柴油机进气道分析与设计
进气道的结构设计直接影响内燃机缸内充量的大小和涡流的强弱,这直接关系到混合气形成、燃烧、排放以及整机性能。传统气道研发时往往利用经验的设计方案和进行稳流实验相结合的方法, 但这种方案存在很多弊端，例如研制时间过长,而且最终制作出的成品也不一定能够达到理想的结果。随着计算机技术的发展，在进气道方面的设计也开始尝试采用CFD的开发流程,在这一方面界内实现了数字化的设计、分析、制作过程, 并能够在模具制造前对气道性能做出准确预测并加以改进,从而提高模具和产品的精度、降低模具和产品的成本、缩短模具制造周期、提高产品质量。不仅可以对现有气道进行优化改进,而且可以快速有效的引进吸收国内外先进的气道设计成果。
本文综述了国内外柴油机进气道的开发研究情况，以流量系数和涡流比作为研究重点，借鉴相关气道稳流实验数据，运用计算流体动力学理论CFD和有关数值模拟相结合的方法，以柴油机进气道为研究对象,用AVL FIRE软件对气道进行三维稳态数值模拟运算，为进气道的设计、改进提供了理论依据。
关键词? 柴油机，进气道，数值模拟，CFD，涡流比
目录
1 引言 1
1.1 气道的传统设计 1
1.2 现代气道设计 2
1.3 基于RE/CAD/CAM的数字化技术在柴油机进气道设计的应用现状 3
1.4 CFD的发展及其应用于发动机气道的研究现状分析 4
1.5 本课题的研究内容 6
2 进气道特性的评价方法 6
2.1 流量系数 7
2.2 涡流比 9
3 柴油机进气道的三维数值模拟 11
3.1 进气道的CFD模型及网格划分 11
3.1.1 柴油机进气道面网格 12
3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
.1.2 柴油机进气道线网格 13
3.1.3 柴油机进气道体网格 14
3.1.4 叶轮的网格图形 14
3.2 初始条件和边界条件设置 15
3.3 数值模拟计算 16
3.4 仿真实验结果分析 16
3.4.1 流量系数 17
3.4.2 涡流比 17
3.4.3进气道湍动能云图分析 18
结论 19
结束语 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
在柴油机中，进排气系统、燃料供给系统和燃烧室形状的相互配合是决定燃烧过程的关键因素。新鲜空气由进气道进入气缸的数量及其运动状态对发动机性能有重大影响，设计制造出结构良好的进气道一直是柴油机设计制造者的追求目标[1]。保证充足的进气量以及组织适当的缸内气流运动是改善燃烧、提高热效率和工质利用率的有效途径。进气道的设计对发动机的影响非常重要，设计进气道时，有两个量对进气道的特性相当重要，流量系数和涡流比。流量系数可以直接决定气缸进气时的充气量，涡流比会影响气缸内部混合气体形成和发展过程，所以在设计气道时应尽量增大它的流量系数，但是流量系数的增大会造成涡流比的减小，为了更加合理地设计，需要平衡这两个量[2]。
为合理设计进气道的结构来提高柴油机进气道的流量系数,采用三维数值模拟的方法对进气道进行研究, 在力求流动阻力最小的前提下, 尽可能减小涡流比, 保证气道内壁面的过渡圆滑、平稳, 避免气流急转弯现象, 改善进气管的截面和通道流线,不仅可以获得进气道、气门和气缸结构参数以及它们的相对位置对流动宏观特性的影响,而且可以获得其内部流场的大量微观信息, 为气道的优化和改进设计提供重要的依据。
1.1 气道的传统设计
气道的设计方法在不断演变，最为传统的气道设计采用经验设计和稳流试验相结合的方法，并利用木模或石模在稳流试验台上不断试验和优化,确定气道的形状,根据气道形状设计二维图纸,最终制造出模具,用于生产，设计流程如图1所示[3 ]。用此方法设计进气道,研制周期长,且较难得到理想方案,这些局限性使之已不能适应现代高性能发动机研制工作的需要，而采用三维数值模拟的方法对进气道进行研究,不仅可以获得进气道、气门和气缸结构参数以及它们的相对位置对流动宏观特性的影响,而且可以获得其内部流场的大量微观信息,为气道的优化和改进设计提供重要的理论依据[3 ]。
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图1 气道的传统设计
1.2 现代气道设计
随着计算机技术的发展，气道的设计和制造也开始转型，为了能够制造出高效率和高质量的气道，构建数理模型、改变求解方法等方面使气道的发展取得了巨大的进步，并经历了由二维到三维空间的改变，如今的气道设计方案不再像传统的方案那样复杂，能够在计算机上直接进行三维建模，同时可以使用流体动力学软件对气道的工作进行数值模拟计算，然后采用快速成型的方法加工出样件，并使用加工出的样件来验证该模型，在验证的过程中不断进行优化处理，最终得出最为合理的气道方案，这种方案免去了样件从模具到加工的复杂过程，不仅可以为实验的研究提供具体的数据信息，而且能够减小制造的花费、减小加工周期，设计出的气道的适应性也会相对较强。图2是AVL公司的气道开发的流程图，具体流程如下：
气道设计有专门的气道造型师，气道设计师按照设计要求，往往在进气口和排气口位置、气门的中心位置、气缸的螺栓口和推杆的位置、喷油器的位置、燃烧室的位置、喷油器位置等一些重要的部位制造出符合气缸盖在布置安装时位置的要求的阳模，往往采用泥芯作为主要材料进行制作。
b、在环氧树脂材料中放入阳模，扣出阴模部分。
c、对气道进行相关的质量测试，做抽气实验，同时对气道进行优化。反复进行该过程多次，直到获得性能较好的气道。
d、对阴模定型，做水套砂芯。
e、做匹配实验，对整机进行匹配，包括排气道、燃烧室和喷油嘴，做匹配实验后对其进行优化处理，最后对气道定型。
图2 AVL公司的气道开发流程
1.3 基于RE/CAD/CAM的数字化技术在柴油机进气道设计的应用现状
柴油机进气道有很多复杂的空间结构构成，进气道曲面也相当复杂，这种极不规则的几何图形使得想要对进气道进行三维建模处理相当困难，因此，这也成为限制气道数字化设计的一个重要因素。然而，随着计算机的发展，逆向工程为这个问题的解决发挥了重要的作用。在设计气道时，由专门的气道设计人员设计出气道的实物模型，这些模型可以由油泥或者石膏等材料构成，然后用三维扫描仪多个角度对气道模型进行扫描获得气道的三维图形，这样就可以用CAD技术对三维图形进行处理，将其转变成数学问题来解决，最终实现气道设计的数字化设计。有了相对简单的数学模型，就可以采用相关数控技术自动生成气道模具的数控程序，最后在数控机床上根据该程序对模具进行加工制作。这种制作方法被称为模具一体化，在国外是相对较为先进的制作模具的方案，具体流程如图3所示：
图3 数字化设计流程图
气道的开发流程已经将数字化技术引用其中，采用数字化技术来制作气道模具已经成为一种发展趋势。我国在柴油机进气道这一方面的数字化应用刚刚开始，但在这期间已经有不少科学人事获得了一些不小的成绩，如常柴股份有限公司的江超使用三坐标测量仪设备在气道模型表面对气道进行扫描处理，利用数控技术生成数控程序，然后在数控机床上加工制作出相应的气道模具；来自山西的车用发动机研究机构的姜莉等采用Pro/E工程软件画出了进排气道的三维数学模型，并根据该三维模型利用CAD技术加工制造了6105A柴油机气道金属热芯盒，最后在稳流试验台上进行了验证，通过将实验结果与数值模拟结果进行对比分析，达到了预定的设计目标[5]。这些成绩都将气道的设计过程数字化，这将推动气道的进一步发展。
3.1.4 叶轮的网格图形
由于气缸的长度为2.5倍直径，为了避免出口的工况对测量平面的影响，测量平面位于距离缸径1.75倍直径距离，需要设定合适的叶轮位置和尺寸。
1 引言 1
1.1 气道的传统设计 1
1.2 现代气道设计 2
1.3 基于RE/CAD/CAM的数字化技术在柴油机进气道设计的应用现状 3
1.4 CFD的发展及其应用于发动机气道的研究现状分析 4
1.5 本课题的研究内容 6
2 进气道特性的评价方法 6
2.1 流量系数 7
2.2 涡流比 9
3 柴油机进气道的三维数值模拟 11
3.1 进气道的CFD模型及网格划分 11
3.1.1 柴油机进气道面网格 12
3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
.1.2 柴油机进气道线网格 13
3.1.3 柴油机进气道体网格 14
3.1.4 叶轮的网格图形 14
3.2 初始条件和边界条件设置 15
3.3 数值模拟计算 16
3.4 仿真实验结果分析 16
3.4.1 流量系数 17
3.4.2 涡流比 17
3.4.3进气道湍动能云图分析 18
结论 19
结束语 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
在柴油机中，进排气系统、燃料供给系统和燃烧室形状的相互配合是决定燃烧过程的关键因素。新鲜空气由进气道进入气缸的数量及其运动状态对发动机性能有重大影响，设计制造出结构良好的进气道一直是柴油机设计制造者的追求目标[1]。保证充足的进气量以及组织适当的缸内气流运动是改善燃烧、提高热效率和工质利用率的有效途径。进气道的设计对发动机的影响非常重要，设计进气道时，有两个量对进气道的特性相当重要，流量系数和涡流比。流量系数可以直接决定气缸进气时的充气量，涡流比会影响气缸内部混合气体形成和发展过程，所以在设计气道时应尽量增大它的流量系数，但是流量系数的增大会造成涡流比的减小，为了更加合理地设计，需要平衡这两个量[2]。
为合理设计进气道的结构来提高柴油机进气道的流量系数,采用三维数值模拟的方法对进气道进行研究, 在力求流动阻力最小的前提下, 尽可能减小涡流比, 保证气道内壁面的过渡圆滑、平稳, 避免气流急转弯现象, 改善进气管的截面和通道流线,不仅可以获得进气道、气门和气缸结构参数以及它们的相对位置对流动宏观特性的影响,而且可以获得其内部流场的大量微观信息, 为气道的优化和改进设计提供重要的依据。
1.1 气道的传统设计
气道的设计方法在不断演变，最为传统的气道设计采用经验设计和稳流试验相结合的方法，并利用木模或石模在稳流试验台上不断试验和优化,确定气道的形状,根据气道形状设计二维图纸,最终制造出模具,用于生产，设计流程如图1所示[3 ]。用此方法设计进气道,研制周期长,且较难得到理想方案,这些局限性使之已不能适应现代高性能发动机研制工作的需要，而采用三维数值模拟的方法对进气道进行研究,不仅可以获得进气道、气门和气缸结构参数以及它们的相对位置对流动宏观特性的影响,而且可以获得其内部流场的大量微观信息,为气道的优化和改进设计提供重要的理论依据[3 ]。
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图1 气道的传统设计
1.2 现代气道设计
随着计算机技术的发展，气道的设计和制造也开始转型，为了能够制造出高效率和高质量的气道，构建数理模型、改变求解方法等方面使气道的发展取得了巨大的进步，并经历了由二维到三维空间的改变，如今的气道设计方案不再像传统的方案那样复杂，能够在计算机上直接进行三维建模，同时可以使用流体动力学软件对气道的工作进行数值模拟计算，然后采用快速成型的方法加工出样件，并使用加工出的样件来验证该模型，在验证的过程中不断进行优化处理，最终得出最为合理的气道方案，这种方案免去了样件从模具到加工的复杂过程，不仅可以为实验的研究提供具体的数据信息，而且能够减小制造的花费、减小加工周期，设计出的气道的适应性也会相对较强。图2是AVL公司的气道开发的流程图，具体流程如下：
气道设计有专门的气道造型师，气道设计师按照设计要求，往往在进气口和排气口位置、气门的中心位置、气缸的螺栓口和推杆的位置、喷油器的位置、燃烧室的位置、喷油器位置等一些重要的部位制造出符合气缸盖在布置安装时位置的要求的阳模，往往采用泥芯作为主要材料进行制作。
b、在环氧树脂材料中放入阳模，扣出阴模部分。
c、对气道进行相关的质量测试，做抽气实验，同时对气道进行优化。反复进行该过程多次，直到获得性能较好的气道。
d、对阴模定型，做水套砂芯。
e、做匹配实验，对整机进行匹配，包括排气道、燃烧室和喷油嘴，做匹配实验后对其进行优化处理，最后对气道定型。
图2 AVL公司的气道开发流程
1.3 基于RE/CAD/CAM的数字化技术在柴油机进气道设计的应用现状
柴油机进气道有很多复杂的空间结构构成，进气道曲面也相当复杂，这种极不规则的几何图形使得想要对进气道进行三维建模处理相当困难，因此，这也成为限制气道数字化设计的一个重要因素。然而，随着计算机的发展，逆向工程为这个问题的解决发挥了重要的作用。在设计气道时，由专门的气道设计人员设计出气道的实物模型，这些模型可以由油泥或者石膏等材料构成，然后用三维扫描仪多个角度对气道模型进行扫描获得气道的三维图形，这样就可以用CAD技术对三维图形进行处理，将其转变成数学问题来解决，最终实现气道设计的数字化设计。有了相对简单的数学模型，就可以采用相关数控技术自动生成气道模具的数控程序，最后在数控机床上根据该程序对模具进行加工制作。这种制作方法被称为模具一体化，在国外是相对较为先进的制作模具的方案，具体流程如图3所示：
图3 数字化设计流程图
气道的开发流程已经将数字化技术引用其中，采用数字化技术来制作气道模具已经成为一种发展趋势。我国在柴油机进气道这一方面的数字化应用刚刚开始，但在这期间已经有不少科学人事获得了一些不小的成绩，如常柴股份有限公司的江超使用三坐标测量仪设备在气道模型表面对气道进行扫描处理，利用数控技术生成数控程序，然后在数控机床上加工制作出相应的气道模具；来自山西的车用发动机研究机构的姜莉等采用Pro/E工程软件画出了进排气道的三维数学模型，并根据该三维模型利用CAD技术加工制造了6105A柴油机气道金属热芯盒，最后在稳流试验台上进行了验证，通过将实验结果与数值模拟结果进行对比分析，达到了预定的设计目标[5]。这些成绩都将气道的设计过程数字化，这将推动气道的进一步发展。
3.1.4 叶轮的网格图形
由于气缸的长度为2.5倍直径，为了避免出口的工况对测量平面的影响，测量平面位于距离缸径1.75倍直径距离，需要设定合适的叶轮位置和尺寸。
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