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1、么刃年第卷第期。车工程 眠刃电喷汽油机进气歧管的设计许元默帅石金王建听清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室摘要电喷汽油机的进气系统对整个发动机的动力性、经济性和排放特性有很大的影 响,其中进气歧管的尺寸和结构形状是主要的影响因素,需要进行优化设士卜。文中用对电喷汽油 机的进气歧管进行优化设计,并用 试验对计算机模型进行验证。整个设计过程表明,所用优化方法是一种有效的和切实可行的发动机进气系统设计方法。叙词 电喷发动机进气歧管,饰,凡沙只砂,而,】,血乡引言随着我国汽车排放法规的加严,电控进气道喷射式 汽 油机取 代传统的化油器式汽 油机是一 种必然。但电喷汽油机的 进气系 统,如进气歧 管的
2、 尺寸、形状等对进气阻力、进 气 均 匀性以及充气效率等影响非常大,进而影响发动机的性 能。不同使用要求的发动机必须要有相应的进气系 统 与之匹配。因而进气歧管的设计已成为电喷汽油机的一项 关键技术之一。目前,国内的进气歧管设计大部分停留在传统的经验设计上,虽然设计中也 运 用了一些 现代设计手段,如进气管的三维造型,但都没有建立一种有效的优化设计准则,而 且各个设计环节之 间缺乏有机的联系。随着计算机技术和计算流体力学技术的飞速发展,人们可以对进气系 统 的 内部流 动特性进行详细的分析,可以建立定量 的优 化设计目标和准则。在此基础上,结合计算机辅助设计手段和快速成型技术,将产品设计和产品
3、生产有机地结 合起来,可以减少设计中的盲目性,提 高设计精度,缩短设计周期,减少设计成本。利用发 动 机工作过 程循环模拟软件一确定了进气系 统 的布置和宏观结构参数。依据上述优化结构参数,利用三维软件进行了进气歧管流动区域的造 型。在模型基 础上,采用 网格 生成器生 成了计算网格,再利用软件盯一对 其流 场 进行了三维数值模拟,并用稳 流气道 试验台对计算结果进行了验证。原稿 收到日期为侧年月日,修改稿收到日期为年月日。年第卷第期汽车工程性。进气歧管优化设计方法进气歧 管 的优化设计包括进气歧管与发动机的匹配、进气歧管内部流场 的详细分 析以及 生成可直接进行加工 的造型,以达到减 少进气
4、阻力、改进进气不均匀性 的目的。图为进气歧管优化设计过程 的流程 图。维模拟计算建立一维发动机模型模型验证一 口歧歧管宏观儿何特征的的 优优化卜算算进气歧管部件的造 型将根据上 述匹配计算 与 内部流 场计算的结果 确 定。经过上 述【设计后,得到 一个可直接加 工 的零件模型,利 用快速原型制造、模具生成等方 法进行加工。最后到试验台进行 试验 验 证,并进一步调整模型,直到满足进气歧管的设计要求。整个设计过程周 期 短,一般不超过一个 月。成本低,大部分设计工作都是在 计算 机上进行。从一维三维模型、零件【模型到零件加工和试 验验证都不 是相互孤立 的,各个步 骤之间有 着 密切 的联系。
5、应用实例建建立 三维歧管流场场 模型型歧歧管流场三维流 动分析析满足快速成型 及试验 习口生成零件模型满足设计要求定型并液生产图进气歧管优化设一计过程进气歧管与发 动机的匹配一般采用一维数值 模拟 软件进行,它可以综合考虑 发 动机各 个部件对发动机性能的影 响。首先根据已有发动机 的参数及测量数据建立一维工作过程模型。再用发动机台架 试验对模型进行验证和完善。最后 利用已获得验证的模型,对进 气歧管的歧 管长 度、歧 管直径以及稳压腔容积等参数进行匹配优化设计。在确定歧管宏观结构参数之后,三 维软件可以从微观角度对其内部流场进行详细分析。首先根据已确 定 的宏观尺寸,利 用、等三 维 造型软
6、件进 行流 动区域的 造 型,再用、一、等网 格 生成器 生成计算网格。最后 用 解算 器,如一、等软件对边界条件进行设定并解算。反复修改流场模型直到满足最佳的流动阻力和流动均匀对电喷发动机的进气歧管,从一维和三维 两个 方面进行了优化设计,生成 了相 关的模型,并进行了加工和试验验证。一维模拟计算模型的建立利用一建立了发动机工作过程计算模型。它主要 由进气系统、排气系统以及气缸组成。电喷发动机进气系统模型主要 由空气滤 清器、喉口、稳 压谐振 腔等模 块组成。为了计算进气歧管长度对发动机性能的影响,建立模型 时将进气歧管长度设定 为可变参数。该模型综合考虑了各个影 响进气歧 管 特性的 因素
7、,包括对人口流场有影响的空气滤 清器、喉口以及对歧 管出口流 场有影 响 的进 气门开 闭 时刻、气缸 压力、扫气等。模型 的验证为 评价所建 模型的计算精 度和可靠性,将模拟结果与试验结果进行对比。在 原化油器进气系统改为多点喷射进气系统的基础上,按发动机外特性工况进行了试验验证。图为转矩、功率和燃油消耗 率的计算 结果与试验结果 的对比。由图可以看 出,计算结果 与试验值误差 不超过,大多数工 况 下都在以下。模拟 结果与试 验结果吻合良好,说明此模型可以用来对发动机进行参数优化计算。进气歧管长度 的匹配优化计算进、排气管存在动态效应。目前绝大 多数电喷发动机进气系统都利用此动态效应提高其
8、充气效率。而进气歧管长度对进气管的动态效应影 响很大。进气管 的动态效应需从整个进气系 统综合考 虑,包 括气缸、进 气、进气歧管结构以及进气总 管、喉口等,还 需 要考汽车工程入刃年第卷第期巴一翎残为巧 了了二泛卜卜 岭洲、勺勺一二一一曰印为日裂寨承一翎残弓自川注注 少少衅必尹叮, , , 、, ,向进气歧管。流动区域模型根据一 维发动机工作过程数值模拟得到 的结果,两 种歧 管的长 度基准都取为肋,考虑布置以及进 气均匀性等因素,各个歧管长 度 在仪五田叮左右有 所调 整首先利用对其流动区域进行了造型。图为中间进气歧管和侧向进气歧管流动区域的模型。为了便于在稳流试验台对模型进行验证试验,在
9、进口和 出口处都加了一段稳压段。匀哥俘中间进气侧向进气图流动区域模型流场计算网格在三维流场数值模拟计算中,网格生成通常需要花费大部分时间。由于 近几年出现了大量自动网格生成技术,致使整个模拟计算的周期 大 大 缩短。采用自动网格生成器分别对两个进气歧管生成了四面体网格,如图所示。为减少网格数量且不降低计算精度,在对各个歧管出口进行计算时,只加密了有气体流动的歧管。计算网格数量在万个左右。承一翎残, , , 、, , 飞飞,了了 、尸网尹一一 二坳姗砚】别洲 洲以 洲绷刃丁尸 协己的一哥棋解坦簇转速一一试验值一劝卜计算值误差图模拟计算结果与试验结果对比虑 发动 机 转速、气门正时等因素的影 响。
10、用一,从发动机的整体性能出发,对进气管长度 进行了优 化计算。计算时设 其它参数与原发动机的相同。选择典型工况为而标 定 转速、面最大 转矩转速和刃面监控点速。图为转矩和燃油 消耗率随进气歧管长度的变化情况。在高速工况下歧管长度 大于伽旧时,其转矩下降很大且燃油消耗率很高综合考虑转矩和燃油消耗率以及布置因素,采用了图中竖线代表的歧管长度仪吻。一尹一户一饰 洲洲沪沪碑碑洲帕响尸甘尸匕匕。一一一尸尸 加七叫叫叫 一、 、日一洲洲沪沪 ,州口户一一卜卜护一 二二二如以引刃喇刃,】日,幻侧进气歧管长 女洲万”一引加了夕众加刀图一转矩和燃油消耗率随进气歧管长度的变化三维模拟计算为进行流动特性的对比,对两
11、种进气歧管进行了计算和加工一种为 中间进气歧管,另一 种为侧中间进气侧向进气图计算网格生成流场计算利用三维软件一对进气歧管流场进行了解算。图为 中间进气 歧 管各出口管分别开启时的流场速度分布情况其中图例表示的是绝对静止压力值 单位。由于进口和 出口的直径相同,通过相对的静止压力差 额,可以得到各部分的压力损失值。由计算结果可看出中间进气歧管的气体流动方向变化相对比较小,这有利于减少 碰壁带来的动量损失。但是,在歧管出口喷油嘴安装位置处产生了一定的涡流,这对整个进气压力损失不利。图为侧向进气歧管各出口分别开启时的流场速度分布情况。由计算结果可看出,由于歧管进气日划裂撰泌功泌下毕己的哥粱解那簇勿
12、 以年第卷第期汽车上程犯表方案二计算所得各阶 固有频率阶数固有频率阶数固有频率结论碎粼】田两种 改进方案对比分析从两种改进方案来看,前面儿 阶振 型与改进前基本一致,但固有频率存在一些差异,见表。表有限元计算所得各阶 固有频率对比阶阶数数固有频率 原有固有频率方案一固有 频率 方案一二泛礴以中田通过试验模 态分 析,获得了柴 油机机体的模态参数,为有 限元模型 的建立及计算结果 的验证提供了依据。充分 利用了三 维软 件和软件的功 能,建立 了柴油机机体的三维模型。并利用有限元分析 软件对柴 油机 体 进行了模态分析计算,得到了该机体的固有频率和振型。四面体节点单元比节点单元计算精度高,与 试
13、验模 态结 果吻合性 较好。但解算量比较大,速度相对慢 一些。对于象机体这样 的大型结构进行动力分析,应 视精度 要求而合理选用。对柴油机机体两种改进方案进行了对比计算,为提高机体的刚度 找到 改 动 少而又适合于生产的方案。从表可以看 出,方案一 的固有频率除第、第阶变化不大外,其余儿阶固有 频率均 有 不 同程 度 的增加,特别是第阶 固 有 频率由提高至,提高了左右,证明 改 进 后 提高了机体的总体 刚度。改进前后前阶的模态振型特征基本相 同,说明增加模梁对机体的模 态 振型影 响不大。而方案二与改进前的机体比,其固有频率基本没 什么变化,可 见其 对 机 体的 刚 度基 本没什么影响
14、。因此采取方案一比较可行。参考文献靳卫新,陈国华 大功率柴 油机机体三 维模 态分 析内燃 机学报,随机信号 与振动分析系统使用说明书 南 京汽轮高新技术开发公司,公司大型 通 用有限儿程序系统纂础培训教程少洲年上接第页三维两方面对进气歧管进行了优化设计在建立三维流场计算模型 时,综合了优越的造型功 能和方 便 的 网格 生成功 能以及一决速 的计算功能,使 设计周 期 大 大 减少采用快速原型制 造 技 术 试制了进气歧 管的样件,并在稳流气道 试验台进行了验证。试验 结果表明,上 述优化 设计方 法可以在 一 定 程 度上替 代传统设计方 法,是 一 种 有 效 的计算机辅助设计手段。参考文献许兀默,一的开发及其在发动机进排气系统匹配优 化设计中的应用学位论文北京 清华大学,笋黄刚电喷发动机进气管的设计与开发学位论文北京 清华大学,限,脚吧忱塑尧一一
