摘 要

内燃机作为当今广泛应用的机械动力来源在社会生活中扮演着不可替代的作用，在进气、压缩、做功、排气四个冲程中，排气过程是否良好关系着内燃机的是否燃烧充分，以及能否有良好的机械效率和燃料利用率。因此，发动机的排气道的理论和实际工程设计成为当今人们研究的重要课题。

本文借助CFD仿真软件AVL-FIRE针对CD1108单缸柴油发动机进行了三维数值模拟，建立了多个气道气缸三维模型。通过仿真计算得到了他们的流场分布情况，包括流速云图、流线图、湍动能分布图等，还获得了进出口质量流量、流速和湍动能耗散率等一系列数值，并依此得到了各模型的流量系数。通过对仿真结果进行比较，判断他们的流动特性情况。

首先对不同几何结构的两种排气道方案进行了仿真分析和比较，采用独立双排气道的方案一气道结构较采用单一总排气道的方案二在流动特性方面具有较大优势，其流量系数提高明显，应当优先采用；其次在方案一的基础上对模型设置6mm升程下不同的气道压差，结果表明增大气道压差会导致流速升高，流量系数有减小倾向，但是数值变化不大；最后在固定气道压差下，对不同气门升程的模型进行了仿真。发现气门升程增大时，气体湍流减弱，动能损失变少，流量系数明显提高。

本文所得结果对于柴油机排气道的几何优化设计具有一定的参考意义。

关键词：柴油机；排气道；数值仿真

Abstract

As a kind of widely used mechanical power source, internal combustion engine plays an irreplaceable role in the social life. In the four strokes of intake, compression, work and exhausting, whether the exhaust process is good relates to whether the combustion engine is fully burnt, and whether there is good mechanical efficiency and fuel utilization. Therefore, the theory and practical design of engine exhaust port has become an important topic in today's research.

In this paper, three-dimensional numerical simulation of CD1108 single-cylinder diesel engine was carried out by using CFD simulation software AVL-FIRE. Three-dimensional model of exhaust port and cylinder was established. The distribution condition of flow field was obtained by simulation, including the velocity cloud chart, the streamline chart, the turbulent kinetic energy distribution, and so on. A series of numerical values such as mass flow rate, flow rate and turbulent energy dissipation rate of import and export were also obtained, so that the flow coefficient of each model was obtained by calculation. The simulation results were compared to evaluate their flow characteristics of the situation.

Firstly, the two exhaust port schemes of different geometric structures were simulated and compared. The gas port structure of the scheme 1 has great advantage in the flow characteristics compared with the scheme 2, and its flow coefficient is obviously improved. Therefore scheme 1 should be given priority. Secondly, on the basis of scheme 1, different port pressure drop is set for the models of 6mm value lift. The results show that increasing port pressure drop will lead to the increase of the flow velocity and the flow coefficient, but the numerical change is not obvious. Finally, the model of different valve lift is simulated under the fixed air pressure. Finally, under the fixed value lift, the models of different valve lift were simulated. When the valve lift is increased, the gas turbulence is weakened, the kinetic energy loss is reduced, and the flow coefficient is obviously improved.

The results obtained in this paper can be used as a reference for geometric optimization design of diesel exhaust port.

Key Words：diesel；exhaust port；numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 本文研究的主要内容及研究方法 4

第2章 气道流动仿真的计算 5

2.1 三维模型的建立 5

2.2 网格的划分 6

2.3 三维流动的控制方程 8

2.3.1 质量守恒方程 8

2.3.2 能量守恒方程 8

2.3.3 动量守恒方程 8

2.4 边界条件和求解器设置 9

2.4.1进出口边界条件 9

2.4.2 边界条件及初始条件 11

2.4.3离散方法与差分格式 11

2.4.4求解算法和湍流模型 12

2.4.5 结果输出 14

2.5 本章小结 14

第3章 仿真计算的结果和分析 15

3.1 气道的评价方法 15

3.2 几何结构的影响 15

3.3 压差的影响 19

3.3.1 三维流线图分析 19

3.3.2 速度分布图分析 20

3.3.3 流量系数分析 21

3.4 气门升程的影响 22

3.4.1 速度分布图分析 23

3.4.2 湍动能分布图分析 24

3.4.3 流量系数分析 26

3.5 本章小结 27

第4章 总结与展望 28

4.1 总结 28

4.2 展望 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

内燃机陪伴着人类社会的发展走过了百余年的历史。在人们使用的众多动力来源中，内燃机结构上比较简单，可移动性强，比质量轻，同时热效率较高，因而被广泛应用于机械工程、交通、电力生产等领域。随着内燃机的使用日益普及和增长以及排放发规的日趋严格，它的动力性和经济性正变得越来越重要。排气系统的优劣，直接影响着发动机动力性和经济性。作为排气系统中的关键器件，当排气道性能较差时会导致排气不流畅和气缸压力下降缓慢，从而导致排气冲程中消耗的活塞推出功增加^[1]，这对于当今追求低能耗高性的内燃机是一个值得重视和不断改进的问题。

1.1 研究背景及意义

气道的几何特性以及流动特性深刻地影响着内燃机缸内混合气的形成，合理而恰当的涡流、滚流等气流运动关系着混合气在缸内的分布，而这些气流运动恰恰由气道几何特性决定。内燃机后续的燃烧过程也与气道密切相关，合理的气道设计能使燃烧更为充分稳定，提高燃料的利用率。因此，发动机排气道的理论研究和实际工程的设计成为发动机研究者的重要课题之一。

内燃机排气道的传统设计和优化主要依赖于试验手段，耗费大量的时间精力，同时存在着较大的盲目性与局限性，较难得到理想的方案。随着近十几年来计算机技术的快速发展，计算机很大程度上节约了研究人员的重复劳动以及繁复计算，大大提高了研究工作的效率。对于发动机排气道的设计而言，各类CFD软件目前均已被成熟而广泛地使用，如AVL-Fire，Fluent等。通过对内燃机排气道的数值模拟，可以获得排气道内各种流场的分布速度场、温度场等，而且还可以对排气道、气门等的结构参数进行模拟，得到气道位置、气道倾角、气门边缘角度等对排气流动特性的影响。数值模拟方法节省时间和精力，不拘泥于物理模型的限制，但数值模拟技术也有一定的局限性。其主要体现在其难以与实际情况保持一致，需要依靠于经验与技巧进行。其次，数值解法受模型的影响较大，容易对计算结果产生影响。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

在计算机模拟仿真技术的应用中，为建立建立一维仿真模型，一般将换气系统、增压系统、燃料供给系统、冷却系统和气缸等组成整个发动机工作系统。利用所建立的模型来研究排气道结构参数对气体流动的影响。一维模型较符合内燃机的实际工况，且能快速完成多参数优化。但如果简单将排气道简化为一维的管道，与三维结构相比很难预测结构参数对发动机性能的影响。三维模型以实际流域为计算域，能够将流场内工质的状态直观的展现出来，计算出许多其它重要参数。因此，将发动机工作过程一维仿真模型和进排气系统的三维流动模型进行结合成为广泛采用的排气道数值模拟方案。