（动力机械及工程专业论文）影响增压柴油机性能与排放主要因素的理论与试验研究.pdf

摘要 增压是内燃机发展的重要标志之一，增压技术使内燃机的动力性、经济性和排 放特性等均上了- + 台f f r ，目前成为内燃机的基本机型。同汽油机相比，柴油机具有 经济性好、扭矩大、最大扭矩时转速低、h c 、c o 等有害排放物少等优点。随着排放 法规的日趋严格，能否有效地降低n o x 和颗粒( p m ) 排放是柴油机今后发展的关键。 本文所进行的研究主要是在大量国内外有关文献资料的基础上，结合车用增压柴油 机课题的实际情况，并以广泛深入的理论研究为突破点，同时结合实验研究对其进 气系统、燃烧过程及排放特性等进行了深入的研究，取得了明显的效果。 主要工作组成： 1 对c c 4 9 0 z q 增压柴油机螺旋进气道在增压条件下进行了三维数值模拟的研究。首 先从柴油机的进气着手，因为进气过程是决定柴油机燃烧与排放好坏的最直接的 影响因素之一。利用美国3 - - dd i g i t a l 公司的三维激光仪对原机的螺旋进气道 进行了三维坐标扫描，并在计算机中产生三维坐标云图。通过i d e a s 软件中的 i m a g e w a r e 模块将这些云点做成四阶光滑的三维自由曲面，从而得到气道的三维 模型实体： 2 以专业软件s t a r - - c d 作为计算平台，在三维实体模型的基础上，利用n p o r t 网 格生成器将其进行三维计算网格划分。用r n g k 一占湍流计算模型对该螺旋进气道 进行三维数值模拟，并以气道稳态流动试验验证计算结果； 3 利用a v l 公司的( 5 1 3e n g i n ev i d e os y s t e m ) 缸内视频观测系统，对c c 4 9 0 z q 增 压柴油机缸内喷雾和燃烧过程进行实时检测，以观测缸内喷雾、着火以及油嘴和 燃烧室的匹配情况，喷油嘴工作是否异常等，同时还可以观测到由于缸内气流运 动所导致火焰在缸内的分布及扩散状况等。便于直观地认识缸内喷雾和燃烧现 象，为揭示流动、喷雾和燃烧的内在关系提供了最为直接的依据； 4 为研究直喷柴油机的喷雾和燃烧，针对直喷式柴油机工作的特点，结合大量的国 内外有关文献，对原c u r l 碰撞一离散模型进行了修正，并结合湍流模型建立了 直喷式柴油机喷雾和燃烧的随机模型，进行了性能和排放的预测，这一模型的建 立为探索直喷式柴油机的喷雾和燃烧展示了新的前景； 5 利用a v l 公司的p u m a5 5 测试台架，a v l - - c e b 2 2 0 燃烧分析仪，a v l - - 4 7 2 s m a r t s a m p l ep c 颗粒捕集器和a v l - - 6 7 0i n d i m a s t e r 缸内燃烧分析仪等先进设备对 c c 4 9 0 z q 增压柴油机进* f t1 3 工况、部分性能及缸内燃烧等一些列的测试，并与 计算模型进行了对比。 论文的主要特点和创新： 本文的主要特点是利用先进的手段和设备，对c c 4 9 0 z q 增压柴油机进行了 进气、喷雾和燃烧的研究为增压柴油机运行和结构参数的选择和优化提供了 依据。 1 目前三维螺旋进气道的数值研究绝大部分是在自然吸气状态下，即在相同的迸气 压力下，研究不同气门升程时的流动状态，从中找出内在的因果关系。而增压条 件下的研究至今见，特别是研究不同的进气压力下，不同的气门升程的流动状态。 2 在气道稳态试验时，当进气压力增加到大于2 0 4 k p a 后，真空泵就不能正常的工 作而使得吸气压力达不到试验的要求。而对于增压柴油机在正常工况下的进气压 力均在2 0 4 k p a 以上，故在这种情况下利用三维数值计算值来代替试验，作为试 验的一种补充，为进一步研究变工况的进气过程提供依据。 3 国内首次完成了多缸直喷式柴油机实机状态下的缸内视频试验。根据所掌握的资 料，国外只是在涡流室式柴油机上进行过试验。 4 针对直喷式柴油机的特点，在国内首次完成t n 用改进的c u r l 碰撞一离散模型， 并结合湍流模型建立了直喷式柴油机喷雾和燃烧的随机模型，并利用m o n t ec a r l o 法进行数值求解。结果表明该模型能比较好地拟缸内燃油的浓度分布、压力及n o 的排放。为进一步从随机的角度研究直喷式柴油机的燃烧与排放丌辟了新的途 径。 关键词： 三维数值模拟，视频试验，c u r l 碰撞一离散模型，喷雾与燃烧，随机 模型 h b s t r a c t t u r b o d i e s e le n g i n ei st h em i l e s t o n ei nt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sd e v e l o p m e n t t h e t e c h n i q u eo f t u r b og i v e sa g r e a th e l po f i t sd y n a m i c s ，e c o n o m i c s ，a n dl o we m i s s i o n s a n dn o wt h et u r b o d i e s e le n g i n ei sb e c o m i n gt h em a i ns t ) ，l eo fd i e s e le n g i n e t h ed i e s e l e n g i n eh a sa d v a n t a g eo fe c o n o m i c s ，t o r q u e ，a n dl o w e r r e v o l u t i o na tt h em a x t o r q u ep o i n t a n dl o w e rh y d r o c a r b o n ( h c ) a n dm o n o c a r b o no x i d e ( c o ) e m i s s i o n so v e rt h eg a s o l i n e e n g i n e a st h ee m i s s i o nr e g u l a t i o n i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es t r i n g e n t l y , w h e t h e rc a n d i e s e le n g i n er e d u c et h en o xa n dp a r t i c l em a t t e r ( p m ) e f f i c i e n t l yo rn o ti st h ek e yo fi t s d e v e l o p m e n ti n t h en t u r e t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e s i to nt h eb a s i so fah o s to f r e f e r e n c e ，a n dc o m b i n e st h er e a ls i t u a t i o no f t h es u b j e c tw i t ha b r o a da n d d e e pt h e o r ya sa b r e a k p o i n t ，a n d a tt h es a m et i m ew i t ht h ee x p e r i m e n t si si t si m p o r t a n tm e t h o d m a i nw o r k sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 t oh a v ea3 - ds i m u l a t i o no ft h ec c 4 9 0 z qr e v o l v ei n t a k e p o r t u n d e rt h et u r b o o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a s t h ei n t a k ea i ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a t i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo f t h ee n g i n ed i r e c t l y u s i n gt h el a s e rc o o r d i n a t o rt og e tt h e c o o r d i n a t eo f o r i g i n a li n t a k ep o r t ，g e n e r a t i n gt h ec o o r d i n a t ec l o u d si nc o m p u t e r ，a n d t h e nu s i n gt h ei d e a ss o f t w a r et og e n e r a t ef o u r - o r d e rc o n t i n u u mf r e eb e n d f a c e s ! h 型地 t h ee n t i t ym o d e lo f t h ei n t a k ep o r t ； 2 u s i n gt h en p o r tt og e n e r a t et h eg r i do ft h ei n t a k ep o r te n t i t ym o d e l ，a n d s e t u p r n gk 一m o d e lt oc a l c u l a t et h e3 - df l o wo ft h i sm o d e lw i t hs t a r - c ds o f t w a r e a n d a tt h es a m et i m et e s tt h e o r i g i n a li n t a k ep o r tu n d e rt h es t e a d ys t a t e ； 3 ，i no r d e rt oc h e c kw h e t h e rt h e s p r a y a n dc h a m b e rm a t c ho r n o t ，w i t ha v l 5 13e n g i n e v i d e os y s t e mt oo b s e r v ed i r e c t l ys u c hs p r a y , i g n i t i o n ，c o m b u s t i o np h e n o m e n o ne t c i n c y l i n d e ru n d e rt h er e a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s a tt h es a m et i m ew em a yo b s e r v et h e d i s t r i b u t i o na n d d i s p e r s i o no f f l a m ei nc y l i n d e rr e s u l t i n gf r o mt h ea i rm o t i o n t h i sm a y b et h em o s td i r e c tm e t h o dt o o p e no u tt h ei n t e r n a lr e l a t i o n s h i pa m o n gt h ef l o w , i g n i t i o na n dc o m b u s t i o n 4 - a c c o r d i n g t ot h ep e c u l i a r i t yo fd id i e s e le n g i n e ，i m p r o v i n gt h e o r i g i n a lc u r lc o l l i s i o n - r e d i s p e r s i o nm o d e lw i t ht h eh e l po fah o s to fr e f e r e n c e ，a n do nt h eb a s eo ft e s ta n d s i m u l a t i o no f3 - di n t a k ep o r tt os e tu pas t o c h a s t i cm o d e lo f d id i e s e le n g i n ei no r d e r t op r e d i c ti t sp e r f o r m a n c ea n de m i s s i o n s a n dt h i sm o d e l w i l lg i v et h en e w f o r e g r o u n d f o r i n v e s t i g a t i o nt h es p r a y a n dc o m b u s t i o no f d id i e s e le n g i n e 5 i no r d e rt o c o m p a r et h er e s u l t sw i t ht h em o d e l ，t h e1 3 s t a t u s ，p e r f o r m a n c ea n d c o m b u s t i o ni nc y l i n d e ro fc c 4 9 0 z qh a v e b e e nt e s t e dw i t ha v l - p u m a 5 5t e s tb e n c h ， a v l - c e b 2 2 0c o m b u s t i o na n a l y z e r ，a v l 一4 7 2 s m a r ts a m p l ep cp mc o l l e c t o r a n d a v l 一6 7 0i n d i m a s t e ri nc y l i n d e rc o m b u s t i o na n a l y z e r m a i n p e c u l i a r i t ya n d i n n o v a t i v ep o i n t s ： t o i n v e s t i g a t et h ec c 4 9 0 z q d i e s e le n g i n e si n t a k e ，s p r a ya n dc o m b u s t i o nb yu s i n gt h e a d v a n c e dm e t h o da n d e q u i p m e n t s i no r d e rt oi n s t r u c tt h er e a lw o r k 1 m o s to f p r e s e n ts t u d yo f 3 - dr e v o l v ei n t a k ei sm a i n l yo nt h es e l f - i n t a k es t a t e t h a t i st os t u d yt h ea i rf l o wi nd i f f e r e n tv a l v el i f t ，b u tt h e r ei sn or e l a t i v er e p o r to nt h e t u r b oo p e r a t i n gc o n d i t i o n si no r r c o u n t r y 2 d u r i n gt h es t e a d ys t a t eo f i n t a k et e s t ，w h e ni n t a k ep r e s s u r ei so v e ra b o u t2 0 4 k p a ， t h ev a c u u l t ip u m pd o e s n l tw o r kp r o p e r l y ，b e c a u s et h i sp r e s s u r ei so v e rt h en o r m a l r a n g eo fi t ，b u tt h et u r b od i e s e le n g i n e so p e r a t i n gc o n d i t i o n sa l el a r g e rt h a nt h a to f i t s ow eu s et h e3 - dc a l c u l a t i o nr e s u l t si n s t e a do f t e s tf o rt h en e x tc a l c u l a t i o n 3 f i n i s h e dt h ev i d e ot e s to nt h em u l t i c y l i n d e ro ft u r b od id i e s e le n g i n ef i r s t l y u n t i l n o w , t h e r ea r en os u c hr e p o r t so n i to f m u l t i c y l i n d e rd id i e s e le n g i n ei no u rc o u n t r y t h e r ei so n l ys u c hr e p o r to nt h ei d id i e s e le n g i n eb yf o r e i g nc o u n t r i e sa c c o r d i n gt o m y m a t e r i a l s 4 f i r s t l yf i n i s h e dt h ei m p r o v e dc u r lm o d e la n d c o m b i n e dw i t ht h et u r b u l e n tm o d e lt o s e tu pas p r a ya n dc o m b u s t i v es t o c h a s t i cm o d e lo fd id i e s e le n g i n e ，u s i n gm o n t e c a l l om e t h o dt os i m u l a t ei t k e y w o r d s ：3 - ds i m u l a t i o n ，v i d e oe x p e r i m e n t ，c u r lc o l l i s i o n r e d i s p e r s i o nm o d e l ，s p r a ya n dc o m b u s t i o n ，s t o c h a s t i cm o d e l ， 浙江大学博士学位论文影响增压柴油机性能与排放主要因素的理论和实验研究 第一章绪 论 2 1 世纪世界所面临最严峻的挑战是能源和环境问题，“节约能源，保护环境”已 成为世界各国的首要发展战略。近年来我国经济迅速发展，汽车的保有量以每年1 5 左右的速度增长，正面临汽车能源需求和环境保护的双重巨大压力。而当今汽车的 主要燃料是矿物燃料( 汽油和柴油) 。据世界能源大会数据表明，我国的石油保有储 量仅占世界的2 4 。1 9 9 3 年起我国已成为石油纯进口国，1 9 9 9 年我国石油总需求量 的2 0 已从国外进1 2 1 。我国的石油供应将严重不足。另一方面，我国的汽车排放已 成为城市大气环境的一个主要污染源。如北京在非采暖期，城区内机动车排放的c o 、 h c 和n o x 已分别占总排污负荷的6 0 、8 6 8 和5 4 7 。城市机动车排放污染日趋 严重。 内燃机是目前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 1 1 】，绝大部分的汽车目 前仍然采用内燃机作为动力源。预计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。同时，内燃机也是石油资源的主要消耗者和最大的空气 污染源，它所消耗的燃油占石油燃料的6 0 左右，所排放的有害气体占工业总有害排 放的5 0 左右。 同汽油机相比，柴油机具有经济性好、扭矩大、出现最大扭矩时的转速低、h c 、 c o 等有害排放物少等优点。7 0 年代出现石油危机以来，柴油机的应用更加广泛， 到7 0 年代末，日本3 5 吨以上的卡车几乎全部采用柴油机，欧洲3 5 - - 6 5 吨的卡车采 用柴油机的占9 0 左右，目前5 吨以上的卡车，几乎全部采用柴油机，且需求量以 平均每年2 3 的速度增长。因此，柴油机研究人员总是致力于将燃油经济性和排放 指标作为研究工作的统一目标。当然，要同时解决上述两个问题并非易事，为此， 近3 0 年来，在世界范围内开展了一场耗资巨大的研究工作，其中除至关重要的研究 以外，柴油机增压技术的研究也是一个十分重要的方面【2 】，它不仅能满足日益提高的 强载度要求，对提高燃油经济性及降低排放要求也是卓有成效的。2 0 0 0 年以后美国、 欧盟、日本等实施的排放法规迸一步提高了排放限制。在我国，对轿车和轻型卡车 已开始实行欧一i 排放标准。表1 为欧洲柴油机排放标准。 增压是内燃枧发展的重要标志之一，增压技术使内燃机的动力性、经济性和排放 特性均上了一个大台阶，目前成为内燃机的基本机型。在内燃机中，进排气系统、 燃料供给系统和燃烧室形状的相互结合是决定燃烧过程的关键因素。进气产生的涡 流对内燃机的性能有着重要的影响，在柴油机中，涡流增加了油气混合速率，并通 过与压缩挤流的相互作用来调整流动结构，提高燃烧室内湍流水平。进气道产生的 空气涡流通过对燃料与空气混合速率的作用而对燃烧过程有着最直接和最明显的影 响。因此，提供具有尽可能大的流量系数，并能够产生合适的涡流比的进气道是柴 第一章绪论 油机研究的重要任务之一。 表1 欧洲排放标准。一v ( g k w h ) “1 t a b l e l o v e r v i e wo fe m i s s i o n sl e g i s l a t i o ni ne u r o p e 标准欧洲实行时闻c o h cn o xp ms m o k e e u r o01 9 8 8 1 1 22 | 41 4 4 e u r o i19 9 2 ， 8 5 k w4 51 18 0o 3 6 e u r o i i1 9 9 6 1 04 01 17 o0 2 5 1 9 9 8 1 04 01 17 o0 1 5 e u r n i i i1 9 9 9 + 1 01 5o r 2 52 oo 0 20 1 5 2 0 0 0 1 02 1o 6 65 00 1 00 8 e u r o i v2 0 0 5 1 01 50 4 63 50 0 2o ，5 e u r o v2 0 0 8 1 01 50 4 62 0o 0 20 5 同发达国家相比，国内在进排气系统、燃料供给系统和燃烧室形状的相互结合 方面的研究有着明显的差距，存在尾气污染严重，排放测试手段和检测设备不足， 资金投入量有限等问题。本研究是在大量阅读国内外有关文献资料的基础上，结合 车用增压柴油机课题的实际情况以广泛深入的理论研究为突破，同时结合实验研究 是本论文研究的重要途径和手段。c c 4 9 0 z q 将是常柴集团用于轻卡的主要动力。针 对该机型的特点。本文将进行以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 对c c 4 9 0 z q 增压柴油机螺旋进气道进行三维数值模拟，这样不但可以了解该 进气道、气门和气缸结构参数以及其相对位置对流动的宏观影响，而且可以获得大 量的气道内部流场分布等微观信息。揭示隐含在实验研究中的影响柴油机性能与排 放的内在关系，从中找出影响气道性能的主要参数，为进气道的合理设计提供理论 依据，进而获得一些实验不能测量或难以测量的结果，或者是实验的重要补充。由 于车用增压柴油机经常处于变工况，因此研究不同进气压力下的进气过程对深入研 究其性能与排放有着重要意义； ( 2 ) 充分利用资源，应用a v l 公司的5 1 3 发动机视频系统f a v l 一5 1 3 e n g i n ev i d e o s y s t e m ) x 寸实际工作时的c c 4 9 0 z q 柴油机喷雾以及缸内的燃烧情况进行实时测录， 以便了解和研究该柴油机在实际运转时缸内的喷雾和燃烧情况，这样可以发现喷油 嘴的工作以及和燃烧室的匹配情况等，同时为揭示缸内湍流燃烧状况提供最为直观 z 浙江大学博士学位论文影响增压柴油机性能与排放主要因素的理论和实验研究 的试验数据，为进一步从理论上研究直喷式柴油机缸内燃烧提供依掘 ( 3 ) 建立直i 喷式柴油机的喷雾、燃烧等随机模型以计算该柴油机在增压条件下的性 能和排放，为从理论上寻求和探索预测直喷式柴油机燃烧与排放的合理方法提供依 据，同时通过试验加以对比。 第一章绪论 参考文献：( r e f e r e n c e l 1 】陶明德国内外机动车排放与控制概况上海汽车，1 9 9 7 ( 6 ) ：7 。1 0 2 顾宏中，涡轮增压柴油机性能研究上海：上海交通大学出版社。1 9 9 8 3 】史绍熙，苏万华内燃机燃烧研究的几个前沿问题。内燃机学报，8 ( 2 ) ，1 9 9 0 【4 i n t e r n a t i o n a le n e r g ya g e n c y , w w w i e a o r g 【5 d i e s e l n e t ，w w w d i e s e l n e t t o m 6 】h e a l t he f f e c ti n s t i t u t e ，w w w h e a l t h e f f e c t s o r g 4 堑塑：盔堂堂主堂焦堡塞 墅堕塑堡鐾迪垫壁丝兰塑 垫圭墨固塞塑堡迨塑塞堕至塑 第二章柴油机进气的研究现状和流动特性 本章的主要内容：本章主要阐述了柴油机进气道内空气流动的主要特征和国内外 在发动机进气模拟方面的主要发展现状、进行三维数值模拟的目的和侧重点、气道 的评价参数以及存在的困难等。 2 1 国内外的研究现状 多维数值模拟在内燃机中的应用已有二十多年【l - 2 】研究人员主要集中在数学模 型和计算方法上，随着计算机的飞速发展使得模拟的几何条件及边界条件与发动机 的真实状况越来越接近。但由于内燃机气道特别是螺旋进气道结构十分复杂，三维 模型及计算网格的生成相当困难，因此，内燃机进气过程的多维模拟真正始于9 0 年 代初。1 9 9 0 年，s u g i u r a 等人【3 】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 o w o r t h 等人【4 j 采用k e 湍流模型对一双进气道缸内空气运动进行了三维模拟。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究t 5 1 ，模拟 计算所得的平均速度与使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 【6 j 对k i v a 程序进行了修改，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。接 着，k a n g y h u h 7 】改进了k i v a i i 程序，应用障碍物单元技术处理气门运动，对一四 气门二冲程内燃机工作过程进行了计算。1 9 9 4 年，g o d r i e 、z e l l a t i s 和d e n t 9 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 等人们改进了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 e 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和实机三维数值模拟。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 公司 川”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，并模拟计算所得流量系数与测量数据进行 了比较，最大误差为7 4 。f u c h str 和r u t l a n dcj t 3 l 利用k i v a i i i 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实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4 1 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起系统的优化。 国内对柴油机进气过程所做的研究比较少，1 9 9 8 年华中理工大学的扬玟5 1 用 s i m p l e 方法对一螺旋进气道在稳流试验台上的流动进行了三维模拟计算。同年，武 第二章柴油机进气的研究现状和流动特性 汉汽车工业大学的常思勤等人们对螺旋进气道进行了c f d 模拟，并对螺旋进气道 进行了参数化设计的研究。但是，他们在计算中作了一些与实际情况不相符的假设。 2 0 0 0 年，一汽一无锡油泵油嘴研究所的夏新兰博士后利用s t a r - - c d 对6 1 1 0 柴油机 进气道在自然吸气状态进行了三维数值模拟计算。他主要是针对同一自然吸气压力 3 5 0 m m h 2 0 下，研究不同的气门升程时的三维流场分布和压力分布并根据计算的结 果对原有的进气道进行了改进。目前对螺旋进气道的研究绝大部分是在自然吸气状 态下的研究。面奎塞塑窥的星查增压憧迅工：盐盟进氢过程空丕回的堂氢匡力塑尘 圃的氢臼丑捏时的三继流扬的数值搓拟塑研究，这在国凼尚塞厘到娄似担道。 通常对实际发动机的气道进行三维模拟研究时存在下列困难： ( 1 ) 三维几何造型特别是螺旋进气部分的曲面和计算网格难于生成。由于发动机 的实际迸气道的形状对三维c f d 计算网格的生成相当困难，有时很难做到根椐实际 发动机的气道形状不加修改地生成计算网格，而如果对进气道稍作修改，模拟计算 的结果就可能与实际进气道的流动特性差别很大，一般来说偏差不能小于1 5 m m 。 如果生成的网格不合理，很容易使计算结果发散或不稳定； ( 2 ) 计算机的速度相对较慢。成本高。尽管计算机的发展速度十分迅速，但就目 前工程上应用的计算机的速度而言，相对于计算三维流场的速度还是较慢，c l e m s o n 大学l 应用带有4 个c p u 、内存为1g 的s u ns p a r e s e r v e r1 0 0 e 计算机，将进气道 划分为8 4 万个网格，对每一气门升程计算所用时间为1 0 0 小时。夏新兰博士后利用 c p u 主频1 6 g ，7 6 8 m 内存的计算机对6 1 1 0 柴油机进气道进行计算时，每一气门升 程也近8 5 小时； ( 3 ) 进口边界条件难以确定。边界条件的正确与否直接影响计算结果的准确性。 对有些变化不大或对结果影响较小的物理量( 如进口边界的湍流量等) 一般采用假 定的方法来确定；而对另一些变化较大或对计算结果影响很大的物理量( 如进口边 界处的速度) ，常利用实验测量结果来确定。 2 2 目前进气道性能评价参数 目前，评价进气道流通能力的方法仍然广泛地采用在稳态试验台上测得的流量 系数法。而进气道产生的涡流能力方法除在稳流试验台上测量涡流比外，还有其他 的一些方法【l ”，如采用液力稳流模拟并结合粒子示踪激光测速( p t v ) 测出缸内各平 面上粒子的速度矢量，然后积分得出涡流的角动量矩。有的学者还采用l d a 实测发 动机缸内各点速度并积分出角动量矩1 1 9 1 。也有的通过试验测出进气门出v 1 处速度的 浙江火学博士学位论文影响增压柴油机性能与排放主要因素的堡诠塑塞鉴堕! 窒 分巾求出漩涡的角动量【2 0 1 。这些方法的优点是比较接近客观实际，但是它们的技术 要求很高，试验成本高等缺点。就目前国内的水5 f z 难以实现。 在稳流试验台上评价逃气道进气涡流的方法有两种：一种是风速仪法；另一种 是气流校直测矩仪法。气道内的流动状态用压差来度量，气体流量用标准流量计测 量。为了便于对不同形状和尺寸的气道流动性能进行比较，可以用无量纲流量系数 评价不同气门升程下气道的流通能力，用无量纲涡流比来评价不同气门升程下的气 道形成缸内涡流的能力。就目前而言，我国一般采用r i c a r d o 涡流比来评价气道产生 涡流的能力。 无量纲流量系数： c r2 才嚣 1 ) 这里：q 一为气体流量( k g s ) ， 爿一为气门座内截面面积( m 2 ) ， 一为气门出口处的气体流动速度( m s ) a = 万4 d ：n ( 2 2 ) 式中：巩为气门座内径( m ) ，n 为进气门数。 v o = 4 2 p 。 ( 2 3 ) 这里，卸为气道压降( p d ) ，p 。为气道出口和进口之间空气的平均密度( k g m 3 ) 。 平均流量系数c 伽为 f 2 c f d c z c m = 主一 ( 2 4 ) 。 口，一口 式中：，d ：分别为气门开启和关闭时的曲轴转角( 弧度) 。 无因次涡流比q ：用来表示气道形成涡流的能力，即 q ：坠 ( 2 5 ) 这里： 为风速仪测得的转速或与动量矩仪对应的转速( r m i n ) ，n 为假想的发动 机转速，即活塞平均速度c 。与模拟气缸内空气的轴向气流速度“。相等时所对应的发 动机转速( r r a i n ) ， 巴= 五s n 砘= 万岛 ( 2 6 ) 从而可得q ；型也 ( 2 7 ) 3 0 q 第二章柴油机进气的研究现状和流动特性 式中：一为活塞行程容积m 3 ， d 一为气缸直径m ， p 一为试验气缸内空气的密度k g m 3 ， s 一为发动机的行程m 。 无因次动量矩流率n r ： n r = 8 m i q d 式中，m 为涡流计测得的力矩( n m ) 。 r i c a r d o 涡流比r s 为： k f 2 c n r d a r = ! l 一 3 r c d a 2 啦! 式中，幻为发动机的形状因子， 驴嚣 奥地利a v l 研究所以动量涡流计测量时， 为进气道地评价参数： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 采用进气终了涡流系数和平均流量系数作 舡= 去l f 鲁e 2 妇 聆石“ l 其中，c ，c k 分别为活塞瞬时速度和平均速度。 2 3 内燃机进气过程气体流动的特征 流体的流动状态分为层流和湍流，当流动的特征雷诺数超过相应的临界值时， 流动从层流转变到湍流。湍流中充满了各种大小的不断旋转着的流体团，称为“涡 团”。这些涡团有大有小，涡团的尺寸有取决于研究体系的尺寸和流体的特征速度的 极值，而且大涡团中常常包含小的涡团1 ，最小涡团取决于k o l m o g r o v 小尺度，其量 级约为r e “4 。这些尺寸不同的涡团组成连续的“涡团谱”。大涡团与小涡团具有不 同的特征。小涡团的运动具有很强的随机性。湍流的速度由脉动速度的大小来衡量， 而脉动速度又正比与涡团旋转的角速度。同样大小的涡团，由于角速度不同，其强 度也不同。同样的湍流强度，大涡团的能量高于小涡团，所以能量由大涡传给小涡。 在流动中，各种大小的涡会交换能量而逐渐使涡团的大小与强度趋于均匀。涡团就 这样不断地被产生出来，又不断地分裂破碎。 在进气过程中，气流的流动状况非常复杂，会发生旋转、分离和倒流等现象。 浙江大学博士学位论文鲎堕塑堡鐾迪垫壁丝皇进塑圭垂固鲞丝堡鲨型塞堕堑塞 通过气阀的气流在进气阀喉口和阀座上发生分离，从而形成锐利的自由剪切层。此 剪切层很不稳定，它断裂后先形成环状漩涡，然后变成尺度较大的涡。后者也不稳 定，又发生破裂为较小的涡，最后形成三维湍流运动。在形成的锥形的湍流流场中 包含着范围较广的湍流尺度，其中大涡的尺度与气门升程具有相同的量级( 1 0 - 2 m ) ， 小涡则具有耗散运动的尺度。速度尺度与活塞速度具有相同的量级( i o t a s ) ，因此， 其雷诺数大约在1 0 4 1 0 5 范围内。这股射流还在气缸内诱导出一股“总环流”，其大 小与气缸的尺寸同级，并且与进气道产生的进气涡流相混合。因此，湍流具有以下 一些主要特征： 1 湍流的涡团结构和小涡团的随机性 在进气过程中，由于螺旋气道边界的约束作用，在流体内部形成涡团。这些涡团有 大有小，通常大涡包含着小涡，小涡团中又包含着更小的涡团。这些尺寸不同的涡 团组成了连续的“涡团谱”。而大涡与小涡有着不同的特征。小涡团的运动具有很强 的不规则性或随机性。湍流的强度由脉动速度的大小来衡量，而脉动速度又正比于 涡团旋转的角速度。同样大小的涡团，由于角速度的不同，其强度也不同。涡团不 断被产生又不断地分裂破碎。黏性对涡团起着阻尼作用，如果不能从宏观流动中得 到能量的补充，那么涡团将衰减直至消失。 2 湍流的运动总是有旋的和三维的 既然湍流场中充满了大小不同的且不断旋转的涡团，其有旋是必然的。流体力学的 理论表明：产生涡团的惯性作用实质上是流场的不均匀性( 速度梯度) 对涡团的连 续不断地拉伸作用的结果。这种拉伸作用使得涡团发生从大到小的所谓“级联 ( c a s c a d e ) ”过程。但是拉伸只能在三维条件下进行，因此湍流运动只能是三维的。 有的流动即使从宏观上看其时均流是二维的甚至是一维的，但是其脉动结构仍然是 三维的。 3 湍流具有极强的扩散性和耗散性 湍涡运动必然导致扩散和耗散。如同流体分子的无规则运动引起物质组分、动量和 能量等各种物理量的扩散输运一样，湍流无规则运动的宏观运动的宏观效果引起这 些量的扩散，且这种扩散性较之分子扩散性要强烈的多( 可以大3 4 数量级) 。 4 湍流具有连续性 分子运动是离散的，湍流运动则可视为连续的。湍流涡团的最小尺度仍远远大于分 子的运动尺度即平均自由程。因此，可以用连续介质力学的方法来描述湍流运动。 第二章柴油机进气的研究现状和流动特性 5 湍流是流动的属性而不是流体的属性 在雷诺数足够大的情况下，湍流流动特征量与流体的物性几乎无关，而与流场特征 如几何形状，边界条件等则有相当密切的关系。 本章小结 本章通过对发动机三维进气模拟的研究现状、进气道内空气的流动特征以及进 气数值模拟存在的问题和困难等的阐述，提出了本文研究的目的和侧重点。由文献 综述可见，目前对柴油机螺旋进气道三维数值的研究主要是在自然吸气状态下对不 同的气门升程下的研究。而本文所要进行的研究是在不同的进气压差和不同的气门 升程下对进气道内的三维流动状态进行计算模拟，目前这一方面的研究国内尚未报 道。 1 0 塑坚丕堂壁堂丝堡塞星堕塑堡鉴迪塑丝簦墨壁夔圭墨固塞笪堡堡型塞丝型 塞 参考文献：( r e f e r e n c e ) 【1 1 a r o c o u m a n i s c ，t a n a b es s w i r l g e n e r a t i o n b y h e l i c a lp o r t s s a e 8 9 0 7 9 0 ，1 9 8 9 2 e lt a h r ys a p p l i c a t i o no far e y n o l d ss t r e s sm o d e lt oe n g i n e l i k e f l o wc a l c u l a t i o n s t r a n s a c t i o n so f a s m e ，1 0 7 ( 1 9 8 5 ) 【3 】s u g i u r a e ta 1 n u m e r i c a la n a l y s i so ff l o wi nt h ei n d u c t i o ns y s t e mo f a ni n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e m u l t i - d i m e n s i o n a l c a l c u l a t i o nu s i n gan e wm e t h o do f l i n e s s a e 9 0 0 2 5 5 ，1 9 9 0 4 】d a n i e lc ，h a w o r c h e ta 1 m u l t i d i m e n s i o n a l p o r t - a n d - c y l i n d e r f l o wc a l c u l a t i o n sf o r t w o a n d - f o u r - v a l v e - p e r - c y l i n d e re n g i n e s ：i n f l u e n c e o fi n t a k e c o n f i g u r a t i o n o nf l o w s t r u c t u r e s a e 9 0 0 2 5 7 ，1 9 9 0 【5 】 f uh ，t i n d a lmje ta 1 c o m p u t a t i o no ft h