中国汽车技术论坛_电喷发动机可变进气管的研究

第21卷(2003)第2期 内　燃　机　学　报T ransactions of CSICE Vol.21(2003)No.2文章编号:100020909(2003)022*******212034电喷发动机可变进气管的研究Ξ徐　斌1,丁永杰2,何　玲3(1.北京航天航空大学汽车工程系,北京100083;2.哈尔滨工业大学能源学院,黑龙江哈尔滨150001;3.哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:运用FVM —TVD 方法对进气管内的气体流动进行了模拟,计算分析了具有可变进气系统的发动机在不同转速和负荷下的性能,同时研究了不同结构参数对发动机动力性的影响。

利用已确定的可变进气管长度,模拟出发动机不同管长下的动力特性,根据转矩特性来确定可变进气管长度切换点(速度转换点)。

关键词:数值模拟;进气系统;优化中图分类号:T K421 文献标识码:A引言采用可变结构参数(长度、稳压腔容积)的进气管系统可以使发动机很好地利用气体波动效应,提高其充气效率及动力性能[1,2]。

可变结构参数进气管系统能够有效地利用气体波动增压效应,使发动机在较宽的转速范围内均具有良好的动力性能,改善固定参数进气系统存在的高低速的矛盾,即进气管过长影响高速时的功率,过短则低速时的性能未得到改善。

因此需找到一种符合上述要求的可变进气系统,并确定其最佳参数和转换点。

本文基于上述目的对国外某4缸电喷发动机进行了模拟计算,分析了结构参数对发动机性能的影响,并对进气系统进行优化,确定了可变进气系统长、短管的切换点。

1　控制方程及数值解法1.1　控制方程对于考虑了截面变化、有摩擦、传热的一维非定常流动,发动机进气管中的气体流动方程为 W t (x ,t )+F x (W )+B (p ,x )=S (W )(1) W (x ,t )=ρA ρuAA (ρu22+pk -1) F (W )=ρuA(ρu 2+p )A uA (ρu 22+pkk -1) B (p ,t )=-pd Ad x,　S (W )=-g ρA 1q ρA 1式中:ρ为密度;u 为速度;p 为压力;A 为截面积;k为比热比;A 1为单位长度壁面的面积;q 为壁面导热量,q =2f D kk -1R |u |(T w -T g );g 为摩擦项,g =fu |u |2・4D;f 为摩擦系数;D 为管径;T w 、T g 为管壁温度与管内气体温度。

1.2　FVM —TV D (总参差减小的有限容积法)法将计算区域划分成有限个控制体,控制体中心为计算节点[3]。

图1为进气管的计算节点的划分。

对于任意的节点,可以建立如图2所示的三通型的通用模型。

图中Q f1,Q f2,Q f3为通过各计算节点界面上的数值通量,α为三通接头处夹角[4]。

对直管作如下处理:进气管管端封闭节点处和直管中间节点处Q f3=0,进气阀开口处Q f1=Q f2=0。

图1　计算节点的划分Fig.1　P artitions of the calculation nodesΞ收稿日期:2002211215;修订日期:2002212230。

基金项目:北航凡舟基金(53123722397)。

作者简介:徐　斌(1962-),男,教授,硕士,主要研究方向为内燃机工作过程。

图2　计算节点的通用模型Fig.2　G eneral model of calculation node式(1)在各计算点的控制容积上积分,可得 ∫x+Δx x∫t+Δt t W t d t d x+∫t+Δt t∫x+Δx x(F x+B)d x d t= κS d t d x(2) 若积分时间从n到n+1时刻,时间间隔为Δt,空间范围从i到i+1,空间间隔为Δx,时间项采用差分,空间对流项采用TVD格式,则积分结果如下: (W n+1i -W n i)Δx+∑3j=1Q jΔt=S n tΔt(3)式中:S n t为源项在计算体积内的平均值; Q j=f(F, B),是对流项在计算体积界面上的数值通量,其二阶TVD格式为 Q f=12[(F n i+F n+1i)+(B n i+B n+1i)- (RhΛL)n i+1/2(F n i+1-F n i+B n i+B n i+1)+ Δt(RΛL)n i+1/2S n i+1/2]+R n i+1/2φn i+1/2(4)式中:(φn i+1/2)j=(s n i+1/2)max{0,min[|Φn i+1/2|j, (s n i+1/2)j(Φn i+1/2)j,(s n i+1/2)(Φn i+1/2)} Φn i+1/2=12[h(Λn i+1/2)-λ(Λ)n i+1/2]・L n i+1/2(F n i+1- F n i+B n i+B n i+1) s n i+1/2=sign[Φn i+1]Λ是以式(1)的雅可比矩阵的特征值作为对角元素的对角阵,L、R分别是左、右特征向量矩阵,h(Λ)为满足熵不等式的对角元素组成的对角阵。

在上述方法中,控制方程的离散化采用FVM,数值通量的计算采用TVD格式,保证了在计算过程中各物理量的守恒并增加了数值通量的计算稳定性。

2　计算模型2.1　模型建立及验证对国外某一型号的发动机进行整机模拟计算,空气滤清器采用“容积腔—管—容积腔”式的模型,将催化器简化为一个流动约束,分支管接头的处理使用了本森的动量模型和等压模型[3]。

气缸内的燃烧模型采用较为简单的单区韦伯函数,换热系数选用沃西尼1978年提出的经验公式[4],建立的模型如图3所示。

图3　发动机简化模型Fig.3　Simplif ied model of engine 首先模拟计算发动机全负荷状态下的速度特性,相关试验数据是在发动机外特性工况下获得的。

相应的计算结果与试验结果对比如图4所示。

图4　计算结果与试验结果对比Fig.4　Comparison betw een the calculation and test results・271・内 燃 机 学 报 第21卷第2期通过对比可以看出,在大多数工况下计算结果与试验值之间的误差较小。

两者变化规律基本一致,因此本文所建立模型具有较高的计算精度和可靠性,可以用来对发动机进行变参数优化计算。

2.2　结构参数的影响及其优化发动机进气系统中对性能影响的结构参数很多,在这里只讨论对发动机性能影响较大的进气歧管及进气管长度对其性能影响。

对于进气岐管3～管6的选取,主要以动力性为评价指标,根据气柱的波动方程[5]以及各工况下变管长的动力性能来综合考虑。

图5模拟了在不同转速下发动机转矩随进气歧管管长变化的曲线。

从图5中可以看出,当进气管长在180mm ～280mm 之间时,发动机在中低转速下(3000r/min ～4000r/min )有较好的动力性。

考虑到发动机总体尺寸和布置空间的限制,及发动机一般在偏离标定转速的中低速状态下运行,可确定进气歧管3～管6的长度为200mm 时比较合适。

图5不同转速下进气歧管长对转矩的影响Fig.5E ffect of intake manifold on torqueat different speeds在进气管2可变的情况下,发动机转矩的变化比较复杂,图6模拟了不同进气管管长、在不同转速下的发动机动力性。

图6不同转速下进气管长对转矩的影响Fig.6E ffect of intake pipe on torque at different speeds当转速在4000r/min 以上时,转矩基本上随管长增加呈现出一种先减小后增加的趋势;而在3000r/min 时,转矩基本上随管长增加呈现出一种先增大后减小的趋势。

发动机一般是在中低速下运转,从图6可以看出,当管长为50mm 和200mm 时,发动机在中低速下运转有较好的动力性。

通过综合考虑,试选定的方案为在其他参数不变的条件下,选取进气管2的长度分别为50mm 和200mm 。

分别模拟计算外接管2的长度为50mm 和200mm 两种情况下的速度特性,相应的转矩和燃油消耗率对比如图7所示。

图7两种方案下的速度特性对比Fig.7　Comparison of the speed characterof the tw o methods 从图7中可以看出,两种方案下的燃油经济性与转矩变化成反比,即低速时长管转矩增加,燃油消耗率变差;高速时,短管提升了转矩,同时也使燃油消耗率增加。

但从总体来看,燃油消耗率变化不是很大,最大变化量不超过1%。

另外,当发动机转速提高时,进气终了缸内压力增加,若外接管2的长度选择不当,可能引起缸内最高燃烧压力超过限制值,但此方案下(外接管2长度为50mm 和200mm )的最大压力值均在许可范围内,且最高燃烧压力差值不超过6MPa 。

以上分析均是假定发动机处于全负荷状态下进行的,在4000r/min 转速下两种方案的负荷特性的性能・371・2003年3月 徐　斌等:电喷发动机可变进气管的研究对比如图8所示。

从图中可以发现,管2的长度对负荷特性的影响较小,特别是低负荷时基本无影响,最大变化量不超过0.9%。

所以可以认为负荷变化基本不受管2长度变化的影响,管长的变化可简化为仅依赖转速的一个参数。

图8两种方案下的负荷特性对比Fig.8　Comparison of the load character of the tw o methods2.3　切换点的确定在该发动机进气系统中,管2和管3的长度均对发动机的性能有较大的影响。

对管3,可以对其长度直接进行优化,得管长为200mm 。

而管2的长度确定较为复杂,其对性能的影响与负荷关系不大,仅随转速变化。

管2的长度在高低转速下存在矛盾,要实现最佳的发动机性能,须选择可变进气管,且确定长短管转速切换点。

选定转矩为主要评价指标,通过模拟计算获得各转速下的最佳管长。

通过确定两种管长方案,分别模拟速度特性,通过转矩曲线分析即可确定可变进气阀门开闭规律,即转速切换点。

通过上述两种方案的比较分析,在确定管长为200mm 与50mm 的情况下,可以从速度特性曲线中看出:在转速低于4000r/min时,200mm 的管长所对应的转矩大于50mm 对应的转矩,而其燃油消耗率却相差较小;当转速高于4000r/min 时,对应于50mm 管长的发动机的动力性明显好于200mm 管长对应的动力性。

因此最佳的切换点设为4000r/min ,这样,当转速低于4000r/min 时,使用长管可获得较佳的动力性,而高于4000r/min 时,使用短管不仅可以提高动力性,还可以使充气效率提高4197%,充分提高了充气效率和转矩。

3　结　论 (1)　运用FVM —TVD 方法对进气管的气体流动进行模拟,能保证各个物理量在整个过程中的守恒,流量计算精度高,对数值通量的计算稳定。