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数值技术在柴油机进气歧管优化中的应用

Chitnis P P, Juttu S, Deshmukh A G, Sampathkumar K R, and Marathe N V

摘要：

本文主要研究了进气歧管容积、形状和流道长度的设计和优化，以提高自然吸气式柴油机和涡轮增压式柴油机的进气能力。这项工作的主要目的是最大限度地提高柴油机进气歧管的容积效率,确保EGR率的精确控制,并确保进气均匀,以尽量减少气缸的变化。进气歧管设计是通过使用数字技术，通过一维和三维CFD模拟工具来分析。整个发动机在一维代码中使用进气歧管维度建模,用实验数据验证。仿真结果显示了与实时数据获得的进气和排气歧管压力特征的良好一致性，尤其是重叠期间。同时,预测的基本发动机性能、燃烧压力和氮氧化物和烟尘排放在实验数据的5 - 10%。

这篇论文展现了进气歧管设计的成果，通过每个自然吸气式柴油机和涡轮增压式柴油机案例研究,有或没有废气再循环系统。吸气式柴油机的优化歧管充气体积约75%(包括滑行装置)的波及体积和97毫米的流道长度表明了相当大的容积效率的提高，导致制动燃油消耗率提高2.5%。然而,1.45倍的发动机充气容积代替了相同的流道长度的发动机显示了超过3%的制动燃油消耗率提升，对比废气涡轮增压柴油机。此外,瞬态模拟研究是在两个完整的周期中使用三维CFD模拟工具,并且发现质量流量偏差减少到不足5%。流道的形状也加以修改以避免在任何流道中的涡流形成。转轮直径也被优化了。废气再循环系统入口的优化位置和流道设计的修改也在论文中描述了，展示以可接受的偏差统一废气再循环系统。

介绍：

柴油发动机目前的挑战是，在经济上可行的成本上满足未来发动机的性能保持燃油经济性和排放标准。在这个场景中,在过去十年中,模拟一维和三维CFD的可靠性增加，全球汽车工业和研究人员主要是使用这些工具来发展发动机来满足未来的需求以及减少实验。一些研究人员报道[1]，通过优化进气歧管,阀门计时，和废气再循环系统等，提高容积效率,优化发动机的性能和排放。本论文中给出的仿真工作属于3缸吸气式柴油机和 4缸涡轮增压式柴油机。建立柴油发动机的热力学仿真模型是使用BOOST 一维软件。进气歧管体积,流道长度主要是解决提高容积效率以及更高的废气再循环系统技术处理能力。本研究被阀计时研究所支持，也帮助进一步提高容积效率，另外通过内部废气再循环系统的改进来提高废气再循环系统。多年来，内燃机的歧管设计一直是一个重要的不稳定流体动力学的应用。援引布鲁姆[2],歧管的主要工作自1940年以来就开始了，当时往复式发动机作为飞机电源达到最高点。基于流体流动单元的半流体歧管多维模型被用来模拟整个发动机进气歧管，从而模拟冲击波的传播[3]。测量不同连接歧管中的波传播已经被巴研究[4]。他们使用高密度网格研究了在不同管道连接中的冲击波和传播的电波。广泛的结果显示纹影图像和二维预测的压力波之间在不同的路口相互作用,Person[5]。

废气再循环的混合位置的选择决定了进气新鲜空气的均匀混合程度,进而决定混合物能否均匀分布于气缸,从而最大限度地减少气缸压力的变化。与原模型相比,空气和废气的均匀混合提高了20%。利用fire软件进行三维计算流体动力学模拟,通过流场可视化技术进行分析。一种途径是,利用一维热力学软件对性能模拟和优化进行快速试验，然后利用三维计算流体动力学软件对发动机性能进行了微调，并且，基线最初使用一维软件进行了仿真,以验证现有或类似发动机的试验性能。通过这样的方式以确保仿真模型的正确性,为进一步优化试验所需的优化试验提供依据。在满足发动机发展的全新需求的前提下,利用现有的专业技术和数据库,通过一维和三维仿真技术进行优化试验。

数学处理

内燃机歧管的设计多年来一直是非稳态流体动力学的重要应用领域。自20世纪40年代以来,往复式发动机作为动力装置在飞机上的应用达到巅峰时,现代发动机也通过进气道和排气歧管的设计来满足对其的性能要求。不同的发动机设备需要满足不同的性能要求,这些可以通过歧管的详细设计来实现。通过更好的进气歧管设计,道路车辆的特定功率输出得到了显著提高。发动机进气和排气歧管的设计依赖于对流经发动机的可压缩气体的非恒定流的估计。一维boost和三维fire软件使用有限体积法对岐管内流体进行分析。可压缩流体的一维流动的基本方程，在有摩擦和传热的管道中，是具有连续性方程、动量方程和能量方程的。

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

密度

流动速度

沿流动轴坐标

壁面热流量

管道断面

时间

静态压力

壁面摩擦力

单位体积

气体内能

管壁摩擦可以确定为，

壁面摩擦系数

管道直径

管道壁热流方程式5 ，

定压比热

管壁温度

为了获得稳定的解,它应该满足等式6中所示的库朗不等式，

时间步长 单位长度

流体速度

声音速度

boost程序在计算开始时确定时间步长和单元格的大小关系。这是根据管道中规定的初始条件进行的，在计算期间每次检查方程6中提到的不等式。当不满足不满足此不等式时,则自动减少时间步长。

图1示意性地描述了有限体积方法。在时间步长的结束时,从时间步长开始的值和通量除以单元边界得到解决。

图1 有限体积法

在这种方法中,需要计算在时间步长中，单元格边界的数量、动量和能量通量。这可以用基本的守恒方程来完成,它给出了x方向梯度和随着时间的梯度之间的直接关系。

模型验证的方法基线模拟：

一维模拟：采用一维升压法对3缸自然吸气式柴油机进行了目标性能验证的第一步预测，采用该模型对4缸涡轮增压柴油机进行了参数研究,并进行了必要的修正。目的是验证发动机试验台上获得的模拟输出。在这方面,重点介绍了发动机性能参数功率、扭矩、有效燃油消耗率、空燃比、容积效率、内部废气再循环和实时数据，以及进气歧管、气缸和排气歧管中的压力。以示意方式表示的发动机的一维仿真模型如图2 ( a )和2 ( b)所示。模型分析验证的发动机规格见表1。使用boost一维模型作为快速优化工具,优势在于可以在在更短的时间内获得解决方案。这是因为,它只需要对流体进行一维的动态特性分析，即：压力、速度和温度在一个方向和时间上的变化。在其他方向,这些参数是常数,因此计算其他两个方向的这些参数时，时间得到了节约。我们的经验是,对于单一速度点的计算,一个模拟运行包括20个循环,每个周期在2分钟内完成。从收敛的角度考虑每次运行的次数,从而稳定了模拟结果。模拟运行在1400和2200发动机转速为100%负载时,分别相当于额定转矩和额定功率。低速仿真有助于对特定发动机转速下的气门正时进行低速仿真的参数化研究。对参数多态研究的详细解释在后续页面中给出。根据ARAI的实验数据设计了阀门计时矩阵,并研究气体交换。低仿真时间,给予更多的时间来研究气体交换,由于后处理速度快以及客户体验好的操作系统，该过程可以快速的完成。因此,BOOST一维模拟成为一种快速优化产品的工具。

根据实际发动机尺寸应用几何输入,而操作输入的数据则基于时候在过去30年发动机测试/开发经验生成的实验数据的数据库里。通过ARAI开发的软件生成了基于半角和最大气门升程的气门升程曲线(图3 ( a ))。流量系数(图3 ( b ) ),从ARAI的类似发动机气缸盖的流量试验台得到的进气和排气端口的间隙为1mm。

在IMEP和FMEP上,制定了图4 ( b)中所提到的机械效率。采用AVL-MCC模型将标准化的燃油注射率（ROI）作为变量对燃烧进行了模拟, [ 6 ]。根据图4 ( c )所示,根据现有的相似发动机的估计气缸压力计算,发动机1400和2200转速下100%负载时的ROI为100%。根据计算的ROI给出了毫克每循环的燃料消耗。

图4 : ( a ) FMEP ( b)机械的估计效率 ( c )注射率( ROI )

采用woschni模型考虑传热问题[ 7]。在该模型下,传热部位和温度的输入数据适用于活塞顶部、气缸盖和衬套这些与热燃烧气体直接接触的位置。模拟的容量效率的结果与测试值匹配,在图5 ( a)中显示的值为3%。其他性能的结果，功率、扭矩、有效燃油消耗率、空燃比(如图5 ( b)中所示)也显示出了与试验测试值匹配良好，差异在2.5%以内。

图5 : ( a )容积效率 ( b)功率

然而,表现出相关性的区域是模拟实时进气、排气和气缸压力的一致性(图6 ( a、b和c ))。这些比较表明,匹配偏差只有3%。

图6 : ( a )进气( b )排气( c)燃烧压力

通过模拟获得的有关气体交换(图7 ( a ) )还与通过试验台架试验获得的数据绘制的数据显示了密切的相关性(图7 ( b ))。通过实时输出的匹配,验证了模型的性能和性能。

图7 : ( a )模拟气体交换 ( b)实验气体交换

三维流体动力学计算模拟：

一维仿真模型不足以可视化,从而分析通过进气歧管的流量。使用fire三维流体动力学计算程序,了解原始进气歧管[ 8]的在进气充足时的流体流动形式。图8 ( a)所示的三维模型使用了345892个六面体单元。在确定模型尺寸时,牢记最小时间步长,不影响解决方案的准确性。该模型通过参考输入端口压力的一维输出进行验证,如图8 ( b)所示。

流道长度的优化:

图8 ( a ):基准进气歧管的网格模型

图8 ( b ):三维模拟

三维模拟波浪模式遵循一维模拟的趋势,但压力大小不同。然而,这种偏差仅为3%。偏差是由于三维模拟由于其自身的性质,在相同的边界条件下,三维模拟给出的模拟结果比一维模拟更准确。

利用一维模拟优化容积效率和内部排气再循环

采用验证后的一维模型进行容积效率的优化，对进气系统配置(如增压容积和流道长度)进行了优化。这是遵循实验设计对定时阀的研究进行的优化。

3缸自然吸气式发动机进气增压容积和流道长度的优化:

当到达集气室时,约束条件是集气室的空间,因为腔室直径可以增加,而长度不能增加。考虑了各种进气增压容积,并确定了不包括流道长度的进气容积。它证实了亥姆霍兹[ 1]理论,增压容积必须是大约50%的总发动机排量，在更低的发动机转速是产生峰值扭矩。峰值扭矩发生在1400转的低发动机转速。增压容积为1.60升,相当于63%的发动机排量,略高于建议值为50%,以确保发动机不会排空空气。同时对进气系统三个位置的压力波进行了模拟研究：

MP10 :进气增压室

MP4 :进气歧管流道

mp1 :摄进气口

有必要了解在整个720个曲轴角度,特别是在进气阀门开段内进气门开启到进气门关闭的进气系统中的压力波模式的生成。图9 ( a)说明了相同的14毫米流道长度中，还必须利用压力图分析气体交换过程，以便更深入地了解影响通过进气口进入气缸或从气缸到进气道的空气质量流量的实时现象(如果有)。从这些数据可以看出,集气室中的压力波具有不稳定波动的性质。这是由于增压的影响,因为高增压直径与长度相比,导致更低的长径比，进气道和进气端口上的压力波由于共振而导致波动更大的特性，这种效应在共振较高的压力波中出现明显。进一步发现,在进气门开启之前进气门关闭之后,进气道和进气口普遍存在波型是均匀的。这是由于进气流道和进气口只是作为管道,在进气歧管的进气端与进气门关闭的另一端之间来回切换空气柱。压缩波在阀门端反映出的还是压缩波,压缩波在静压端反映出的是稀疏波。在这种情况下,流道和端口的压力波的波峰和波谷是按规则间隔发生的,具体取决于静压端和阀门端之间的总距离和波浪的速度。在这一期间，在1缸的进气道与进气口的均匀压力波会受到相邻的进气阀正处于运动状态的1,2缸的进气道与进气口的压力波产生影响。这种相互作用影响考虑的主要是压力的峰值值，然而,在进气门开启与进气门关闭间的波的特性反映了不同的趋势。在这一时期,由于进气道波浪等各种效应的组合、进气道气缸和排气口的相互作用以及活塞运动的相互作用,波的幅度明显增大。在进气门开启开闭期间稀疏波通过进气增压室,并被反射为压缩波,通过进气阀返回气缸,从而增加进气道的压力。当活塞从360 ( TDC)下移到385时,压缩波在进气阀部分打开时被反射为稀疏波。进气口的压力波在这一阶段下滑。质量流量仍为正值，因为活塞运动下降而使气缸内体积增加，导致进气口产生真空，使得气缸压力变得更低。在从385到410这25度的转角中,稀疏波将在进气增压室的开口端传播,并被反射为压缩波，从而增加了进气口的压力,并流回到已充满新鲜空气的气缸内。如前所述,由于活塞运动降低了气缸压力,质量流量对气缸呈正值。在从410到43

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