基于CFD的汽油機進氣歧管設計研究含開題及說明書

基于CFD的汽油機進氣歧管設計研究含開題及說明書,基于,CFD,汽油機,歧管,設計,研究,開題,說明書 XX設計說明書 基于CFD的汽油機進氣歧管設計研究 學生姓名： 學號： 學 院： 專 業： 指導教師： 20XX年 6月 設計說明書 基于CFD的汽油機進氣歧管設計研究 摘 要 進氣歧管對發動機的動力性，發動機的噪音以及發動機的排放起著關鍵性的作用，是汽油機的重要零部件之一。由于塑料進氣歧管具有輕量化、設計自由度大等優點，越來越多的受到了人們的關注和認可。為了提高發動機的動力性和經濟性，改善發動機的性能，降低發動機的輸出噪音。針對C14DVVT汽油機的進氣歧管進行設計研究。采用先進的計算機技術進行計算和分析。先根據經驗公式和給定的發動機參數對進氣歧管的結構尺寸進行大概計算，然后通過CATIA進行三維建模 ，再導出進氣歧管內部氣流的計算域 ，最后利用用商業化CFD軟件FIRE對進氣歧管內部的氣體流動進行分析計算并提出改進意見，最終完成進氣歧管的設計。 關鍵詞：進氣歧管，汽油機，CFD分析 Design of intake manifold of gasoline engine based on CFD Abstract Air intake manifold was the most critical component in the engine intake system.Plastic air intake manifolds successfully replaced the aluminum air intake manifolds for its good performance,lower weight and costs.In order to improve the efficiency of the engine,the torque and the engine performance,greatly improve the power performance and fuel economy of vehicles,study the design of C14DVVT engine intake manifold .Using advanced computer technology to design, calculation and analysis.First through the CATIA to build 3D model, and then get calculation domain of internal air intake manifold,and then use commercial CFD software FIRE for the analysis of gas flow and put forward the improvement opinion, finally completed the design of the intake manifold. Keywords: Intake manifold，gasoline engine，CFD analysis 目錄 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 進氣歧管綜述 1 1.2.1 進氣歧管的影響因素 1 1.2.2 進氣歧管的組成和分類 2 1.3 汽油機進氣歧管的發展現狀和趨勢 3 1.3.1 進氣歧管發展歷程現狀 3 1.3.2 塑料進氣歧管在當今社會中的發展優勢 4 1.3.3 塑料進氣歧管的選材以及產品要求 5 1.3.4 塑料進氣歧管的制造工藝 6 1.4 我國塑料進氣歧管的發展狀況以及潛在市場 6 1.5 本課題主要研究內容以及研究意義 7 2 歧管結構尺寸的設計以及三維建模 8 2.1 設計所進氣歧管所遵循的一般性原則 8 2.2選定進氣歧管的初始參數 9 2.2.1穩壓腔容積的選定 9 2.2.2選定進氣歧管的長度 9 2.2.3選定進氣歧管的直徑 9 2.3歧管的結構功能分析 10 2.3.1 相關傳感器的分析研究 10 2.3.2 燃油供給系統的分析研究 11 2.3.3 排氣凈化器對進氣歧管的影響 11 2.3.4 真空助力器對進氣歧管的影響 12 2.4 進氣歧管的三維建模 12 2.4.1 三維軟件CATIA介紹 12 第 I 頁 共 II 頁 2.4.2 CATIA建模 13 2.5 本章總結 14 3 進氣歧管流量分析與設計 15 3.1 用流體動力學控制方程分析 15 3.1.1 質量守恒方程 15 3.1.2 動量守恒(N.S方程)方程 15 3.1.3 能量守恒方程 16 3.1.4 歧管沿程能量的損失分析 16 3.1.5 歧管的局部能量損失 17 3.1.6 進氣歧管曲率半徑對能量損耗的影響 17 3.1.7 進氣歧管截面面積的變化引起的損失 18 3.1.8 湍流流動方程 18 3.2 CFD概述 18 3.3 AVL FIRE軟件簡述 19 3.4 用FIRE進行分析計算 19 3.4.1 劃分網格 21 3.4.2 計算參數設置 23 3.4.3 結果分析 30 3.4.4 提出改進意見 35 3.5 本章總結 35 4 全文總結 36 參考文獻 37 致謝 40 第 II 頁 共 II 頁 1 緒論 1.1 引言 汽車行業是人們一直關注的焦點，汽車因其特殊的功能被人們稱作是能夠改變世界的機器，改革開放以來，伴隨著我國的經濟的飛速發展，汽車產業鏈發展變得十分迅速，經過我國人們多年的努力形成了品種繁多、系列復雜的各類整車車間以及零部件生產的配套體系，隨著人們生活水平的逐漸提高，汽車越來越多的進入普通的農民百姓家中。汽車產業在國民經濟以及社會發展中有著特別地關鍵性作用[1]。發動機水平的高低直接影響汽車的各項性能指標，它在整個汽車上扮著非常重要的角色[2]。 伴隨著社會主義現代化的飛速發展，工業化程度的急劇加快，環境的污染越來越嚴重，資源面臨著嚴重的不足。汽車的尾氣污染給環境也造成了很大的影響，因此降低汽車發動機尾氣排放也一直是政府和專業人士的奮斗目標[3]。 在汽油機的工作過程中需要有一套完整的進氣裝置來為各個氣缸提供穩定的新鮮混合空氣，氣缸內的混合氣體流動十分的復雜，而且具有不定常流動和湍流性強等流動特點。進氣系統的好壞在一定的程度上影響發動機的各項性能指針[4]。 汽油機進氣歧管的結構尺寸的大小以及布置形式是否合理等對歧管的進氣均勻性等有著非常重要的影響，進一步影響到發動機的動力性、經濟性以及排放特性[5]。在現階段研發過程中，能夠提供足量的新鮮空氣對發動機顯得十分的重要，所以進氣歧管的設計環節需要花費更多的心思[6]。 1.2 進氣歧管綜述 1.2.1 進氣歧管的影響因素 進氣歧管除了在進氣方面的功用外，還對其它管路以及其它小附件起著支撐的功用[7]。前面接進氣管，后面接進氣道。它的作用是將混合氣體平穩并且均勻地送到各個氣缸內，與進氣管，進氣道一起構成了完整的進氣系統。 在發動機的充氣效率和動力性能方面，進氣歧管的影響也是比較大的。通過對進氣歧管的總成系統的調節來控制空氣的攝入量的多少，使得燃油的經濟性得到提高。從進氣阻力方面簡單地來說，管道中的壓力降主要和管道直徑的四次方成正比關系，增大管徑可減小阻力。但是從其進氣的波動效應來看管徑小可以增大其波動效應。管長決定了進氣系統中壓力液的擋位，同時還影響波動效應傳到氣門的時間。另一方面進氣歧管可以合理有效地控制發動機的排放。進氣歧管具有促進各種氣體和空氣的混合作用，能夠充分的保證進氣的均勻性能。對于非增壓類型的發動機來說，進氣歧管是一個真空源，合理有效的提供給真空系統零件真空的作用[8,9]。 1.2.2 進氣歧管的組成和分類 進氣歧管給發動機的電噴系統以及主要的傳感器和執行器提供了結構方面的支撐，給這些元件的安裝維修帶來了方便，如噴油器、油軌、各類傳感器、怠速控制以及剎車助力等元件都安裝安裝在進氣歧管上，使得進氣歧管結構很復雜[10]。 汽油機的配置不同。要求的進氣歧管結構也不是完全一樣的，布置形式也千差萬別。經過查閱資料得知，汽油機的進氣歧管主要分為以下兩種。自然吸氣式和增壓式兩類。 圖1.1自然吸氣式進氣歧管 圖1.2增壓式進氣歧管 1.3 汽油機進氣歧管的發展現狀和趨勢 1.3.1 進氣歧管發展歷程現狀 進氣歧管是發動機的重要組成部分，良好的進氣歧管可以對汽油機的動力性，經濟性以及排放性有非常大的促進作用。而人們對進氣歧管的研究也經歷了漫長的歲月。最開始制造進氣歧管的時候，所有采用的都是鑄件，但是由于進氣歧管的結構十分的復雜，而傳統的鑄件大都采用的是金屬模砂型鑄造，對于進氣歧管不能夠滿足其表面光滑、質量小等特點。而且在金屬進氣歧管的設計制造過程中。其工藝變得越來越復雜，成品率很難得到保證[11]。后來漸漸的被復合材料，鋁合金材料等所代替，有效的滿足了其質量輕，內壁光滑，減少阻力等特點，也增加了進氣效率。伴隨著社會經濟的日益發展。對進氣歧管的要求也越來越高。要求需要配備有復雜的內部控制機構，為了能夠進一步滿足進氣歧管的設計要求。使得發動機的動力性，經濟性以及排放性能夠得到進一步的提高，發達的工業國率先采用尼龍制造的進氣歧管，緊接著美、韓等國相繼開發了塑料進氣歧管[12]。從此以后塑料進氣歧管越來越受到人們的認可。不僅質量輕。內部光滑，而且阻力小。生產成本較低。 我國的塑料進氣歧管發展比較曲折，早從20世紀90 年代初我國就開始攝入研究，開始先是從國外一些合資汽車企業引入先進的技術至國內。在這個過程中，進氣歧管的核心技術由外資方控制，進口成本特別高，塑料進氣歧管作為發動機的重要部件，在我國的發展受到了很大的阻力。后來慢慢的一些外資企業零部件生產商陸續在我國國內生產進氣歧管。使我國有了很大的機會對塑料進氣歧管的接觸以至有了更大更深的了解。在這個階段過程中，國外先進的的塑料進氣歧管生產技術和生產線轉入到我國國內，然后利用我國國內特別廉價的勞動力大批量的生產進氣歧管，在利益的驅動之下，在我國國內的合資廠提供配套批量的塑料進氣歧管。但是在這個階段中進氣歧管的設計和研發仍在國外進行。所以一些真正的制造技術我們仍然沒有接觸到核心。進步較為緩慢。經過大量的摸索和探究，國內汽車制造技術也有了很大提高，國內的部分企業開始了對塑料進氣歧管的研發工作。 因技術含量比較高，，而其中包含了諸多的發動機方面的重要技術。國內的汽車企業沒有完全的設計和生產發動機的整套技術的能力，所以都是仿制一些特別傳統的塑料進氣歧管，導致設計制造技術水平十分的落后，塑料進氣歧管的功能基本無法實現。滿足不了發動機的工作環境要求[13,14]。 1.3.2 塑料進氣歧管在當今社會中的發展優勢 汽車工業發展的最主要的方向之一是能夠實現汽車的輕量化，也是整個汽車行業和國家科技進步的重要標志。為了能夠快速的滿足汽車企業的發展和人們的需求，塑料進氣歧管逐漸成為當今進氣歧管的發展方向。其技術要求非常的嚴格，目前只有很少幾個國家具有該項生產技術。但因為塑料進氣歧管的制造成本十分低廉，質量較輕，內壁比較光滑，可以改進氣體的流動性，提高進氣效率，隔熱效果也比較好等諸多的傳統材料不具有的優點，因此受到了國內的主機廠和配套制造方的密切關注，通過數據預測未來塑料進氣歧管在我國將有很大的發展空間[15]。其優勢主要體現在以下幾個方面： (1)輕量化：與傳統的進氣歧管相比，塑料進氣歧管采用的是尼龍材料。其管壁較薄。其質量降低約為50％左右。 (2) 動力性提高：由于塑料進氣歧管的內壁比其他材料的進氣歧管光滑一些，其充氣效率和充氣量比傳統的進氣歧管也提高很多，比鋁合金制造的的進氣歧管的發動機動力性提高了3%到5%左右。 (3) 制造成本低：塑料進氣歧管可以一次性合成，其合格率比較高。生產方式主要采用注塑成型、成型工序比較少、生產效率高、加工周期短。 (4)排放性和經濟性：燃油燃燒更加充分。塑料進氣歧管的導熱性比較低，氣體的密度較高，經濟性能就得到了較大的提高。 （5）降低噪聲；現階段塑料進氣歧管目前采用的材料都是尼龍(PA)制成。能夠有效的減振消聲和并提高其耐磨性。滿足現代城市的生活文明。 （6）環保：由于塑料進氣歧管的內壁比較光滑、所以其進氣較為流暢，燃料可以充分的燃燒，有效的減少了有害氣體。 1.3.3 塑料進氣歧管的選材以及產品要求 因汽車企業周邊的復雜環境條件的影響所致，塑料在汽車行業的發展速度十分緩慢。汽車行駛過之后停車的剎那間，溫度都很高。因此，為了能夠保證發動機的正常的使用壽命和汽車較好的使用性能。在選定塑料進氣歧管材料的時候，一般需要注意材料應該滿足以下幾個條件[16]： (1) 耐高溫：因為塑料進氣歧管與發動機缸蓋直接性地連接，發動機缸蓋溫度一般都很高。因此，進氣歧管的材料通常要求能夠至少耐180℃及以上的高溫，通常采用尼龍制成。 (2)尺寸穩定性要好：按照有關要求，進氣歧管上要安裝各類元件，所以與發動機的連接處的尺寸公差必須符合相關的標準，所以對材料的要求是必須具有尺寸穩定性。 (3)強度要高：作為一種交通運輸工具，在使用的過程中除了需要能夠承受各種道路上飛沙的沖擊敲打之外，還要耐得住汽車在運輸過程中發動機的各種1振動和負荷并且起到支撐作用。對強度要求比較高。 (4) 化學穩定性要好：由于塑料進氣歧管在工作過程中需要直接接觸油類物質和冷卻液等各類腐蝕性物質，特別是汽油，是很強的溶劑，冷卻液中的乙二醇腐蝕性物質會對塑料產生非常大的化學反應。所以塑料進氣歧管材料必須要耐得住各種腐蝕，良好的化學穩定訊能有利于延長進氣歧管的壽命，確保進氣歧管在發動機中使用時各項性能能夠發揮作用。 (5)良好的熔融流動性：由于這些零部件大都采用的是注塑成型，有的部件結構是十分的復雜的，截至目前，幾乎所有的塑料進氣歧管采用的材料都是尼龍PA6加25％～35％的玻纖的增強塑料或者尼龍PA66加25％～35％的玻纖的增強塑料。尼龍主要有以下幾個方面的特點：耐高溫、化學性質穩定，但是收縮率比非常大。并且容易吸水。吸水后的強度有所降低。為了改善這種不足因此需要添加玻纖來減小尼龍的收縮率。塑料進氣歧管材料人們一直在尋找中，也一直在發展中，盡管各個國家一直在竭盡全力的研究開發中，但是截至目前為止尼龍還是最佳的選擇材料[17]。 1.3.4 塑料進氣歧管的制造工藝 塑料進氣歧管在具備了其自身的優勢之時，其制造工藝方法也比較多，每一種方法出來的效果也有差別。用過的最多的主要有熔芯法、摩擦焊法和熱板焊法等方法。隨著進步發展又相繼出現了高溫誘導焊以及熱電阻焊等方法。 熔芯法的應用比較早、也是比較成熟的一種生產工藝。它的主要優點是設計出來的進氣歧管的內壁表面十分的完整光滑，氣體的流動性能也比較好，一次性注塑成型。氣密性能、機械性能都很良好。成品率高， 缺點是金屬芯鑄芯和熔芯過程中會消耗大量的能量，使得成本較高，不是很節約能源。 摩擦焊法是利用兩個待焊工件的接觸面產生的摩擦熱量能來使塑料快速熔化，兩個工件表面產生相對位移并作振幅往復的移動，當達到預期的焊接程度之時，焊接好的部分冷卻、固化，從而形成緊密地結合在一起。因其原理的特殊性，所以與熔芯注塑法相比較其生產效率高、成本低。但因是摩擦焊法使得焊縫處的強度比較低、導致氣體的流動性相對其它焊接方法比較差。 熱板焊主要是因為對工藝要求性非常的高，其應用面比其它方法較為狹窄。綜上所述最合適的制造工藝方法是振動摩擦焊，其生產效率比較高而且成本十分低[18,19]。已經大力投入使用。 1.4 我國塑料進氣歧管的發展狀況以及潛在市場 進氣歧管作為發動機的最核心的零部件，一直以來受到了許多國內外專家學者的研究，新的排放標準對發動機進氣歧管做出了新的要求，要求必須配備復雜的內部控制，塑料成為了發動機進氣歧管最優最佳的選擇材料。 目前中國的一汽與BASF公司已經順利完成了柴油機的塑料進氣歧管的開發工作并且率先在紅旗轎車上得以使用。這是我國歷來第一次研發成功的首個工業化塑料進氣歧管。 另外重慶宗申汽車進氣系統有限公司一直致力于汽車進氣歧管的研制和開發 ，其中一部分銷往國外，另一部分則針對國內微車需要專門開發的。在國內一些整車企業開始試用該塑料進氣歧管，吉利汽車遠景商務轎車在國內率先試用塑料進氣歧管，也代表了吉利目前最高的國內研發設計水平。 中國的汽車工業的發展已經進入到一個高速的增長階段，市場競爭也顯得越來越激烈，如何能夠減少汽車的制造成本且實現利益的最大化是諸多企業關注的核心，新材料新工藝越來越受到企業的關注和重視，而塑料進氣歧管的需求量在隨汽車的年產量的增多而增加，其市場前景非常大。產品的輕量化和原料的國產化是中國汽車企業一直努力的方向，為早日把質量、性能和檔次上升一個新的臺階而努力。目前我國的塑料進氣歧管生產研發主要集中在上海，寧波，京津唐地區。東北黑龍江等地區。 1.5 本課題主要研究內容以及研究意義 本課題主要是針對C14DVVT發動機的進氣歧管進行設計和研究，通過查閱大量的參考文獻，根據經驗公式得出進氣歧管的一些參數，根據分析計算出來的參數利用三維軟件CATIA進行三維模型，然后將建立好的模型以STL格式導出進氣歧管的計算域，接著把將出來的計算域導入到FIRE中進行分析，生成面網格、體網格，設置參數等等，生成進氣歧管計算網格。建立歧管內氣體的各種流動方程、采用合適的計算方法、對氣體的流動進一步做數值模擬分析并且運算。最后得出各進氣管道的質量流量、壓力分布、速度參數，對各個管道的進氣均勻性和流動阻力進行分析研究，對本次設計的進氣歧管找出其不合理之處，最后進行一些改進建議。其過程具體表現為以下幾個方面內容： 1.對汽油機塑料進氣歧管的結構功能研究分析以及管內流動特性的分析并提出改進意見。 2.分析進氣歧管的各個結構參數的變化對該款發動機性能的影響 3.對設計的進氣歧管的型腔進行三維流場分析探究 通過對本次設計的進氣歧管進行分析探究，將更有利于提高該款發動機的各種性能以及排放性能。對我國汽車的發展能夠起到十分大的促進作用，讓汽車更好、更安全的服務于人類社會。 2 歧管結構尺寸的設計以及三維建模 2.1 設計進氣歧管所遵循的一般性原則 為了能夠使得進氣歧管各缸的進氣能夠均勻一些，歧管的各個長度應該盡可能等長，也就是要求每個氣道的中心型線的長度應該盡可能地保持等長，但是由于布置形式等以及眾多因素的影響使得進氣歧管的長度不能夠等長。但是長度對進氣歧管的影響是比較大的，也是關鍵性要素之一，所以在進氣歧管的設計之時應該盡力地保證歧管長度近似等長。另外氣道的截面面積和穩壓艙的體積也都會影響進氣歧管的各種性能。 由于上面的這幾個參數都是由模擬計算的結果輸入而得來的，所以在設計和建模之時確保這些參數準確，后面沒有特殊原因將不再進行變動[20]。 2.2 選定進氣歧管的初始參數 汽油機的進氣系統一般情況下都裝在發動機的前端，主要由空氣濾清器，進氣道和進氣歧管等零部件組成。其進氣歧管的結構形式取決于燃油供給系統，因為電控燃油多點噴射不會直接的影響混合氣體的形成，特別是在變工時燃油出現的滯后現象，因此電控燃油多點噴射成為現在主流的供油方式。在開始進行歧管的設計時首先確定以下幾個方面的參數：氣道的長度L，氣道出口截面積S1，節流閥體的入口截面直徑Φ1和穩壓腔的體積V，其進氣歧管基本的結構參數平面結構圖如下圖2.1所示 圖2.1 進氣歧管的結構參數示意圖 2.2.1穩壓腔容積的選定 經過查閱相關的資料和文獻，結合歧管在發動機及整車上的布置形式，為了能夠充分利用塑料優點，穩壓腔的容積一般是0．8～1．2倍的發動機排量[21]。結合此次設計的發動機的排量是1.4L，穩壓腔容積V此次定為排量的1.2倍也就是1.68L，穩壓腔的入口直徑取70mm。 本次采用的是塑料進氣歧管，穩壓腔容積大小影響諧振效率，它可以利用諧振效應來提高歧管的充氣效率，同時可改善各缸的進氣均勻性，對非增壓發動機具有很好的諧振進氣的作用。 2.2.2選定進氣歧管的長度 由于發動機的型號不同，其參數也不一樣。對每一款發動機所匹配的參數下都存在一個最合適的歧管長，歧管長度影響進氣效率。經過查閱相關資料根據壓力波動態效應得知，理論情況下最佳的充氣效率下所對應的發動機轉速與氣門發出的第一個疏波到反射回壓縮波的間隔時間有關。在發動機的某一特定的轉速區域內部，進氣過程中所產生正向壓力波能夠讓迸氣結束之時氣門處的壓力恰好比正常的進氣壓力高一些，進氣量比較充足。在型腔的設計中，需要考慮到進氣的波動效應，讓氣流在最大扭矩點的轉速附近能產生增壓反射，以獲得較好的慣性增壓效果。歧管的長度在一定程度上受到發動機安裝空間位置等因素的限制，設計中兼顧其對流量和歧管模具制作難易程度等帶來的影響條件。經過分析決定此次進氣歧管的長度L取400mm。 進氣歧管長度會對充氣效率和進氣效應等產生十分大的影響。在進氣歧管型腔優化計算中，長度需要作為首個目標參數對其進行優化[22]。 2.2.3選定進氣歧管的直徑 經過大量查閱相關的資料得知：進氣歧管的管徑需要結合管道的摩擦效應以及管道的波動效應來綜合進行選取。單純的從管道摩擦效應影響的角度去分析研究，管道中的壓力降大小跟管口直徑四次方的倒數成正比例關系，因此為了使壓力降盡可能小點，應該盡可能地增大管徑[23]；但是從波動效果角度來看，為了增大波動的幅度則希望管徑小以些，兩者相互影響成為互斥的。為了能夠進一步選取一個合適的值，現用公式法進行分析如下所示。 從摩擦角度分析：管徑的最小估算公式如下2.1所示： （2.1） 上式中：d是氣缸的直徑，單位：mm；S為行程，單位：mm；n為汽油機的轉速，單位：r／min。 根據大量的實驗數據。最佳的波動效果的管徑計算公式如下所示： （2.2） 式中：V為氣缸的容積； 為了能夠讓進氣歧管內油膜順利蒸發，因此進氣歧管的斷面表面應該盡可能的做的大點。鑒因此原因大部分的進氣歧管優先采用方形形狀做成，從鑄造工藝的角度進行分析，相比圓形，方形的鑄造更簡單一些。而從單片塑料注塑工藝的角度進行分析，半圓形斷面更將便于油膜進行蒸發，又因為圓形斷面相比半圓形斷面以及方形斷面的氣流其阻力要小很多，使得進氣管道不容易形成油膜，經過再三考慮希望得到更高的氣流速度更利于油膜的脫落，此次發動機塑料進氣歧管選用圓形斷面比較合適[24,25]。管徑采用方形形狀。 兼顧了功率和扭矩的之時，在本次設計進程中初次選澤歧管管徑0.85倍的進氣門直徑，經過查參考文獻，C140VVT汽油機的進氣門直徑為25.8mm.所以此次歧管直徑取為22mm.還應特別注意一下歧管跟發動機缸蓋進氣道的結合處以及歧管所在的穩壓腔上的布置形式[26]。接觸長度50mm，寬為22mm，氣道之間的間距等長，即L=L=L=30mm。 2.3 歧管的結構功能分析 汽油發動機的進氣歧管提供了輔助結構的安裝位置，如執行器、部分傳感器、油管、水管等，除了輸送混合物的運輸和分配外，還包括安裝位置。今天，大多數電噴系統傳感器安裝在進氣歧管上。因此對其結構功能分析顯得十分重要。 2.3.1 相關傳感器的分析研究 一般情況下，在進氣歧管上安裝的傳感器主要有兩個，分別是進氣溫度傳感器與進氣歧管壓力傳感器。其中之一的進氣溫度傳感器主要作用是檢測進入發動機的空氣的溫度，因為進氣溫度的變化會使氣體密度發生變化，因此需要修正噴油量。為了使測量和校正準確，溫度傳感器安裝在進氣歧管上。進氣歧管壓力傳感器主要用于測量進氣歧管的壓力。在發動機正常運轉過程中，隨著節氣門開度的增加，進氣量增加，進氣歧管真空減小。壓力傳感器通過檢測歧管內的壓力來確定氣缸的工作狀態，以方便噴油和點火的精確控制。當通過氣缸壓力缸時，傳感器應安裝在進氣管的第一個或第四個氣缸內，并應靠近進氣閥，便于準確判斷氣缸?？砂惭b在進氣總管和穩壓腔上。 這些傳感器在進氣歧管上的配置，除了匹配發動機中使用的控制系統外，還應考慮安裝位置的橫向力，最大限度地減少滑塊和其它機構的運動。降低模具等其制作難度。 2.3.2 燃油供給系統的分析研究 多點噴射發動機的供油系統通常由燃油濾清器、油軌、燃油壓力調節器和噴油器組成。而在進氣歧管設計過程中燃油壓力調節器、噴油器的安裝的具體尺寸以及位置等都會對進氣歧管的性能產生影響。 各元素的作用和功能是不一樣的，在油軌燃油均勻地分布到噴油器和燃油壓力調節器調整燃油軌壓力，由于實際系統的燃料供給率的變化和發動機進氣歧管真空的燃料量的變化引起的干擾的清晰和緩沖。正常情況下，壓力調節閥關閉，隔膜的一側與燃油泵相連。而另一側相通進氣歧管。其目的是能夠保證進氣歧管與燃油泵的壓力差不變。 因此，在塑料進氣歧管的腔體設計中，應考慮各部件的安裝，以免干擾。 2.3.3 排氣凈化器對進氣歧管的影響 該排氣凈化器主要包括蒸發損失控制裝置、曲軸箱通風裝置和廢氣再循環裝置。蒸發損失控制裝置主要用于汽油機燃料時排放的蒸汽擴散到空氣中，常用的活性炭作為臨時存儲的蒸汽空間，活性炭的通風孔在一定真空度的位置，足以確保均勻的油氣混合物。其導入位置一般在穩壓器的入口位置。為能夠有效防止曲軸箱壓力過高，采用曲軸箱強制通風裝置。也就是說，進氣管的負壓使曲軸箱內的空氣進入進氣歧管和氣體混合物進入燃燒室，然后燃燒。曲軸箱通風裝置的設計原則時通風孔末端壓力脈動盡可能小點，將通風孔導入位置放在穩壓腔上，確保曲軸箱空氣在氣缸之間均勻分布。排氣再循環裝置在設計進氣孔位置時應確保氣缸內的氣體分布均勻。 2.3.4 真空助力器對進氣歧管的影響 真空室與制動主缸相連，以獲得發動機進氣歧管上的真空并與控制閥一起形成真空助力器。目的是能夠有效地降低駕駛員的制動力。 當發動機運轉時，真空閥打開，氣門關閉。負壓室中的氣體吸入進氣歧管中。踩下制動踏板后，真空閥關閉?？諝忾y打開。松開制動踏板，增壓活塞被歸位。氣室與真空室連通，油壓下降。制動作用解除。 2.4 進氣歧管的三維建模 2.4.1 三維軟件CATIA介紹 CATIA是由達索飛機公司在70年代左右開發的高檔CAD/CAM軟件，CATIA是英文ComputerAided?Tri.Dimensional?Interactive?Application（計算機輔助三維交互應用）的縮寫。在中國目前由IBM公司代理銷售。 CATIA產品開發商達索航空是世界領先的航空航天集團企業，產品被稱為幻影2000和陣風戰斗機。達索航空成立于1981。它的發展非常迅速?，F在在CAD/CAM領域和PDM中有著非常重要的地位，得到了社會各界的認可。其銷售利潤也迅速發展。從年初的一百萬多美元到目前的近二十億美元。公司人數也由原來的20人發展到現階段的2000多余人。 CATIA是CAD/CAM技術在CAD/CAM領域的領先供應商。廣泛應用于航空、航天、汽車制造、機械制造、電力電子、消費品等行業。該解決方案涵蓋幾乎所有的產品設計和制造領域，CATIA提供了非常有利的條件，在幾乎所有的工業機械部門的大，中，小型企業。包括從大型波音飛機，火箭發動機到化妝品包裝，覆蓋所有制造業?？梢愿鶕煌某叽缍ㄖ撇煌膽?，為企業提供一個完整的解決方案。CATIA來自航天工業，但其強大的功能得到業界的認可，在歐洲汽車工業中，已經成為一個非常有用的軟件。CATIA的領先用戶包括世界制造業知名的制造公司，如波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳等。在中國，CATIA也得到了廣泛的應用。哈爾濱、沈陽、西安、成都、景德鎮、上海、貴陽等。包括一汽集團、上海大眾、北京吉普、武漢神龍，包括許多汽車公司都選擇CATIA開發他們的新車型。 CATIA是汽車工業的支柱，是歐洲、北美洲和亞洲許多頂級汽車制造商使用的核心系統之一。CATIA在造型風格、車身和發動機設計方面具有獨特的優勢，為不同用途的車輛設計和制造提供端到端的解決方案。它涉及產品、加工和人的三個關鍵領域。CATIA的可擴展性和并行工程能力顯著降低上市時間。 2.4.2 CATIA建模 用CATIA三維建模，按下CATIA中的中鍵和Ctrl鍵旋轉模型，不同的角度截圖如下所示 。 圖2.2 進氣歧管三維圖(a) 圖2.2 進氣歧管三維圖(b) 圖2.2 進氣歧管三維圖(c) 2.5 本章總結 本章主要根據查到的經驗公式以及數據確定了該款發動機進氣歧管的基本結構參數，經過綜合考慮進氣歧管的安裝位置和設計原則對進氣歧管的結構尺寸的影響，選定進氣歧管的主要結構參數如下，穩壓腔的容積為L為1.68L，入口直徑?為70mm，歧管長度L為400mm，形狀做成方形，長為50mm，寬為22mm，倒角半徑分別為9mm和2.5mm，氣道的間距L=L=L=30mm，初步分析了進氣歧管的結構參數對發動機各項功能的影響。對三維軟件CATIA的發展歷程做了一定的介紹并利用該軟件對進氣歧管進行了三維建模。 3 進氣歧管流量分析與設計 3.1 用流體動力學控制方程分析 3.1.1 質量守恒方程 首先，通過質量守恒定律分析了質量守恒定律，對于流動性問題，應滿足質量守恒定律。進氣歧管是發動機的重要部件，是氣體流動的重要管道。最終把氣體均勻地分配給各個氣缸。在進氣歧管中內部，質量守恒定律可以簡單地表示為：在單位時間內。所選歧管（控制體）的氣體減少量等于流出歧管控制體的氣體的質量。即流體的連續性方程。公式如下3.1所示 (3.1) 引入矢量符號: (3.2) 將式(2.1)寫成向量形式: (3.3) 式(3.1)至(3.3)中,為密度;t為時間;、和是速度矢量u在x、y和z方向上的分量。 3.1.2 動量守恒(N.S方程)方程 動量守恒定律是任何流動系統必須遵循的基本規律之一。 該定律可表述為：在微元素中，流體動量的變化率等于作用在微元上的力之和。該定律就是牛頓第二定律的另外一種形式。根據這一定律，可導出x、y和z方向的動量守恒方程： （3.4a） （3.4b） （3.4c） 方程（3.4）是流體中的動量守恒方程，簡稱動量方程，又稱運動方程， 3.1.3 能量守恒方程 能量方程的守恒定律也被稱為熱力學第一定律。是流體力學系統必須滿足的基本規律之一。該定律可簡單表述為：在微觀物體中，能量的增加率等于將流體的熱流動轉化為微觀物體，用物理和面部的力作用在微機體上完成。 假設質量在流形上，在一定的時間內，經過dt時間段移動ds，可以看出外力之間的關系。 （3.5） 假定管內為不可壓縮定常流動，選取一個控制體，1和2分別是進氣歧管控制體進出截面的速度，p1和p2分別為氣體流入和流出截面的的壓強。根據不可壓縮流體的伯努利方程 （3.6） 從上面的方程中可以看出，管道中切向應力的摩擦功消耗了流體的機械能并轉化為內能。為了克服粘性阻力，其機械能逐漸減小，總水頭逐漸減小。其由于在管內部。氣流質量變化較小。因此氣體流動過程中的位能可忽略不計。若截面積大小A1=A2。則有 ，根據牛頓摩擦定律，速度梯度越大，剪切應力越大，粘性力越大。 3.1.4 歧管沿程能量的損失分析 在緩慢的過程中損失的大小與流動狀態的有著密切的關系，根據雷諾測試，在層流中沿路徑的損耗跟平均速度成正比關系，湍流中和速度的1.75.2次方成正比例關系。用如下公式所表示 （3.7） 從上述公式來看，管道越長，直徑越小損失的能量也就越多。因此對于進氣歧管來說，直徑在合適的范圍內直徑應該盡量大點。歧管的長度在有效的范圍內應該越小越好。 3.1.5 歧管的局部能量損失 在發動機中，由于管路較短，且塑料管壁相對光滑，因此沿途的損失很小，局部損失成為最重要的損失，由一系列局部阻力疊加而成。跟歧管的曲率半徑，截面變化以及雷諾數有關系，在管中，通常用下式表示 （3.8） 最后根據經驗數據以及大量的實驗證明總結了進氣歧管能量損失分布大約如下表所示 表3.1 歧管能量損失分布 發生能量損失的位置 能量損失所占的百分比（%） 摩擦損失 12% 進氣總管入口 2% 節氣門連接處 2% 節氣門體 9% 穩壓器入口 4% 進氣歧管入口 52% 歧管彎曲部位 18% 3.1.6 進氣歧管曲率半徑對能量損耗的影響 在進氣歧管彎道處流速處，由切應力產生的沿程損失和漩渦產生的損失。在彎道處。內測流速大，外側流速小，根據牛頓第二定律可得出曲率半徑與流線上的速度v的關系。 （3.9） 式（3.9）中C為積分常數。 由此可見。在彎道流速的主法線上，隨著曲率半徑的減小，速度在增加，所以彎道處內測速度高，外側速度。在橫截面速度分布梯度的正方向上，能量損失也較大，截面有效利用率相對較低。進氣歧管彎曲處壓力損失公式可表示為如下（2.10）所示。 （3.10） 由上面分析得知，歧管的彎曲會減少壓力波，有時可能也會發生波的反射。所以在這個設計過程中應該讓軸的曲率半徑小點，并保持流形的平穩過渡。 3.1.7 進氣歧管截面面積的變化引起的損失 進氣歧管截面積變化引起的損失主要有以下幾個位置，歧管的進出口，截面面積的突然減小和逐漸縮小三種方式。在進氣歧管的型腔設計時，對于進氣歧管的管道進出口，應該盡可能的加大穩壓器與各歧管入口之間的圓角。以減小局部阻力損失。對于截面積逐漸減小的管道。沒有流線脫離壁面等問題。收縮角越小，截面積變化越小。在歧管設計過程中，截面面積應平穩過渡。對于截面面積突然減小的管道，流體通過大直徑管道從小直徑管道流出，流線彎曲，流量必須收縮。流體在管道流量突然減少前膨脹。能量損失主要由以下兩部分組成。 （3.11） 從分析中可以看出，管段的突然減小造成的能量損失較大，導致斷面能量有效利用率的降低。在設計時應該盡可能的避免截面面積突然減小這種現象。 3.1.8 湍流流動方程 結合管內流量不大的特點，對歧管湍流進行仿真，提出雙向模擬管內湍流。計算穩定性高，計算資源要求低，成本低。近壁區采用標準墻體功能。 湍流動能輸運方程（方程） （3.12） 渦流耗散率輸運方程（方程） （3.13） 聯立以上兩個方程組得封閉控制方程。 3.2 CFD概述 CFD，計算流體動力學，是流體力學的一個分支，簡稱CFD。CFD是現代流體力學、數值數學和計算機科學的產物。它是一門具有強大生命力的交叉科學。它以電子計算機為工具，應用各種離散化數學方法進行數值實驗，計算機模擬分析各種流體力學問題，解決各種實際問題。計算流體力學（CFD）是一種基于計算機的數值計算和圖像顯示，包括流體流動和熱傳導相關物理現象的系統分析。CFD軟件的數值模擬基本上與流體運動的數值模擬相同。將流體的控制方程用有限體積法分離到空間中，然后用迭代法求解各點的控制方程，離散后計算出該區域各點的流動參數。通過數值模擬，對基本物理量的分布（如壓力、速度、濃度、溫度等）在復雜問題可以得到流場的不同位置，以及這些物理量隨時間的變化可以用來確定渦的分布特性、空化特性及脫流區。 3.3 AVL FIRE軟件簡述 AVL公司是一個有信譽和聲譽在世界汽車技術公司，組成發動機行業。本公司成立于1948，是一家簡陋的設計工作室，今天已發展成為集科研、設計、開發、咨詢和發動機測試生產為一體的跨國高科技企業?？偛吭O在格拉茨州，45家子公司和分公司遍布世界各地，是目前世界上最大的私營公司。同時也是世界上最大的從事內燃機設計、開發、動力傳動系統研究和分析的相關測試系統及設備開發制造公司。 極其友好的用戶界面和一流的網格生成技術和解決方案，通過類似于辦公軟件界面的用戶界面的用戶越來越多的三塊結果加工一體化的火災，具有簡單明了，易于學習和掌握的特點。網格生成過程由導航程序引導，并且有不同程度的自動生成。用戶可以實現各種形式的局部網格細化，并能快速生成移動網格。對于更復雜的幾何圖形的任何一個，可以自動生成六面體網格的[27]。 3.4 用FIRE進行分析計算 首先打開Fire ，其軟件界面(Fire2008) 如下圖3.1所示 圖3.1 CFD Tools 窗口 點擊CFD Manager按鈕， 進入界面，顯示如下圖3.2所示界面。 圖3.2 CFDWM 窗口 3.4.1 劃分網格 使用混合網格分區工具，它包括一個完整的自動網格生成器。 （1）內表面網格的生成。 從CATIA中抽取模型的內表面計算域。，以STL格式導出，導出來的文件大小約為1.5M左右，STL格式用二進制格式輸出， （2）創建表面網格。 在上圖頁面中右擊Meshes，選擇Import，再找到模型保存的路徑，確認，出現如下圖3.3頁面所示便表面網格。 圖3.3 表面網格 （3）生成特征的邊緣線網格； 線網格是用戶定義在表面網格上所生成的特征邊緣線。為生成精確的體網格，在形狀尖銳的區域必須生成相應的邊緣線網格。用CFD 提供的自動生成線網格工具 Auto Edge。生成的線網格如下圖[28]。 圖3.4 線網格 (4) 建立Selections； 選中表面網格，同時考慮到使用的氣體流量需要從入口到四個出口，所以建立六個Selection，分別用來定義入口、出口和各缸的各個出口為BC_inlet，BC_outlet,out1,out2,out3,out4[29,30]。 (5) 劃分網格，得到下面的體網格；如下圖3.5所示。 圖3.5 生成的體網格 利用網格劃分工具Create Mesh，選擇Hybrid Assistant，然后設置參數，經過綜合考慮體網格的質量和后續的運算速度等問題[31,32]，設置生成網格的最大尺寸約為0.0025。 （6）檢測體網格的質量； 網格的質量是非常重要的，它的計算對正常和計算的時間和精度有很大的影響，如果有負網格時，解算器就無法啟動計算。因此，需要對網格質量進行必要的檢測[33]。 檢查結果如下圖3.6所示。從圖看出，由于所需檢查列中的所有選項的數目是0，所以生成的網格的數量是好的，總網格數為387349，適當的數量，不需要進一步優化。 3.4.2 計算參數設置 （1）生成新的case； （2）定義計算時的輸入的數據； 運行模式選擇穩態，邊界條件BC[1]，輸入以下數據，如下圖3.7所示。 圖3.6 體網格的檢查結果 圖3.7 邊界BC[1]數據 插入新的一個邊界BC[2]，輸入的參數如下圖3.8所示。 圖3.8 邊界BC[2]數據 對于純空氣，流體的屬性選擇AIR。 完成上述步驟后，再設置初始的條件，初始條件對收斂性的快慢有著比較重要的影響。輸入的數據如下圖3.9所示。 圖3.9 初始條件的設置窗口 Solver Control——控制器求解的參數的輸入 對離散項的設置，參數的設置如下圖3.10所示。 圖3.10 離散項設置 Equation Control——方程控制參數的輸入如下圖3.11所示。 圖3.11 方程控制參數 由于進氣歧管氣體是冷流體，所以不需要求解能量方程。松弛因子可以控制每個方程的收斂速度。Underrelaxation factors——低松弛因子的設置如下圖3.12所示。 圖3.12低松弛因子的設置 Differencing Schemes——差分格式 為了能夠實現計算精度和收斂之間的折衷，混合因子被用來擦風的高階格式。為了保證質量守恒的連續性方程，需要選擇中心差異，混合因子定義為1，即二階差，輸入參數在圖3.13所示。 圖3.13 差分格式 Linear Solver——線性求解器 在線性方程組的解，加快速度和最優解收斂的穩態計算和時間不長的計算，與伽利略系統試驗平臺的分析，因為它具有很強的穩定性，選擇線性求解器，然后輸入以下參數，如圖3.14所示。 圖3.14 線性求解器 Convergence Criteria——收斂標準 和標準的殘差進行比較的，基本規則是標準殘留需要下降到三至四個數量級。最大迭代次數影響計算時間和計算結果的精度，設置最大迭代步數為1000，參數設置如圖3.15所示。 圖3.15 收斂標準參數的設置窗口 Output Control——輸出控制 2D結果輸出中激活Flow quantities, Turbulence quantities和Wall summary選項。 選擇Write restart file，輸入：輸出頻率200 選擇Write backup file，輸入：輸出頻率 100 選擇進口和出口的監控點的位置。選擇完后出現如下圖3.16所示。 圖3.16 結果監控點的坐標 （3） 開始計算 開始計算，右鍵單擊case，選擇Start Calculation， （4）Monitoring the Calculation——計算監控 在過程中，對所選網格的各種參數和殘值進行觀測，信息儲存在文件中。 選擇Monitor選項，顯示的是網格單元殘值的二維圖像。選擇Data選項，顯示網格單元迭代步上的殘值。 3.4.3 結果分析 （1）對質量流量模擬結果進行分析 根據入口壓力，出口壓力對各歧管進行分析，比較質量流量，分析進氣的均勻性。各歧管質量流量如下表3.2所示。 E= （3.14） 其中： —.歧管出口最大流量 ——歧管出口最小流量 ——各歧管出口平均流量 表3.2 2000Pa壓差下最大不均勻度 outlet 1 2 3 4 計算流量（g/s) 46.49 48.47 48.69 48.92 (g/s) 48.14 E(%) 5.0 從表4.1中可以看出，進氣歧管具有良好的進氣均勻性，OUT1的流量略低于其他三個，可能是由于以下原因：歧管的位置太近，與流形的速度是比較高的，在進氣風的方向進入時，它流經出口1，結果有一個較大的渦流（湍流），造成較大的壓力損失，當氣流進入諧振腔較深，局部流場梯度減小，湍流減弱，所以其他三個出口壓力相對于前面的較小。整體進氣均勻性較好，滿足設計要求。 （1） 進氣歧管的壓力場分析 對各個出口開啟時的case依次做壓力分布的表面切片，得如下圖3.17所示各缸分別工作時的壓力分布。 圖3.17 開啟時的壓力分布 從上圖的結果中可以看到除過歧管與穩壓腔的連接處以外，各管道壓力分布是比較均勻的，壓力基本都在100000到100150Pa之間。變化較小，認為是比較均勻的。而在歧管和穩壓腔的連接處的壓力分布不太均勻，經過探究得知主要是因為此處的彎曲半徑有些大，致使氣波壓力變化有點大出現壓力分布不太均勻而已。 (3) 進氣歧管速度場分析 對各歧管出口開啟時的case依次做速度分布的表面切片。得到如下3.18所示的結果。 圖3.18 速度分布圖 從上圖中可以看到，各管道速度分布是比較均勻的，速度基本都在14m/s到16m/s之間。變化很小，認為是均勻的。由于進口與穩壓腔平行，當各出口開啟時，氣體進入穩壓腔前端的速度場分布幾乎一致。但由于出口位置的不同，造成穩壓腔內的速度場分布有較大區別。outlet1開啟時，在穩壓腔的末端即outlet1歧管與穩壓腔的連接處形成較大的渦流而損失能量，導致outlet1的流量偏小。outlet2、outlet3的速度場分布與outlet1近似，且均在歧管與穩壓腔連接處位置產生渦流，但渦流大小依次減小，從而使出口的流量有所增加。 圖3.19 各歧管跡線分布 通過本次分析結合表3.2中的數據得知，歧管的平均流量為48.14g/s，而靠近穩壓腔入口的第一個歧管的流量為46.49g/s，其它三個歧管的流量基本分布在48.5g/s左右。最大的不均勻度為5%。從上面的圖3.19可以看的更清楚，在不同的氣缸工作時。各歧管中跡線方向基本相同。速度的大小基本上在16m/s左右。因為進口和穩壓腔平行于氣體壓力容器的速度場的前面，分布幾乎是相同的。然而，由于出口位置和歧管與調節室連接半徑的不同，連接部位附近的速度場分布十分明顯。可以看出，內部流動的歧管流量比較均勻，進氣歧管和穩壓腔連接的彎曲角度過小，導致靠近穩壓腔一側的一小塊區域流量較小。基于圖3.18圖3.19所示的結果，進氣歧管內流場比較穩定，沒有較大的渦流區域發現滿足設計要求。 3.4.4 提出相應的改進意見 總之，通過對壓力場分布和進氣歧管的速度場分布的分析，可以發現，由歧管和穩壓腔引起的壓力和速度變化的主要原因是，彎曲半徑小了一點，所以為了塑料進氣歧管壓力和速度變化更均勻，以避免上述不良結果，將各歧管的支管與穩壓腔兩者過渡部位的角度稍微做大一些，并稍微增大該連接處的管徑，過渡部位設計的盡量圓潤一些，讓氣體經過的時侯湍流度逐漸減小，保證進氣更加順暢。 3.5 本章總結 本章主要通過流體力學從能量的角度對