（动力机械及工程专业论文）可变进气管对汽油机流动特性及性能影响的数值仿真研究.pdf

摘要 摘要 进气管可变技术作为电喷汽油机的一项关键技术，可以使汽油机的进气系统 适合较宽的转速范围，使发动机在不同转速下提高充气效率，并且能够保证发动 机在高速工况下具有较高的流通性能，在低速工况下缸内气体具有较强的涡流和 滚流运动，改善发动机动力性和经济性，降低排放指标。本文主要通过数值仿真 方法研究了进气管可变技术对汽油机流动特性及其性能的影响。 首先分析了进气管中气流运动的波动效应和能量损失，以及进气管可变长度 技术利用谐振增压提高进气充量的原理，分析了进气管可变截面技术在提高缸内 涡流和滚流运动，加快燃烧速率，改善发动机性能方面的作用。指出应该合理优 化进气管可变控制策略，兼顾发动机低速运转时对气流运动强度、高速运转时对 充量系数的要求。 研究了内燃机进气过程中一维非定常流动的数值解法。利用一维发动机工作 过程仿真软件b o o s t ，建立了某型号的发动机计算模型，分析了汽油机进气管可 变长度技术对发动机性能的影响，并总结出一套确定汽油机进气管可变长度控制 策略的方案。 借助计算流体力学( c f d ) 辅助内燃机分析理论，研究了c f d 在模拟进气系统 中的应用及其模拟精度。利用三维流体计算软件f i r e 对发动机的稳压箱一可变进 气歧管一进气道一进气门一气缸系统进行了流场模拟，深入研究了一种旋转叶片 式进气管可变截面结构对进气流通特性、缸内涡流和滚流运动的影响情况。研究 结果表明，这种可变结构能够在一定范围内改变缸内气体运动的涡流比和滚流 比，满足发动机不同工况对于气体运动和流通系数的要求。 本文采用计算机辅助分析手段，利用现代化集成研究方法，一维发动机工作 过程循环模拟与三维c f d 流场分析并行，对进气管可变长度和可变截面的影响进 行了比较全面的分析。在发动机模拟计算和可变进气系统设计分析方面，本文具 有一定指导意义。 关键词：汽油机可变进气管流动特性非定常流动计算流体力学 数值仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fe l e c t r o n i ce j e c t i o ne n g i n e ，v a r i a b l ei n t a k e m a n i f o l d se n a b l et h ee n g i n eh a v et h eb e t t e rp e r f o r m a n c ea taw i d e rs p e e dr a n g e ， e n h a n c et h ef l o wc o e 伍c i e n tu n d e rt h ed i f f e r e n ts p e e d a n di ta l s oe n s u r et h a tt h e e n g i n eh a sm o r ef r e s hc h a r g eu n d e r t h eh i g h s p e e da n dt h ec y l i n d e rg a sh a sas t r o n g e r s w i r la n dt u m b l ef l o wm o t i o nu n d e rt h el o w - s p e e d ，s ot h a tt oi m p r o v et h ee n g i n e p o w e ra n de f f i c i e n c y ，a n d r e d u c et h ee x h a u s te m i s s i o n b yu s i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo fv a r i a b l ei n t a k e m a n i f o l d so ni n t a k ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c ef o rg a s o l i n e e n g i n e f i r s t l y ，t h ew a v er e s o n a n c ea n dt h ee n e r g yl o s so fi n t a k em a n i f o l dw e r e r e s e a r c h e di nd e t a i l t h e nt h e p r i n c i p l eo fl e n g t h v a r i a b l ei n t a k em a n i f o l d si n i n c r e a s i n gt h ef k s hc h a r g ei nc y l i n d e rb yr e s o n a n ti n t a k ec h a r g i n g a n dt h ef u n c t i o n o fs e c t i o n v a r i a b l ei n t a k em a n i f o l d si ne n h a n c i n gt h es w i r la n dt u m b l em o t i o n , s p e e d i n gu pt h ec o m b u s t i o nr a t e a n di m p r o v i n gt h e e n g i n ep e r f o r m a n c ew e r e a n a l y z e d o nt h eb a s e ，t h i sp a p e rp o i n t e do u tt h a tt h ev a r i a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo f i n t a k em a n i f o l d ss h o u l db er a t i o n a l l yo p t i m i z e d ，a n db o t ht h er e q u i r e m e n t so fe n g i n e f o ra i r f l o wm o t i o nu n d e rl o w - s p e e da n df l o wc o e f f i c i e n tu n d e rh i g h - s p e e ds h o u l db e t a k e ni n t oa c c o u n t a f t e rs t u d y i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fu n s t e a d yf l o wi ni n t a k em a n i f o l d s ，a c e r t a i ng a s o l i n ee n g i n em o d e lw a ss e tu pb yu s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ea v l b o o s t t h r o u g ho n e - d i m e n s i o n a le n g i n ec y c l ea n dg a se x c h a n g es i m u l a t i o n , t h ei n f l u e n c eo f t h em a n i f o l dl e n g t ho ne n g i n ep e r f o r m a n c ew a sf o u n do u t t h e nas e to fs c h e m ef o r l e n g t hd e t e r m i n a t i o no f v a r i a b l ei n t a k em a n i f o l d sw a ss u m m a r i z e d t h et h e o r yo fc f da s s i s t e di ne n g i n ea n a l y s i sw a ss t u d i e d m o r e o v e r ，t h em e s h s t r u c t u r ew a sr e s e a r c h e dw h i c hw a st h ek e yp o i n tt oc o m p u t ep r e c i s i o n t h e t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i r f l o w si nt h ep l e n u m v a r i a b l ei n t a k e m a n i f o l d s - i n t a k ep o r t s c y l i n d e rs y s t e mo fg a s o l i n ee n g i n ew a sp e r f o r m e du s i n gc f d s o f t w a r ef i r e t h es i m u l a t e df l o wf i e l dp r o v i d e dad e t a i l e di n s i g h ti n t ot h ei n f l u e n c e o fr o t a r y - b l a d es t ) r l es e c t i o n - v a r i a b l ei n t a k em a n i f o l d so nf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，s w i r la n d t u m b l em o t i o n t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h i sd e v i c ec o u l dc h a n g et h e s w i r lo rt u n a b l er a t i oi ns o m ed e g r e ea n dg i v es o m ea d j u s t m e n tt ot h em o t i o na n df l o w a b s t r a c t c o e f f i c i e n tw h e nt h ee n g i n er u n n i n gc o n d i t i o nc h a n g e s t h es t u d yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ev a r i a b l ei n t a k em a n i f o l d so ni n t a k e f l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c ef o rg a s o l i n e e n g i n ew a su s i n gc o m p u t e r a s s i s t a n c ea n a l y s i s ，i n t e g r a t e do n ea n dt h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o da n dc u r r e n ts i m u l a t i o na n dt e s t i n g c o n c e p t , a n dc a r r i e d o n aq u i t e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st ot h ei n f l u e n c eo fl e n g t h v a r i a t i o na n ds e c t i o n - v a r i a t i o n t e c h n o l o g yf o ri n t a k em a n i f o l d s t h i sp a p e rh a ss o m er e f e r e n c ev a l u ei ne n g i n e s i m u l a t i o no rd e s i g na n d a n a l y s i so nv a r i a b l ei n t a k em a n i f o l d s k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ，v a r i a b l ei n t a k em a n i f o l d s ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ， u n s t e a d yf l o w ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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，也不包含为获得鑫注盘茎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。 学位论文作者签名：杏傍r 签字日期： w p ，年7 月年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁壅盘鲎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：杏日问 签字日期：2 口o f 年7 月辱日 一名：刎嘭 签字日期：2 口口f 年7 月4 日 第一章绪论 1 1 本课题研究背景 第一章绪论 内燃机从问世到现在已经有一百多年的历史了，它在推动人类社会进步方面 起到了巨大作用。直到现在，它仍然是热效率最高的热力发动机，广泛应用于国 民经济的各个领域和国防部门，它所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的 9 0 ，绝大部分汽车也是采用内燃机作为动力源。尽管人类试图用新的动力取 代内燃机，但是直到今天也没有找到一种可以真正取代内燃机的动力源。可以预 测，在今后相当长的时期内，内燃机因其特有的优点仍将处于不可替代的地位【2 1 。 随着对发动机性能要求的提高，对进气系统的设计要求也进一步提高。现在 的发动机越来越多地运行在偏离指定转速的中低速范围内，此时传统的进气系统 与发动机的工作过程不协调，这将导致发动机性能指标降低，甚至某些运行工况 恶化。因此，需要设计出一种能适合较宽转速范围的进气系统，可变进气系统应 运而生。 可变长度的进气歧管使发动机在高速和低速工况都能利用气体波动效应提 高充气效率，降低排放指标。但在化油器式汽油发动机中，由于燃料与空气在进 气管道内进行预混合，进气管道的结构将直接影响混合气的形成，特别是在变工 况时，燃油将出现滞后现象，为了减轻这种不利影响，只能尽量缩短进气管路， 不可能充分考虑气体波动效应。而采用电控燃油喷射的现代汽油机则不存在这种 限制，其进气管可变长度设计可充分利用进气动态效应，使发动机能在不同转速 下提高充气效率，改善发动机全面性能。 可变截面的进气歧管是针对发动机对气体运动和流通系数的不同要求而产 生的。发动机本身在不同转速条件下对涡流运动和流通系数的要求各有侧重，低 速要求高涡流比，高速要求大流通系数。其中，发动机进气充量的涡流运动是影 响发动机性能的重要因素，它能够提高燃烧速率，改善发动机的性能，同时又是 实现发动机稀薄燃烧的重要途径之一【3 _ ”。进气管可变截面技术能够保证发动机 在高速工况下具有较高的流通性能，在低速工况下缸内气体具有较强的涡流运 动，从而改善发动机的排放特性和燃油经济性。 目前，电子计算机己广泛应用于发动机的设计、开发、生产的各个阶段。由 于发动机工作过程循环模拟和c f d 流体动力学数值仿真对于设计和研究具有重要 指导作用，因此近三十年来，发动机数值仿真方法一直是内燃机行业的一项重要 第一章绪论 设计课题，并己获得很大成功。发动机数值仿真方法不仅能够为发动机的部分设 计问题、性能预测问题提供有力的分析工具和手段，大大减少试验量，缩短设计 周期，降低设计成本，而且还能为人们提供许多很难或目前无法测量的性能参数。 由此，设计人员能够更全面的评估一台发动机性能的优劣，找出该机尚可改进的 方向，并通过计算对比多种方案，将优化结果予以试验验证。 在电喷汽油机广泛使用的今天，本文利用数值仿真方法对实际发动机进行模 拟分析，研究了电喷汽油机进气管可变系统对流动特性和性能的影响。本文对汽 油发动机设计，特别是进气系统设计具有一定的理论意义和实际意义。 1 2 汽油机可变进气技术的研究现状 1 2 1 可变进气长度技术的研究现状 为了充分利用进气管内的压力波动，提高低速时的充气效率，提出了增加 进气歧管长度的方法。螺旋式进气管路的采用，使有限的空间内进气歧管尽可能 的长，以满足谐振的要求，获得较大的低速转矩和较好的排放指标。但对于固定 参数的进气系统，存在着高低速的矛盾：如果进气管过长，则影响高速时功率的 获得；如果过短，则低速时性能未得到改进。因此要找到一种符合上述要求的进 气系统，必须依靠可调节装置 6 - ”。汽油机缸内直喷技术的广泛应用，促进了进 气管长度可变系统的发展和应用。 可变进气长度，即按发动机工况改变进气系统的几何长度，从而改变其谐 振特性。而该技术的关键就在于设计合理的长度可变的进气管结构，以保证其具 有相当大的调谐范围，同时外形尺寸可以接受，可靠性好。近十年来，对可变进 气长度的研究日趋增多，目前己经有许多可调进气系统方案，其调谐方法、执行 机构动作原理和可控参数变化特性各不相同，最突出的有日本马自达、丰田和日 产公司的研究成果，其中有几种进气系统方案已用于批量生产的发动机 8 - 9 1 。 现在主要采用机械调整进气管长度的方法，该结构从总体上可分为无级可 变和分级可变两种。进气管长度无级可变的结构主要有两种，一种由旋转内腔件 ( 蜗壳) 和固定外壳构成，通过旋转内腔件的转动来改变管长，其结构示意图见图 卜1 ；另一种是伸缩管，由齿轮和齿条驱动，其结构示意图见图1 - 2 。 第一章绪论 图1 - 1 旋转式进气管长度无级可变系统结构示意图 图l - 2 伸缩式进气管长度无级可变系统结构示意图 进气管长度分级可变的结构主要 是通过阀门的开启和关闭，从而使进 气通过不同长度的通道，这种方法结 构简单，控制系统容易实现，因此应 用比较广泛。图卜3 为德国奥迪汽车公 司的新型v 6 排量2 8 升汽油机进气歧 管。该系统的可变参数只有进气歧管 长度，转速低于4 1 0 0 r m i n 时，每个气 缸的转换翻板处于关闭状态，有效进 气歧管长度较长，在低速时更好的发 挥出大转矩的作用；转速在4 1 0 0 r m i n； 以上时，进气管内每个气缸的转换翻 ； 板由电脑控制喷射系统打开，由此缩 短进气路程，改善了进入每个气缸的 充气效率，使发动机的最大输出功率 得以提高。应用该系统，3 0 0 0 r m i n 时扭 图卜3 新h u d iv 6 发动机进气系统示意图 l ， ? ， | ， ， 转* * 麓c f 翦扭艇 i l 1 l 缸 ， 、 图卜4 新h u d iv 6 发动机的外特性曲线 第一章绪论 矩增2 h 2 8 n m ，5 5 0 0 r m i n 时功率增加l o k w 。 图1 - 5 为三菱v 6 发动机的可变进气系统。它由可变进气阀的开关来转换使用细 长低速进气道和短粗高速进气道。低速时可变进气阀关闭，进气通过稳压箱内一 部分树脂制壳体形成的气道导向下方进气歧管；高速时可变进气阀打开，进气直 接流过流通阻力低的上方进气歧管。可变进气阀用电动机驱动，用装在电动机内 的集成块式开度检测传感器根据发动机转速反馈控制可变进气阀开度。图1 - 6 为 可变进气系统与原固定式容积效率比较图。 a b 图卜5 三菱可变进气系统 ( a ) 低速工况( b ) 高速工况 x v 艇 氍 钵 转蓬( 1 0 0 0 r l - i 4 ) 图卜6 容积效率比较图 目前国外不少专家认为最有前途的是进气管长度可调的系统。这是因为：第 一，它最大可使内燃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 i l o l 。 因此，随着人们对发动机的动力性能要求的不断提高，可变进气长度技术在电喷 汽油机上的普及和发展必然会成为一种趋势。 1 2 2 可变进气截面技术的研究现状 缸内气体宏观运动能够改善发动机燃烧过程己是众所周知的道理。但是，任 何改变进气系统结构以获得高强度气流运动的措施都会以牺牲发动机的进气充 量系数为代价，尤其在高负荷时更为明显【l ”。一般情况下，在低速工况时，发 动机对缸内气体运动强度有较高的要求；在高速工况时，则对流通系数有较高的 要求，以保证发动机高速功率的输出。这些年来，针对内燃机运转工况对宏观气 体运动的要求，研发人员开展了一些研究工作，也实际开发出了一些可变进气截 面结构，以满足发动机在不同工况对宏观气体运动强度、流通系数甚至分层燃烧 的要求，有些研究成果已经应用于实际产品。 现在的可变进气截面系统多采取在低速、低负荷工况关闭多气门发动机的其 4 第一章绪论 中一个进气管或进气道；在高速、高负荷则打开所有进气管或进气道的方式实现 可变进气。丰田公司的气道喷射第三代稀薄燃烧系统、马自达公司的稀薄燃烧系 统、a v ll i s t 公司的控制燃烧系统( c b r ) 0 2 都是在进气道中设置控制阀来实现可 变进气的。如图卜7 ，卜8 所示，两种可变进气系统均采用了直气道与螺旋气道或 切向气道相结合的办法，将控制阀置于直气道中，为了避免控制阀产生“壁面润 湿”现象，直气道中使用的控制阀一般须置于喷油器的上游方向或尽可能将喷油 器偏向没有装控制阀的气道，在较低转速工况条件下，将控制阀关闭，让螺旋气 道工作，在缸内产生较强的涡流运动。当直气道不工作时，从直气道进入的燃油 在气缸的中心位置形成较浓的混合气，而切向气道的混合气则非常稀。这样，在 切向气道产生的强涡流运动的作用下，浓混合气会一直保持到火花塞点火时刻， 形成良好的燃油分层现象。在较高转速工作时，则将控制阀打开，两个气道同时 工作，满足发动机在高速工况对发动机流通系数的要求【l ”。 图卜7 丰田公司的第三代稀薄燃烧系统图卜8a v ll i s t 公司的控制燃烧系统 在四气门汽油发动机中，在两个进气道完 全相同的情况下，在部分负荷时关闭一个气道 亦可在缸内产生一定强度的涡流运动。 除了利用可变涡流概念设计可变进气系 统以外，在四气门发动机上也可以利用可变滚 流的概念来设计可变进气系统。r i c a r d o 公司 在单缸机上设计了一种可变滚流结构 ( v a r i a b l et u m b l ei n l e ts y s t e m ，v t i s ) 来优 化分层混合气的形成过科“】。如图1 - 9 所示。 采用这种可变进气结构可以使得缸内滚流比 提高l 3 ，在滚流比最大情况下，气道流通系 v i e w 帅m a n i f o mh c e s e p a r a t ep o r t s 图1 - 9r i c a r d o 公司的v t i s 系统 第章绪论 数下降3 7 。 目前国内外控制进气涡流强度的机构多为感应转速变化而使涡流强度随之 变化，达到优化燃油、空气和燃烧室三者匹配，高效燃烧的目的。但是，这种控 制阀式的可变进气结构也具有以下几点不足之处： 1 控制阀采用旋转式结构安装于进气管道中，由固定在轴端的杠杆在进气 管道外对控制阀进行开关控制，对于多缸机而言，则意昧着必须对多个控制阀 进行同步操作； 2 安装控制阀的组件在控制阀全开状态下对进气流存在一定的阻挡作用， 影响充气效率； 3 进气管道中的控制阀采用双工位工作方式即在高速工况将涡流控制 阀打开，在低速工况将涡流控制阀关闭，控制阀部分打开的情况尚未细致考虑。 这就是说，没有实现按照工况不同对缸内气体的涡流运动实现连续可调。 1 3 发动机进气系统数值仿真研究的发展概况 发动机进气系统数值仿真模型的发展经历了零维模型、一维模型和三维模型 的发展过程。 1 3 1 进气系统零维及一维仿真发展历程及现状 零维模型也称为容积法，该计算方法的基本思想是：气体在气道中的流动过 程被认为是准稳态过程。管系被视为一个容器，在给定的时间内，整个容器中的 状态( 即各点的热力状态和气体的成分) 都是一样的，且只是时间的函数。这种模 型忽略了许多影响因素，如不考虑空间相关性，忽略了传热、传质和湍流流体的 动力学细节，同时也只需要较少的计算时间及结构参数。零维模型目前在国内外 得到广泛的应用，通常当管系相当短时，采用该方法计算可达到完全满意的结果； 当管系长度为中等时，这种计算方法还是允许的；而对较长的管系，则应采用非 稳态流动算法l 】5 1 。 当对气体在进气管系中的一维流动过程按非稳态流场处理时，仿真计算通常 使用特征线法，即一维不定常流动模型。这类模型的第一个研究者s i r i g n a n o 采 用微涡流扩散概念进行了汽油机一维非定常分析，温度、组分浓度和速度作为位 置和时间的函数，压力作为时间的函数来预测，因而可以求出火焰传播速度和效 率。b e l l a n 和s i r i g n a n o 对这种方法作了改进，包括改善的湍流模型、n 0 2 形成预 测、燃烧室形状模型和汽油机分层燃烧现象。b r a c c o 等人已把这种方法推广到考 虑两相燃烧和具有分隔式燃烧室的二维模型。 6 第一章绪论 随着计算技术的进步，对管道内气体流动的研究方法也得到了相应发展。简 单的容积法和小扰动法己经被淘汰。特征线法，有限差分法和有限体积法等一些 新的一维研究方法逐渐被应用于现代发动机的模拟计算中【1 6 】。目前各种方法都 在不断的发展和完善中。r s 本森等提出的特征线法是将偏微分方程组在特定的 条件下转化为一阶全微分方程组进行求解，该方法具有一阶精度，但特征线法的 缺点是质量流量误差较大。顾宏中对传统的一维非定常流动的模型作了改进，提 出了广义一维非定常流动模型，在原有控制体的基础上，考虑了分支管的质量添 加段的影响。张江城用有限容积法与特征线法相结合的混合模型分析多种排气系 统，在提高计算效率的同时降低了质量流量误差。 目前，在发动机一维数值仿真方面，国外己经开发出许多用于分析计算发动 机性能的软件。英国曼彻斯特理工学院( u m i s t ) 的m k l 4 程序和西德波鸿一鲁尔大 学的p m b 程序都是采用特征线法进行管内波动研究的：l a s a a s k it a k i z a w a 在有限 差分法的基础上开发了实用程序【l 7 l ；s c l o w 等人开发使用的发动机歧管设计 c a d 软件包，使用了图形界面技术，使用者输入管系的布置形式，程序可自动进 行网格的划分【”】；目前最新发展的商用发动机模拟软件g t p o w e r 和b o o s t 等则 是以一维流体动力学为基础，用有限体积法进行数值计算，分析发动机性能的c f d 软件。 工程计算中比较成熟的进气系统工作过程模拟多采用一维不定常流动模型， 但这种方法也存在着不足之处，例如当把进气系统作为具体的研究对象时，这种 方法的计算精度显然不够。又由于计算中采用了不少经验公式和实验数据，难以 反映实际工况对结果的影响。尽管它能准确反映压力波在管道内的传递、反射、 干扰等，但它不能体现进气管结构形状对气流的影响。另外，特征线法在时间、 空间上只有一阶精度，其仿真结果也只有沿气体流动方向的数据，不能反映出与 流动方向垂直的平面上的流动特性。 一在实际工作中，进气系统的建模与研究目的有关。如果是为缸内过程模拟提 供初边值条件，则不需要很精细的模型：如果研究管内流动，则模型需要对其所 形成的复杂的流动现象进行充分的描述，这种情况下，只有三维模型才能完全的 满足要求。 1 3 2 进气系统三维仿真发展历程及现状 计算机技术的发展使多维数值仿真技术成为一种有效的研究手段，不仅可以 获得进气歧管、进气道、气门以及缸内的结构参数及其相对位置对气体流动特性 的影响，而且可以得到其内部流场的大量信息，为进气系统的设计与改进提供可 靠的依据。 第章绪论 国外在这方面已经进行了大量的研究工作，开发了一系列功能较齐全的商用 软件，如英国帝国理工学院的s t a r - - c d ，奥地利a v l 公司开发的f i r e 和美国l o s a l a m o s 国家研究室的k i v a 等。内燃机进气过程的多维模拟大约起步于上世纪9 0 年代初。1 9 9 0 年，s u g i u r a 等人对一切向气道一缸内空气运动进行了三维模拟， 计算中采用了分区耦合技术以及贴体网格生成技术生成网格。同年，h a w o r t h 等 人采用k f 湍流模型对一双进气道一缸内流动进行三维数值模拟。1 9 9 2 年，英 国帝国理工学院对发动机进气管内的气体进行了三维定常湍流流动的数值计算 和实验研烈”j ，模拟计算所得的平均速度与使用l d a 测量所得结果吻合良好。同 年美国通用汽车研究所的t a n g - - w e ik u o 对k i v a 程序进行修改，应用0 r o u k e 和 a 。a a m e s d e n 提出的粒子阻滞技术处理气门运动，对一切向气道一缸内空气运动 进行了三维数值模拟。1 9 9 4 年，g o d r i e 、z e l l a t 和d e n t r 0 _ z 1 1 等人应用s t a r c d 程序，分别对切向气道和螺旋进气道内空气运动进行了三维稳态模拟。1 9 9 5 年， k a n gy h u h 等人改进k i v a i i 程序，利用i d e a s 软件生成结构化计算网格，应 用k f 湍流模型，在c r a y y m p 巨型机上对一螺旋进气道一缸内空气运动进行了 稳态三维数值模拟。1 9 9 8 年，c l e m s o n 大学和c a t e r p i l l a r l 2 2 j 公司利用f l u e n t 程 序对柴油机进气系统进行了稳态模拟，为了便于生成计算网格，他们对原始几何 模型作了轻微的修改，并利用i d e a s 软件生成非结构化的网格，研究了进气系 统中压力损失的分布情况，模拟计算所得流量系数与测量数据进行比较，最大误 差为7 4 。f u c h str 和r u t l a n dcj 利用k i v a 一程序对一四气门发动机的进气 过程进行了模拟。p e r k i n s 公司利用自己开发的网格生成器和s t a r c d 程序相结 合，对一发动机气道在稳流试验台中的流动过程进行了三维模拟，并将模拟计算 结果与l d a 测量结果进行比较，模拟计算的缸内涡流强度与测量结果的最小误差 为5 。t a k a s h ik o b a y a s h i 等人通过c f d 计算模拟了进气系统的流动损失，从而实 现了对整个进气系统的优化。h i s a t oh o r i 运用c f d 工具对二冲程发动机的扫气口 结构进行了优化。 国内也开展了不少进气系统三维流动数值模拟，并取得了一些成果。上海理 工大学的吴斌鑫应用非交错网格的s i m p l e 算法计算了柱塞式化油器内部流场，得 到了柱塞在全开、半开、经济工况下的三维流场。吴斌鑫还开展了摩托车化油器 腔体内部两相流动的数值模拟，应用k 一占两方程模型来描述气相场，并在欧拉 坐标系中用非交错网格的s i m p l e 算法求解；液相场在拉格朗日坐标系下用四阶 r u n g e - - k u t t a 算法求解，气一液两相的耦合采用p s i c 法；最后对节气门全开、半 开及经济工况下的流场进行数值模拟，得出了流场的变化规律。华中科技大学的 罗马吉对多缸发动机进气管系进行了稳态流动数值分析，进气管系由进气接管， 空气加热器、进气歧管、进气道组成。采用a l e 方法求解，用准二次上网格式( q s o u ) 第一章绪论 计算对流项，分析了各缸分别进气时进气管内的流动特性，计算了进气管各出口 处的质量流量和流量系数并用以研究各缸的进气不均匀性。罗马吉还用k i v a i 程序对进气道一气门一缸内系统进行了三维流动瞬态数值模拟，采用贴体气门模 型，应用s n a p p e r 技术生成动态网格。对原发动机的气道设计，提高充气效率， 增强进气门关闭时缸内的滚流强度，改善发动机的燃烧提供了理论指导。中科院 工程热物理研究所的王海刚等人用k i v a m 程序对柴油机进气道和缸内进行了 三维流场数值模拟，采用瞬态咬合法模拟计算气阀和活塞的运动。 总的来说，多维数值仿真长期以来主要集中在流场的数值模拟上，对进气管 的形状、结构以及流动形态等对流场影响的研究不是很充分，近年来，由于非结 构化网格的大量使用，使得网格的形状可以很好的契合进气管道的复杂而又不规 则的边界，可进行基于进气歧管与气道真实结构的仿真研究【2 3 1 ，其计算结果对 进气歧管与气道的设计有很强的指导意义。目前的研究大部分都已经集中到了建 立三维模型，然后进行流场的分析，从而对发动机进气系统进行结构优化这一方 向上。 1 4 本课题意义及主要研究内容 进气管是电喷汽油机进气系统的主体部件，其长度和截面变化影响进气阻 力、充气效率、各缸均匀性以及缸内的气体运动，进而影响发动机的动力性和经 济性。如果进气管过长，则影响高速时功率的获得；如果过短，则低速时性能会 有所降低。而且在低速工况时，发动机对缸内气体运动强度有较高的要求；在高 速工况时，对流通系数有较高的要求，以保证发动机高速功率的输出，这就需要 设计出一种能适合较宽转速范围的进气歧管。因此，进气管可变技术正逐渐成为 电喷汽油机的一项关键技术。 采用进气管长度可变技术，能够充分利用进气动态效应，使发动机在不同 转速下提高充气效率，改善发动机动力性能，降低排放指标。进气管长度可变的 系统最大可使发动机有效平均转矩增大8 5 ，在转速降低的情况下，最大转矩可 增大1 2 1 4 。采用进气管截面可变技术，能够保证发动机在高速工况下具有较 高的流通性能，在低速工况下缸内气体具有较强的涡流和滚流运动，使缸内混合 气实现理想分层，保证混合气可靠点燃，改善发动机的排放特性和燃油经济性。 近几年来，国内外对进气管可变技术的研究日趋增多，目前己经有几种进气管可 变方案用于批量生产的发动机，随着人们对发动机的动力性能要求的不断提高， 进气管可变技术在电喷汽油机上的普及和发展必然会成为一种趋势。 发动机进气系统的数值仿真方法作为内燃机行业的一项重要设计课题，不 仅能够为进气系统的设计问题、性能预测问题提供有力的分析工具和手段，还能 9 第一章绪论 为人们提供许多很难或目前无法测量的性能参数，从而大大减少试验量，缩短研 究周期，降低研究成本。由于发动机工作过程循环模拟和进气系统c f d 流体动力 学数值仿真对设计和研究所具有的重要指导作用，己被广泛应用于发动机的设 计、开发、生产的各个阶段。 本课题组已经成功开发了多款汽油机进气歧管，但是由于不可变进气管无 法满足发动机在较宽转速范围内发挥最佳性能的要求，正逐渐被长度和截面可变 的进气管所取代。本文拟在此基础上，采用数值仿真方法研究进气管可变技术对 汽油机流动特性及其性能的影响，以全面了解可变进气系统改善发动机性能的本 质，为其合理设计和控制策略的制定提供理论依据。主要研究内容如下： 1 汽油机进气管内气体流动特性及其评价方法研究； 2 内燃机进气过程中气体动力学的一维、三维模拟方法研究； 3 进气管可变长度技术的一维发动机气体动力学仿真研究； 4 进气管可变控制策略的确定方法研究； 5 进气管可变截面技术的三维c f d 流场模拟及分析。 1 0 第二章汽油机进气管流动特性及可变系统对进气过程影响分析 第二章汽油机进气管流动特性及可变系统对进气过程影响分析 2 1 进气管中波动效应及谐振增压的分析 2 1 1 进气管内压力波的形成、反射与合成 在四冲程非增压内燃机中，当进气门急剧打开时，由于活塞的吸气作用， 在进气管气门端产生负压，构成了压力波在管内向开口端( 空气滤清器端) 传播， 当抵达开口端后，又在时间内反射回第一个压力波。若进气门关闭的时刻，刚 好有一个最大的正压力波通过气门处，则空气的最大的密度进入气缸，从而增加 进气量，这就是谐振增压【2 ”“。 活塞在进气冲程中的速度和加速度分别为 式中 r 忍 五 ， 口 v ) = r 鼍( s i i l 盯+ 扣缸) ， ( 2 _ 1 ) 嘶) 础皤) 2 ( c o 螂c o s 2 a ) ，( 2 - 2 ) 曲柄半径； 曲轴转速( r m i n ) ； 连杆比，五：； 连杆长度； 曲轴转角。 其速度曲线、加速度曲线如图2 - 1 所 示。图2 2 表示进气管长度一定时，进气 管内邻近气阀口处的气体压力随时间的变 化规律【2 s 】。 当0 7 7 。时，活塞减速下降，在图 2 - 1 中用2 _ 3 段曲线表示。气缸内产生的 o v x 沁 辩 l l 、3 ， 巾 图2 - 1 活塞进气过程速度、加速度曲线 p 图2 2 进气管中波动效应分析 第二章汽油机进气管流动特性及可变系统对进气过程影响分析 压缩波沿进气管向开口端传播，在图2 2 上用2 _ 3 段曲线表示。压力波入射到 开口端时，反射波为异类压力波，而压力波入射到封闭端面时，反射波为同类压 力波【2 9 1 。因而，当膨胀波传至管口端，经开口端反射后变为压缩波沿进气管返 回，在图2 - 2 上用1 - 2 段曲线表示，而气缸内发出的压缩波传至管口经反射后， 变为膨胀波沿进气管返回到气阀口处，在图2 2 上用2 3 段曲线表示。 1 - 2 - 2 - 4 - 4 为压力波和反射波的合成波。用t 表示压力波从气缸内发出到返 回气阀口处所经历的时间，f 。表示一个工作循环中进气过程的有效持续时间。 则f 。：堕， 口蜊 式中 厶包括气缸在内的进气管当量管长，l 。= l + v j h ； ( 2 - 3 ) 上进气管长度； 圪气缸容积5 s 进气管截面积；a s m 进气气流的平均声速，口。= 2 0 1 f 丁绝对温度。 t = 孕， ( 2 4 ) o 玎 式中进气过程的有效开启角，伊。= 1 + 1 8 0 。+ 盯2 ) - , x a ； 进气阀提前角；口：进气阀迟闭角 a o t 进气阀无效开启角，a o t = 2 ( 1 4 。1 6 。) 。 2 1 2 进气管可变长度对充量系数的影响 如果进气管太长，正压力波返回时间t 大于进气有效持续时间f ，则第一个 反射波对进气过程不产生直接影响；若负压力波正好在气门关闭时通过，反而会 降低充量系数。 当进气管长度适合时，在进气门关闭的瞬间前，反射的最大压力波已进入气 缸。在这种情况下，进气过程的后半部分便成为正压状态。而且进气门关闭时刻 刚好与正压力波峰相吻合，进入气缸内的空气密度就能达到最大值，进气量最多。 当进气阀关闭后，压力波便在进气管内往返传播，若满足： 竺堕：1 ，2 ，3 ，4 ，。，( 2 5 ) 班 式中_ ，同一谐振增压管所连接的气缸数。 第二章汽油机进气管流动特性及可变系统对进气过萜! 影响分析 在下一循环进气阀开启时，气阀口处于压力波的正压状态，使气缸的进气 量增加。 同时，由于活塞的往复运动、吸气过程的间歇进行，在进气管内激发气柱 产生受迫振动。当气柱的自振频率等于激振频率时，便发生谐振现象，气阀口处 气柱的压力振幅增大，可获得较佳的谐振增压效果。 2 1 3 可变进气管最佳长度的计算 2 1 3 1 气柱的波动方程 假设： ( 1 ) 进气过程为绝热过程； ( 2 ) 进气管为等截面管，管壁为刚性； ( 3 ) 进气管中的气柱为理想气体，气柱的运动为小振幅的一维不稳定流动。 运动方程土鲨! 兰：塑：0 ， ( 2 6 ) p a xd | 式中声( x ，f ) 脉动压力，它等于瞬时压力减去平均压力； p 气柱密度；甜脉动速度； j 管道轴线座标；t 时间。 连续方程 状态方程 口竺+ 竺：0 ，( 2 7 ) 。o xo t 掣吨2 竺o t ，a f 堋 可得到波动方程为鱼毛害盟= 口。2 鱼丢善盟， 同样，进气管内的质量流量波动，满足一维波动方程 0 2 m 矿( x , t ) = 口。2 0 2 m 矿( x , t ) ，8 t | “ a x z 式中m ( x ，t ) 质量流量。 用分离变量法解方程式( 2 9 ) ， 设 声( x ，f ) = f i ( x ) e “， ( 1 1 ) 式代入( 9 ) 式，得到： d 2 p r ( x ) + 足2 声( ) ：o ， d x 2 、7 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 第二章汽油机进气管流动特性及可变系统对进气过程影响分析 式中k 波数，k = 旦； 珊气柱的自振圆频率，脚：2 万丘； 口