四冲程涡轮增压柴油机扫气特性研究

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1、华中科技大学硕士学位论文1.2扫气性能的国内外研究现状随着科技的进步，作为模拟仿真基础的计算机软、硬件发展迅猛，相比于传统试验需要耗费大量人力、物力、财力，计算机模拟仿真的快捷、方便和低成本使得其在工程实践中越来越受青睐。但发动机的换气过程为复杂的非稳态流动过程，流体的流动参数与热力学参数同时是时间与位移的函数，涉及流体力学、热力学与空气动力学等诸多方面，所以其模拟计算异常困难[2]。一维工作过程数值模拟可以考虑发动机进排气系统的动态效应，比较符合发动机的实际运行状态，而且可以输出发动机绝大部分的性能数据。因为采用的模型较为简单，

2、所以模拟计算较快，可在较短的时间内完成发动机的多参数影响分析及联合优化。但在一维模拟过程中，需要将真实发动机简化为无具体结构细节的参数模型，所以基本无法体现发动机三维结构对其性能的影响，例如进、排气道内的结构细节变化对发动机的进排气流动产生的显著影响。相比之下，三维CFD模拟的对象一般是范围较小的流域，所以可以直观地了解流场内每一处流体的状态，得到一维模拟无法获取的流动细节，但其却对整机的性能模拟无能为力。而且三维模拟的边界条件始终是限制其广泛使用的瓶颈，因为三维模拟只对发动机的特定系统进行小范围的模拟，所以一般需要准确的边界条件

3、输入。现阶段采用三维数值模拟进行发动机研究一般都需要先进行相关实验，以获取合适的边界条件进行后续的三维模拟，或者使用一维模拟的结果作为边界条件进行输入。内燃机研究方法的发展趋势是将发动机台架试验、一维工作过程数值模拟与三维数值模拟三者结合，使得在时间与资金允许的情况下能让三者形成优势互补。1.2.1国外研究现状二十世纪八十年代初，Sher[3]与NakWonSung[4]开始对二冲程发动机的扫气过程进行数值模拟。1985年，SweeneyMEG[5]采用PHOENIX软件模拟进气口对扫气质量的影响。1990年，SmythJG[6]

4、使用激光多普勒仪测量回流扫气式二冲程发动机的扫气过程。测量结果显示进入气缸的空气未按照气口的设计方向进入，而是和气口开启或关闭时的高度有关。1991年，P.H.Epstein[7][8]首次将气口与气缸联合起来进行模拟，之后Amsden[9]等人又将此研究的模拟与实验结果进行了验证比较。2华中科技大学硕士学位论文1993年，HaworthDC.[10]模拟计算二冲程发动机的气缸-气道-扫气箱这一完整结构内的气体流动，此法极大程度的消除了边界条件对结果的影响。本世纪初，RainerJ.Rothbauer[11][12]分析了一维与三

5、维数值模拟各自的优缺点，最终选定一维与三维耦合的研究方案。2006年，PeterStuecke[13]建立了可视化的实验台，使用不同颜色的流体模拟扫气过程中缸内流体的流动，该台架使柴油机的扫气过程更加直观。2010年，FranciscoBrójo[14]使用FLUENT软件模拟对置活塞二冲程柴油机的扫气，希望借助改善扫气达到降低排放水平的目的。进入21世纪后，国外的知名汽车厂商为了提高燃油经济性都陆续加入了开发TGDI(TurbochargedGasolineDirectInjection)发动机的行列，目前为止已经投入量产的带扫

6、气功能的发动机主要有FordEcoBoost系列与GMEcotec系列等发动机，主要用于FordMondeo和BUICKRegalGS等中高端车型上。由于缸内直喷与涡轮增压技术的引入，使得汽油机的扫气也逐渐重要起来，事实证明扫气对提高TGDI发动机的低速扭矩和提高车辆的加速性能有很大的帮助。综上所述，第一，到目前为止发动机的扫气研究还是主要集中于二冲程的发动机上，因为二冲程发动机必须采用强制扫气，而扫气的质量也很大程度上影响其性能。第二，一维与三维耦合模拟是研究发动机扫气的一种趋势。单一的一维模拟得不到缸内的扫气细节，单一的三维模

7、拟受制于进排气的精确边界条件。所以随着模拟水平的提升，一维三维耦合模拟逐渐成为研究扫气的主流方法。1.2.2国内研究现状与国外相比，因为国内工业水平以及计算机发展水平的限制，在早期基本不存在对发动机扫气过程的研究，但随着近年来中国在汽车及船舶领域内投入大量资金，发动机扫气相关的研究也逐渐增多，与国外的差距正逐步减小。1988年，陈方昌[15]翻译了苏联НикитинЕА关于四冲程柴油机的强迫扫气的研究。他提出了在因为排气后处理装置导致排气背压增大的情况下产生扫气恶化后的采用燃烧室强迫扫气的几种方案，并分析比较它们之间的优缺点，最终

8、在发动机上进行了实验验证并用于批量生产。1989年，大连理工大学的解茂昭[16]采用ALE法模拟研究柴油机缸内的涡流与挤流以及湍流三者间的演变规律及相互作用。3华中科技大学硕士学位论文1992年，华中理工大学的蒋克生[17]等人研究四冲程涡轮增压柴