孔的流通面积保持不变；怠速提 高阀流通面积不随发动机工况的变化而变化，且只在起动过程中开启；节气门的 天津大学硕士学位论文第二章摩托车进气调节系统的理论研究 流通面积比较复杂，它随着节气门开度的变化而变化，图2 4 为节气门板的几何 尺寸。 节气门关闭 1 上 i p i i 心 i ：砂- i i 。一 图2 4 节气门板的几何尺寸 nc o s 沙 上，一 c o s d 当节气门角度沙 v o 时，节气门处于关闭状态；当d 罴d 时，随着节 气门角缈的增加，流通面积保持定值；当节气门角 y a r c c o s ( d c o s i f o d ) ， 流通面积随转角妙的增加而增大。 节气门角度y 和节气门流通面积4 的关系可表示为【1 5 1 6 】： 4 = ( 沙) n - d z 4 ( 2 1 1 ) 式中，d 节气门处进气管的直径 4 节气门的流通面积 汐节气门角度 这里， l o 0 峪 l ( 1 - 型) + 与三( c o s 2l p - - a 2c o s 2 ) 抛一 肌) ： 黜砒0 8 誓 i黑s i n 一( 竺警) 一口( 1 - a 2 ) + s i n - 1 a y l c o s cos-vy 【l 一4 口万沙i 少9 0 。 其中，口节气门轴厚度和节气门处进气管直径之比，a = d d d 节气门板轴的厚度 甄节气门的初始角度，摩托车的节气门一般为l o 5 。 节气门进入全开的角度，奶= a r c c o s ( d c o s l f o d ) 天津大学硕士学位论文第二章摩托车进气调节系统的理论研究 图2 - 5 为c g l 2 5 摩托车节气门流通面积随节气门角度的变化关系4 = 厂( 少) 。 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0 节气门角度 图2 5 节气门流通面积随节气门开度的变化关系 2 3 进气调节系统的流动与边界模型分析 多年来，各国学者一直致力于研究采用空气动力学理论来模拟内燃机的气体 交换过程，这种气体流动本质上是属于可压缩粘性气体的三维非定常流动，但对 于进气系统，由于管子的轴向流动比径向流动大得多，故可以简化成一维非定常 流动【1 7 】，由于三维的非定常流动模型的计算量大，难以提供边界条件，目前应用 最广泛的仍是一维非定常流动模型。所谓的气体流动过程的数值模拟就是采用数 值方法求解质量、动量和能量守恒方型1 8 】【1 9 】【2 0 】。 2 3 1 一维非定常流动模型 2 1 1 2 2 1 1 2 3 2 4 1 在图2 - 6 的变断面非等熵的控制体积a b c d 中，假设流体流动是一维的，对 控制容积a b c d 推导出连续式、动量式和能量式，取流体流动的方向为正向。 0 o 0 0 0 o o 的 加 加 n。唇v器恒阁鳝较忙lj圹铲 天津大学硕士学位论文 第二章摩托车进气调节系统的理论研究 图2 - 6 变断面非等熵的控制体积 连续方程式( 质量守恒方程) ： 由于流出控制体积的净流量等于控制体积中质量减少的速率，可得到： ( p + 塞+ 罢炉+ 篆) 一缈一昙( 触) 化简可得连续方程式： 害+ p 罢+ “瓦a p + 了p u 面a f = 。 ( 2 - 1 2 ) 动量守恒方程式： 作用于控制面a b c d 的压强力和剪切力的和等于控制体积a b c d 内部动量 的变化率与流出控制面a b c d 的净动量流量的和，关系式为： 一昙c 四次+ p 等出一厂譬和墩= 昙e 删+ 丢( 脚2 ) 出 化简可得到动量守恒方程式： 丝+ “丝+ ! 垒+ g ：o ( 2 1 3 ) 0 t o x p o x 热何i u 2 丽u 石4 ，d = ( 厂摩擦系数 “川是为了保证摩擦力作用的方向和流体流动方向相反 能量守恒方程式： 容积a b c d 中，有传热速率减去对外做功等于内能随时间的变化率与滞止 焓净流出量的和，即有关系式： g 脚= 妄 c 删c 讣丢旧c 幻p 卜 化简可得到能量守恒方程： 天津大学硕士学位论文第二章摩托车进气调节系统的理论研究 ( 害扣塞) _ a 2 ( 害蝴警) 一( 肛1 ) 从g 栅g ) = 0 ( 2 _ 1 4 ) 式中，q 单位时间内每单位质量传递的热能 口为当地音速，对于理想气体有a 2 = 勋p 对于由方程( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 组成的偏微分方程组阁，我们可以采用 的特征线数值解法对其进行求解。下面主要介绍常用的特征线法及其在进气调节 系统边界中的应用。 2 3 2 特征线法四】 对于由( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 和( 2 - 1 4 ) 组成的偏微分方程组，需要得到以下形式 的解： a = a ( x ，f ) u = u ( x ，f ) 方程组的基本求解方法是将解的两个独立方程，即a = 口( x ，t ) 和u = u ( x ，t ) ， 转变为另一组方程c = c ( x ，f ) 和c = c ( “，a ) 。要找到c 、u 和a 之间的单值关系，以 使得由解c = c ( 五f ) 可得出在x 和t 处u 和a 的数值。如果能够建立这种关系，则 解c = c ( x ，f ) 将象征一个三维面。此解还可以用曲面表示，如图2 7 a ) 所示，以任 意取的边缘p q r s 为界，在这个解中，c 的数值由c = 0 的x _ t 平面上方曲面的高 度代表。这曲面投影到c = 0 的x - t 平面上是用点划线边缘p l q r s 表示。考虑在 p q r s 为边界的曲面上的a b 线，它投影在c = 0 的x _ t 平面上为a b 线。如果在 任何的x 、t 点，于c = 0 的x _ t 平面上的a b 线的斜率在数值上是那一点的c 值， 那么就定义a b 线为特征线。 在p q r s 为边界的曲面中，沿a b 线有一m 点，这点投影到c = 0 的) 【_ t 平 面上将位于a b 线的m 点，a b 线在耐点的斜率( d x a t ) 。如果a b + 是特征线， 那么i d 这点的斜率在数值上将等于高度姗t ，即( d x a t ) 。= m m 。或者，普遍来 说，在r t 平面上沿着特征线( d x d t ) c 船，= c ，即特征线的斜率的数值等于该点的 c 值，如图2 。7 b ) 所示。 天津大学硕士学位论文第二章摩托车进气调节系统的理论研究 时间t a ) 定义特征解的三维空间曲面b ) 特征线曲面上的线在c = o 平面上的投影 图2 7 特征线法的图解说明 现在来考察沿着特征线流体的性质a 和u 。因为在整个流动场中a 和u 是x 和t 的函数，于是沿着特征线存在有某些函数口= l a ( x ，f ) i 妇，“- - l u ( x ，f ) l 撕。 沿着一条特征线有： ( 如) 妇= ( 粤斫+ 祟出) “ 础) 咖= ( 娑沈+ 譬出) 姗 o t 0 那么沿着一条特征线的全微分是： ，妇、钿抛，出、 ( 瓦) 撕2 瓦+ 瓦( i ) 撕 ，幽、孔锄，出、 ( 瓦) 如2 瓦+ 瓦( 瓦) 如 即沿着特征线符合以下三个条件： c 撕= c ( 妾) 咖，：罢+ a a ( 2 - ( 2 - 1 5 ) 【i ) 撕2 瓦托瓦 ) ，出，现觑 ( 瓦) 却2 瓦托瓦 这些方程表示a 和u 随x 和t 的变化，是沿着叫特征线的特殊规定曲线的 变化。现在需要确定函数c = 啦，口) ，以沿特征线满足式( 2 1 5 ) ，也满足原偏 微分方程组，这些式子在全流场内部有效。 对于等熵流动过程，能量式( 2 - 1 4 ) 可化简为a 2 = a p d p ，对于理想气体有 a 2 = 印p ，取函数c 为c = u 口，结合式( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 5 ) 可分别得到方 向性条件和相容性方程： 一d x ：佗16)c ua 一= = 士 i z 天津大学硕士学位论文第二章摩托车进气调节系统的理论研究 一d a 一k - 1 一d u + 盟旦竺：0 ( 2 1 7 ) 一一+ 一= l z 出2 班2f 出 对于不等熵流动过程，还需引入速度特征线c = u ，结合方程式( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 可得到： 当取竺=c=“口(218) 害艘警一 一- ) p ( g + “万4 f i u 2 阳u ) j + 了a z p u i d f 等等茼= 。( 2 一9 ) 当取竺= c = “( 2 - 2 0 ) 去彳d 出, o 七_ 1 ) p 卜万4 f i u 2 砑u ) j 2 。 方程( 2 1 6 ) ( 2 1 8 ) ( 2 2 0 ) 称为方向条件或方程，给出x - t 平面内特征线的 斜率。方程( 2 1 7 ) ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 1 ) 表示沿着特征线a 和u 的关系，称为相容性 条件或方程。 虽然式( 2 1 7 ) ( 2 1 9 ) 和( 2 - 2 1 ) 是线性常微分方程，但除去某些特殊情形 外，不能直接积分得出用于不稳定流动一般问题的分析解。这是因为这些方程特 殊地用于沿特征线的解，而不能应用于一般流动域本身。实际上，可以在整个流 动域上形成特征线，但这仅仅能用图解法或数值解法来实现。特征线的产生取决 于边界条件，边界条件就是规定在一给定的x 点处a 和u 随时间t 的变化，或是 在一给定的时间t 下a 和u 随x 的变化。下面对摩托车进气调节系统中的重要边 界模型进行定义。 2 3 3 进气调节系统的边界模型 在发动机的进气调节系统中，存在一些突扩、突缩管路及强节流作用的装置， 管路中的气体状态在这些位置发生突变，为方便计算，把这些位置定义为进气调 节系统的边界。当管路结构不同时，边界前后气体状态具有明显的特点，根据边 界的特点定义三种边界模型：突扩模型、突缩模型和绝热压强损失模型【驯。 1 、绝热压强损失模型 当流体通过节气门、旁通阀或e g r 节流阀等位置时，由于管道截面积的突 变，在这些位置产生了压力波的反射，在阀门的下游和上游间产生一个总的压力 降。这些位置的节流作用越强，阀门上下游间的压力降越大。对于这种节流作用 大的装置，一般可以简单地用绝热压强损失模型进行数值计算。 1 下面定义压