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摩托车发动机可变进气系统的研究 r e s e a r c ho nv a r i a b l ei n t a k es y s t e mo f m o t o r c y c l ee n g i n e 学科专业：动力机械及工程 研究生：胡华强 指导教师：任立环研究员 天津大学机械工程学院 二零零，i 军走，与 摘要 为提高发动机性能，进一步挖掘小型发动机的潜在能力，现在摩托车发动机 也向多气门方向发展。但同时，发动机在高速大负荷与中低速小负荷下动力性差 别的矛盾，燃油经济性与排放性能之间的矛盾也更为突出，这些问题仅靠增加或 减少气门数量是无法有效解决的。然而中小型发动机也受价格和市场的影响，更 加上布局狭小的尺寸等因素，也不同于许多汽车发动机的设计方案。 本文以天津内燃机研究所为浙江星月集团有限公司新研发的4 气门1 2 5 m l 排量发动机为基础来设计，要求在对发动机不作大改动、同时不降低最大功率和 最大扭矩的条件下提高部分负荷下的发动机性能。根据这一要求及安装、加工和 生产等一系列因素的考虑，通过反复方案研究和比较，选择了连续可变进气通道 。 截面积这一方案。 主要研究内容包括：利用一维模拟软件b o o s t 建立了1 2 5 m l 排量四气门改 进型发动机工作过程的数值模拟模型，并对所建立的模型进行了验证；进行进气 系统改造方案研究，采用只改变进气管道截面积为最优化性价比方案；性能模拟 计算结果和样机的软件模拟与台架实验最终验证，发动机部份负荷特性在中低转 速下，功率扭矩均有不同程度的提升，同时保证了高速性能没有降低。 经过台架试验，验证了模拟计算结论。研究结果达到了设计的要求，并加之 以理论分析，可以作为其他同类机型开发的一种模型，具有一定的参考价值。 关键词：摩托车发动机可变进气模拟软件 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v ee n g i n ep e r f o r m a n c ea n dt od e v e l o pt h ep o t e n t i a lc a p a c i t yo f s m a l le n g i n e s ，m o d e r nm o t o r c y c l ee n g i n es t a r t st of o c u so nm u l t i - v a l v et e c h n o l o g y h o w e v e r ，t h ec o n t r a d i c t i o nc a u s e db yt h ed i f f e r e n c e so fp o w e rp e r f o r m a n c eb e t w e e n e n g i n e sa th i g h s p e e du n d e rh e a v yl o a da n da tl o w s p e e du n d e rs m a l ll o a d ，a n dt h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nf u e le c o n o m ya n de m i s s i o n sp e r f o r m a n c eb e c o m em u c hm o r e r e m a r k a b l e a l lt h e s ep r o b l e m sc a nn o tb ee f f e c t i v e l ys o l v e dj u s tb yi n c r e a s eo r d e c r e a s et h en u m b e ro fv a l v e s w h a t sm o r e ，t h ed e s i g no fs m a l la n dm e d i u m s i z e d e n g i n e si sd i f f e r e n tf r o mt h a to fo t h e re n g i n e sb e c a u s et h e ya r ea f f e c t e db yt h ep r i c e a n dm a r k e ts i t u a t i o n ，n o tt os p e a ko ft h es t r i c tr e q u i r e m e n to fs i z ea r r a n g e m e n t i nt h i sp a p e r , t i c e r i ( t i a n j i ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n er e s e a r c hi n s t i t u t e l n e wd e s i g n e df o u r - v a l v e12 5 m le n g i n ef o rz h e j i a n gx i n g y u e g r o u pc o l t d w a s u s e d ，t oi m p r o v et h ee n g i n ep e r f o r m a n c eu n d e rp a r t i a ll o a d ，o nt h ec o n d i t i o nt h a t w i t h o u tm a k i n ga n yb i gc h a n g e s ，a n dk e e pm a x i m u m p o w e ra n dm a x i m u mt o r q u e m a i n t a i ni nt h em e a n t i m e c o n s i d e r i n gt h e s er e q u i r e m e n t sw h i c h j u s tm e n t i o n e da n d o t h e rf a c t o r ss u c ha si n s t a l l a t i o n ，p r o c e s s i n g ，p r o d u c t i o n ，l o t so f r e p e a t e dr e s e a r c h e s w e r es t u d i e da n dc o m p a r e d ，t h e nt h es c h e m eo f c o n t i n u o u s l yv a r i a b l ei n t a k ec h a n n e l c r o s s s e c t i o n a la r e aw a sc h o s e n m a i nc o n t e n t si n c l u d e ：e s t a b l i s h m e n to f t h ee n g i n ew o r k i n g p r o c e s sm o d e lb y u s i n go n e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eb o o s t ；m o d e lr e l i a b i l i t yc e r t i f i c a t i o n ； r e s e a r c ho ni n t a k es y s t e ms c h e m eo p t i o n s ；o p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g no fi n t a k es y s t e m ； f i n a lv e r if i c a t i o no ft h ep r o t o t y p eo ft h es o f t w a r es i m u l a t i o na n db e n c ht e s t ；p r o s p e c t a n di d e a so ff u r t h e rd e v e l o p m e n t t h er e s e a r c hr e s u l t sm e tt h er e q u i r e m e n t s t o g e t h e rw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ， t h i sd e s i g n ，w h i c hc a nb eu s e da sam o d e lt ot h ed e v e l o p m e n to fo t h e rs i m i l a r e n g i n e s ， i so fc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：m o t o r c y c l e ，e n 。_ l n , ，v a r i a b l ei n t a k e ，s i m u l a t i o ns o f t w a r e 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鲎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。 繇嘲彳锔蝴期：加子年多月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞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) 导师签名： 气秒识、 签字日期：纱c 字年厂月r 日强日 铭1 夕 讯幻 辄 砗 斟部 堵 少 作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 可变技术是指随着使用工况及要求的变化，或者为了解决矛盾及避免发动机 不正常工作现象的出现，使相关系统的结构或参数作相应的变化，从而使发动机 在各种工况下，综合性能指标能大幅度地提高，而且避免不正常燃烧及超负荷现 象的产生。可变技术，已在国外大中排量摩托车发动机上得到应用，而在轿车发 动机上的应用要普遍的多。 现代摩托车发动机向多气门方向发展的同时，发动机在高速大负荷与中低速 小负荷下动力性差别的矛盾，燃油经济性与排放性能之间的矛盾也更为突出，这 些问题仅靠增加或减少气门数量是无法有效解决的。除了加强强度之外，整体设 计也提出了一些新思路，同时中小型发动机也受价格和市场因素的影响，更加上 布局狭小的尺寸因素，也不同于许多汽车发动机的设计方案。由于目前国内摩托 车厂商对摩托车发动机研发力度还远远没达到国外大公司的研发投入力度，国内 摩托车市场还是以廉价、小排量、低转速、低负荷为主，致使国内摩托车发动机 的研发停留在一个较低的层面上。本文的目的就是使有限的研发利用在最合理的 研究方向匕。 1 2 国内外发动机可变进气系统研究现状及发展趋势 1 2 1 几种比较常见的可变进气系统 可变进气系统实际是利用了发动机进气管中的气体惯性和压力波动，来提高 发动机的充气效率。一般而言，当进气管长度较长时，进气管中的压力波波长较 长，可使发动机在中低速区充气效率高，功率大；当进气管长度短时，进气管中 的压力波波长短，可使发动机高速区充气效率高功率大。而普通发动机进气管的 长度是不变的，只能在某一转速下有合适的压力波波长。可变进气系统可使发动 机在中低速和高速时均有合适的压力波波长，而使发动机在中低速和高速时均 有较高的功率，同时可提高发动机的经济性和降低排放污染。 1 ) 可变进气管长度 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分可务为无级可 1 第一章绪论 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；另一种是伸缩管，由 齿轮和齿条驱动。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。 进气管长度无级可变系统可以在内燃机的整个转速范围内提高充气效率，这 是其优点，但是也存在着控制系统复杂、密封性差的问题。进气管长度分级可变 系统一般只在两个管长之间切换，结构简单，控制系统容易实现。但需避免切换时 转矩的下降。总之，进气管长度可变系统的结构简单、费用不大、可靠性高，适用 于汽车、拖拉机、摩托车等的发动机。其发展方向是在同一发动机上采用可变气 阀正时与可变进气管长度相配合，提高发动机的动力性、经济性。 2 ) 多气门分别投入工作 多气门技术是现代发动机的发展趋势，气门的增多有利于进排气，这使发动 机转速及动力性能有了进一步的提高。可变气门和气道正是在多气门环境下才可 以实施。 当发动机在节气门部分开度工作时，涡流控制阀关闭，混合气只能通过主通 道进入气缸。由于涡流控制阀处的节流作用使混合气加速，并且气流沿切线方向 进入气缸，这样可形成较强的进气涡流，这对于低速工况是有利的。当发动机转 速及负荷增加时，涡流控制阀打开。主通道与第二通道同时进气，增加了进入气 缸内的混合气量，而且抑制了进气道中进气涡流强度，这对提高发动机高速工况 时的充气效率和热效率是有利的。 3 ) 可变进气道系统 可变进气道系统是根据发动机转速的变化，使用不同长度及容积的进气管 向气缸内充气，以便能充分利用进气管中的气体惯性和压力波动，从而提高充气 效率及发动机的动力性。现有的比较成熟的可变进气道技术主要有双脉冲进气系 统和四气f 7 - - 阶段进气系统。 双脉冲进气系统一般由空气稳压室和两根脉冲进气管组成。空气稳压室的入 口处设置节气门，出口为两根直径较大的进气管，两根进气管间有一动力阀，动 力阀关闭，两根进气管中分别有各自的谐振空气波，互相不干扰。一般当发动机在 低速运转时，进气管中的动力阀门关闭，这时进气管中能形成谐振进气压力波， 提高了充气效率，发动机的转矩能达到最大值。当发动机运转于高速段时，进气 管中便不能形成有效的进气压力波，这时动力阀门打开，两个中间进气通道便连 接成一体，形成高转速下的谐振进气压力波，同样会提高充气效率使发动机的 转矩达到较高值。 四气门二阶段进气系统是由弯曲的长遣气管和短a 勺妻迸气管劣、别连接空气 2 第一章绪论 室和缸盖上的两个进气门。当发动机低速运转时，动力阀关闭短进气管的通道。 空气经过长的弯曲进气管道进入气缸，使气流速度增加，形成较强的涡流，促进 混合气的形成。此外，长进气管能够在进气门即将关闭时，形成较强的压力波， 使进入气缸的充气量增加。这些都有助于提高发动机在低速运转时的转矩。当发 动机转速高于某一值时，动力阀打开。额外的空气从空气室经短进气管进入气缸， 提高了充气效率。并且经短进气管进入气缸的这股气流，将经过长的弯曲进气管 道进入气缸的空气形成的涡流改变为紊流运动，能更好地满足高速高负荷时改 善燃烧状况的要求【2 j 。 1 2 2 国外摩托车发动机可变进气系统研究现状 从6 0 年代初至现在的4 0 多年是摩托车发动机技术发展的重要时期，与4 0 多年前的产品相比，现代摩托车发动机的技术进步是显而易见的，这个过程又可 以分为几个阶段： 1 ) 6 0 年代和6 0 年代以前，摩托车摩托车发动机技术发展的重点是提高发 动机的升功率和降低重量比； 2 ) 从6 0 年代末到8 0 年代末期，发动机的综合性能成为人们关注的主要问 题，特别在提高中、低转速条件下发动机的性能方面，取得了进展； 3 ) 从9 0 年代初期到现在，随着人类社会环境保护意识的加强和全球化， 人们把重点放在开发节能与清洁发动机上。即制造低油耗、低排放的机型。为了 实现这个目标，当前人们仍面临一些尚待解决的技术课题。 上述三个阶段只是大致划分，每个时间的技术进步内容有时也是相互重叠和 交叉的，有些内容甚至可能延续到下个世纪。当然，我们仍然必须承认每个时期 总有其时代的主旋律。正是由于主旋律不断发展和更替，推动着摩托车发动机技 术不断进步。 由于现代发动机向体积小，升功率大的方向发展，所以发动机的强化事实上 已达到相当高的水平。转速超过1 0 ，0 0 0 r m i n 的发动机屡见不鲜。如果按传统 的结构，就很难保证其中、低速性能。即高速发动机常常在中、低速工况下扭矩 降低，油耗升高。为此，国外一些公司相继推出了各种改善发动机中、低速性能 的技术，在进气系统上的可变技术的应用实例大致有以下几种： 1 ) y i c s 系统 在主进气系统旁设置辅助进气道，并在主气道上设置第二节气门，当发动机 在部分负荷条件下工作时，第二进气门关闭，混合气经辅助气道进入燃烧室，由 于其流速高，使燃漓雾化和蒸发过程郡得至0 改善。在进入气缸圜在较强的涡流 产生，从而促进燃烧，改善发动机的燃油经济性。 3 第一章绪论 2 ) y d i s 系统 应用在四气门发动机上。两个进气门都有单独的进气系统。当发动机在部分 负荷条件下工作时，关闭一个节气门使一个进气道进气，这时，一个进气道进气， 混合气流形成强烈的涡流，以改善燃烧过程，提高发动机的经济性和运转稳定性。 3 1r e v 系统 是针对四气门发动机设计的，在发动机处于中、低转速时，通过转速传感器 将信号传给电磁阀，由电磁阀操纵液压缸，中止一个进气门的工作，从而达到改 善发动机中，低速性能的目的。 4 ) w t 系统( 可变定时气门机构) 这种机构具有两种凸轮，在全负荷高速运转时，由高升程凸轮控制摇臂，在 低速低负荷时，由低升程凸轮控制摇臂，从而实现在全负荷高转速条件下的大功 率输出。在低转速条件下同获得较好的燃油经济性和运转的稳定性。每对进气门 和排气门均具有3 个凸轮，其左右两个凸轮为高升程的，分别控制两个单摇臂轴； 中间凸轮为低升程的，控制叉形摇臂，摇臂孔的中心位置是由偏心摇臂轴控制的， 两偏心轴的运动又是由齿条控制，通过这套机构，在高速和中低速状况下，气门 具有不同的升程。 5 ) y e i s 系统 对于高速二冲程发动机来说，在中低速状态下，总是存在不同程度的“扭矩 谷”，在扭矩谷及其附近，发动机扭矩下降、油耗增加，工作不稳定。y e i s 系统 就是为消除上述高速二冲程发动机中、低速扭矩谷的技术。 在进气阀关闭时，由于空气室的压力降低，使混合气继续流向空气室从而避 免了气阀第二次开启时混合过浓，当气阀再开启时，空气室内的混合气又流向曲 柄室。这时，如果空气室的谐振频率与发动机的工作频率一致，对发动机中、低 速性能的改善就会更为明显。 6 ) p r v t 复合进气系统 采用活塞阀控制进气时，由于在低转速时产生的燃气反喷，使性能变差。如 果采用活塞阀和簧片阀联合控制进气的方式，就能同时改善高低速性能，消除“扭 矩谷”和“油耗峰”现象。 1 3 本文主要研究目的和工作内容 浙江星月集团有限公司原有的1 2 5 m l 排量摩托车发动机采用类似于普通 c g l 2 5 发动机设计，额恚功率、最大扭短动力性与同类车型相 ! 表现不是 分突出。天津内燃机研究所设计所为其遘 亍了设计改进罱4 气门缸头代替原有 4 第一章绪论 2 气门缸头，同时缸头内部设计和缸盖也相应进行改动，新缸头利用2 个进气门 改善了普通c g l 2 5 发动机高速工况下进气不足的现象，全负荷功率和扭矩都有 一定程度的提高。 由于发动机长时间工作在部分负荷工况下，所以进一步改进的重点应放在中 低速和部分负荷性能的提高上，本文通过研究方案的对比，拿出一个最佳可变进 气系统实现方案，研究工作主要包括以下几方面内容： 1 ) 研究不同可变进气系统结构方案； 2 ) 运用模拟软件就影响发动机性能的因素进行模拟计算分析，分析不同进 气道、进气截面积变化对发动机性能的影响： 3 ) 发动机缸头及进气道的改进； 4 ) 发动机台架试验。 5 第二章发动机工作过程模拟计算的方法概论 第二章发动机工作过程模拟计算的方法概论 发动机模拟计算是从发动机运转过程出发，通过一定的简化和假设建立物理 模型，用微分方程对模型进行数学描述，然后用计算机通过合适的计算方法求解， 从而得到发动机各种运转参数随时间( 曲轴转角) 的变化规律。 2 1 缸内过程 2 1 1 高压循环，基本方程 内燃机高压循环的计算是以热力学第一定律为基础的，见等式( 2 1 ) ： 警型：- - - p c z d v + 譬一盟一h b 8 i d m e e ( 2 - 1 ) d仅d仅d仅一d o tdo c 二 式中：掣 气缸内的内能变化 d 盯 以_ d v 活塞做的功 孥燃料热值输入 d 仅 d “q “w - 全部气缸壁热损失 h b b _ d m e e 流入、流出气缸总的焓流变化 气缸内物质总质量 甜单位质量内能 p 。气缸内压力 矿气缸容积 鲱燃料热能 魏气缸壁热损失 口曲轴转角 口流入、流出气缸比焓值 d 胛t b b 流入、流出气缸的物质流 do ： 墓本e 讲，热7 了学第一是擘怼子高e 循环状态来说是气缸内能变化等予嚣寒 6 第二章发动机工作过程模拟计算的方法概论 做的功、燃烧燃料产生的热量、气缸壁热损失和泄露造成的焓流之总和。 对外部混合发动机做如下假设： 1 ) 燃烧开始时混合物是均一同质的 2 ) 结果，a f 系数在燃烧过程中为常数 3 ) 尽管成分不同，燃烧的和未燃烧的充气有相同的压力和温度 这样等式( 2 1 ) 变为： d q f do c 1 l + h w 科f + 九l 一舟 一( 1 + 弛，) 卜见警) ( 2 - 2 ) 式中：m 。燃烧的物质质量 z ，。燃烧的进气的内能 z f ，燃料的内能 甜折空气的内能 三汀化学计量的a f 系数 为了解等式( 2 2 ) ，燃烧放热率和气缸壁热传递的模型，还有作为压力、温度、 气体成分函数的气体特性是必需的。和气体方程( 2 3 ) 一起： 1 p 。= 古m 。r z ( 2 - 3 ) y 建立起压力、温度和密度之间的关系，用r u n g e k u t t a 方法1 6 1 可以解得方程 ( 2 2 ) 中的气缸内温度。一旦气缸内温度知道了，气缸内压力可以在气体方程中获 得。 2 1 2 放热规律 对于分析发动机性能为目的的模拟计算，一般采用韦伯放热函数。 韦伯放热函数是在均匀混台的情况下，从反直动力学推导出来的半经验公 7 、，、 刳型坠飞 一 p 厂 一 盟比 叫 所 一厂i i 一， 等等 一 一 第二章发动机工作过程模拟计算的方法概论 式。其形式为公式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 6 ) t 1 5 】： ，、肿+ i “9 0 8 f 兰= 堑l 石= 1 一p t , a a b f 2 4 ) 燃烧速度： a x = 6 9 0 8 盟f ，等兽厂，。9 0 8 陪 (2-5)d a a a ri j 、7 燃油燃烧放热规律： 鲁= m i l l “d x “ ( 2 - 6 ) 上述式中： x 在瞬间已燃燃料占全部燃料的百分比 m ，缸内燃油量 h ，燃料低热值 口曲柄角 燃烧开始时的益柄角 口燃烧过程中曲柄角的变化 垅形状参数 m 是反映燃烧过程中火源区相对密度随时间变化的一个特征参数，它同时也 确定了燃烧过程进程度值，称为燃烧品质因数。r n 越大，相应的燃烧速度越慢， 而后燃现象较严重，燃油消耗率及排气温度也随之上升。对汽油机来说，m 与燃 烧室形状有很大关系。 m 、a o 和a o c 是表征燃烧过程化学反应的动力参数，这些参数值的大小决定 了燃烧过程进展的情况。这些参数或者通过实验和实测的示功图来确定，或者通 过相似机型的类比加以选定。 韦伯函数是对发动机燃烧规律最常用的简单方式，只要关键参数选取适当， 可与实验结果很好的吻合。 2 1 3 传热模型 单位曲轴转角内，传入缸内的热量见公式( 2 7 ) ： 等= i l 胛_ 么( r e 吲( 2 - 7 ) 式中：a 传热表面积( 气缸顶，活塞，衬套) 磁。，换热系数 p 气起内气体温夏 瓦，外璧温度( 气缸顶，活塞，千j 喜， 8 第二章发动机工作过程模拟计算的方法概论 换热系数的确定是比较复杂的，目前已经形成了很多的经验公式，较为 普遍应用的是w o s c h n i 公式。公式( 2 8 ) ”1 是1 9 7 8 年出版的w o s c h n i 换热系数的 计算公式： a , w = 1 3 0 d - 。z 啊5 3 卜q 盟p c i v 。1 ( p c - p 。, o ) o 8 亿8 ， c 2 = 0 0 0 3 2 4 m ( s k )c l = 2 2 8 + 0 3 0 8 ” 式中：d 气缸孔径 c 。活塞速度 q ，圆周速度 圪单缸排气量 p 。 电动机反拖时气缸压力 互。进气门关闭时( r v c ) 气缸内的温度 见。进气门关闭时( r v c ) 气缸内的压力 2 2 进气管中一维非定常流动计算模型 发动机进气系统中气体的流动，由于管道沿管长方向的尺寸与管径相差很 大，径向流动不明显，因此可简化为一维非定常流动。此外，发动机管道有摩擦， 截面积变化以及管外的热交换，又使气流成为非等熵流。 2 2 1 模型导出的条件 在建立发动机管道的流动方程时，作如下一些假赳1 5 】 1 8 1 ： 1 ) 管道轴向的几何尺寸比管道径向的几何尺寸大得多，管道轴向流动效应 比横向流动效应要大得多。因此，忽略径向流动效应，从而认为管道内流动是一 维的，对于每一个流动参量，均应理解为流动参量在相应管道截面上的平均值。 2 ) 管内流动参量随时间变化十分剧烈，故认为管道内流动是非定常的。 3 ) 气体所流经的管道，其截面积变化比较缓慢，而且认为管壁是刚性的。 4 ) 需要考虑管壁的摩擦，及与管壁热传导或者管内燃烧，即与管内气体有 热交换。这种摩擦、热传导或燃烧加热本质上不是一维的，但为了使分析简化起 见，还是使用一维模型( 采用适当的平均值) ，故流动过程是非等熵的。 5 ) 管内流动认为是理想气体，并不计重力。 9 第二章发动机工作过程模拟计算的方法概论 2 2 2 守恒方程 根据上述考虑管壁摩擦、传热及质量加入等因素建立起的计算模型，称为一 维非定常流动模型，取管道的- d , 段微元，作为计算用的控制题，可以从质量守 恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律出发，推导出管内一维非定常流动的基本 方程，可得： 连续方程：警= 一生芒型一e + p ) 去坐d x o x+ 参 ( 2 - 9 ) d f月 动量方程掣= 一字节一三a 罢专 ( 2 - ，。) 0 l0 xo xy 髓方程：警= 一掣节1 罢( 2 - 1 1 ) 式中：p 密度 流动速度 x 沿管道轴向坐标 a 管道截面积 t 时间 p 静压 r 管道摩擦力 矿单元体积( a d x ) e 气体内能 g 。壁面热流动 上述( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 三个方程【1 8 】 1 9 】 2 0 1 组成了一维、变截面、有摩擦和 传热、不等熵的不定常流动的基本方程。基本方程属于一阶非线性微分方程，可 以采用特征线法、有限差分法或有限体积法进行求解【1 6 】。对上述三个方程求解， 得到流体的压力、速度和温度，该结果最终与缸内过程基本等式进行耦合求解。 2 2 3 特征线法求解一维非定常流动 对基本方程进行变换处理，可得出用特征线法表示的全微分方程 2 3 】，共有三 条特征线，其特征方向和相容性方程分别为： 一d x ：“口 r 2 1 2 )一= “土口 ( 2 - d t i d p i d u 七- 1 ) p h ，4 f u 2 i - u , ) + 下d p ui d f 苦譬蚤= 帅邯) 和竺：“f 2 】三1 10 第二章发动机工作过程模拟计算的方法概论 去一鲁一( y 一，) p ( g + 掰苦譬葫j - o c 2 。5 ， 引入无量纲参数： 肚专，睢毒，以2 老，z 一等，肛寺 c 2 j 6 ， 式中压力p 等熵变化到参考压力时的音速，反映了管道中熵的大小， 称为熵值；下标阿参考状态。 定义黎曼变量： 兄：彳+ 掣u= 4 一掣u ( 2 - 1 7 ) 通过变量代换，将有特征方向和特征关系式都变换成为仅含有变量名、和 a 彳的方程。 沿五的特征线的特征方向和特征关系式分别为： d x ：u + af 2 1 8 ) 址三一学挚舯川，牛 亿 一型丝堡忽+ 业堕土记 2fd x 2 a 沿的特征线的特征方向和特征关系式分别为： d x ：u af 2 2 0 ) 扯暑+ 学挚舯川，牛 亿2 ， 一型丝堡忽+ 世肇土彪 2fd x2 咯4 沿迹线的特征线的特征方向和特征关系式分别为： d x ：u( 2 2 2 ) d z ，、 鸱= 孚参( 等+ 警圳忽 b 2 3 ， 采用正交网格差分法离散特征方程和相容性方程，选定x 方向上的步长战 和z 方向上的步长z ，假定特征量在网格内是线性分布的，在x - z 平面的矩 形网格上利用上一时刻的三个特征量通过相容性方程可求得当前时刻的特征量。 在进行上述数值计算孵，为了保证解的稳定性，必须遵守稳定性( c f l ) 原则。 在取定网格长度麟之后时间步长业由公式( 二2 4 ) 确定： 第二章发动机工作过程模拟计算的方法概论 z 1 面 不a 丽u 麟 + li 2 3 管端边界条件的处理 ( 2 2 4 ) 管道端部的求解采用了特征线法。实际管道端部的气流流动与管内压力波、 边界压力和管端面积有关。管端气体流动的方向不同，其边界条件的计算方法也 不同，因此在计算之前先要判断气体流动方向。 管端流体的速度和压力可由相关特征线的相容性方程求出。特征线可分为两 类。 1 ) 沿特征线“口的相容性方程分别为： ( z ，月一u 曲) + 兀( p r p 曲) + 五= 0 a ： p e r 兀= 睇警野舍掣卜 式中：e 摩擦力； ，管截面积； q 热量： 下标r 管端状态； 下标c h 特征线边界点的状态； c 1 ，气体的定容比热。 2 )由于边界点处流动方向不同引起特征线的分布情况不同， 虑顺流和逆流两种情况。 在顺流状态时，由沿迹线的相容性方程确定熵值的变化 胪p 乃海卜p ( 一等) f 2 - 2 5 ) 迹线“必须考 ( 2 2 6 ) z s s - 堡墼挚监( 2 - 2 7 ) 磊+ 式中：a s 墒值增量5 下标他一边界节点迹线状态。 在逆流状态时，由于迹线没有落在管内，这是设入流的滞止温度与环境温度 相等，管内流体的温度可由能量方程求出： 瓦= l 一兰 f 二一2 s 、 第二章发动机工作过程模拟计算的方法概论 式中：c 。定压比热； 下标彳临界状态。 另外，求解中需补充状态方程p = p r t 和音速方程口= 雄r 。 管道内的气体流动可分为超音速、亚音速和音速流动三种，可由管道截面处 的气体压力与滞止状态下的压力的比值判断。在超音速状态下，实际压力比小于 临界压力比， 尝 ( 寿厂 亿2 9 ， 式中：仇滞止压力； 儿气体压力。 流量与实际压力比无关，流体的流量为 风岳( 六广岳 陆3 。， 在亚音速状态下，管端处流体的流量为 聊2 口p o 式中口流量系数。 2 4 边界条件简化处理 2 4 1 空滤器模型 ( 2 - 3 1 ) 空气滤清器对进气系统中的压力波动有着不可忽视的作用。在本文的计算 中，同时考虑了空滤器中阻力效应和容积效应，将其作为一个“容积腔管一 一容积腔”模型进行处理。对空滤器分为两部分考虑，空滤器进、出气口简化为 容积腔，滤芯简化为一直管。简化结果如图2 1 所示。 t ；彳滤器 广一一 i： 13 第二章发动机工作过程模拟计算的方法概论 图2 1 空滤器简化模型 容积腔内流体的计算与气缸内换气过程的计算相似， 百d ( m u ) = 等+ 一zd d m 缈i h i 一每 ( 2 - 3 2 ) 2 4 2 喷嘴( 化油器) 模型 摩托车发动机中，化油器起到非常重要作用，在化油器内可燃混合器进行混 合，b o o s t 软件中，没有单独的化油器模块，在本文中，对化油器的处理是将 其简化成为一个截面变化的喷管。 其连续方程：p , u 。e = p 2 u ：e ( 2 - 3 3 ) 能量方程： 啊+ 孚= + 譬 ( 2 - 3 4 ) 流量： 式中： l ， 历= 帅亩甲( 2 - 3 5 岱流量稀疏，它考虑了多维气体流动简化时的压力损失； 彳有效面积； 甲通流函数 当 ( 斋 工质流动捌孵速 、壬，= 当去( 寿 通流函擞瞰值，为 甲一：( 寿广厮 2 5 本章小结 ( 2 3 6 ) f 2 - 3 7 ) 本章以缸内过程和气体流动过程为重点，介绍了内燃机高压循环基本等式、 韦伯放热函数、传热模型、机构运动学模型、管内一维非定常流动的基本方程等 方面内容，并且涉及到几个主要边界条件模型的确定。简要阐述了发动机工作过 程模拟计算的基本原理。 14 第三章模拟计算及可变进气系统设计方案分析 第三章模拟计算及可变进气系统设计方案分析 3 1c f d 模拟计算简介 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机 数值计算和图像显示对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的 分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量 的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通 过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组然 后求解代数方程组获得场变量的近似值c f d 可以看做是在流动基本方程( 质量 守恒方程飞动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种 数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速 度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋 涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式 流体机械的转矩、水力损失和效率等。此外，与c a d 联合，还可进行结构优化 设计等。c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动 问题的完整体系，但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出 理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。 实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基 础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和 测量精度的限制，有时可能很难通过试验力一法得到结果。此外，实验还会遇到 经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。 而c f d 方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的 计算。就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计算并将其 结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节：如激波的运动、强度，涡的生 成与传播，流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。数值 模拟可以形象地再现流动情景。 3 2a v lb o o s t 一维热动力学模拟分析软件介绍 本文计算采用a ，l 公司发动机循环和气体交换一维模拟软件b o o s t ，滚较 15 第三章模拟计算及可变进气系统设计方案分析 件可进行一维气体动力学计算、充气系统匹配分析、发动机性能预测等。b o o s t 是一种基于可视性操作j i i 统( w i n d o w s 、m a c o s ) 的适合分析各种发动机性能的模 拟计算软件，它以一维流体动力学为基础，管系采用有限体积法进行数值计算， 充分考虑了可燃混合气的组分不同引起相应的热力学性质的变化并且提供了许 多不同类型的边界条件子模型可供选择，可对各种形式的发动机整机或局部子系 统进行模拟计算。整个软件由前处理模块、主计算模块和后处理模块组成。 b o o s t 前处理模块式采用模块化的结构建立相应模型，发动机的各元件( 如 气缸、空气滤清器、管接头、容积腔等) 均由对应的模块表示。在窗n 模型中它 们之间用线段表示管道连接。这些模块都只具有一种象征意义，实际具体的发动 机所有结构参数和特征参数均须在总输入窗口和相应元件的数据输入窗口中进 行定义。在后处理模块中可以对计算结果进行多种形式的分析i 2 ”。 3 3 基本模型建立 在前处理模块建立的模型图如图3l 所示 图31 前处理模块建立的模型 16 第三章模拟计算及可变进气系统设计方案分析 该模型主要由气缸、进气系统和后处理系统三大部分组成。进气系统主要包 括空气滤清器、进气通道等模块。排气系统主要由排气管和流动约束组成。汽缸 内的燃烧模型采用较为简单的单区韦伯函数，换热系数选用w o s c h n i l 9 7 8 经验公 式。 另外由于该模型使用的是每缸进排气门各一个的气缸模块，所以进排气门变 化对模型会产生一定影响，考虑到计算采用的是一维模型，所以可以引入一个比 例因子k ，用以修正充气效率，如式( 3 1 ) ： k ：尘立刚) dd t 式中：k 比例因子 刀进排气门数 z 。进排气门直径 d 。，进排气道管径 图3 1 中，s b l 2 模拟系统边界；c l l 模拟空气滤总成；p l l 3 模拟可变迸 气通道谐振腔；1 1 模拟化油器；c 1 模拟气缸；管1 5 模拟与空气滤清器、化油 器、进气通道等相连的管道；管6 8 模拟可变进气通道内部结构，管9 模拟缸盖 内到气门的通道；管l o 1 3 模拟排气系统连接；c a t l 是三元催化转换器，它和 p l 4 模拟组成消声器内部情况；m p l 6 为各个测量点( 部分点未使用) ：r 1 3 模 拟流动损失。 发动机相应的计算输入参数和基本数据分别见表3 1 、表3 2 、表3 3 ： 表3 1 计算输入初始参数i 全局参数输入数值 备注 发动机转速 6 0 0 0 r p m 计算模式单点计算 混合准备方式外部混合化油器式混合 发动机类型汽油机 汽油低热值4 3 5 0 0 k j k 2 理论窄燃比 1 4 5a 、7 l 公司拦荐兰 17 第三章模拟计算及可变进气系统设计方案分析 表3 2 计算输入初始参数2 气压10 0 0 0 0 p a 温度2 9 8 k 冲程数4 最大计算区域 7 2 0 0 d e g c r a 1 0 个发动机循环 计算时间步长控制2 5 m s 输出数据间隔 3 d c g c r a c r a 为曲轴转角 数据保存间隔 7 2 0 d e g c r a 每个循环均记录 稳态计算瞬态计算稳态计算 表3 3 发动机基本参数 1 5 6 f m i ( 四气f - j1 2 5 m i 排量) 发动机技术参数 型式单缸、四冲程、风冷 离合器型式多片油浴式 气缸直径5 6 5 m m离合器操纵方式样手动 脚变速踏杆 活塞行程4 9 5 m m变速器型式 逐级变速 气缸工作容积1 2 4 m l初级速比 4 0 5 5 ( 7 3 18 、 压缩比9 3 ：1 一档速比 2 6 4 3 ( 3 7 14 、 连杆长度1 0 3 5 m m二档速比 1 7 7 8 ( 3 2 1 8 ) 1 5 0 士1 0 ( 1 5 0 0 # m i n )三档速比 1 3 1 6 ( 2 5 1 9 ) 点火提前角 3 4 。士2 0 ( 4 0 0 0 r m i n ) 四档速比 1 0 4 5 ( 2 3 2 2 ) 最低空载稳定转速14 0 0 - 士10 0 r m i n 五档速比 0 8 7 5 ( 2 1 2 4 ) 链轮机械式 汽油机旋转方向 逆时针( 面对输出链轮) 动力转速输出方式 输出 点火方式c d i起动方式 脚踏电起动 进气提前角：上止点前0 0磁电机型式外触发式 配气相位进气滞后角：下止点后3 0 0曲轴箱润滑油容量 1 0 0 0 m 1 ( 气门升程l m m )排气提前角：下止点前3 0 0阔滑方式 压力飞溅式 排气滞后角：上止点后o 。配气方式o h c 18 第三章模拟计算及可变进气系统设计方案分析 3 4 模拟分析计算 3 4 1 原机模型计算结果与实际测量对比 为评价上述所建模型的运算精确程度和可靠性，将原机模型模拟结果与原机 试验实测数据进行对比，对比是在发动机外特性下的功率和扭矩曲线上进行的。 由图3 2 的比较结果可以看出，计算结果和原机试验值之间的最大误差不超过 7 ，大多数工况下的误差在3 以下。除低速端扭矩误差较大：夕l - ( 4 5 0 0 r p m ) ，扭 矩误差7 ，其他各点计算结果吻合情况良好。 个别点产生较大误差的原因可能是由于模型简化时所使用燃烧模型中经验 参数的选取本身误差造成的，主要是韦伯形状因子和燃烧持续角的取值影响较 大，另外管道摩擦系数的选取对计算结果也会产生影响。总的看来，当前模型计 算结果具有较高的计算准确度，本模型可以用来进行对发动机接下来的参数改变 计算。 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 05 5 0 0 6 0 0 0 6 5 0 0 7 0 0 0 7 5 0 0 8 0 0 0 8 5 0 0 p。1。111。一 ；一辱一4 气门发动机计算功率一篆一4 气门发动机实测功率 ；+ 4 气门发动机计算扭矩牛4 气门发动机实测扭矩 一一一_ - _ = _ = ：l = = = 一= = _ = _ =