（动力机械及工程专业论文）da465增压发动机模拟计算及性能预测.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 发动机采用涡轮增压技术可以增加比功率，降低比质量，提高经济性，改善 排放，减少噪声。因此，涡轮增压是发动机发展的重要方向之一。为了提高0 a 4 6 5 自然吸气式汽油机升功率，哈尔滨工程大学和东安发动机有限公司合作，在排量 不变的条件下，将d a 4 6 5 汽油机改装为增压机型。本文以发动机增压为核心，做 了以下研究工作： ( 1 ) 建立了d a 4 6 5 q 非增压发动机的计算模型，其中缸内采用零维模型， 进排气系统采用一维非定常流动模型。为了验证计算模型、程序和所选参数的正 确性，首先按外籽胜运行的八个工况点进行了模拟计算，并与试验数据进行了对 比，计算结果与试验数据吻合较好。在此基础上，建立了增压发动机计算模型。 ( 2 ) 通过模拟计算，对增压发动机性能进行预测，获得其主要性能参数的 变化规律，并给出了缸内爆压和最高温度等试验未能测得的数据，为增压汽油机 的改进设计和试验研究提供了理论依据和研究方向。基于标定工况，分别对不同 的压缩比、点火提前角计算，分析它们对发动机性能的影响，并提出相应建议。 ( 3 ) 通过分析采用原排气管增压发动机的排气压力波，发现排气存在干扰问 题。为此，重新设计了排气管，并进行整机工作过程模拟计算，结果表明，采用 新排气管的发动机有效的解决了排气干扰问题，并且在中低工况性能较好。 ( 4 ) 采用三维粘性数值模拟方法，对由总管、岐管和四个弯曲支管组成的发 动机排气管道内气体流场进行了模拟计算。结果显示支管排气对其他支管影响较 小，因而排气干扰问题得到了解决。本文计算结果清晰的表明了排气管道的结构 型线对流动的影响，为管道系统的设计、改进及优化提供了依据。 关键词：汽油机；增压；性能；计算；多维模型 a b s t r a c t a f t e rt u r b o c h a r g i n g ，t h ep o w e ri sa d d e d ，t h em a s sr a t i oi sr e d u c e d ， t h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yi sp r o m o t e d ，t h ee x h a u s ti si m p r o v e d ，a n dt h e n o i s ei sd e c r e a s e d t h u s ，a d o p t i n gt u r b oi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n t d e v e l o p m e n t sa w a yo ft h ee n g i n e t oi m p r o v et h e1it r ep o w e r ，t h en e r u r a l 1y a s p i r a t e dd a 4 6 5g a s o l i n ee n g i n e w a sr e d e s i g n e dt ob eat u r b o c h a r g e d g a s o l i n eo n e i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hw o r ko nt u r b o c h a r g e de n g i n ei s f 。l l w i n g ： b a s e do nt h et e s td a t u m ，ac a l c u l a t i n gm o d e lo fn a t u r a l l ya s p i r a te d e n g i n ed a 4 6 5 ，i ss e tu pi nt h i st h e s i s i t si n t a k ea n de x h a u s ts y s t e ma r e m o d e l e db yo n e d i m e n s i o n a lu n s t e a d yf l o w ，w h o s ep a r t i a ld i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sa r ed i s c r e t i z e db yf v m s i n g l e - w i e b ec u r v eh a sb e e nu s e dt o s i m u l a t et h eh e a tr e l e a s er e g u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h em o d e lo fn a t u r a l i y a s p i r a t e de n g i n e ，t h et u r b o c h a r g e dg a s o l i n ee n g i n ec a l c u l a t i n gm o d e li s f o u n d ac a l c u l a t i o nt ot h et u r b o c h a r g e dg a s o l i n ee n g i n eh a sb e e np e r f o r m e d a n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t st e n dt ob e i na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l o n e s t h e nt h et u r b o c h a r g e de n g i n es i m u l a t i o nm o d e li sf o u n d e do n t h e n a t u r a l l ya s p i r a t e do n e a f t e rc a l c u l a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h et u r b o c h a r g e de n g i n eis f o r e c a s t e d ，w h i c hg e tt h em a i np a r a m e t e r sc h a n g er u l eo ft h ee n g i n e ，a n d t h et i p t o pp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei nc y l i n d e ra r eg o t ，t h e n ，c a l c u l a t i o n a n da n a l y s iso ft h ec o m p r e s s i o nr a t i oa n dc o m b u s t i o na d v a n c e da n g l e p a r a m e t e r sh a v eb e e np e r f o r m e d ，a n dt h em a x i m u mp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e i nt h ee y l i n d e rd r a wf r o mt h ec a l c u l a t i o n t h u s ，s u p p l yt h et h e o r e t i cg i s t a n dr e s e a r c hd i r e c t i o nf o re n g i n ed e s i g na n dt e s tr e s e a r c h a f t e rt u r b o c h a r g i n g ，w ef i n dt h ei n t e r f e r e n c eo c c u r sd u r i n gt h e e x h a u s ts t a g e ，s ot h ew o r kg r o u pr e d e s i g n st h ee x h a u s tp i p es y s t e m s e e n f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h en e we x h a u s tp i p e ，t h en e we x h a u s ts y s t e m l i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h a sg e tr i do ft h ei n t e r f e r e n c ep r o b l e m ，a n da l s oh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e i nm i d d l ea n d l o ws p e e d i no r d e rt 。s t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e we x h a u s ts y s t e m ，s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n s ，w i t ht h r e e d i m e n s i o n a lc o m p r e s s i b l ev i s c o u st u r b u l e n t ： n u m e r i c a lm o d e l ，a r ea p p l l e dt of l o w si nt h ee x h a u s ts y s t e m ，i n c l u d i n gm a i n p i p e ，b r a n c ha n dm a n i f o l dp i p e s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ei n f h e n c eo f m a n i f o l de x h a u s t i n gg a st oo t h e rm a n i f o l d si sl i m i t t h er e s u l t sc l e a r l y s h o wt h ep i p es t r u c t u r ei n f l u e n c et ot h ef l o w s ，w h i c bc a nb eu s e da st h e b a s i so ft h ee x h a u s ts y s t e md e s i g na n do p t i m i z a t i o n k e yw o r d ：g a s o l i n ee n g i n e ：t u r b o c h a r g e d ：p e r f o r m a n c e c a l c u l a t i o n m u l t i d i m e n s i o n a lm o d e l 1 1 1 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：多口彩年月f 7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 小型轻量化是发动杌发展的新趋势。其含义是降低发动机的重量功 率比和排量功率比，而后者的倒数是一个众所周知的参数，即升功率。 升功率的提高有两种方式，即提高平均有效压力或提高标定转速。提高 标定转速，使发动机燃烧恶化，容积效率和机械效率急剧降低，并且受 发动机可靠性、工作寿命及振动等因素限制，该方式对提高升功率的作 用有限。相对提高标定转速来说，提高平均有效压力并不使发动机机械 负荷及热负荷成比例增加。因此，允许平均有效压力作大幅度提高，甚 至可成倍增长。增压技术是提高发动机平均有效压力的有效方式。根据 对欧洲2 9 0 种汽油车的调查，相同功率的发动机，增压发动机的排量可 以比自然吸气式发动机的排量减小1 8 至3 5 ，燃油经济性可以提高1 0 左右。车用发动机常用两种基本增压方式，即机械增压和涡轮增压。 由于机械增压由发动机曲轴驱动，消耗了发动机的指示功，而涡轮增压 由废气驱动涡轮，回收了一部分废气能量，再加上相对地减少了机械损 失及热损失，提高了发动机的机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后 功率明显提高。因此，涡轮增压逐渐成为车用内燃机领域主要的发展方 向之一。 废气涡轮增压技术广泛用于柴油机，并在轿车上得到了目益广泛的 应用。在工业发达国家，柴油机几乎全部实现了涡轮增压，车用柴油机 中也有7 0 以上采用了增压技术旺1 。在柴油机涡轮增压技术广泛应用的 同时，汽油机增压技术也在不断发展，这是因为汽油机增压具有诸多优 点： ( 1 ) 具有较大的体积比功率和重量比功率。对于给定的输出功率， 涡轮增压发动机的重量和体积均小于自然吸气式发动机。例如美国福特 公司的2 3 l 汽油机，增压后重量比功率由自然吸气的0 4 k w k g 增加到 0 5 k w k g ，最大功率由7 5 k 形4 8 0 0 r i n 上升到1 0 3 k w 5 5 0 0 r m i n ，升功 堕玺鎏：；堡查兰堡圭主篮篁蚤 。 一 率由3 2 8 k w l 增加到4 4 7 k w l 。增压能大幅度地提高汽油机的动力指 标，因此，可用较小排量的增压机型代替较大排量的非增压机型，借以 减轻发动机重量和缩小发动机体积，从而扩大汽车的载运空间和载运 量。 ( 2 ) 燃油经济性显著提高。增压后，由于混合气的强烈扰动，使油、 气混合得更加均匀，同时加快了燃烧速度，使工作过程更加完善；而且 增压内燃机的机械效率叩。较高，使得增压汽油机比非增压汽油机具有较 高的经济性。例如c a 1 0 b 型汽油机增压前的比油耗为3 4 7 9 k w h 增 压后3 0 7 9 k w h ，降低近l l 。 ( 3 ) 涡轮增压发动机对海拔高度的变化有较好的适应力。试验表明 。“，当海拔上升1 0 0 0 m 时，大气压力下降1 0 5 ，进气量减少1 0 9 ， 因此功率下降1 2 ，扭矩下降近1 1 ，比油耗增加8 9 。一般海拔3 0 0 0 4 0 0 0 m 的高原地区可以通过涡轮增压恢复原机的功率，故涡轮增压除 了用于提高发动机功率外，还可用于恢复高原发动机功率。 ( 4 ) 涡轮增压后排气污染相对减少。由于近年来对汽油机排放污染 方面的要求愈来愈严，改善排放指标成为突出的矛盾。对汽油机进行废 气涡轮增压并不能降低有害气体的排放量，但是目前采取的降低排放的 措施如废气再循环、减小点火提前角、在排气管上安装热反应器或触媒 催化反应器等都将使汽油机的功率和经济性降低，而用废气涡轮增压 后，可以恢复甚至提高这些指标。所以说，涡轮增压技术不能降低排放， 但低排放的汽油机却大都采用涡轮增压技术。以奥迪1 8 t 涡轮增压系 列为例，增压后排放达到欧i i i ，而其最大扭矩比排放为欧i i 的奥迪 1 8 l 扭矩增加了2 5 ，最大功率也增加了约2 0 ”3 。 1 2 汽油机增压技术的国内外发展状况 国外涡轮增压技术在发动机中的应用己有8 0 多年的发展历史，但 汽油机采用涡轮增压技术比柴油机晚得多。早在2 0 年代赛车就开始采 用机械增压，后来逐渐过渡到涡轮增压。尽管美国g m 公司早在1 9 6 2 年 就有增压汽油机问世，可是由于汽油机存在爆震和运行范围窄等难题， 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 使汽油机涡轮增压技术的应用受到了很大的限制。7 0 年代以来，世界上 许多大公司和研究机构开展了车用汽油机增压的研究工作，并取得了突 破性进展，使汽油机增压技术不仅仅局限于赛车和高原功率的恢复等特 殊领域。特别是随着排放法规日益严格，为满足排放的要求，不得不在 性能上做出妥协，发动机的功率下降，使涡轮增压技术得到更为广泛的 应用。如采用废气再循环( e g r ) 技术、三元催化装置后，满足了排放 法规的要求，但发动机的功率会下降2 0 左右，而采用涡轮增压可以弥 补这一损失“3 。采用e g r 和三元催化并增压的发动机和相同功率的非增 压发动机相比，增压汽油机的排放得到了改善”3 。正是由于汽油机增压 能大幅度提高发动机功率，同时有效改善油耗和排放指标，因此越来越 得到广泛的重视和运用。自8 0 年代中期，国外汽油机增压技术发展迅 猛，随着中冷器技术、多气门技术、复合增压技术、稀薄燃烧技术、可 变气门正时技术的发展、电子控制技术和增压技术在发动机上共同的应 用，使汽油机正日益获得新生。如日本三菱公司采用缸内直喷稀薄燃烧 技术、增压技术和复合动力系统将汽油发动机改进为低压缩高膨胀循 环，使汽油机的热效率大大提高，尾气排放也大大降低，甚至达到部分 零排放的要求。 尽管我国研究汽油机增压起步并不晚，早在6 0 年代国内就有不少 单位陆续开展了研究工作，并在c a 一1 0 b 和d g 2 6 11 0 0 一t 2 机型上取得成 功。8 0 年代末，清华、西安交大等几家高等院校和内燃机厂也相继对 4 9 2 q 汽油机进行增压研究，然而由于没有很好的解决发动机增压后爆 震和热负荷的难题，真正定型生产的还没有”3 。现已有引进产品陆续装 车使用，如一汽奥迪轿车和安徽奇瑞轿车的电喷废气涡轮增压汽油机 等，但从某种意义上而言，汽油机增压技术目前在我国还处于起步阶段。 然而随着引进车型增多，新技术的消化，和国际问的竞争合作，将会推 动我国汽油机增压技术的迅速发展”1 。 1 3 发动机工作过程的数值模拟 在上世纪6 0 年代中期以前，内燃机工作过程的计算基本上还是建 立在理论循环的基础上，对实际的工作过程作了很大的简化，因而计算 。堕玺鎏；2 ；耋盔翌i 圭耋笙笙銮。一。；。 较粗糙，计算结果的精确性在很大程度上依赖于经验数据的选取。直到 6 0 年代中期，由于电子计算机的迅速发展才有可能对内燃机的工作过程 进行接近实际的模拟计算，从而使内燃机的理论发展建立在一个新的基 础之上。目前，内燃机工作过程的数值模拟已成为研究和开发内燃机的 一种有效方法。 所谓内燃机工作过程数值计算，就是从内燃机各系统的物理模型出 发，用微分方程对各系统的实际工作过程进行数学描述，然后编制计算 程序，用计算机数值求解微分方程，以求得气缸内各参数随时问( 或曲 轴转角) 的变化规律。计算中考虑到气缸内的热力过程、传热过程、燃 气性质、气体流动、废气涡轮增压器的特性及其与发动机的匹配等问题， 所以计算结果比较符合实际情况。目前，工作过程数值模拟在以下几个 方面获得了实际应用： ( 1 ) 预测发动机的性能，进行多方案的比较，以获得最佳的设计 方案。性能预测的内容很多，如预测发动机的标定工况性能，部分工况 的运行特性，增压发动机的瞬态特性( 变负荷时的响应特性) ，大气状 况改变时发动机的性能，以及有害排放物( n o ，h c ，c o 等) 的预测等。 ( 2 ) 设计参数的优化：通过模拟计算可以研究各种结构参数( 如 压缩比、配气定时、排气管的尺寸布置和增压器的特性等) 、热力参数 ( 如增压压力、中冷器出口的空气温度和排气背压等) 以及运转参数( 如 发动机转速、负荷、冷却水温度和活塞冷却油温等) 对发动机性能的影 响，并通过优化寻求最佳值。 ( 3 ) 在发动机调试阶段，利用实际工作过程的数值模拟计算，可 以揭示实验中没有测量或不可测量的参数的大小，指明参数调整方向， 从而减少实验工作量，缩短调试周期。 随着计算机技术的发展，出现了众多发动机工作过程数值模拟的商 业软件，比如g t p o w e r 、b o o s t 、w a v e 等。这些商业软件的出现大大减 少了研究人员的工作量，避免了繁琐的编程，提高了工作过程数值模拟 的效率。 当然，数值模拟也不是万能的，内燃机数值模拟还在不断发展和完 4 堕玺堡；! ；堡查耋堡圭耋堡篁塞；。； 善中，计算的精确性还有赖于边界条件的恰当取定。而这些边界条件是 由试验获得的经验公式、统计数据和图表来确定的。因此，试验工作是 数值模拟的前提和基础，完全依靠计算也是不可取的。 1 3 1 缸内过程的数值模拟 发动机缸内工作过程极其复杂，是三维气流场、力度场和温度场等 场的叠加，如何描述发动机工作过程，是发动机研究的热点之一。 发动机的缸内工作过程主要是研究燃烧过程，考虑工程实际，燃烧 模拟常在简化的基础上进行。从简化程度来划分有：零维模型、准维模 型、一维模型和多维模型。零维模型又称为热力学模型，用于分析燃烧 室内宏观参数和现象随时间而变化的规律，该模型以时间作为唯一变 量，并假定系统边界内各点参量完全相同。由于零维模型的放热率来源 于实验结果，故在实验范围内，能较好地预测发动机的性能指标。这一 方法简单、省时，所以长期以来一直得以利用，但零维模型无法反映流 场、燃烧室形状对发动机性能的影响，对燃烧现象的实质不能提供更多 的信息，也不能预测排放，有很大的局限性”。，因而目前主要用于缸内 过程的计算。之后提出的准维模型是把燃烧室分划为几个区域，在不同 区域内考虑性质不同的物理过程，而每个区域内的物理参数是均匀的， 与空间坐标无关。其中的b k t 模型应用最为广泛”1 。一维燃烧模型可 以看作多维模型的一个特例，模型中的物理量是时间和某一坐标的函 数。最早的一维汽油机燃烧模型是s i r i g n a n o ”提出的，它采用了轴向 坐标方式，即以其缸轴心线为坐标轴。由于一维模型是介于准维和多维 模型之间的过渡形式，并且对实际工作的简化不尽合理，在发动机方面 的应用较少。7 0 年代初开始研究的多维燃烧模型，以基本的能量守恒、 质量守恒、动量守恒及气体状态方程入手，建立偏微分方程组，并通过 一定的离散化方法，把偏微分方程组离散为线性代数方程组进行求解。 离散方法大致有有限差分法、有限体积法、有限单元法、边界元法等。 随着人们对涡流混合、化学反应动力学、火焰形成及传播机理、传热等 相关领域研究的突破和加深，多维模拟将会更加趋于完善。 堕玺鎏：堡盔耋堡圭兰鲁笙苎 ， 考虑到零维燃烧模型不仅能定量地给出放热规律，用来直观地诊断 和评价燃烧过程，而且其构造的经验模型反映了进气参数、转速、负荷 等结构参数与放热率、示功图之间的关系，能满足研究工作的需要。因 而本文燃烧过程采用零维模型来模拟燃烧过程。 1 3 2 进排气管热力过程的数值模拟 进排气系统的设计直接影响到涡轮增压器废气能量的利用，它的流 动特性对发动机的整机性能有重要的影响。通过模拟计算可以了解进、 排气管内压力波的形态及压力波的传递情况，可以对排气能量的利用、 气缸扫气进行分析，并对排气系统的优化设计提出建议，是研究增压系 统对发动机性能影响的重要手段。由于进排气管系结构复杂，形状极其 不规则，因此物理模型的建立也有不同的形式。现有的模型主要有零维 模型、一维模型和多维模型，可根据研究工作的需要进行选择。 零维模型也称容积法”1 ( f i l l i n ga n de m p t y i n gm e t h o d ) ，在 所研究的容积内，忽略进排气系统中压力波的传播和反射，认为容积中 的状态参数是均匀的，只考虑状态随时间的变化。该模型的特点是计算 速度快，对整机性能参数预测较好，但对多缸高速发动机由于顺序发火 而引起的压力波动就不大适用。 一维模型“”1 考虑了沿管长方向压力波传递的时间影响，认为排气 管内压力波动不但随时间变化，而且在同一时刻，沿管长方向不同位置 处压力波动也不同。控制方程通常采用一阶拟线性双曲型偏微分方程， 从理论上来说更能体现管内气体流动的实际情况，因此成为目前进、排 气管系压力波模拟的主要手段。为了得到一阶拟线性双曲型偏微分控制 方程的数值解，首先要将偏微分方程离散成代数方程，主要有三种离散 方法：特征线法( c h a r a c t e r i s t i c sm e t h o d ) 、有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d ) 和有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) 。特征线 法“”“6 ”1 是早期应用较广泛也是较成功的方法。特征线法的基本思想 是利用流体力学方程组的特征线和特征关系的离散形式来计算不同簇 的特征线的交点位置及其上的物理状态，从而获得对物理量变化规律的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i _ - _ _ - - _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ 一i i _ _ 冒 认识。它的特点是对压力波的模拟较准确，但计算流量误差更大，一般 在3 5 “，特别在三通边界、收缩和扩张边界，由于存在非等熵流动， 流量计算误差较大。有限差分法是选择一定的差分格式，在时间域和空 间域上分别对偏微分方程进行离散，将偏微分方程化成差分方程进行数 值求解，它在收敛性、稳定性等理论研究方面比较完善，在计算稳定性 和计算精度之间存在矛盾，但计算速度和计算精度上一般优于特征线 法。原先用于多维流动计算的有限体积法”，在内燃机进排气系统 一维非定常流动数值计算中较常用。它的基本思路是将计算区域划分成 有限个体积，将控制方程在每个体积上逐一积分导出守恒型偏微分方 程。这种离散方法物理意义明确，理论上流量的计算误差可以避免，由 于它是对计算节点界面数值通量进行计算，从物理意义上保证了计算过 程中各物理量的守恒性，并且在边界条件的处理上较简单，尤其可方便 地用于带e g r 系统等有成分掺混的流动计算，因而得到了越来越广泛 的应用口“。从对控制方程的离散过程来看，特征线法在今后的发展中将 逐步被有限差分法和有限体积法所取代。有限差分法与有限体积法在压 力波模拟精度上差别不大”“，但有限体积法比有限差分法计算速度快“， 流量误差小，而且物理意义明确。对于处理内燃机进排气管系这类结构 复杂的管内流动，有限体积法在计算节点的安排和边界条件的处理上比 有限差分法简单。可以预见，有限体积法将逐步在内燃机进排气管系的 流动计算中占有越来越重要的地位。 随着计算机技术和数值方法的发展，出现了三维c f d 方法，尤其 是各种商业软件，如f l u e n t 、s t a r c d 、i c e m 、p h o e n i x 、a n s y s 的出现，特别是非结构化网格技术的发展，方便了进排气管的复杂内腔 的网格划分，使三维c f d 方法逐渐应用于发动机的进排气系统”。 进排气管内流动是复杂的湍流，其机理仍未完全清楚“，所以至今没有 一种湍流模型可以适用各种紊流情况。常用的湍流模型有 s p a l a r t a l l m a r a s 模型、标准盯- 占模型、雷诺压力模型、大涡模型等， 各模型有不同的特点，可根据实际的情况选择合适的模型。 堕堡鎏j ：堡盔耋堡圭耋垡鲨銮 。，。 1 4 本文的主要内容 1 4 1 研究对象 d a 4 6 5 汽油机主要配套于哈飞赛马、哈飞中意、汉江赛福、海象、 昌河汽车等车型上。为了提高d a 4 6 5 自然吸气式汽油机升功率，哈尔滨 工程大学和东安发动机有限公司合作，在排量不变的条件下，将d a 4 6 5 汽油机改装为增压机型。表1 - 1 是该机型的主要性能指标及结构参数。 表1 1d a 4 6 5 汽油机的主要性能指标及结构参数 参数名称 参数描述 额定功率 3 3 5 千b ( 4 5 马力) 5 0 0 0 转分 最大扭矩7 2 牛米( 7 3 公斤米) 循环特点四冲程 气缸数目 4 最低耗油率2 9 9 2 克千瓦，j 、时 气缸直径 6 5 5 m m 活塞行程 7 2 m m 连杆曲柄比 3 6 气缸总排量 9 7 0 m l 压缩比 8 8 配气相位进气阀开：上止点前1 4 。c a ； 进气阀闭：下止点后5 0 。c a ； 排气阀开：下止点前5 2 。c a ； 排气阀闭：上止点后1 2 。c a ； 气门重叠度：2 6 。c a 净重 1 2 7 8 公斤( 含离合器和变速器) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本文的研究工作是针对东安有限公司正在研发的d a 4 6 5 增压汽油机 进行的。该增压发动机由四冲程非增压汽油机改装而来，主要改进设计 的地方有：为降低热负荷增加了空冷器、机油冷却器，活塞顶部加了特 殊防热涂层，连杆开了机油孔；为防止窜气，曲轴箱加了个通风阀；为 减少爆震，压缩比改为8 0 ；增加了涡轮增压嚣。 1 4 2 发动机试验台架及组成 典型发动机试验台架的组成及布置如图1 1 所示。它主要包括试验 台架、辅助系统和各种测量仪器及操纵台等。试验台架是将待测发动机 与测功器用联轴节连接，并用铸铁支架和底板固定。台架同时配有可调 节水量的冷却系统和风扇来保持发动机工作时冷却水和机油温度恒定， 燃油通过带有油量测量装置的专用油箱供给。为了研究原发动机改为增 压后的性能及其运转状况，哈尔滨工程大学和东安发动机有限公司联合 建立了发动机试验台架。图1 2 为本课题所用发动机台架。 自 垫层 图1 1 发动机试验台架简图 9 。；呈玺鎏三翟盔耋堡圭耋笪鎏銮 图i ，2 发动机试验台架 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i _ _ _ _ _ _ _ i i i i 1 4 3 研究内容 ( 1 ) 采用零维模型建立缸内工作过程的数学模型；采用一维非定常 流动模型建立排气管系中的气体流动模型；根据废气涡轮增压器的平衡 条件，建立废气涡轮增压器的数学模型；采用简化方法建立中冷器数学 模型。 ( 2 ) 在g t p o w e r 软件平台上建立d a 4 6 5 汽油机工作过程的仿真模 型，对该机按外特性运行的工况点进行了计算，并与实验值进行对照比 较，为增压汽油机的仿真模型奠定了基础。 ( 3 ) 进行发动机增压外特性性能试验。以试验数据为基础建立增压 汽油机的仿真模型，并对该机按外特性运行的工况点进行了计算，计算 结果给出了该汽油机增压前后主要性能参数的变化。在仿真计算的基础 上，对压缩比和点火提前角等参数进行了优化。 ( 4 ) 对采用原排气管的发动机的排气压力波进行计算分析 ( 5 ) 在上述工作的基础上，对该机的排气系统用c a d 软件进行三维 建模；根据所建立的排气系统的几何模型，用g a m b i t 软件对该模型进 行网格划分，并设定边界条件；根据增压发动机仿真模型计算的结果， 用c f d 软件对该汽油机排气系统在额定工况下的稳态流场进行了计算和 分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章增压汽油机的计算模型 2 1 仿真模型概述 本文采用模块化建模的方法，对涡轮增压汽油机进行系统建模。以 质量流动为中枢，如图2 1 所示，分别建立了由空气滤清器、压气机、 空冷器、稳压室、进气支管和进气阀等组成的进气子系统；由排气阀、 排气支管，排气总管和涡轮等组成的排气子系统；而气缸和曲轴分别单 独作为一子系统。 空气滤清器 图2 1增压汽油机模块的划分 2 2 缸内热力过程数值计算 汽油机气缸中的工作过程是相当复杂的，是包含有机械、物理、化 学、传热、传质等的综合过程。为了描述方便，常把活塞顶、气缸盖、 及气缸套诸壁面之间的空间作为一个热力系统。本文缸内过程采用零维 模型，即假设场函数和空间无关，并作了如下简化假设： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 气缸内的状态是均匀的，也就是不考虑缸内各点的压力、温度 和浓度的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空气与缸内的残余废 气实现瞬时的完全混合； ( 2 ) 工质为理想气体，其比热、绝热指数为温度和气体成分的函数： ( 3 ) 微小的时间问隔( 时间步长) 内气体流动为稳定流动，气体流 入和流出气缸为准稳定流动； ( 4 ) 进、出口的动能忽略不计。 2 2 1 缸内基本微分方程 汽油机零维燃烧模型的基本微分方程包括：能量守恒方程、质量守 恒方程和状态方程。考虑到汽油机工作过程的特点，这些微分方程分别 表达为： 能量守恒方程：了d ( m u ) ：孥+ 绣冬+ 吃拿+ 孥+ p 嬖 ( 2 - 1 ) d pc l ( pd pa ( pd pd 妒 将式( 2 1 ) 推导整理后得： 坚=去鲁+等+p普+面dm,dqa m c ( 嚏叫+ 等( 吃训】( 2 _ 2 ) d 妒d p 1 d pd 妒、5 d p 、2 “ 质量守恒方程： d m d m 。d m , 十十一 d 口d f ad f a 理想气体状态方程：p v = 聊r 丁 式中： m 一气缸内工质质量，k g ： 州。一流入气缸的质量，k g ： 巩一流出气缸的质量，k g ； 酝一燃料在气缸内燃烧放出的热量，k j ： 绋一通过气缸诸壁面传入或传出的热，k j p 一气缸内工质压力，m p a , 矿一气缸工作容积，m 3 ； r 一气缸内工质温度，k ； 见一进气门处工质的比焓，k j k g ； ( 2 3 ) ( 2 4 ) 哈尔滨：e 程大学硕士学位论文 h一排气门处工质的比焓，o k j k g ； u 一工质的比内能，k j k g ； c 。一定容过程比热容，j k g t k ； r 一气体常数，j k g - k 。 上述各式中，规定进入气缸的质量、热量和功为正值，反之，从气 缸排出的为负值。 2 2 2 燃烧放热率计算 汽油机的零维模型中，通常采用韦伯函数模拟燃烧放热率，燃料燃 烧百分数以为： 瓦：1 - e x p 一r ( 尘堕) 】 ( 2 - 5 ) 伤 则随曲轴转角变化的燃烧放热率： 等“( 删c 气e x 州”1 】 e ， 式中：以一某一瞬时缸内所含有的燃烧产物所相当的燃油量占每缸每 循环的喷油量的份数； 一燃烧起始角，。c a ： p ，一燃烧持续角，。c a ： k 一韦伯燃烧效率因素，k = 6 9 0 8 ； 妒一某一瞬时曲轴转角，。c a ； m 一燃烧品质指数。 对汽油机，如果没有实测值，m 、纪的选取可参考表2 1 、2 - 2 、 2 - 3 2 8 ： 表2 一l2 气门普通燃烧汽油机 工况燃烧持续期燃烧品质数 l5 0 0 r m i n 6 0 度曲轴转角 2 3 5 0 0 0 r m i n 6 5 度曲轴转角 1 9 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 - 24 气门普通燃烧汽油机 工况燃烧持续期燃烧品质数 15 0 0 r r a i n 5 0 度曲轴转角 2 5 5 0 0 0 r m i n 5 5 度曲轴转角 2 1 表2 - 3 快速燃烧汽油机 工况燃烧持续期燃烧品质数 15 0 0 r m i n 4 5 度曲轴转角 2 6 5 0 0 0 1 i m i n 5 0 度曲轴转角 2 6 2 2 3 传热计算 汽油机气缸周壁，包括气缸盖燃烧室表面、活塞项及气缸套表面。 它们是通过冷却水及润滑油( 油冷活塞) 进行冷却。工质从进入气缸到 排出缸外的这段期间内与气缸周壁进行热量传递。根据工质与气缸周壁 的瞬时平均换热系数吼和壁面的平均温度瓦，可以计算出气缸同周壁的 换热量g ，则单位曲轴转角的换热量可以写成”： 百d q w = 百1 善3 爿。( r 一瓦，) ( 2 式中：n 一发动机转速，r m i no 口。一瞬时平均换热系数，k j ( m 2 - s k ) ： a 一换热面积，m 2 ： r 一缸内工质的瞬时温度，k ； 瓦一壁面的平均温度，k ； i = 1 一气缸盖； i = 2 一气缸套； i = 3 一活塞。 对于瞬时换热系数吼的计算采用w o s c h n i 的修正公式： = 8 2 “2 p o s t - o 5 3 = 8 2 0 d p t 卜c m + c 2 爱( 皿p 。) j c2 - 8 ) h -熹p 一。) l ( 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中：d 一气缸直径，m ： 尸一瞬时缸内压力，m p a ； r 一瞬时缸内温度，k ； 一活塞平均速度，m s ； p a 、o 一压缩始点时气缸内工质的压力( m p a ) 、温度( k ) 、 气缸容积( i n 3 ) ： g 一气体速度系数： c 1 = 6 1 8 + o 4 1 7 玉( 进、排气阶段) c q = 2 2 8 - t - o 3 0 8 量( 压缩、膨胀阶段) 其中：三l 一进气涡流比； 毛一稳流吹风试验时，风速计叶片的切向速度，m s ： c 一燃烧室形状系数，c 2 = 3 2 4 1 0 ： e 、k 、互一压缩始点时缸内工质的压力、气缸容积、温度； k 一气缸工作客积，m 3 ； p 。一汽油机倒拖时的气缸压力，m p a 。 汽油机迸气道、排气道中的换热系数可按z a p f 公式计算： 进链a 。= 0 0 0 2 1 5 c 1 - 0 7 6 5 鲁彬8 筹 。， 肌道：a g e = 0 0 0 1 7 9 c 1 - 0 7 9 7 和5 筹( 2 - 1 0 ) 式中： 、k 一进、排气阀的升程，m ； 吐、以一迸、排气阀阀座内径，m ； d 。、叱一进、排气道的平均直径，m ； 、一通过进、排气道的质量流量，k g s 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3 变工况时的燃烧放热率计算 应用韦伯函数式( 2 - 6 ) 模拟汽油机燃料燃烧百分数时，主要取决 于燃烧起始角、燃烧持续角妒，和燃烧品质系数研，当这三个参数确定 以后，韦伯函数也就确定了。在进行汽油机变工况计算时，由于、仡 和m 值将随发动机工况而变化，故此，先需对某一基准工况( 例如标定 工况) 通过试验验证燃烧放热率来得到准确的妒。、p ，。和值，然后从 基准工况出发，求出其它任意工况时、和加值，从而可以进行变 工况的性能预测。c s a l lr l e r 根据试验研究结果，提出关于韦柏函数的修 正算法，用于汽油机变工况计算o 。这种算法的要点是从基准工况出发， 引入三个影响因子对基准工况的燃烧参数进行修正，从而得到其他任意 工况的燃烧参数。这三个影响因子是： 着火延迟影响因子 燃烧持续影响因子 燃烧品质指数影响因子： ，：尘丝 。 g ：堕 纯。 厅：旦 册0 c s a l i n e r 根据试验结果整理出的各影响因子计算公式为 ( 1 ) 过量空气系数口的影响： ( 2 ) 点火时刻的影响 ( 2 一1 1 ) 竺笛互一2 一； 筹糍 羞一 二一 。一王 笨象 丝鼍型瑶。 哈尔滨= ：程大学硕士学位论文 字g1 1 产最 印= =j ( 2 一1 2 ) ( 3 ) 计算始点温度的影响： 以d a 4 6 5 发动机上止点前3 1 0 。c a ( 进气阀关) 作为计算始点，并以 下标“3 1 0 ”表示，则： f r = 2 1 6 t 。 3 1 。一1 1 6 驴s 等- o s s = 1 ( 4 ) 计算始点压力的影响： 厶= 。0 ” ，、_ 0 2 8 矿l 急j h p = 1 ( 5 ) 残余废气含量x 的影响： ( 6 ) 转速聆的影响 六= o 0 8 8 三+ o 9 1 2 而 g ，= o 2 3 7 三+ 0 7 3 6 吃= 1 1 8 ( 2 一1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 六= 1 + 4 0 0 ，z 8 l o ，2 。 l + 竺一坠坚 胛i 1 3 3 6 6 0 n 口= ：一 6 ”1 3 3 6 6 0 n o = 祟 将各影响因子连乘，记为： 暇确= j ， z p t ，。 。 h 1 ( 蜀) = 岛g 印g r g p g ：g 。 1 - i ( h , ) = h o 。吆h p 吃吃 ( 2 一1 6 ) ( 2 一1 7 ) 变工况时，燃烧参数值修正计算公式： = o + 妒易一妒印o + 仍o 【n ( z ) 一l 】 ( 2 - 1 8 ) 仡= 仡o 兀( ) ( 2 1 9 ) m = m o 丌( 扛) ( 2 - 2 0 ) 以上各式中，右下标“o ”表示基准工况( 标定工况) 的参数。 2 3 进排气管热力过程计算 发动机的工作过程是间歇而周期性进行的，因而在进排气系统中， 气体的流动是非定常的，但早期的工作过程计算，为了简化计算，常将 进排气管内的流动过程仅看成是单纯的充满一排空过程，不考虑压力波 在管内的传播，不考虑工质状态随位置不同的变化。事实上，在发动机 缸内与进排气管道进行工质更换阶段，进排气管系内的气体流动是十分 复杂的，具有典型的非定常流动的特征。这种非定常流动往往导致管内 和气阀处十分强烈的压力波动，进而影响与之相连的气缸和增压器内的 热力过程，对缸内换气质量和与增压器匹配的性能产生较大的影响。 在实际的进排气管道内，由于管壁的摩擦、工质的粘性以及管道截 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 面的变化都会造成明显的三维非定常流动。但由于建立三维模型的复杂， 且需要较长的计算时间，另外再考虑到管道的轴向几何尺寸相对其径向 尺寸大得多，轴向流动效应比径向流动效应明显，因此略去了径向流动 的效应，而把进排气管道内的流动简化为一维非定常流动。目前，国内 外对发动机进行工作过程计算时，对进排气管道的流动大多采用一维非 定常流动模型。 2 3 1 一维非定常流动模型的建立 在建立进、排气管道内一维非定常流动的模型时，作如下假定： ( 1 ) 管道轴向几何尺寸比起管道径向尺寸大得多，管道内轴向流动比 径向流动效应大得多。因此，略去径向流动效应，认为管道内的流动是 维的，对于每一个流动参数，均理解为是流动参量在相应管道截面上 的平均值：