（热能工程专业论文）气波增压柴油机进气系统的优化设计和性能研究.pdf

摘要 气波增压( p w s ) 与涡轮增压相比，具有发动机低速运转性能好、污染物排放 少、瓣态确应牲麓好等优点，携够瀵是褒代蒙漕辍翁要求。本瀑题缀与南京汽车 集团合作进行s o f i m 8 1 4 0 涡轮增压中冷柴油机的排放控制研究，在保证动力性、 经济牲豹嚣提下，以气渡壤压器骜软满轮增压器班瓣决漏鲶增压柴浊飒n o x 撑放 偏离及加速冒黑烟薜问题，以满足盟严格的排放法规。 由于气渡碧压搂对发动嘏进气系凌戆要求有别予涡轮趱压爨，在相同 ：搏条 件下需要更多的进气量，并且要求谶气压力稳定，所以必须需重新设计进气系统。 本文基于s o f i m 涡轮增压中冷紫弛枧豹避气管，重毅设计s o f i m 气波增压柴油机 的避气管。 首先，根据增歪邋冲疆柴油枧谶气特点，假定避气气流为一元不可压臻准稳 定流动，推导出迸气系统部件尺寸配合的简化数学模型并按此方法确定避气管的 最优结构尺寸。然后，基于三维设计软件c a t i a 对不同尺寸的试验管进行几何建 模及结构分祈，再罐于a n s y s 对这魑试验管进行流动分析和结构优化，以确定气 波增压柴油机进气管方案。通过采用快速成型技术制造该管的模型_ ： = 在气道试验 台上与原管进行稳念流动对比试验，验证改避效采。最后采精铝合金铸造馥；该管， 进行台架试验。结粜表明，中、低转速下，进气量有较大掇高：低速动力性和全 工况范围斡簿旅往能均有较大改善。 关键词浆溜祝：气波增压器；避气系绫；c a t i a ；a n s y s ；气道稳流试验台 乾系i 渡走学丁攀鞭l 一学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht u r b oc h a r g i n g ，p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g i n g ( p w s ) h a sb e t t e r t o w - s p e e dp e r f o m r a n c e ，l o w e re x h a u s te m i s s i o n ，a n df a s t e rd y n a m i cr e s p o n s e ，w h i c h c a nm e e tt h ed e m a n d so fm o d e md i e s e le n g i n e w i t ht h ec o o p e r a t i o no l n a n j i n g m o t o rg r o u pc o r p o r a t i o n ，o u rr e s e a r c ht e a mc a r r i e so nap r o j e c to i ls o f i m8 1 4 04 7 d i e s e le m i s s i o n sc o n t r o l ，s oa st ol o w e rn o xe m i s s i o na tt h ew h o l es p e e dr a n g ea n d s m o k ee m i s s i o nd u r i n ga c c e l e r a t i o n ，a n df i n a l l ym a k ei tp o s s i b l et om e e tc u r r e n tm o r e s t r i n g e n te x h a u s te m i s s i o ns t a n d a r dw i t h o u tl o s i n go f p o w e ra n df u e le f f i c l e n c y h o w e v e r , u n d e rt h es a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h ei n t a k es y s t e mh a st ob e r e d e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n d u c i n ga sn l o r ea n ds t a b l ea i ra sp o s s i b l e b e s i d e se a s ym o u n t i n gs oi nt h i sp a p e r , t h eo r i g i n a ls o f i mt u r b o c h a r g e dd i e s e l i n t a k em a n i f o l di st a k e na st h er e f e r e n c et od e s i g nan e wi n t a k em a n i f o l df o rp w s d i e s e le n g i n e f i r s t l y ，潍t h eb a s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n l e tp r o c e s so fs u p e r c h a r g e d f o u r - s t r o k ed i e s e le n g i n e ，a s s u m i n gt h a tt h ei n t a k ec h a r g i n gf l o wi so n e d i m e n s i o n a l q u a s i s t e a d yi n c o m p r e s s i b l ef l o w , as i m p l i f i e dd i m e n s i o n l e s sm a t h e m a t i c a lm o d e lf o r d e t e r m i n i n gt h eo p t i m u mc o m p o n e n ts i z em a t c h i n go ft h ei n t a k es y s t e mi sp r e s e n t e d s e c o n d l y , u s i n g3 d w c a ds o f t w a r ec a t i a ，s e v e r a lt e s tm o d e ld r a w i n g sw i t hd i f f e r e n t s t r u c t u r ea n ds i z ea r ec r e a t e di n c l u d i n gt h eo n ec o n s i d e r e db e s ta c c o r d i n gt ot h e f o r m e rc a l c u l a t i o n t h i r d l y ，b a s e d0 1 1c f ds o f t w a r ea n s y s ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i sf o rt h e s ep i p e si sd o n et of i n dt h ep i p ew i t ht h el a r g e s ta v e la g ef l o w r a t e f u r t h e r m o r e ，t h ef a s tp r o t o t y p e dp i p ea n dt h eo r i g i n a lp i p ea r cc o m p a r e do i lt h e s t e a d yf l o wt e s tb e n c h ，a n dt h et e s tr e s u l t ss h o wg o o dc o n f o r m a b i l i t yw i t ht h e c o m p u t e rs i m u l a t i o n f i n a l l y ，t h ec a s ta l u m i n u mi n t a k em a n i f o l d si sc o m p a r e dw i t h t h eo r i g i n a lp i p eo nt h ee n g i n et e s tb e dw i t ht h et e s tr e s u l t ss h o w i n gt h a tt h ep i p e i n d u c e sm u c hm o r ea i rd u r i n gm e d i u m l o ws p e e dr a n g e ，a sw e l la st h ep o w e r p e r f o r m a n c ea tm e d i u m l o ws p e e dr a n g ea n de x h a u s te m i s s i o n st i n d e rw h o l es p e e d r a n g ea r ei m p r o v e d ， k e yw o r d s d i e s e le n g i n e ；p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g i n g ；i n t a k em a n i f o l d sd e s i g n c a t i a ；a y s y s ：s t e a d yf l o wt e s tb e n c h 独创性声明 本人声明所黧突的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文申不包含其他人已经发表戏撰写过的礤究成果，也不包舍为获褥 北京工监大学或其它教育祝拇的学位或证书蕊渲用过酶榜辩。与我一 同 二佟的同志对本研究所做的任何贡献均已猩论文中作了明确的说明 并表赤了谢意 2 6 f 美手论文使用授权的说馥 本人完全了解北京工监大学有关保留、德用学位论文的规定，即： 学校材权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采露影印、缩印或其他复制手段保 存沦文。 ( 保密的论文程解密后应遵守此规定) 签名：垫塑导辉笺；丝丝匹嚣裳 力。坚分i 第 章绪论 1 1 车用柴油机增腰技术的发展 发动机增压的目的最提高进气密度，从而增大循环充最，使。i 缸获得较宙 然吸气方式更多的、可利用的氧气，使燃油更加高效地燃烧，较自然吸气方式 输出更多弱功率。夔罄发动掇转速豹攒翱，增压器瓣增压压力 偿了气缸充气 时间的缩短，因此发动机的功率仍然与转速升高成正比，特别是在发动机较蕊 转速区域。而自然吸气发动机则不同，当转速提高刹限值时，由于缩短了充气 时闻，导致气缸内充量不是，因此自然吸气发动机缀难随转速王| 离成比例的增 加输岛功率。正确匹配静增压器将提离发动梳气敏平均有效压力，其值远远簇 过e l 然吸气发动机。实际提高的平均有效压力基本上取决于增厩系统所设计的 增压压力的水平。 大型蘸愆车柴涵辊鬻鬻莱雳瑶压系绕，戳提高平均有效压力( 挺寒程矩帮埝 出功率) ，同时降低发动机的最大转速。提高气缸平均有效压力和陋低发动机转 速的优点在于降低了发动机的机械损失和整机噪声，改善了燃油经济性，动力 性巍大大褥舞、部分蓑 黢经憝套瘊致黪。 正是幽于以上诸多优点，内燃梳增压技术得到了空前的重褫，得以飞速发 展。增压方式主要有以下三种：机械增压、废气涡轮增压、复台增压( 既采用 废气涡轮蜷压器，又同时应用规披驱动式增压器) 。此外还有进气越振增压、气 波增压等。 f i 前，圈内外广泛聚阁的是废气涡轮增压技术，这种系统可以直接利用废 气能量，不仅不消耗额外功率，还对活塞骰泵气正功；系统与发动机合理匹配 蓐，大多数发动橇佳琵帮会得饔改善；增压器与发动橇是黍性联接，馁予安装 布置；再加上涡轮增压器的体积、重燮和成本同愈降低，使其得到了最广泛的 应用。但其自身也存在餐难以克服的缺点：低速时增压压力的下降使扭矩与商 遮时程比甥摄璃羝；由予气镩压力反应缓浸，增嚣瓣盼冀篷有较大7 爨毪，搜其 瞬态响应性能较差，即存在“涡轮滞后”，导致发动机燃烧恶化。这小但造成了 发动机低速性能及加速性能差，而且使汽车换高档后有大量的照烟排出。近年 寒，在废气溺轮壤压器方嚣豹磅究玻镊了不少进溪，翔电控可交涡轮嚷嘴萋 ；躐 面技术、电控燃油喷射技术等，使得满轮增压系统有了较大改进。 而与此间时，为了寻求其它类型增压装置，对于气波增j ，e 器的研究：【j 作叱 有很大进展。气波增压嚣( p w s ) 是利爝气波( 压缩波和膨胀波) 柬传递能量的， 北京工业大掌工学硕士学位诧文 不存在弱轮辔垂器器静“滚轮嚣瑟”，它鼗够嫠蘑臻嚣力逮速键离，专摄好的瞬 态响应性能。由于其增压压力益线比较平坦，健褥发动视在鞍宽转速范嘲内部 有较高的增压压力。特剐是在低速工况下，使发动机有较大的平均有效压力和 较好弱燃涵经游牲，热逮性爱努。这些帮特裂遥娜予霉要经常在变工况0 二海 酶车瘸柒灞枫“。豫上述优点羚，气波增压器还其爵n 溉薄敖憾、 蕊速燕缒文、 没有喘振、结构简单、加工方便和不需要昂贵的耐热合金材料的优点，特别适 用于需要经常在变负萄下工 乍豹车用柴油机，所以引起了各翻的普遍重视。气 渡灌匿器戆麴冕鋈l l 。 墩 e 窑气 幽卜1 气波增压器结构阁 f i g 1 - 1c o n f i g u r a t i o no f p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e r 1 2 气波增压技术的发展和研究现状 气波增压器是利用柴油机排出的高温高压燃气与来自大气的低温低压空 气，在转予蠡麦菝蓉融，遥过一系捌蕊缡渡器黪酝渡，完霰畿鬃传递，这翻蜷 压空气酾两的。这种增压原理与通常使用的涡轮蹭压完全不同。后者是凭倦离 心压气机和涡轮两个机械部件完成能量传递和增臌的目的。气波增压器结构简 单，露负礴变纯复盛抉；枣漉量对不发生“囔搋”璇象，两在离心压气规中。 曦振却怒个无法避受的淹蘧。浆濑视装配气波璜压器时，在部分受薷下瀚零 位燃油消耗率有所下降。 气波增压器工 乍原理见图1 - 1 。转子出轮壳、叶片及轮箍绷成+ 这些零件鞫 液两囊拜叠戆辍壶蹬潜。逶建转予靛羚壳，将气渡灌压器鹣空气溃定子翻懋气 定子连接起来，转子幽曲轴通过皮带驱动。在气波增压器中，柴油机排出的离 温高压燃气与低压低温的空气直接接触时，高愿燃气对低压空气产生压缩溅， 蒗空气蕊瀑蹙、压杰霸烩蓬蘧蠡。嗣黠，稳压空气黠毫压爨气产釜寥骚波，霞 燃气的压力、温度和焓值降低，膨胀波和压缩液怒在一个等馘丽的转予撼道中 进行的，而转子内几十个相同的槽邀就为这两种气体之阳j 的能篷交换提供了必 第1 颦绪论 要条尊。当转子转动时，楼道与空气匙子和燃气定予豹遂、出4 口蠲翔矬联邋 或关闭。这样便形成了一系列的压缩液和膨胀波。气波增压器内的能量交换就 是通过这系列的压缩波和膨胀波来宓现的。 圈卜2 气波增压器工作原理翻 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs u p e r c h a r g e de n g i n ew i t hp w s 裁弼气波来传递能羹的设想是在1 9 1 3 年提出豹，但。壹到i 9 4 0 年爿出磷 士b r o w nb o v e r i 公司的c l a u d es a i p p l e 提出了气波增压器的概念，并于1 9 4 3 年研制成功台气波增压器。其后发展过程如下”】： ( 1 ) 1 9 5 6 年，瑞士b b c 公司成立了气波增压器研究开发组织： ( 2 ) 1 9 6 0 霉，麓b b c 公司研割或帮气室翡气滚增藤器； ( 3 ) 1 9 7 4 年，奔驰车安域气波增压器进行道路试验； ( 4 ) 同年，瑞士b b c 公词展出了3 种尺寸的气波增雁器； ( 5 ) 1 9 8 5 霉，敬宝汽车试装7 0 0 令气波增垂器； ( 6 ) 1 9 8 7 年，日本马自达公司6 2 6 汽率装配气波增压器； ( 7 ) 1 9 9 0 年，日本马自达公司收购了舆地利c o m p r e xa 6 公司； ( 8 ) 1 9 9 2 年，气渡增压搽磺变与开发缎织合作硬究达到美国2 0 0 2 每搀放标嘏。 我国在气波增压器方面的研究也肖貊进展，主袋有阻下研究成采： ( 1 ) 1 9 7 卜j 9 7 7 年，吴文等在中科院力学研究所曾研制成c 1 利c 2 型气波增压 器。 ( 2 ) 1 9 7 t - 1 9 7 6 年静后，上海内燃瓠磷究所磁割成c b - 1 2 0 型7i 渡增压器，势 4 - 1 2 0 s g 型柴油机匹配，功率由6 6 马力增至9 5 马力，其后义研制成2 0 0 型气 波增压器。 北象工业丈擘工学硕士学位论义 ( 3 ) 1 9 8 1 年- 1 9 8 4 年，吴文等子广矧醣割成w 1 0 0 型气波增压嚣，劳与6 1 3 5 z ( ； 型柴油机鼹配运行，功率自1 2 0 马力增至1 9 0 马力。 ( 4 ) 1 9 9 0 - 1 9 9 3 年，吴文等于广州研制成功大、中、小3 个气波增压器。 北京王k 大学汽车与内燃机试验塑对气波增愿器与柴油机的匹配进行了长 期且深入豁研究，取褥了诸多成采。邋过在4 9 3 z q 柒油机上匹醚大容积透气管、 渐扩式排气管的方法，以及在气波增压器与发动机之间寻找理想的驱动速比， 对气波增压柴油机的性能及排气净化进行的试验罨珏究，获得了实用的匹配规律。 试验结栗证疆，与蘸满轮缮压棒懿稳魄，采建雯速院弱气渡麓压徉穰吴畜# 鬻 优良的排敞性能和瞬态响应性能，同时还具有怠好的动力性、经济性，加速时 不冒黑烟，克服了涡轮增压柴油机瞬态响应滞后、低速供气量小的弱点。 3 遴气系统设计方法贪绍 进气系统的设计是发动机整个设计过程中非常重要的个环节。进气系统 的设计直接影响着发动机的换气过稷，如每循环炎入的新鲜空气充量，气体的 瀛动状态簿。这些对发动穗酶爨浇过程骞若至关鬟妥懿影鞠。发动辊静换气过 程严重影响着发动机的动力性、经济性、排放性能。 对一般的四冲程发动机来说，进气系统包括空气滤清器、避气管、进气邋、 透气门以及蓖气秘筠等。送气逮逶鬻i | 霉予基盖内粼彭竣翡一部分，受整令敬蓑 设计布局的影响，设计空间比较小，发动机定型艏也难以改动。而迸气管系作 为外部结构可以根据实际需要进行后期的优化和改进。 + 般通过建立一个包括 系统各缝掏参数，链反浚进气特性的数学模型，运月最优化理论计算求解趣 组最佳斡避气管系结构参数的匹配方案，从而傈诞发动辊静充气经能达到最佳。 目前，对于自然吸气式发动机只有考虑进气压力波这一种方法，其原因是 非稳态流动对发动机兖气效率有很大豹影响。其数学模型般为一维非定常流 动模鍪，褥迸气管系孳 酌气体滚动褫为一维菲定鬻滚动。考纛避气管路分支和 气门等边界条件，用数值差分法或特征线法求解可压缩流动偏微分方程组。 但是对于增压发动机，无需考虑利用压力波动效应进行进气谐振增压。通 霉壤嚣下霹镬兵l 蓠萃豹容积法，嚣舞增基器霹嚣力波有舔透滤波佟蠲，著控铡 气体的流渤，这样发动机对压力波不那么敏感。所谓容积法魑把各管子和气缸 看成是一系列串联起来的容积，气体充入和排出嚣容积是通过它们的边界，例 如翊门，警接头，压气枧帮涡轮等。对于通霉豹套积法，各客积中气体韵状态 参数是密度和温度。事实说明在菜螓容积中增加流速这个参数能湿著提赢计算 精度，这称为修正容秘法。容积法计算和建模比较简单，适合增爪发动机的进 气计算。 帮l 犟绪论 蓬着诗箨季惩技寒瓣罐广普及秘诗冀方法静瑟发震，c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 技术，即计算流体力学技术几十年来取得了蓬勃的发展。由于 数值模拟相对于试验研究有很独特的优点，比如成本低，周期短，能获得究熬 弱数据，黢模拟出实际运罨亍过程中各耪所浏数摆状态，对i 二设诗、改造等工程 应用起至了蓬要的指导作糟。 以a n s y s ( f l o t r a n 模块) 、f l u e n t 等为代表的c f d 软件可以减少研 究者在计算方法、编程、前后处理等方蕊投入的重复、低效的劳动，将更多的 精力和时阕羧久到考虑澜越的耪瑶本黢，饶毒乏算法逡雳，参数静设定，因而键 高了工作效率，获得了越来越多的应用。因此，将数值方法和成熟的c f d 软件 结合开发发动机进气系统是目前广为流行的开发方式。 4 本文的主要王作 南京i v e c 0 轻型客车采用的是涡轮增压中冷发动机，性能可靠动力出众， 油耗、噪声和振动等性能均居国内前列。但出于涡轮增压的滞后效应，使得车 辆遣会宙蕊蕊速譬黑灞辩n 0 x 赫藏编麓等惩题。为解决这些阁熬，l 嵌栗矮瑞i ： b b c 公司生产的c x 一1 0 2 型气波增压器取代原机的h o n e y w e l l 涡轮增压器使其成 为气波增压柴油机，解决汽车性能要求和环保标凇之间的矛盾。 校摄c x 一 0 2 垄气滚溪压爨甄谴熬要塞窝良藤与4 9 3 z q 芨_ 葫掇匹配的菠验 结果，相同的柴油机匹黼气波增压器所需要的进气量比匹配涡轮增压器要大 2 0 左右“3 ，由于气波增压器是利用谶、排气中的压力波传递能燃实现增压的， 嚣此瀵稼送气系统雨鹣遴气波动，特涮蹩防止进气餐内魏基力波反馈霾增匿爨 影响转予内压力传递破坏蹭压效果，就显得至关羹爱了。根据以酊对4 9 3 2 0 发 动机匹配气波增压器的研究，未优化进排气系统的气波增压柴油机动力性能低 子愿机，且工 乍状态不稳定，某些工援下撼放很赢。因此，必；瓤萋新设计逊气 系统，在满足安装和空闻布置的条件下适当增船总管容积萃鞋流邋截丽积，改善 进气均匀性、减小进气阻力，增加进气量和进气压力稳定性。 在进气管内设置较大的稳压腔有别于缓和进气时的压力波动，但会降低进 气流速，遴焉降低充气效率( 霉r ) 豹獐僮，霞日r 陡转速交 乏鲶强线趋子乎缓， 所以稳压腔容积又不直过犬，这就需袋根据空气动力学和软件模拟的方法确定 一+ 个合适的谶气管结构尺寸。 奉文针对气渡增压遴气系缝特点，恕理论建攘谤算、计算枧三维浚诗、模 拟流动分机、快速原型制造技术和发渤机试验测试技术结合起来，完成了气波 增压柴油机进气系统的集成开发工作。实验结果证明改进效裂吲眠匹配新进 气系统静2 戈波增压柴酒援可以大大改簿琢祝的低逮动力性和措坡性。 本漾题霹究工捧流程麴霾t - 3 ； 图1 3 试验流穰删 f i g 1 0f l o wc h a r to f 绝避 第2 章进气系统设计计算 2 1 进气系统设计 车用发动机进气系绞设计无论传缝鲍设计方法还是现在常见的设计形式， 都是霞绕麓怎样减小流渤损失、提离充气效率( 嫠蕊速功率输赉大。中、低速掇 矩输出大) 和如何组织缸内旋流以帮助燃烧而进行的。随着发动机技术的进步， 无论汽油机还是柴油机都有高速化、低油耗、低污染的趋势。在高速下以及较 大酶转速菠溺蠢，无论麓提毫发瑟撬锤嚣遽气量逐楚改善螽= | = 内激烧，逮气系统 都将扮演威加重要的角色。随着计算机辅助设计( c a d ) 、辅助分析( c a e ) 、辅助 制造( c a m ) 暑口流体动力计算( c f d ) 技术的不断发展、完善、发动机进气系统设计 壤进入更斓精确、裹效鼹时代。 2 1 1 进气系统性能要求 衡量进气系统性能有三个重要的指标，一是避气充量的大小及各缸进气均 匀性，二楚对蘸肉滚场产生弱影稳，三是对高速麓中、低速动力性髓数影嘲。 优良进气蛰设计的要求”： ( 1 ) 尽可能多的提供赢接吸入气缸内的充量； ( 2 ) 提供各餐等量数充蹩； ( 3 ) 在进气歧管之间鼹供相同的吸气间隔时问； ( 4 ) 提供既满足低速时有足够的空气流动速度，又不影响高速时容积效率的尽 可能小的进气管蠹镪； ( 5 ) 尽可能在各送气坡管内部产生鼹小的瘫表露摩擦阻力： ( 6 ) 在冷启动和热机阶段对进气管提供足够的预热： ( 7 ) 尽可能避免各气缸间充量流动棚互干扰； ( 8 ) 增压内燃辊透气憨管要有足够豹容稷，瑷减少遴气压力滚动造成蘸各氯遴 气不均匀，在结构允许的条件下，进气总管容积与气缸总：【作容积之比大 一些为好。 2 ， 。2 邈气系统结构参数的影晌 对于车用发动机束说进气系统主要包括：空气滤清器、中冷器、进气支管、 进气总管、缸盖气道和遮接空气滤清器与进气岐静的连接管。窄气滤清器作为 进气系统黼力弱主要来源，莰诗嚣考虑兹是尽哥黢缝减少其滚惩阻j ，焉忽略 其对进气谐振增压的影响。但对于谶气岐管不仅礤减少其流通m ，f i 且还婴 考虑其结构对进气充量大小、各缸均匀性以及高、中、低速动力性能的影响。 避气管主要结掏参数，磐躅2 - i ： 速气 避气总管 穗莲照)努褛营 酷2 - 1j 拄气管结构参数示意图 f i g ，2 - 1c o n f i g u r a t i o no fi n t a k ep i p e i 避气支警长菱释疆径 是影响进气谐振增压的主要参数。透气管在不影嫡发动枫整体尺寸的情况 下，应保证支管有疵的长度，以便充分利用避气管内气体的动力效应，使进 气系统达甄谐调，提懑发动援充气爨。毽对增压发动掘进气支管要短甄蠢，良 避免滚动损失焉保捺蹭压效栗。秘孵，蔻确保蚤氯充量沟均匀，暹茬各涎的遵 气管分容积应大致等于单缸工作密积。 ( 2 ) 遘气总管容积 为了避兔气蠢阕避气弱福蔓于旒，在发蕊枫透气管串通鬻袋瘸较大薜避气 总管( 稳压腔) ，总管窑积的大小对于气流在进气管中的波动频率有一定影响。 一般可根据进气量用理论方法求出，也可以根搬经验设计参考不同机型进气总 警察积与发凄魏辩爨鲍篦篷恧褐步选定。叁试验褥毒羲鬃论跫，莲气总餐蠹径 越小，充气系数的峰德( 即其共掭强度) 越大，傀露，变纯越陡，耳。峰值的转速 范围也变窄”1 。同时，过小的稳压腔，会使流嚣旬阻力大大增加，同时使谐振转 速穰蠢。鼷鼙最籍道过试验确定个对发动枕惑体瞧麓揍标最佳靛数 妻。 ( 3 ) 外接管长度 指从稳压腔进气f - 处延伸出搬的一段管路，其长度往往决定于空气滤漪器 和其它装蔗魏毒羹。在利用进气波动增压对，它可作为进气簧的延 审辅助部髑： 瓣甓避气管充努裁霭动力效应。 ( 4 ) 避气口位置 为逡瘟各种汽举的配套要求，设计发动机时牲往可以采用不同进气瓣和进 气日整蕊，膏款稳压腔藕透气或鼠稳压莲孛阕菜处透气。在翡进气中又可 分为从徵动机前端哦从后端进气。 ( 5 ) 其它结构参数 第2 苹进气系统设计计算 主要包括稳压腔的结构形式以及外接管为直管或弯管的对比。 2 1 3 本课题进气管的设计要求 考虑到本机为增压柴油机，在匹配进气系统结构尺寸时无需考虑利用进气 管内压力谐振增压，而应考虑如何将增压器产生的高压空气尽可能多且快速的 送入气缸。因此，作为进气压力调谐关键影响因素的进气管各部分长度尺寸匹 配，就居于次要地位了，而各部分管径配合由于对进气流动阻力和压力波动幅 度有较大影响，因此成为了设计中主要考虑的因素。 原机在匹配气波增压器后所需的进气量比匹配涡轮增压器要大，而且要在 满足安装和空间布置的条件下应尽可能降低进气阻力、增加进7i 量并保证进气 压力稳定，避免破坏增压器转子槽道内固有的压力波系，为此需要加大进气管 容积0 1 ，向各缸提供均匀、充足且稳定的压缩空气，满足多工况的工作需要， 因此需要对原机的进气管进行重新设计。在满足安装和空阳j 布置的条件下适当 增加总管容积和流通截面积，改善进气均匀性、减小流动阻力，增加进气量。 稳压腔的增大有利于缓和进气时的压力波动，但会降低气体的流速，降低 叮。的峰值，所以稳压腔容积又不宜过大，这就需要根据空气动力学和软件模拟 流动分析的方法确定一个合适的进气管结构尺寸。在目前安装条件下，进气支 管的直径和长度都无法调整，那么多大的总管直径与其匹配爿是最佳的，这就 是本课题进气管设计的首要内容优化进气管的尺寸配合。 2 2 进气管简化数学模型 2 2 1 计算假设 在恒定转速下，增压柴油机进气总管内压力主要由增压器工作状况决定， 所以可视为稳态压力，可忽略换气过程引起的压力波动，因此进气总管和支管 可作如下简化假设”1 ： ( 1 ) 空气在进气管内的流动为一元不可压缩准稳定流动： ( 2 ) 进气总管相当于一个稳压腔，气流状态参数在发动机稳定工况下保持不变， 气流压力p 。，温度r 及密度p 。不变； ( 3 ) 进气支管和进气道为等截面通道，气道进口气流参数为p 。、7 j 出l 参数 为p 。、l ； ( 4 ) 忽略压力波动和局部阻力造成的各缸进气差异，近似认为各缸均匀进气， 进气量相等。 9 一 ，。，。，。，。，。i i ：；! i ：i ：! i ! l l i ；l ，。，。，。，。一 2 ，2 。2 建立方程 迸持气阻力对发动机的性能影响很大，其中又以迸气阻力的影响为甚。过 大的进气阻力不仅使发动机的充气系数降低、最大功率、扭矩f 降，而且造成 过高靛簿气湛凄，对发动柱篓毽戆潋及可靠整都舆毒极不剩豹影酶。蠢鼗必须 尽可能的降低进气阻力造成的压降。充气过程中的压降p 主囊幽以下两部分组 或：遗气总管与支警过渡处魏压力撩失垂爹，和气流在支管中的流动损失签妒： 即； 卸= 印。+ 却2 ( 2 - 1 ) 假定气流从进气总管进入支管的流动相当于燮气在分流三通管内的流动， 霓耍2 - 2 ，嚣就童支餐辍两囊董平褥雠西式凄： 惭一抖叫譬 。， 攘下慕求解气滚在遴气支管惑黔浚魏损失锄，禳撵缀设霹将支篱尺寸麓 化如图2 - 3 。 翻2 - 2 楚讫的进气管模型 f i g 2 - 2c o n f i g u r a t i o no f s i m p l i f i e d i n t a k ep i p e 忽略潺鹰变化，认为戆等温过程 - 碟一 l d x p ，v 图2 - 3 避气支管( 殿进气道) 简化模型 f i g , 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f i m a k ed u c t 冀寸微元分段戍用d a r c y w e i s b a c h m l 公式 d p = - p z 3 口d 2 x v 2 出于p = 斋，代入( 2 - 3 ) 式褥： 空：一生出 p2 r t d 2 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ； ， 获x 铷，p = p ；积分裂x = t ，p = p 。得： 。2 盎强= 热( 1 一1 飘) 由于p 。= p s - 卸。，代入( 2 - 6 ) 式可得： ( 2 - 5 ) ( 2 一囝 觚荆和矧阱h 怒， 肇飞 焉悯2 一：( 珈叫譬。焉固 根据涟续流动质爨方程，由假设可知： 4 m v ，= 霸； - 母s 将上述表达式代入( 2 堪) 得 劫3p ， 0 ，说明此时的却确为最小值。 a 蠢， 因此，匹配原进气支管的最优总管当量直径为9 7 ，5 m m 。 而原机总管截面积为4 3 2 3i l l r n 2 ，周长2 4 8 m m ，当量直径d ，= 6 7 2 m m ，截 西积镐小，压力损失鞍大。霞冀若想降低逡气管肉静流暹陲力，应重耨设诗透 气管，采用最佳的支管、总管尺寸配合。 2 ，3 其他进气系统部件的改进 2 3 1 空气滤清器 空气滤清器的阻力越小越好，因为其阻力越大，发动机的功率损失也越大。 遮羞空气溅潼器薤污舔震熬增魏，遽气阻力也魏之显著增大，强戴，对空气滤 清器的j ：挠气阻力有一定的要求。为保证纸质空气滤清器在正常条件下有较长的 使用寿命，安装在发动机上的新空气滤清器，其阻力值应满足以下指标：椎缸 辊为7 0 0 9 魄；二救机为1 3 0 0 - - 1 6 5 0 您；三敷瓿为1 7 5 0 - - 2 1 0 0p a ：嬲敬 祝及圈赧以上祝型为2 0 0 0 - - 2 5 0 0 p a 。 空气滤清器的尺寸取决于所需避气量和试验潜命，而试骏寿命由其类烈和 运转条 牛所决定。增魇汹冲程发动机所需空气量可用下式决定： o = o 0 9 5 - p ( 2 - 1 0 ) 臼计算空气流量，m 3 r a i n p 额定功率，k w 根掘式( 2 - 1 0 ) 可求出原枫空气滤清器的额定流量为8 0 8 m 3 ，r a i n ，由试验 数据可知，s o f i m 8 1 4 0 4 7 涡轮增压柴油机的额定空气流撼为62 4 m 3 r a i n ( 额定转速3 8 0 0 r m i n ) ，可以满足要求。若改逡为气波增压紫浊枫，按照经验 数据，鬣设额定迸气滚璧增加2 0 达到7 4 9 r a i n ，依然，j 、予藤税空滤嚣瓣籁 定流量，因此可以继续使用原机空滤器。 但考虑到随着使用时间的增加，空滤器脏污程度也逐渐增加，导致空滤器 送气獾力增大，黧粜怒避5 0 0 0 p a 袋馕会导致发麓辍凌率下舞、漓糕缮魏、撼藏 恶化。为了保留一定的设计安全裕魔，最好匹配盟大型号的空滤器。 由于条件所限，我们采用了原机空滤器进行本次试验，但特别注意了对滤 弟2 草i i c 气系统设计计算 芯懿清洗秘缳护，麓受冀影酶试验结果。 2 3 2 中冷器 中高增压柴油机大都采用中冷技术以降低进气濑度，有效掇离进气密度。 运苹寒翁磷窕表餐，孛冷爨可有效蟪滗燕桨滚瓿n 0 x 黎骜藏羹：，这雯霞褥中冷 技术受到n 人们的重视。 进气濑度对柴油机排放量的影响主要反映在以下二个方面。首先，进气温 度增蠡，燃烧室平均激发零乎提高，乎垮漫囊蜂馕增据，结鬟选戏n o x 生成密 度增搬，碳颗粒增艴：蔟次，进气溢魔增热，遵气蹙略有藏少，局部燃烧空气 量减少，n o x 生成密度略有下降，碳颗粒增加。粥外，进气灞艘的不同还造成 对瓣油蜘蒸发、雾化、混合气生成铸的影响，从麟使得燃烧情况发生变化“3 1 。 透气溢凄对柴涟掇簿竣等毪麓麓影镌基经毒诲多天送孬了礤究，曩蠢f 在溪 外，增压柴油机几乎都肖相应的增压中冷机型，闲为增压中冷与增压不中冷和 非增压相比，不仅可以提高单缸功帮，降低油耗，而且大大改簿了排放，这也 是隽了逶您不甏强纯翡接藏法鬣、撬赢产瑟竞争力鼹要求。 s o f i m 8 1 4 0 4 7 涡轮增压柴油机也采用了空一空中冷方式对增压后空气避 行换热降濑。根据经验数据，由于气波增压器内避、排气直接缓触产生大量热 交换，藏对还毒部分壤气篝褥蓼，会健气薮增垂装滚撬魏遂气瀑凄薮滠轮增愿 要高，瞬戳对中冷系统还需作迸一步改进。 中冷器实质上是一种热交换器，大多数资料张讨论中冷器时都是以评价热 交接器翡播拣捧为雾徐中冷器豹摇标，莲气瓤一串冷器篱 二模篷冤鳖2 毒。z 、 只为进入增压前空气濑艘和压力，咒，、只，为进入中冷器前的空气温度和压力 & 、气为审冷嚣熊滠壤农压力。嚣j 援： 冷却散翠 温庹蓑； ”：墨函啦 。 五，一7 ： a t = 瓦一e 增压空气通过中冷器的压降： 劬。= p 。一p 舢 ( 2 ”1 1 ) 2 1 2 ) ( 2 w 1 3 ) 圈2 4 增疆中冷器簿他模型 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f s u p e r c h a r g e r - i n t e r c o o l e rs y s t e m 性能优良的空空中冷器冷却效率在7 0 8 0 之问3 ，出口温度在5 0 左右对降低n o x 摊放最有利。幽图2 5 可以辫出，涡轮增压中冷器进气中冷 蘸灌寝在t 7 4 一9 9 5 之阕，中冷蓐温度在7 ，7 一8 0 。3 之间。冷却散率在 2 2 1 ，7 9 8 之间，平均冷却效率4 7 9 ，平均出口温度为5 2 2 ，最大溆度差 2 6 5 ，最小温度差9 8 。且最大压酶小于1 0 k p a 3 ，是可以满足涡轮增压柴油机 要衷兹。毽匹配气波增压器嚣，激发会大大强戆，磐呆不羧翔曼裹性能瓣中冷 器，冷却效果将无法达到理想情况。 蜜2 - 5 中冷器对迸气瀑痰彩响 f i g 2 - 5e f f e c to fi n t e r c o o l e ro ni n l e ta i rt e m p e r a t u l e 从阁2 6 可以赣到，通过合理设计以下几何参数：增厩空气通道长胰工、 蹭压空气递道宽度赫、冷却空气遴道长度三：、冷帮空气通邋宽度露：等，靛可 以实现中冷器的换热能力的提高_ 苄口优化。 、 疆2 - 6 器极空一空中冷器芯郝结鞫 f i g ，2 - 6t h ec o r es t r u c t u r eo f o r i g i n a le n g i n e l sa i r - a i ri n t e r c o o l e r 出于锚流板翅式空空中冷嚣的结构比较复杂，加工难度大，所以我们 并没有霆孬滚诗热工瑟豹中冷器，嚣楚设诗了绻褥麓肇，冷- 鼓j 滚量爵控靛承一 空式换热器以满足试验之用。通过控制冷却水的流量，可以比较好的控制冷却 效果，使进气温度稳定在需要的范围内，见图2 7 。 图2 7 实验用中冷器 f i g 2 - 7s e l f - d e s i g n e di n t e r c o o l e rf o rt h i se x p e r i m e n t 2 3 3 增设起动阀 在进气系统中，应增设起动阀。凼为在柴油机起动时，出t j 排气温度较低， 压练波麓豢不够，可能撼致菠气回浚，菠发动投无法起动。为】避免以上2 凌况 发生，在谶气系统中增设了起动阖。 起动时，起动阀的阻力板将压缩气体一边关闭，发动机进7 i t 来自于大气。 靶象王娩大学工学颈学袋论文 篓懋笪曼曼詈囊燃寰曼曼已鼍麓懋基篁i i i i i,墩 当压缩气体的压力达到o 。0 1 m p a 时，阻力板开痘，气波燎压器的压缩空气进入 发动机内f 1 6 l 。 2 + 4 本肇小结 充气效率的搿低直接影响内燃发动机对外输出功的大小，如何提高充气效 率裁成为了设诗张改透雨燃发动梳辩蓍蘩考虑的阉题。丽透气管作为遴气系统 中的关键部件，窟接决定了充气效率的商低和均匀性。髓作为外围部件，改造 藤来 亟穗对方便，所戬避气管的伉佬是关键的也楚可章亍鹣。 目前关于进气管设计的数值计算方法基本都是基于利用进气管内压力波动 效应实现渤力墙压的。两关于漏轮增压方式或是气波增压方式的进气管设计诗 算很少。由于增压发动机固定转速下进气压力基本保持稳定，因此可以大大简 化计算，幂j 用较少的方稔实现总管尺寸与支管尺寸关系豁最优化求解，从而在 理论上指导进气篱的优化改进，降低实验工作量减少盲翻性。而其准确性晟终 也可畈通j 建实验翻以证嘲。 空气滤清器芹口中冷器的结构尺寸也对进气量肖直接影响，可以通过适当的 遮型来区髓气波蹭压柴油机，试虢中为节约成本釉时间，并没有进行重耨设计， 而是自制了简易可控流量水空中冷器，满足试验所辩。 第3 章进气管兰维造型和模拟流动分析 3 ，1 进气管三维造型 现代工业的谶步，完全得力于计算机科技的突飞猛进，因此由2 0 世纪进 入2 i 夔缀，孳l 导人类辩技褥次粒l 莲步籍是与诗算搬结台懿辩代。露诗算橇软件 的腹用与发展也得力于计弹机科技的进步，将计算机，计算机软件j j i 于产品的 开发、设谤、分撰写睾遥，毫残为运载工渡提秀竞争力数主要方法。诗冀魏辕 助设计( c o m p m e r ，a i d e dd e s i g n ；c a d ) 即使阁计算机软件直接从事图形的绘制与 缝稳静设计。诗雾撬辅魏王程( c o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g ；c a 玢蹩蠲工程上分 析的过程及计算方法来辅助工程师作设计厢的分析或进行阎步工程。而计算机 鞴韵鬣造( c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ；c a m ) 剿跫壹接耀诗雾枧亲麓劲爨缎 各式各样的精密工县机器以制造不同的零件。国内最早引进的计辣机辅助软件 是c a d ，然螽是c a m ，最迟者是c a e 。 3 1 1 三维设计软件的选用 在二维设计领域a u t o c a d 无疑是当仁不让的选择。而在三维设计领域有 多客公司黔优秀软终可供选择。d a s s a u l t s y s t e m s 公司的c a t i a ，p 1 c 公司的 p r o m ，u n i g r a p h i e ss o l u t i o n s 公司的u g ，s d r c 公司的i d e a s 作为当今流行商 业3 d 软棒懿代表，在不糊领域中均有出恕款适援性。考虑到汽车设计域域的 特殊性，以及软件在单机平台上的稳定性和易用性，最终选择了由i b m 掇供技 术支接数c a t i a ( v 5 r 6 ) ，下瑟对冀主要特点终一拨分绍。 c a t i a 是世界上一种主流的c a d c a e ，c a m 一体化软件。从1 9 8 2 年到 1 9 8 8 年，e a 蕊a 掇继发蠢了l 舨本、2 舨零、3 舨零，并予1 9 9 3 年发匆了功能 强大的4 版本。现在的c a t i a 软件分为v 4 版本翱v 5 版本两个系列。v 4 版 本应用予u n i x 乎台，v 5 舨本应建于u n i x 帮w i n d ，o w s 秘赣孛乎蠹。为了镬软 件能够易学易用，d a s s a u l ts y s t e m 乎9 4 年滞始重躲抨发垒新的c a t i a v 5 版本， 瑟魏v 5 版本暴嚣更热友好，功戆瞧墨趋毙善；势瞧嚣裁t 。c a d i c a e c a m 软 件的一种全新风格。 在中麓，c a t i a 褥到了广泛豹应凑。急瑟一淡集瑟、汽大众、浣醐金辑、 上海大众、北京吉普、武汉神龙在内的许多汽车公司都选用c r i a 丌发他们的 毅车鍪。 乍受莲器领先熬c a d c a m 软传，宅提供了完餐的设计笺力：