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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。增压柴油机进气系统应用分析-高等教育自学考试毕业设计（论文）说明书汽车检测与维修（独立本科段）市地：郑州准考证号：010410101596姓名：董金龙指导教师：董明川增压柴油机进气系统应用分析摘要柴油机进气系统的结构和流动性能的优劣将直接影响柴油机的动力性、经济性和排放特性。而且，提高柴油机功率的关键之一是在换气过程中提高充量系数并降低进气系统的流动阻力。设计和匹配最佳的柴油机进气系统，就能在柴油机一定的转速范围内增加进气量，提高功率，改善扭矩特性，降低油耗率和烟度。因此，研究并改进气系统的性能及结构无
2、论是在理论上还是在实践中都很有必要。本论文首先应用发动机一维模拟软件GT-POWER建立了增压柴油机进气系统工作过程计算模型，仿真计算结果与实验结果吻合良好。并在此基础上进行了该柴油机标定工况的工作过程仿真计算，对其标定工况下的主要性能指标进行了预测分析。之后对进气管路进行了优化。进气管参数主要包括进气总管管长和管径、稳压腔容积和进气歧管的管长、管径。通过分析不同进气管参数对管内压力波动、充气效率的影响，总结出规律，并找出主要影响因素。并应用GTPOWER自带的优化工具建立了以标定工况下柴油机容积效率最优为目标的增压柴油机性能优化的仿真模型，计算结果表明：经过参数优化后，该柴油机进气能力得到加
3、强，进气均匀性有所提高。最后，通过对增压器、中冷器与增压柴油机的匹配研究，确定排气系统采用脉冲增压系统。在该系统的基础上，建立了该柴油机与增压系统的联合运行线，并进行了柴油机外特性分析，仿真结果显示柴油机与增压器匹配较好；以降低中冷器阻力为优化目标，确定了中冷器主要结构参数，这为以后的中冷器设计提供了的帮助。关键词：增压柴油机废气涡轮增压器、中冷器、TURBODIESELENGINEINTAKESYSTEMAPPLICATIONANALYSISABSTRACTDieselengineintakesystemstructureandflowperformancewilldirectlyinflu
4、encethequalityofdieselpower,economyandemissioncharacteristics.Also,oneofthekeytoimprovedieselpowerinventilationprocessimprovefillingquantitycoefficientandlowerflowresistanceofairintakesystem.Designandmatchingthebestdieselengineairintakesystem,canindieselenginecertainspeedrange,improvingpowerincrease
5、dthesubsystem,improvethetorquecharacteristic,reduceoilconsumptionrateandFSN.Therefore,studyandimprovethegassystemperformanceandstructurewhetherintheoryorinpracticearenecessary.Thispaperfirstlyappliedengineone-dimensionalsimulationsoftwareGT-POWERestablishedpressurizationdieselengineintakesystem,thew
6、orkingprocessofthecalculationmodelsimulationcalculationresultandexperimentresults.Andonthisbasisthedieselengineistheworkingprocessofthecalibrationconditionsforitscalibrationsimulationcalculation,mainperformanceindexesinthecasesofforecastedanalysis.Afteroptimizedintakepiperoad.Intakepipeparametersinc
7、ludeintakeductlengthanddiameter,volumeandtheintakemanifoldvoltageofcavitylength,diameter.Throughtheanalysisofthedifferentparametersonthetubeinletpressurefluctuations,theinfluenceofthechargingefficiency,summarizedtherule,andfindoutthemaininfluencingfactors.AndtobringPOWERapplicationGT-establishedinop
8、timizationtoolscalibrationundertheconditionsoftheoptimalcapacityefficiencyfordieselengineperformancetargetofintensificationofsimulationmodel,andoptimizedcalculationresultsshowthat:afterparameteroptimization,thedieselengineintakeabilitywasimprovedandincreasedintakeuniformity.Finally,basedonthesuperch
9、argerandinter-cooledturbochargeddieselengineisthematchingwithresearch,sureexhaustsystemusingpulsethepressurizationsystem.Inthissystemisestablished,onthebasisofthedieselenginejointpathswiththepressurizationsystemanddieselengineoutsidecharacteristicsanalysis,thesimulationresultsshowthatwiththesupercha
10、rgermatchingdieselengineisverygood;Inordertoreduceinter-cooledimplementresistanceasoptimizedobject,identifiedinter-cooledmachinemainstructureparameters,thisforlaterinter-cooleddesignedtohelpprovidethe.KEYWORDS:turbodieselexhaustturbochargervolumeefficiencyinter-cooledimplementoptimized目录前言1第一章增压中冷柴油
11、机的物理模型311气缸3111进气系统4112排气系统3113涡轮增压系统4114废气涡轮增压器的两种增压系统进气4115两种增压排气系统对发动机性能的影响5116中冷器6117小结6第二章进气管截面形状对容积效率的影响621概述增压柴油机进气流动特性研究及管路优化622柴油机进气管流动特性仿真研究723进气管路布置形式对进气流动特性的影响7231不同进气管路流动模型的建立8232进气歧管出口流量及均匀性比较分析8233不同进气管内气体的流动9234进气管横截面的变化对充气效率的影响10第三章进气管路结构参数对气体流动特性的影响1131进气总管管长和直径对容积效率的影响11311进气歧管管长和
12、直径对容积效率的影响11312进气稳压腔容积对容积效率的影响1232进气管主要结构参数的优化设计12321标定工况下13322最大扭矩工况下13323小结14第四章、全文总结15参考文献16致谢17-前言柴油机进气系统的结构和流动性能的优劣将直接影响柴油机的动力性、经济性和排放特性。而且，柴油机所能发出的功率，归根结底是受吸入的空气量，空气和燃料的混合比例的影响，持续保持输出高额功率的关键之一是在换气过程中提高充量系数并降低进气系统的流动阻力。设计和匹配最佳的柴油机进气系统，可以在柴油机一定的转速范围内增加充气量，提高功率，改善扭矩特性，降低油耗率和烟度。因此，研究并改进进气系统的性能及结构无
13、论是在理论上还是在实践中都很有必要。然而，由于柴油机尤其是增压柴油机的进气系统是一个复杂的非稳态的流体动态过程，流体的状态参数和流速不仅是位移的函数，而且是时间的函数，牵扯到流体力学、空气动力学及热力学等方面的知识，到目前为止还无法精确计算出来。为此，应用工作过程仿真软件，建立柴油机迸气系统的一维仿真模型，利用该模型不仅可以进行不同形状进气管多种流型的流动阻力(或压力损失)的模拟研究，还可以对进气系统的非稳态工况计算提供边界条件，并通过了解系统内气体流动的细致情况，探索进气系统各组成部件主要参数对流动状态的影响规律，从而对进气系统流动特性进行预测，在理论上提出改进方向，进行优化组合，以提高充量
14、、获取适当的迸气涡流。因此。进行增压柴油机进气系统的仿真研究具有重要的意义。英国的Crankfield大学的MHarrison和RPerezArenas等做了自然进气发动机的进气系统的压力波动的理论和试验研究，他们主要研究了用来求解一维欧拉方程的混合边界条件，用五种方法对进气系统的压力波动进行了分析，研究结果表明：用压力波分解和双向全压静压管相结合的方法对发动机进气系统的压力波动进行分析效果很好。英国曼彻斯特大学的DEWaterborne等人在1985年对三通接头的压力损失系数进行了试验研究，并将该压力损失系数应用于特征线法工作过程数值计算中，并开展了该种接头内气流的计算研究。1999年RJP
15、earson等人在前面研究的基础上又引入总压损失系数，对预测压力损失系数进行了研究。之后，曼彻斯特理工学院(UMIST)的MKl4程序和西德波鸿鲁尔大学的PMB程序都是采用特征线法进行管内波动研究的；MahaskaTakizawa在有限差分法的基础上开发了使用程序；sCLow等人开发使用的发动机歧管设计CAD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。MACeviz做过进气系统稳压腔容积对发动机性能、循环变动以及排放规律的影响研究。结果显示：进气稳压腔容积对发动机性能和排放影响显著，在1700rmin2600rmin范围内，增加进气稳压腔容积可以增大发动机的
16、扭矩，但同时也增加了发动机的循环变动掣羽。国内著名学者马捷、顾宏中采用了可变容差法选择谐振系统的尺寸，模拟算法采用特征线和容积法的混合算法，优化函数为充气效率，优化变量为谐振管长、谐振管径、进气管长和谐振腔容积。钱耀义等提出了进气系统的简化数学模型，采用复合型法进行优化，将实际发动进气歧管、进气道简化为当量长度的直管，将进气管长度、直径、进气迟闭角和转速作为优化变量，将充其量作为目标函数，将迸气过程中的惯性效应作为性能约束条件。但由于进行计算的时间过长，在优化过程中完全的一维不稳定流动模型还没有被采用。邓康耀通过实验分析了柴油机涡轮可变谐振增压系统中蝶形阀开闭对发动机的影响，确定了蝶形阀的最佳
17、控制规律。采用可变谐振系统，可使实验发动机中低速的燃油消耗率下降约49Kw/h，最高燃烧压力下降约025MP。刘敬平等通过实验和计算模拟对几种不同形式的可交进气系统的优劣迸行了比较分析，并得出进气系统尺寸对发动机性能的影响和设计准则。上海交通大学是国内较早开展进排气系统流动特性的研究的高校，在80年代建立了广义的一维非定常流动计算模型，模型除了考虑了管截面的变化、管壁摩擦、传热及非等以外还考虑了三通边界部分的流动计算，经试验验证计算得到的管内压力波形与实测相近。另外他们还以上海大众某三缸机为对象，研究了长支管型进气系统和短支管型进气系统的充气特性，研究发现长支管型进气系统更适合本发动机，进而以
18、进气谐振效应和波动效应作为理论基础，研究了进气系统结构和结构参数对发动机换气性能的影响。除了上述高校外，国内一些知名的汽车和发动机制造厂商都非常重视对发动机进气系统的研究。东风汽车工程研究院发动机部利用GT-POWER模拟软件建立了发动机工作过程数学计算模型，通过对发动机进气系统的匹配优化计算获取进气管基本结构参数。在获取进气管基本结构参数的基础上，对进气歧管长度和进气稳压腔容积进行了优化。一汽技术中心也曾利用GT-POWR软件对某型发动机进、排系统结构尺寸进行了优化计算，并进行了与增压器的匹配计算。另外，上海柴油机股份有限公司通过发动机台架试验研究进气系统阻力对柴油机性能的影响，得到了D92
19、20型机进气系统和空滤器的最大阻力眼值，为进气管路的设计和空滤器的选择提供了依据。分支接头模型的计算精度和速度对多缸发动机的性能模拟有重要意义。本课题的研究对象是某型四缸柴油机。该系列柴油机是当今世界上先进的水冷柴油机，功率范围190560kW，排放可达欧洲I标准。配置道以次供油系统、增压中冷、四气门、中央喷油器等最新技术，品质卓越，具有低排放、低噪音、低油耗等优点。利用GT-POWER软件对该型柴油机的进气系统进行一维模拟。进气系统结构参数包括进气支管管长、管径与进气总管管长、管径和进气腔容积等。针对增压柴油机进气系统建立气体动力学仿真模型，并进行模拟计算与分析，在此基础上，研究进气管路主要
20、结构参数和进气系统管路结构形式对进气管内气体动力学性能影响，并基于优化理论，进行增压柴油机进气系统结构参数的优化。通过分析比较中冷器的结构参数、增压器以及进气总管和进气歧管连接形式对进气系统气体动力学性能的影响，以达到优化组合增压器、中冷器和进气管来提高柴油机性能。并通过以下指标来考核。1)建立增压柴油机进气系统气体动力学仿真模型；2)完成进气系统结构对进气系统气体动力学性能的影响分析；3)提供增压器、中冷器以及进气管的优化匹配方案；第一章增压中冷柴油机的物理模型11气缸主要由气缸盖、气缸套、活塞顶等壁面构成的空问。新鲜充量经过进气系统流入气缸，废气由气缸流入排气系统。气缸在压缩、膨胀作功过程
21、中与外界进行功量交换。一般假定柴油机气缸中每一瞬时气体的压力、温度和成分是均匀的。111进气系统一般由空气滤清器、进气总管、进气歧管以及压气机到中冷器之问的管路组成。如果进气管的容积足够大，进气系统压力和温度均匀且随曲轴转角变化幅度小。但在计算时还必须考虑空气滤清器和中冷器的压力损失，本文的计算模型中不考虑空气滤清器。在工作过程模拟计算中，建立子系统的能量守恒方程、质量守恒方程和理想气体状态方程，联合求解这些微分方程组，就可得到压力等热力参数的变化规律，进而计算柴油机的各项性能参数。112排气系统主要由排气歧管、捧气总管以及涡轮出口到外界环境之间的排气管。排气管的计算有两种方法即容积法和特征线
22、法。容积法忽略沿管长方向的排气管压力波的传播，认为每一瞬时整个排气管系统内压力和温度均匀，不随空间位置的变化而变化，只随曲轴转角的变化而变化：特征线法则认为每一瞬时排气管内的压力和温度沿排气管长度方向是不均匀的，计算过程比较复杂。113涡轮增压系统主要由压气机和废气涡轮组成。这个子系统是基于下列假设条件确立的：每一工作循环中废气涡轮输出功正好等于压气机消耗功；流过废气涡轮的燃气流量等于流过压气机的空气流量与燃料流量之和；压气机和废气涡轮转速相等。114废气涡轮增压器的两种增压系统进气涡轮增压捧气系统的两种形式：恒压增压系统、脉冲增压系统1.恒压增压系统，把柴油机所有气缸的排气管都连接于一根排气
23、总管，而排气总管的容积又尽可能做得大，这样排气管实际上起了集气箱作用。这时虽然各气缸的排气时间是岔开的，但由于集气箱的稳压作用，因而在排气总管内的压力振荡是较小的，可以认为涡轮前排气管内压力基本上是恒定的，即工质在恒定压力状态下进入涡轮。2.变压增压系统又称为脉冲增压系统，两缸共用一支管或三缸共有一支管，依据发火顺序将扫气不发生干扰的两个或三个气缸连接在一个排气支管，这样既可以避免扫气干扰又可以较好的利用排气脉冲能量，而且扫气量大，低工况性能好，对于缸数为3的倍数的发动机，3缸共用根排气支管正好合适，排气支管内能量供给连续，增压系统效率较高。如果气缸数不是3的倍数，就会出现一个气缸用一根排气支
24、管或两个气缸用一根排气支管的情况，这样涡轮与该排气支管相连的一段就会在发动机一个循环的某些时间段得不到排气能量，影响增压系统的效率。脉冲系统的涡轮是多进口的，涡轮增压器的效率低，而且捧气管系的结构复杂，布置体积大，制造成本较高。这种方案的特点是使排气管中的压力造成尽可能大的压力波动，为此，把涡轮增压器尽量靠近气缸，把排气管做得短而细，总之将排气管的容积尽量减小。同时为了在一根排气管中形成几个互不干扰的排气脉冲波(或称排气压力波)进入废气涡轮机，因此要根据气缸数按内燃机的发火顺序组成几根排气管，每根排气管各自连接几个气缸(通常为2缸或3缸)。为此也必须把涡轮的喷嘴环(即涡轮进口)，根据排气管的数
25、目分组隔开，使它们互不干扰。两种增压系统各有优缺点：恒压系统的优点是保证排气稳定而连续的流入涡轮，所以涡轮效率高，并且排气不会干扰气缸的扫气。它的缺点是在排气过程中出现强烈的节流现象，使排气能量受到严重的损失。脉冲系统同恒压系统的工作特点正好相反，气缸排气在排气管内产生了强烈的压力波动压力波(或称脉冲波)，具有较小的节流损失并能有效的利用废气的动能。所以，具有较大的废气能量利用能力。至于涡轮的效率，虽然脉冲气流对涡轮性能是有害的，但实际上只要在叶栅设计方面采用一定措施(如选用适当的反动度)，那么涡轮效率仍能达到与恒压系统中几乎相等的水平，而且喷嘴环面积(即涡轮尺寸)在这两种系统中几乎相等，主要
26、的问题是要使压力波不影响气缸的扫气，而且若使波谷正好在气门叠开时期，反而有促进作用。为此在排气管的布置上应遵守下列基本原则：将排气管按发火顺序进行分组，将排气期不重叠或重叠度很小的气缸合用一根细的排气管与涡轮连接。115两种增压排气系统对发动机性能的影响研究在GTPower建立的两种增压排气系统，其中恒压增压系统脉冲增压系统。恒压增压系统脉冲增压系统。两种增压系统在GT-Powcr中实现将以上两种增压方式分别放置在增压柴油机GT-Powcr仿真模型中，其他结构参数和运行参数均不改变，在发动机外特性条件下研究不同增压系统对发动机功率、扭矩、燃油消耗率和涡前排气温度等的影响。主要工况如表表1-1为
27、：表1-1增压数据工况2100rmin1900rmin1700rmin1500rmin1300rmin1200rmin1000rmin与恒压系统相比，1900rrain以下各工况，脉冲系统扭矩、功率明显提高，1000rrain由恒压系统的825N/m提高到脉冲系统的1050N/m，对于改善发动机加速性能很有利；脉冲系统的燃油消耗率和涡前排气温度均低于恒压系统；脉冲系统的增压比和涡轮进口质量流量均高于恒压系统。在稍高转速时，恒压系统和脉冲系统各项参数没有明显差距。以上分析也验证了在增压比小于25时，采用脉冲系统对于捧气能量的利用是比较有利的。这是因为当增压比提高时，恒压系统排气管内的压力也相应提
28、高，增压器、中冷器与柴油机的匹配研究排气损失有所下降，且脉冲能量在排气能量中所占的比重也随着增压比增加而减小，所以两种系统对排气能量的利用效果将随增压比的提高而逐渐接近。因此，考虑到该增压柴油机各工况增压比大部分都小于25，所以选择脉冲增压系统作为该型柴油机的排气增压系统。116中冷器对于所研究的废气涡轮增压柴油机，在热力系统划分时将中冷器划分为一个子系统。中冷器从热力过程看实际上是一个节流，降温的换热器件，主要是计算空气流经中冷器时的压力损失和计算空气流过中冷器后的散热量。117小结通过分析增压柴油机各物理子系统组成及其相互关系的基础上对柴油机各物理子系统进行了数学描述。模型中采用了韦伯燃烧
29、规律模型和Wosehni传热计算公式对缸内工作过程进行描述，对进、排气管路内气体采用一维非定常流动描述其流动特性，确定采用有限体积法为求解一维不定常流动的计算方法。在此基础上，建立了废气涡轮增压器和中冷器的数学模型。第二章进气管截面形状对容积效率的影响21概述增压柴油机进气流动特性研究及管路优化目前发动机工作过程及性能模拟程序常采用的是数学优化方法，它具有较高的精度，很强的实用价值。数学优化方法通常包括两部分内容：一是优化任务分析，将优化任务转化成一个最优化问题，建立数学模型；二是选用恰当的最优化方法，求解数学模型，寻求最优解。前一部分工作的关键是要有一个计算精度能满足要求的柴油机工作过程和性
30、能模拟的计算程序，这是进行优化设计的基础；后一部分工作是对不同参数的优化设计选择收敛速度快，优化结果比较理想的最优化方法。本节主要是利用GTPOWER自带的优化工具(即采用的数学优化方法)对原有的试验数据，进行进一步校准并扩展计算所需的输入数据，如进气系统的结构形式和结构参数。总的性能优化目标是：根据提高功率、改进性能的技术要求，更为有效地组织整机的热力过程、合理地选择结构形式和结构参数，使增压柴油机容积效率迸一步提高，标定工况的性能更加优化。22柴油机进气管流动特性仿真研究运用GT-POWER针对该增压柴油机的标定工况(n=2100rmin)进行进气管路流动特性的模拟。在四冲程柴油机的进气管
31、中，由于进气门的周期性启闭和活塞的往复运动，进气管内的气体实际上呈现间歇性流动。因此，在进气管内存在强烈的气体压力波动现象。这种进气管内的气体压力波动，直接作用于进气过程，对柴油机性能具有重要影响。分别为进气歧管和进气总管的压力波动情况。进气歧管和总管的压力波波形和波峰都基本一样，管内压力呈周期性的变化。但在进排气重叠期间，进气歧管的压力波动要比迸气总管的压力波动剧烈，这主要是由于进气歧管压力测点离进气门比较近，进气门的启闭运动对进气支管内的压力有较大的影响。增压柴油机进气流动特性研究及管路优化后分别为进气歧管和进气总管的空气质量流量曲线，可以看到进气总管内气体的质量流量呈周期性的变化，在进气
32、压力波的作用下，有时还出现气体倒流的现象。而进气支管内气体的质量流量在压缩、膨胀作功和排气阶段基本为0，进气门开启后，流量迅速增加，随着气门升程达到最大位置后，流量又开始减小，直到进气门关闭，管内的空气质量流量下降为0。以上运用所建模型对柴油机进气管流动特性进行了仿真研究，结果表明原模型各进气歧管和进气总管内压力波动较大，进气不均匀。以下将通过调整进气系统结构形式和结构参数来优化进气均匀性。23进气管路布置形式对进气流动特性的影响柴油机进气系统的结构形式在一定程度上决定了气体的进气流动状态，从而影响着柴油机混合气的形成质量及燃烧品质。借助进气过程中的气流运动，是提高空气利用率、改善燃烧的有效途
33、径。这不仅严重影响柴油机的动力性、经济性指标，而且也明显影响其排放、噪声及工作柔和性。下面将通过改变进气管路的布置形式和截面形状，来研究进气系统结构形式对气体流动特性的影响。231不同进气管路流动模型的建立该增压柴油机原型采用的是顺序进气，空气由进气总管流向进气歧管1234，这种进气方式不可避免地会造成缸内进气的不均匀性，进气总管离支管l较近，空气质量流量会较其他支管略大些。为了解决这个问题，并进一步改进柴油机的进气性能，在原机的基础上，建立了三种不同的进气系统模型。模型之间只在进气管路的布置上有所不同，而其他参数(如配气定时、燃烧模型等)都一样。通过运用GT-POWER在标定工况(n=210
34、0rmin)下进行仿真，分析不同的进气管路布置形式对气体流动特性的影响情况。232进气歧管出口流量及均匀性比较分析1.进气歧管各出口流量比较各缸进气的不均匀性直接影响着各缸空气与燃油的混合，从而影响燃烧过程的组织，使各缸的燃烧过程产生差异。因此，各缸进气的不均匀性是内燃机工作者十分关心的课题。本文针对不同进气管路流动模型，计算出了迸气管各分支管出口流量，在此基础上，研究各缸迸气的不均匀性，为改善发动机各缸进气均匀性，提高发动机工作性能提供了有效手段。每个进气歧管的平均进气质量流量为m=025，进气均匀性指数为J=Sm，其中啦为第1个支管的质量流量，标准差s=O-2.3各进气管路模型的进气歧管出
35、口质量流量。进气管各支管质量流量比较图各模型进气均匀性比较平均质量流量m越大表示进气管的迸气量越大，艿越小则表示进气管进气均匀性越好。由图可以看出，改进后的进气流动模型A、B、C的进气歧管出13质量流量与原机差不多，只有极小的减少或增加，但各缸的进气均匀性有了明显的改善。就进气均匀性来说，模型C的占值最小，表示进气管的进气均匀性最好。和原机相比，各缸的进气均匀性能提高了4倍以上。综合考虑，四缸机采用分组进气虽然进气均匀性是最好的，但不利于进气管路设计的紧凑性，在结构布置上带来了困难。而改进后的进气流动模型A进气均匀性也得到了很大的提高，和模型B和C差不多，且平均质量流量是最大的，所以模型A更适
36、合于该增压柴油机。如表表2-1中各进气歧管出口质量流量号：表2-1进气管各支管质量流量单位(gs)(gs)(gs)(gs)(gs)(gs)（gs）原机8238282067815078152581871O4280.005234A821148197l81。8398191681960O1150.00l405B818418171381628816868171700890.001099C817258160581531815868161200820.001002.对各缸容积效率的影响分析容积效率可以用来衡量发动机的进气能力，是表征实际换气过程进行完善程度的一个极为重要的参数。容积效率是指每一个进气行程所吸
37、入的空气质量与标准状态下(1个大气压、密度为1187kg/m3)占有气缸活塞行程容积的干燥空气质量的比值。对于非增压发动机，容积效率是小于1的，但如果采用增压技术，则很可能会大于1。为了进一步研究各进气管路布置形式对进气流动特性的影响，并进行分析比较。如表表2-2中各缸的容积效率增压柴油机进气流动特性研究及管路优化原机表2-2各缸的容积效率204723203939202404202591203414A20405203701203，234203564203637B20337620306202709202993203035C20309202792202463202743202772从图可以看出，不
38、同模型下各缸容积效率的曲线形状与进气管各支管质量流量的曲线形状近似，通过容积效率这个参数验证了改进后的三种进气流动模型大大改善了各缸的进气均匀性。可见，模型A、B和C的容积效率与原机差不多。相比而言模型A的容积效率略高。结合上一小节的讨论情况，可知进气流动模型A中的管路布置形式是最合适该增压柴油机的。233不同进气管内气体的流动1圆管内非均匀流动圆管内非均匀流动扩张管道的流动流动气流速度分布在管道直径横截面上呈抛物线形状，管壁处速度最小，逐渐向中心方向升高，管道中心区域达到最大值。流动速度分布曲线形状主要是管道壁粘性阻力的缘故，该流动阻力朝着截面中心方向渐渐地变弱。2扩张管道内的流动在扩张管道
39、内，由于管道横截面面积增大，充量流动速度很不均匀，从管道中心到管壁处，流速快速下降。在小截面管道内，最大充量速度高，起初从中心开始向管壁方向流速徐缓下降，接近管壁区域时快速下降。然而在大截面管道内，最大流动速度较小，在该速度峰值两侧流速下降更平缓。3渐缩管道流动在渐缩管道内，由于管道横截面面积减小，充量流速增大，流速分布曲线形状变得比较均匀。但大截面管道的进口最大气流速度比小截面管道出口最大流速要在了解气体在不同形式进气管内的流动特性后，研究圆形截面管、渐缩管和扩张管对气体流动特性的影响，通过容积效率来衡量进气性能的好坏。234进气管横截面的变化对充气效率的影响保持进气管入口直径不变(d=50
40、mm)，改变出口直径，计算其对容积效率的影响。出口直径从40mm变化到60mm，即由渐缩管过渡到等截面管，再变成扩张管。进气管出口直径对容积效率的影响规律可以看出，随着进气管出口直径的增大，容积效率是提高的，即扩张管的容积效率高于等截面管和渐缩管。进气管入口直径对容积效率的影响规律方案，保持进气管出口直径不变(d=50mm)，改变入口直径，计算其对容积效率的影响。入口直径从40mm变化到60mm，即由扩张管过渡到等截面管，再变成渐缩管。从中可知，改变进气管入口直径对容积效率的影响规律，和改变进气管出口直径是一致的，从渐缩管到扩张管，容积效率逐步提高。在扩张管道内，由于管道横截面面积增大，气体流
41、动速度减小，流动压力有所增加，加大了进气管内与气门处之间的压差，从而提高了空气的进气量，改善了换气质量。对通过优化前的柴油机模型进行进气管路流动特性仿真研究，之后通过对进气系统结构形式1优选出最佳的进气歧管流动模型，即由中间向歧管迸气，空气通过迸气总管后分两路，分别进入1、2歧管和3、4歧管。2进气管出入口直径采用扩张管有助于提高容积效率。3进气总管和歧管的直径和长度以及稳压腔容积对容积效率都有不同程度的影响，其中进气歧管长度影响最大。第三章进气管路结构参数对气体流动特性的影响本节主要是利用GTPOWER自带的优化工具(即采用的数学优化方法)对原有的试验数据，进行进一步校准并扩展计算所需的输入
42、数据，如进气系统的结构形式和结构参数。总的性能优化目标是：根据提高功率、改进性能的技术要求，更为有效地组织整机的热力过程、合理地选择结构形式和结构参数，使增压柴油机容积效率进一步提高，标定工况的性能更加优化。31进气总管管长和直径对容积效率的影响分别在不同的进气总管管长下，分析进气总管管径变化对容积效率纯的影响。1进气总管管长L=50mm：2进气总管管长L=lOOmm；3进气总管管长L=200mm：4进气总管管长L=400mm;进气总管直径对容积效率的影响进气总管的管径影响着发动机的总进气量，决定着发动机的进气能力。为其他进气结构参数不变，在不同的进气总管管长下，只改变进气总管的直径时对容积效
43、率的影响规律。由图可见，在标定工况下，相同进气总管管长时的容积效率随着进气总管直径的增加而显著提高，这主要是由于进气阻力随着管径的减小而增大的缘故。管径越大，阻力越小，进气量就相应增加，从而导致了容积效率的提高。在不同管长下，总管管径随容积效率的变化曲线趋于重合，说明在同一管径时，容积效率随总管管长的变化不大，这是因为进气波主要在进气支管内传播和来回反射，与进气总管的关系不大。增压柴油机进气流动特性研究及管路优化。311进气支管管长和直径对容积效率的影响进气歧管长度是影响动力效应的一个主要参数。为其他参数不变，在不同的进气歧管管径下，只改变进气歧管长度时容积效率的计算结果。从进气支管管径D=3
44、0mm-60mm，标定工况下的容积效率随进气管长的变化趋势基本是一致的，随着管长的增加容积效率也是增加的，且管径越大，相同管长下的容积效率越大。选择合适的歧管长度来增加充量的实质就是利用其惯性效应来提高容积效率。这主要是因为，多缸机进气歧管并不是简单地从外界吸入稳定气流。在进气过程中，进气阀的开启使歧管中的气流产生流动，当气门关闭的时候，由于惯性作用，气流会继续涌向进气阀方向，并反射回去，形成正的压力波，继而在进气门处又产生一个负压。正负压力波在管道中以音速往复运动，假如每次进气门开启的时候正好是正压力波经过，就会提高容积效率；反之，容积效率则会减小。进气门开启的时候压力波的正负与否，取决于柴
45、油机转速和进气歧管的长度，而转速固定在一定范围内，所以进气歧管的长度成为进气系统中影响容积效率最重要的因素之一。312进气稳压腔容积对容积效率的影响只改变进气稳压腔容积，其他参数不变，研究它对容积效率九的影响。进气腔是各入射波和反射波的必经之路，是多缸机进气系统利用谐振增压时的一个重要组成部分。进气腔容积与进气管合理匹配，在谐振转速，能够使进气压力波形成谐振波形，因此，进气腔容积对压力波形态及谐振强度都有直接影响。进气稳压腔容积对容积效率的影响。随着进气稳压腔容积的增大，容积效率有所提高。这是由于进气腔容积的增大使得压力波在进气歧管和进气腔交界处的反射加强，进气门关闭前的压缩波波峰增大，从而提
46、高容积效率。但是应该注意，进气腔容积的增大会给发动机的布置带来困难，并且会使发动机的瞬态响应变差，所以要根据柴油机自身的结构要求选择合适的进气腔容积。32进气管主要结构参数的优化设计本节主要是利用原有的试验数据，以容积效率和功率为日标，对进气系统的结构参数进行优化，更为合理的组织进气，使增压柴油机在标定工况和最大扭矩点的进气性能得到进一步的提高。4增压柴油机进气流动特性研究及管路优化在研究分析了进气系统结构参数对进气流动特性影响的基础上，为得到最优化的进气系统结构参数，运用GT-Power对其进行优化，以提高柴油机的进气性能。综合考虑，选择进气歧管、进气总管的长度和直径这四个变量来对进气系统进
47、行优化，分别在标定工况(n=2100rmin)和最大扭矩工况(n=1300rmin)下寻求最优解。321标定工况下在对进气歧管、总管的长度和直径进行四变量联合优化之前，先选择进气歧管的管径和长度这两个变量进行优化，来确认优化的可行性，缩小优化变量的寻优范围，减少变量寻优的工作量。是以进气支管管径和管长为设计变量进行的二变量寻优的优化结果。显示经过35步迭代，计算收敛。所得到的优化后的进气歧管的直径和长度分别为32mm，255mm，容积效率变为2043，比优化前有所提高。优化计算的迭代收敛过程b优化计算的结果进气支管管径对容积效率的影响正进气歧管管长对容积效率的影响。进气歧管、总管直径和长度的四变量联合寻优在优化设计中，一般来说，优化的变量越多，则优化的效果愈好。当然相应的也增加了寻优的工作量。在对二变量进行优化的基础上，实现四变量的联合寻优。是在标定工况下，进气歧管、进气总管的直径和长度的四变量联合寻优结果。显示