（光学工程专业论文）车用柴油机相继增压排气系统的研究.pdf

摘要 摘要 本文对柴油机相继增压系统进行研究，针对y c 6 j 2 7 0 型直列6 缸增压柴油机设计 一套相继增压系统，并进行相关的匹配仿真计算，目标是使增压系统与柴油机能够良好 的匹配，并达到预期的性能技术要求。 本文采用计算机辅助设计的研究手段，根据原机的结构特点进行相继增压系统的设 计计算。设计方案是在原机的3 脉冲增压系统排气管后安装脉冲转换器和并联分岔管， 使其适应相继增压的管路布置要求。在涡轮前安装排气阀门，以控制增压器的工作顺序， 实现相继增压。 本文所设计的内容包括脉冲转换器、排气阀门、相关的并联管路及相继增压系统的 整体布置设计。使用u g 进行相关零部件设计，使用g t - p o w e r 进行增压系统与柴油机 的一维匹配计算，使用f l u e n t 进行排气阀门、排气管路的稳态和非稳态流场的计算，使 用u g 的仿真模块进行阀门强度计算。 通过仿真计算表明，所设计的相继增压系统与柴油机匹配良好，在提高功率的同时 拥有更低的燃油消耗率，同时为三维流场计算提供了边界条件。排气管的非稳态三维流 场计算能够更真实模拟排气脉冲交换能量过程的瞬态流场变化情况，计算结果显示脉冲 转换器工作良好，能够使脉冲排气管用于相继增压系统。排气阀门采用斜板式金属密封 蝶阀，经仿真计算验证阀门强度可靠，流动顺畅。 本文还提出了在相继增压系统中采用m p c 排气管的方案，并对m p c 排气管进行了 的参数设计和流场仿真计算。流场计算结果与理论相符，有进一步研究的前景。 关键字：柴油机；相继增压；蝶阀；脉冲转换器；仿真计算 大连交通大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e sar e s e a r c ho nt h es e q u e n t i a lt u r b o c h a r g i n gs y s t e mo fd i e s e le n g i n e t a k i n gt h et y p ey c 6 j - 2 7 0s t r a i g h ts i xc y l i n d e r st u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ea ss t u d yo b j e c t ， t h ep a p e rm a k e sad e s i g na n dc a l c u l a t i o nf o ri t ss e q u e n t i a lt u r b o c h a r g i n gs y s t e ms ot h a tt h e s y s t e ma n dt h ed i e s e le n g i n ec a nf o r mag o o dm a t c ht or e a c ht h ep r o s p e c t i v er e q u i r e m e n to f t e c h n i c a lp e r f o r m a n c e t h es t u d yi sb a s e do nt h ew a yo fc a dt od e s i g nt h et u r b o c h a r g i n gs y s t e m t h ed e s i g n s c h e m ei st oi n s t a l la ni m p u l s et r a n s f e r o ra n dt h ep a r a l l e lb i f u r c a t e dp i p eb e h i n dt h ee x h a u s t p i p eo ft h eo r i g i n a lt h r e ep u l s ep r e s s u r ec h a r g i n gs y s t e ma n da d j u s tt h e mt ot h ep i p e l i n e l a y o u t a tt h es a m et i m e ，e x h a u s tv a l v e si si n s t a l l e db e f o r et h et u r b i n e st ok e e pt h e t u r b o c h a r g e r si nar i g h tw o r k i n go r d e r t h e d e s i g nc o n t e n t si n c l u d et h ei m p u l s et r a n s f e r o r ，t h ee x h a u s tv a l v e ，t h er e l a t e dp a r a l l e l p i p e l i n ea n dt h ew h o l el a y o u td e s i g no ft h es e q u e n t i a lt u r b o c h a r g i n gs y s t e m u gi su s e di n t h ec o m p o n e n t sd e s i g n ，g t - p o w e ri su s e di nt h ec a l c u l a t i o no fo n ed i m e n s i o n a lm a t c h b e t w e e ns u p e r c h a r g i n gs y s t e ma n dd i e s e le n g i n e ，f l u e n ti su s e di nt h ec a l c u l a t i o no fs t a b l e a n du n s t a b l ef l o wf i e l da n dt h es i m u l a t i o nm o d u l eo fu gi su s e df o rt h ev a l v es t r e n g t h c a l c u l a t i o n t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ed e s i g n e dt u r b o c h a r g i n gs y s t e mm a t c h e sw e l l w i t ht h ed i e s e le n g i n ew i t hh i g h e rp o w e ra n dl o w e rs p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ，a tt h es a m e t i m e ，i tp r o v i d e st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h r e ed i m e n s i o n a lf l o wf i l e d t h ec a l c u l a t i o no f t h eu n s t a b l et h r e ed i m e n s i o n a lf l o wf i e l dc a ns i m u l a t em o r er e a lt h ec h a n g i n gs i t u a t i o no ft h e t r a n s i e n tf l o wf i e l dw h e ne x h a u s tp u l s ee x c h a n g ee n e r g ya n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t t h ei m p u l s et r a n s f e r o rw o k sw e l le n o u g ht ob eu s e di nt h es e q u e n t i a lt u r b o c h a r g i n gs y s t e m o b l i q u e - p l a t ef l a pv a l v ew i t hr e l i a b l es t r e n g t ha n ds m o o t hf l o wp r o v e db ys i m u l a t i n g c a l c u l a t i o ni su s e df o re x h a u s tv a l v e a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rp r o p o s e st o a d o p tm p ce x h a u s tp i p ei nt h es e q u e n t i a l t u r b o c h a r g i n gs y s t e ma n dc a r r i e so u tt h ep a r a m e t e rd e s i g na n dt h es i m u l a t i n gc a l c u l a t i o no n t h ef l o wf i l e do ft h em p ce x h a u s t p i p e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；s e q u e n t i a lt u r b o c h a r g i n g ；f l a pv a l v e ；i m p u l s et r a n s f e r o r ； s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董褒通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蔓銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太董銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 叉。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名么扭疡 日期：卅年f 月77 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名： 齿为优 日期：伊。7 年朗弓7 日 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 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 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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬銮通太堂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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 喇鲐硎良锡 日期= 沙尹9 第一章绪论 第一章绪论 1 1 涡轮增压技术 近年来我国的汽车保有量和石油产品的消费量快速上涨，市场潜力巨大。但是随之 而来便是石油资源和环境污染的压力。近年来，我国政府也出台了许多相关政策，意在 控制并限制车用发动机的能源消耗和排放。这些情况都对车用发动机的设计提出了更高 的要求。一方面要求经济性和环保，另一方面还要有充沛的动力和较强的环境适应性。 因此，对车用发动机的研究有着广阔的前景。 柴油机具有扭矩大、油耗低、可靠性和耐久性好的优点，广泛应用于重载货车和大 客车。随着柴油机新技术的不断发展并广泛应用，使得柴油机变得更加强劲，更加经济， 更加环保，更加安静平顺。近年来也有相当比例的轿车采用柴油机作为动力，特别是在 重视环保的欧洲国家，除了近1 0 0 的重型车、近9 0 的轻型车采用柴油机外，柴油轿 车所占总产量的比例达到3 0 以上i l j ，预计未来这个比例还会增加。 随着当今世界范围内环保意识的增强，排放法规日益严格，对体积小，单机功率大， 适应力强的柴油机需要日益增加。在众多改善柴油机动力和排放的措施中，涡轮增压技 术是最有效、最经济的措施之一，目前在车用柴油机上得到了广泛的应用。 涡轮增压的工作原理如图1 1 所示，在发动机的进排气系统中安装涡轮增压器，利 用气缸内燃烧后排出的高温高压的废气在涡轮中做功，驱动涡轮中的叶轮旋转。涡轮的 叶轮通过轴系与压气机的叶轮以机械方式连接，涡轮输出的功驱动压气机工作。压气机 将进气遒内的空气压缩，从而增加进气密度，提高充量系数，使得充入气缸的实际进气 量比自然吸气的进气量多，相当于提高了发动机的排气量，从而提高了动力性。进气量 增加也意味着燃烧质量更好、更充分，从而改善了排放，特别是改善了碳烟排放。排气 系统回收利用了废气能量，从而提高了整机的经济性【锄。 柴油机是依靠活塞压燃点火，通过控制喷油量控制动力输出，在高负荷工况下只能 单纯的提高喷油量，而无法控制相应的进气量，因此需要更大的空燃比。所幸的是，柴 油机没有爆燃限制，无需刻意控制进气压力，而涡轮增压技术正是通过提高进气压力和 密度来改善燃烧和提高动力性，因此柴油机特别需要且更适合采用涡轮增压技术。 大连交通大学工学硕士学位论文 空气出u 图1 1 涡轮增压器结构示意图 f i g1 is a u c t u r eo f t u r b o c h a r g e r 相比于其它的增压方式( 如机械增压) ，涡轮增压技术有着无可替代的优点： ( 1 ) 涡轮增压可以回收利用排气能量，在提高动力性的同时提高经济性。 ( 2 ) 涡轮增压可以显著改善柴油机的扭矩特性，通过提高增压比提高动力。 ( 3 ) 涡轮增压器结构紧凑，容易安装布置。相比于机械增压器，涡轮增压器的制造、 保养成本更低。 ( 4 ) 涡轮增压系统工作的震动和噪音更低，更平顺口i 。 正因为涡轮增压技术有这样的优势，近几十年来有了很大的发展，使增压柴油机的 功率、经济性、重量和体积等各项性能指标都获得了明显的改善。目前绝大部分的大功 率柴油机、半数以上的车用柴油机以及相当数量的车用汽油机均采用了增压技术。一般 柴油机增压后的功率可比原机提高4 0 6 0 甚至更多，平均有效压力最高可达到 3 m p a ，燃油经济性也有所提高 4 1 。 12 涡轮增压技术的发展方向 目前，涡轮增压技术的发展方向，一是车用化、小型化；二是高增压和超高增压。 这样以来就需要深入研究并解决两大问题；一是要实现涡轮增压器的高效率、高压比、 流量范围宽广以及高可靠性：二是要设计出既能够充分利用排气能量，又能避免进排气 干扰，同时与涡轮增压器有良好匹配的增压系统。 口0 锚 废 第一章绪论 1 2 1 可调涡轮增压器 为了实现高压比和宽流量范围，在传统涡轮增压器的基础上，衍生出了可调涡轮增 压器，如带旁通阀的涡轮增压器和可变截面涡轮增压器1 5 j 。 带旁通阀的涡轮增压器的原理是在一定范围内控制增压比。当柴油机处于高速高负 荷工况时，涡轮带动压气机高速工作，为了控制压气机的增压压力在一定限度内，此时 旁通阀会被顶开，一部分废气不经涡轮而直接排放n 丰i i e 气管中，这样可以降低增压器的 转速，控制增压比在一个合理的范围内。这种涡轮增压器成本低，结构简单，因此应用 广泛。但其调节范围有限，还会损失功率，对经济性有较大影响【6 j 。 可变截面涡轮增压器是一种较为先进的可调涡轮增压器。它通过改变蜗壳喉口或喷 嘴环的几何构造，调整涡轮的流通特性，以适应不同的流量范围。这样可以增加低速扭 矩，减少排烟和降低油耗率，并可改善加速和加载的瞬态特性，实现增压器和发动机全 工况范围的良好匹配。但这种涡轮增压器造价高，结构精密，控制复杂【7 】。 除了改进涡轮增压器，还可以通过改进整个进、排气系统来提高压比和拓宽流量适 应范围。相继增压和二级增压就是两种较为先进的高增压系统方案。 1 2 2 相继增压 采用常规增压方式的涡轮增压柴油机的增压压力和空气流量不仅受到柴油机转速 的影响，也受到柴油机负荷的影响。当柴油机在低速低负荷工况运转时，增压压力和空 气流量迅速降低，涡轮增压器处在低效率区。柴油机的增压度越高，上述缺点越严重； 这就导致高增压柴油机低速扭矩小和低负荷时燃油消耗率升高。随着增压比的提高，增 ”压器高效工作区域将进一步变窄，它与柴油机的匹配问题将会越来越突出【钔。改善这种 状况的最有效措施之一就是采用相继增压。 相继增压是指采用多个涡轮增压器并联布置，随着柴油机转速和负荷的增长，在一 系列控制机构的作用下，各增压器按照一定顺序相继投入运行。 相继增压系统的结构如图1 2 所示，在各个并联的增压器的涡轮进口和压气机出口 ( 或进口) 处分别装有阀门，以控制整台涡轮增压器的投入或退出运行，进排气管也要 做相应的改动。安装在涡轮进口处的排气阀门用于阻断和连通来自气缸的排气进入涡 轮。相应的，在压气机进口处安装一个单向止回阀，只允许空气进入压气机，在受到反 向空气压力时就自动关闭。当排气阀门打开时，涡轮带动压气机工作，新鲜空气通过单 向止回阀进入压气机，整台增压器投入工作；当排气阀门关闭时，停止向涡轮供气，压 气机失去动力后内部压力会降低，直至低于外部气压，这时单向止回阀自动关闭以保护 压气机，整台增压器停止工作。 3 垒垒! 丝垒兰! ! ! 堡! 兰堡篁! 】至堑垂亟壅鳗口 二蘸耍画受夔夔妇 图1 2 相继增压系统示意匿 f i g1 2 s e q u e m i a l t u b r o e h a r g i n gs y s t e m 相继增压的工作原理是，在不同转速和负荷下使用不同的增压器与柴油机匹配，增 压器可以单独工作也可以并联工作。这样既可以提高增压度，又可以保证在各种工况 下部有压比与流量适合的增压器在高效区运行，特别是改善高增压柴油在低速工况下的 扭矩特性，而燃油消耗率在整个运行域区内都较低削。 相继增压柴油机在国外被广泛应用于舰艇、船舶用大功率高速柴油机，以改善其低 速性能，排气阀门通常采用蝶阎，如德国的m t u 2 0 v 1 1 6 3 t b 8 3 柴油机。国内对相继增 压系统尚处于研究试制阶段，所使用的排气阀门及其传动机构也采用原机进口部件p 1 。 123 二级增压 由于涡轮增压器受材料强度的限制，单个涡轮增压器的增压比存在一定极限。提高 单级涡轮增压器的压比是通过提高压气机叶轮圆周速度实现的。然而，当叶轮外径的圆 周速度大于3 5 0 m s 时，效率就会明显下降，同时叶轮的叶片和轮盘的离心应力也会增 加。采用钛合金叶轮时，叶轮外径圆周速度的极限可能达到5 0 0 m s ，所能达到的单机增 压比为4 0 4 5 。随着增压比的提高，涡轮增压器的选型和匹配变得越发困难。为了达到 更高的增压比，就需要采用二级增压。 二级增压是指采用两个涡轮增压器串联布置，其结构如图1 3 所示。排气首先进入 第一级( 高压) 涡轮内做功，然后再进入第二级( 低压) 涡轮做功。相应的，高压涡轮 和低压涡轮分别驱动高压压气机和低压压气机。新鲜空气首先经过低压压气机压缩后压 第章绪论 力上升，然后经过高压压气机压缩，压力进一步上升，实现高增压。二级增压系统一般 在每一级压气机后都安装中冷器，使整个压缩过程向等温压缩靠近，这样可以使整个涡 轮增压器组的总效率提高。 图1 3 二级增压系统示意图 f i g 1 3 t w o - s t a g es u p e r c h a r g i n gs y s l e m 二级增压相当于由两台串联工作的增压比较低的涡轮增压器实现较高的增压比，而 每一级涡轮增压器的增压比较低，使得单级压气机有较宽的高效率区域，可靠性也得到 提高。其主要缺点是启动和低负荷性能较差，变负荷性的适应性较差，结构复杂，制造 成本高。 如果要弥补二级增压系统在低速低负荷时性能较差的问题，则可以采用类似相继增 压系统的涡轮增压器可控功能，即在低负荷时只使用单级增压，全负荷时使用二级增压。 这样做需要布置更多的管路和阀门，控制系统也会变得极为复杂。 1 3 本文的主要内容 本文针对y c 6 j 2 7 0 型直列6 缸增压柴油机进行相继增压系统的设计，并完成与柴 油机的匹配，使其能够达到预期的性能技术要求。| 司时，对排气系统的流场进行仿真计 算，对阀门等相关设计零部件进行校核。另外，本文还提出将m p c 排气管应用于相继 增压系统的方案，并对m p c 排气管进行探索性设计计算。 131 本文的技术路线 本文中所设计的增压系统采用相继增压方案。确定相继增压方案为技术路线有三个 原因： 大连交通大学工学硕十学位论文 ( 1 ) 相继增压系统可以实现柴油机与增压系统在各种工况都能良好的匹配，特别是 改善了低速下的扭矩特性，这一点对于车用增压柴油机特别重要。 ( 2 ) 相继增压还可以实现二段式或三段式调节。二段式是指低负荷时只有一台增压 器投入工作，高负荷时另一台增压器也投入工作，并联增压；三段式是指低负荷时只有 一台增压器投入工作，随着转速和负荷的提高，前一台增压器停止工作，同时另一台增 压器代替前一台增压器投入工作，高速全负荷时，两台增压器同时运行，并联增压。 ( 3 ) 相继增压的控制机构较为简单，阀门数量较少，每台涡轮增压器只需要两个阀 门，即在涡轮进口出安装一个连接控制机构的排气阀门，相应在压气机出口处安装一个 无需控制的单向止回阀。若采用二段式相继增压，则只需要控制一台增压器；若采用三 段式相继增压，则两台增压器都需要安装相应的阀门。 1 3 2 本文的研究内容 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 通过阅读大量文献，了解车用柴油机增压技术的基本理论，国内外研究现状。 掌握一套柴油机增压系统的设计和匹配方法。 ( 2 ) 分析设计要求，进行相继增压系统的整体设计。包括排气管路的设计，各部件 的安装布置，整套增压系统的构造等。使用u g 建立三维模型。 ( 3 ) 设计排气系统及相关零部件，使其能满足功能上的需要，还要考虑可靠性。 ( 4 ) 使用g t - p o w e r 软件进行柴油机与增压系统的一维匹配计算，考察其性能是否 达到预期，同时获得各管路中流体的状态参数，作为流场仿真计算的边界条件。 ( 5 ) 使用f l u e n t 软件对排气管流场进行仿真计算，并将结果与一维计算对比。 ( 6 ) 对m p c 排气系统进行探索性设计计算，为日后深入研究打下基础。 ( 7 ) 总结全文工作并提出展望。 6 第二章相关基本理论 2 1 排气能量的利用 第二章相关基本理论 2 1 1 排气的能量 内燃机的燃料能量中2 5 - - , 4 5 是由排气带走的【4 1 ，非增压柴油机需要让这个值尽量 低，而增压柴油机则需要让这个值尽量高。涡轮增压器是利用废气能量工作的，因此增 压效果与排气系统的设计有很大的关系，研究排气系统的能量是非常重要的。 在涡轮增压系统中，排气能量在理论上可以表示为四个特征量： ( 1 ) 排气最大可用能量e ，：气缸中排气经过定熵膨胀到大气压力过程中所释放出来 的膨胀功，这部分能量称为排气最大可用能量，约占排气总能量的6 0 。其物理意义是 涡轮有可能从排气中获得并用于作功的最大能量。 色= r ( 吃- e o ) a m ：* f a h ：d , ： ( 2 1 ) 一 式中，肌为缸内燃气质量。 ( 2 ) 排气管入口处的排气压力波中包含的能量巨：相当于燃气轮机中的燃气理想状 态下，定熵膨胀到大气压力所作的最大功。 ( 3 ) 排气管出口即涡轮前的排气压力波中包含的能量耳： b r 睨d g r d c ( 2 2 ) 式中，g 为流经涡轮的燃气质量。 ( 4 ) 离心式压气机定熵压缩空气至增压压力所需的压缩功t ： 巨一r k d g c d f ( 2 3 ) 式中，e 为流经压气机的空气质量。 四冲程柴油机中，e 一巨+ 易+ 易。其中，巨为排气本身的能量，易为活塞对排 气作的功，e 为扫气的能量。 7 大连交通人学工学硕十学位论文 乡 叩y 譬9 ，一1 )虼 _ ，、i j i 一 l l _ 。 。、， h l 1 0i 1 2 蕊遵 ， ：6 7 o 1 1o y1 矿 圪- 矿 图2 1 排气能量 f i g 2 1e x h a u s te n e r g y 从示功图2 1 可以看出，e 为排气门开启点b 处的能量，即图中b 5 6 b 围成的面积。 e l - m , 击r t b 1 一( 争竽m ( 忍吲f f i m s r 瓦【击一击印竽+ 争( 2 4 ) 式中，m 。为每循环排气质量。 面积b 9 7 6 b 表示先期排气阶段燃气对活塞所做正功，面积7 9 8 r r 6 7 表示强制排气阶 段燃气对活塞所作的负功，相当于e 。 柴油机每循环由扫气所增加的可用能量臣可用扫气期间流入气缸的空气作功能力 表示，即面积1 0 一1 2 一，一1 1 1 0 ，也可用下式表示： z 3 a m ，击吲1 - ( 舻】 ( 2 5 ) 式中，a m 为每循环扫气的空气质量。 用上式计算扫气过程可用能量与面积1 0 1 2 一，一1 1 1 0 之间的误差，它对总排气能 量e 影响不大于0 2 l 铆。 2 1 2 排气能量转化效率 涡轮前的排气压力波中包含的能量辱与排气最大可用能量e ：之比就是排气能量转 化效率魂，它是评价排气系统设计的重要标准。 r ；鲁 ( 2 6 ) 8 第二章相关基本理论 影响r e 的因素首先是辱，其主要由涡轮前排气压力的波形决定。排气压力波在排 气管中传播，遇到转弯或阀门会产生反射。若波峰和波峰重叠则会加强，若波峰遇到波 谷则会削弱。涡轮的流通截面、排气门开启规律、排气管长度等因素都会对排气压力波 产生影响。 排气管的分歧情况也会对造成影响。在直管中，管长对排气能量传递效率影响不 大。但当有分支出现时，能量传递效率急剧下降，这时管长有明显的影响。排气支管的 的影响表现在气缸排气的初期，通过压力波的传播，它吸收了大量的能量，之后又通过 气缸封闭端的正反射释放出来，使气缸排空缓慢。在分支管处产生的负反射使气门处的 压力下降，导致节流损失增加。各缸的压力波形态不同，同一根排气管上的各个气缸的 排气能量也是不均匀的。 2 1 3 排气压力波 排气压力波的形态对于排气能量的利用有很大影响。理想的排气压力波应该具备如 下形态： ( 1 ) 排气管内压力在气缸开始排气时应迅速上升，以减小排气门处的节流损失。 ( 2 ) 在活塞上行排气时。排气管内压力应迅速降低，以减小泵气损失。 ( 3 ) 在进排气门叠开期内，排气压力波应出现波谷，以增大进排气之间的压差，利 于扫气。 排气压力波的形态可以用6 个无因次参数描述，它们都是关于排气系统的相关特征 或参数。如果两套排气系统的这6 个无因次参数相同，则可以认为它们的压力波形态相 同。这6 个无因次参数不仅可以用来描述压力波的形态，还可以用来对压力波进行分析 和改进，以达到提高排气能量利用率和改善扫气的目的。这6 个无因次参数如下： ( 1 ) 排气管长度的无因次参数仍 吼；2 l n 3 6 0 ) ：1 2 l n ( 7 - g( 2 7 ) ，、3 6 u ) 吼2 2 l z ，j au u 口 式中，刀为柴油机转速，l 为排气管长度，口为排气管中的平均声速。 讫是指排气压力波从排气门处产生直到反射回气缸期间的曲轴转角，也就是排气压 力波在排气管中往返一次所需的时间。排气管长度尽量短，避免压力波反射回气缸时影 响扫气。在实际排气管设计中，由于结构和体积因素限制，排气管长度往往没有很大的 选择余地。 9 大连交通大学t 学硕士学位论文 ( 2 ) 排气始点的压力比讫 d ；詈 ( 2 8 ) 0 是指排气门开启时缸内压力咒和外界气压昂之比。越大则排气开始时压力越 大，排气流速快，排气管内压力建立快，排气压力波波峰高，排气波的能量就越大。实 际要想增大，可以增大排气提前角，这样会使缸内气体向曲轴输出的膨胀功减少，如 果加大供油量来弥补，又会使油耗率增加，同时机械热负荷增加。因此需要取一个折中 的最优值。 ( 3 ) 排气门开启规律驴， 口 竹2f f e ( 2 9 ) 一c m 娃 9 r 是指排气门瞬时流通面积c 和排气门最大流通面积c 一之比，9 ，越大表示排气 门开启速度越快，缸内排出的气体流量越大，缸内压力下降越快，排气管内压力建立越 快，节流损失越小。 ( 4 ) 气缸排空速率亿 式中，e 一为排气门最大流通面积， 声速。 ( 2 1 0 ) a 。为排气门开始时排气门处 讫表示气缸排空速率。其中，排气f - i n 大流通面积c 一越大，气缸排空越快，排 气管内压力建立越快，节流损失越小。采用多气门技术可以提高排气门最大流通面积。 ( 5 ) 排气管截面积 妒，- e 。 ( 2 1 1 ) 式中，e 为排气管截面积。 当排气管长度一定时，妒。减小则排气管容积缩小，有利于增强排气压力波。如果排 气管截面积f 接近排气门面积e 一，则可以避免由于通道突然扩大而形成的涡流损失。 但驴。过小会引起管内流速过高，使流动损失增大。因此需要取一个折中的最优值。随着 柴油机增压度的提高，排气管截面积应该相应减小，中、高速柴油机通常取妒。= o 8 - 1 0 。 1 0 第二章相关基本理论 ( 6 ) 涡轮喷嘴环面积竹 竹：_ 6 0 了f r a , ( 2 1 2 ) 9 吁2 - = 了一 l z 上z j v h n 式中，为涡轮喷嘴环面积，a ，对应排气管内平均温度的当地声速。 珏反映涡轮的流通能力。排气管为长管的情况下，由于反射波返回较晚，因此可以 把反射波和基波分开，基波主要取决于气门开启规律、排气管截面、排气时缸内压力及 气缸排空能力等。这种情况下，研对排气压力波影响不大。在短管情况下，压力波从涡 轮端反射回气缸时，压力波正处于形成时期。此时反射波对基波及排气门的节流都有影 响，而且在排气期间压力波在排气管两端之间反射往返多次，会出现很复杂的现象。这 种情况下涡轮喷嘴环面积就会有很大影响。缩小b 会使反射波增强，有利于强化排气压 力波【钔。 2 2c f d 基本理论 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 。它是在流动基本方程 的控制下，通过计算机数值计算，对流体流动和传热问题做数值模拟。通过这种数值模 拟，可以得到流场中各个位置的物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。c f d 方法结合计算机仿真技术，可以做许多实际难以完成的试验，同时也节省了大量的成本， 模拟计算的结果可以作为工程设计和试验的参考。 2 2 1 流体动力学控制方程 、流体流动要受物质守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守 恒定律、能量守恒定律。当流动处于湍流状态时，系统要遵守附加的湍流输运方程。控 制方程是这些守恒定律的数学描述。 ( 1 ) 质量守恒方程 质量守恒方程就是连续性方程。在流动过程中，物质既不能产生，也不能被消灭。 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为：单位时间内流体微元体中质 量的增加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。其表达式为： _ o - p + d i l ，( j d h ) 。0 ( 2 1 3 ) 优 式中，p 为密度，t 为时间，u 为速度矢量。 大连交通大学工学硕十学位论文 ( 2 ) 动量守恒方程 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律可表述为i 微元体 中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。其表达式为： 丁a ( p u ) + d 如( p 甜) ；州g a r d u ) 一a 缸p + 瓯 ( 2 1 4 ) 了a ( p v ) + 饿，( p v ) 。d i v ( g a r d v ) 一a a y p + & ( 2 1 5 ) 1 a ( p 厂w ) + d i v ( p w ) = 加( 肛g a r d w ) 一罢+ & ( 2 1 6 ) 式中，u 为动力粘度，p 为流体微元上的压力，瓯、s v 、s 。是动量守恒定律的广义源 项。 ( 3 ) 能量守恒方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表述为： 微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。 该定律实际上是热力学第一定律。以温度r 为变量能量守恒方程为： 挈砌咖；d i v ( c p k - - g a r a 丁卜 像1 7 ) 式中，c p 为比热容，z 为温度，k 为流体的传热系数，s 为流体的内热源及由于粘性作 用流体机械能转换为热能的部分，简称品为粘性耗散项。 ( 4 ) 湍流运输方程 为了考察湍流脉动的影响，目前广泛采用的方法是r e y n o l d s 时间平均法，即把湍流 运动看作由两个流动叠加而成，一是时间平均流动，二是瞬时脉动流动。用平均值与脉 动值之和代替流动变量代入瞬时状态下的连续方程和动量方程，并对时间取平均，得到 湍流时均流动的时均连续方程和r e y n o l d s 方程( 时均n s 方程) ，用张量的指标形式 表示为： 望a t + 去( 肛t ) 一o ( 2 1 8 ) 觇”“ 塑山堕掣一帆ap+专卜虿auiat a x p 瑶】+ s ( 2 j 9 ) ；ak舐；l 。觑；。一j 式中，上标“一表示对时间的平均值，上标“t ”表示脉动值，i 和，指标取值范围是 ( 1 ，2 ，3 ) ，一p “知：为r e y n o l d s 应力。 1 2 第二章相关基本理论 在r e y n o l d s 时间平均法中，最为广泛使用的是两方程模型。根据b o u s s i n e s q 提出 的涡粘假定，把r e y n o l d s 应力项表示成湍动粘度的函数，建立r e y n o l d s 应力相对于平 均速度梯度的关系： 一p 珥2 以( 考+ 鲁) _ 詈+ 以詈卜 c 2 2 式中，以为湍动粘度，七为湍动能，七一警= 三( 万+ + ) ，当f j 时岛- 1 ，当f j 时嘞一o 。 在湍流的时均连续方程和r e y n o l d s 方程的基础上，引入关于湍动能七和湍动耗散率 占的输运方程，而湍动粘度以表示成k 和占的函数，从而可使方程组封闭，便形成了k 一 标准两方程模型。在模型中，表示湍动耗散率的占被定义为： 扣丝p ( 卦吨八呶， ( 2 2 1 ) 以= 0 8 5 4 p = 一七一g( 2 2 2 ) 另外还有各种改进的两方程模型，它们被应用在不同的计算场合。r n g k 一占两方 程模型是一种改进的k 一两方程模型。r n g k s 模型中，通过在大尺度运动和修正后 的粘度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除。 r n g k s 模型考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，并且反映了主流的时均应变 率毛t 在r n g k 一模型中，k 和占是两个基本未知量，当流动为不可压缩时，与之相对应 的输运方程k 方程和s 方程分别为： 型o t + 掣一讣帕针a x 咖 仁2 3 ， a 麓缸；i ”研；l 。、 型+ 掣= 毒卜讣以eg otk 。屯p k ( 2 2 4 ) 魄觑，l ”吲缸l “。、7 式中，吼一口，一1 3 9 ，- t a r 一+ “，g 是由于平均速度梯度7 1 起的湍动能七的产生项， 咖i 以o u ，, + o u j io u 7 i ，吒吒一蝴1 + f i r 3 一( 2 蚓n 5 鲁_ 乏1 ( i 虿o u i + 甜 ，7 0 i 4 3 7 7 ，卢一0 0 1 2 ，c 1 ：i1 4 2 ，c 2 z 一1 - 6 8 。 1 3 大连交通大学工学硕士学位论文 比较各控制方程，可以看出，尽管这些方程中因变量各不相同，但各控制方程都可 以表示成如下通用形式： 掣+ d i v ( p u q , ) ：d i v ( r g r a d o ) + s ( 2 2 5 ) d f 式中，m 为通用变量，可以代表u 、v 、w 、t 等求解变量，r 为广义扩散系数，s 为 广义源项。式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。对于特定的方程，r 、 和s 具有特定的形式【1 2 l 。 。 2 2 20 f d 软件f iu o n t f l u e n t 是一款功能强大的主流c f d 软件包，它可以用于解决流体、传热及化学反应 等工程问题。f l u e n t 软件包由前处理器、解算器和后处理器组成，包括g a m b i t 、t g l i d 、 f i l t e r s 和f l u e n t 等模块。g a m b i t 用于划分网格。t g r i d 用于从现有的边界网格生成体网 格。f i l t e r s 用于将不同c a d 软件生成的模型文件转换成f l u e n t 可以使用的格式，可以 建立接口的c a d 软件有u g 、p r o e 、i - d e a s 及a n s y s 等。g a m b i t 、t g r i d 和f i l t e r s 都是独立的前处理模块。f l u e n t 本体模块主要用于解算和后处理。 使用f l u e n t 求解c f d 问题的过程主要有以下几个步骤： ( 1 ) 建立模型 f l u e n t 软件包中g a m b i t 模块具备绘图功能，但其三维建模能力较弱。三维问题建 模一般都采用u g 和p r o e 等软件进行。通过f i l t e r s 模块，可以将u g 和p r o e 等软件 建立的模型转换成f l u e n t 识别的格式。 ( 2 ) 划分网格， 。 划分网格的在g a m b i t 模块中完成。g a m b i t 可以生成多种网格类型：对二维问题可 以生成三角形和四边形网格；对三维问题可以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等 网格。g a m b i t 还可以生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成 不连续网格、可变网格和滑动网格。划分网格完成后，生成网格文件，读入f l u e n t 模块 中进行下一步工作。 ( 3 ) 设定计算参数 读入网格文件之后的工作都在f l u e n t 模块中进行。对于读入的网格文件要进行网格 检查和平滑网格。设定的参数包括：求解器类型，设定湍流模型，能量方程、欠松弛因 子、工作环境等。根据实际问题不同，有不同的项目。还要设定需要监视的参数和需要 输出的参数。 1 4 第二章相关基本理论 ( 4 ) 设定边界条件 边界条件是指计算模型的边界参数和变化规律。对于定常流动问题，边界条件是恒 定的；对于非定常流动问题，边界条件往往是变化的，还需要使用u d f 等高级功能。 常用的边界条件包括： 压力进口( p r e s s u r e i n l e t ) ：用于定义流动进1 2 的压力。用于进口处压力已知， 但流量或速度未知的情况。 速度进口( v e l o c i t y i n l e t ) ：用于定义流动进1 2 的速度。仅用于不可压流体的流 动问题。 质量流量进口( m a s s f l o w i n l e t ) ：用于定义流动进口的质量流量。 压力出口( p r e s s u r e o u t l e t ) ：用于定义流动出1 3 的相对静压。 自由出流( o u t f l o w ) ：用于定义在求解前速度和压力未知的边界。仅适用于边 界出流对上游没有影响的情况，不可用于可压流动，不可与压力进口一起使用。 壁面边界( w a l l ) ：用于定义约束流体的墙壁或搅动流体的叶片等。壁面可以是 固定的，也可以是移动的。 周期边界( p e r i o d i c ) ：用于设定具有重复性的边界。比如转动的风扇、叶轮等。 ( 5 ) 迭代求解 +， 迭代求解之前，需要初始化流场。对于非定常流动问题，还需要一个初始定常解。 初始化之后，设置迭代次数，非定常流动问题还需要设置步长。然后开始迭代计算，直 至收敛。 ( 6 ) 结果输出后处理 f l u e n t 具有强大的后处理功能，可以输出等值线图、矢量图、流体轨迹、x y 散点 图、残差图、流场动画等。还可以根据需要，在流场模型内部设定想要查看的截面。 本章小结 本章论述了涡轮增压排气系统相关基本理论，同时对c f d 相关理论及c f d 软件 f l u e n t 也做了介绍。 1 5 大连交通大学t 学硕十学位论文 第三章相继增压系统的设计 3 1 原机参数及设计目标 本文所设计相继增压系统的柴油机原机为y c 6 j 2 7 0 型。y c 6 j 系列增压中冷柴油机 采用德国b o s c h 电控高压共轨技术，可提供最高达1 6 0 0 b a r 的喷射压力，排放达到国 i i i 水平，燃烧效率高、低油耗、排放好，其零件全部采用u g 软件进行三维设计，提高 了整机的紧凑性。y c 6 j 系列柴油的型号编号中， “6 表示6 缸，“j 是系列编号， 后缀“2 7 0 表示功率( 马力) 。 本文的设计目标机型为y c 6 j 3 2 0 ，该机型的设计要求是比传统的增压中冷柴油机 的经济性好1 0 ，额定功率3 2 0 马力，最大扭矩1 3 0 0 n m ，最终动力性优于y c 6 l - 3 3 0 型增压中冷柴油机，整车经济性好于y c 6 i 广3 5 0 型双级增压柴油机。相关各机型的主要 技术指标和对比如表3 1 所述： 表3 1 相关机型的主要技