FSAE赛车发动机进气系统改进设计及流场特性分析

论文摘要

进气系统是发动机的重要组成部分,它的布置形式和结构参数对发动机的充气效率、进气阻力、进气均匀性、缸内混合气运动和燃烧过程有着重要的影响,从而影响发动机的动力性、经济性和排放特性。因此,进气系统的设计已成为发动机研发的关键技术之一,它在发动机产品的研发过程中,占有重要的地位。进气管可变技术作为电喷汽油机的一项关键技术,可以使汽油机的进气系统适合较宽的转速范围,使发动机在不同转速下提高充气效率,并且能够保证发动机在高速工况下具有较高的流通性能,在低速工况下缸内气体具有较强的涡流和滚流运动,从而改善发动机动力性和经济性,降低排放指标,本文主要是针对FSAE赛车发动机进气系统进行的改进设计研究及流场特性分析。首先研究了进气管中气流运动的波动效应和能量损失以及进气过程中一维非定常流动的数值解法。用GT-Power软件建立了发动机模型,分析了进气管长度变化和稳压腔容积变化对发动机性能的影响,确定改进后的进气系统采用二级可变进气管技术,利用GT-Power模拟确定了二级的管长分别为250mm和600mm,二级的切换点为4500r/min。借助计算流体力学（CFD）辅助内燃机分析理论,利用三维流体计算软件FIRE对改进前后的发动机进气系统包括空气滤清器-进气管-进气道-进气门-气缸进行了流场模拟。比较了改进前后进气系统在不同气门升程下的质量流量、进气门出口速度。本文采用计算机辅助分析手段,将一维发动机工作过程循环模拟与三维CFD流场分析结合,对原发动机进气系统进行了改进。结果提高了质量流量和进气门出口速度,减少了流动损失,提高了发动机在中高速转速时的转矩和功率。本文所采用理论和方法,可以为进气系统改进设计提供依据,在理论上和工程实践上都具有重要的价值和意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 发动机进气系统研究的重要性
• 1.2 可变进气管长度技术的研究现状
• 1.3 发动机进气系统数值仿真研究的发展概况
• 1.3.1 进气系统零维及一维仿真发展历程及现状
• 1.3.2 进气系统三维仿真发展历程及现状
• 1.4 FSAE 赛事介绍
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第2章 进气系统的理论设计计算及流场特性分析
• 2.1 管内运动气体的流体动力效应分析
• 2.2 进气系统结构参数对充气效率的影响
• v 的影响'>2.2.1 进气管长度对η_v的影响
• v 的影响'>2.2.2 稳压腔的容积对η_v的影响
• 2.3 进气管型腔设计思路
• 2.4 进气管中流动能量损失分析
• 2.4.1 管中总能量损失
• 2.4.2 进气管沿程能量损失
• 2.5 汽油机进气过程的缸内空气运动
• 2.5.1 涡流运动
• 2.5.2 滚流运动
• 2.6 本章小结
• 第3章 进气系统气流运动一维仿真计算
• 3.1 一维非定常流动的计算模型
• 3.2 一维非定常流动的数值解法
• 3.2.1 特征线法
• 3.2.2 有限差分法
• 3.2.3 有限体积法
• 3.2.4 FVM－ENO 法
• 3.3 GT－Power 介绍
• 3.4 模型的建立
• 3.5 进气管长度对发动机性能的影响
• 3.6 稳压腔容积变化对发动机性能的影响
• 3.7 改进后进气系统参数设计
• 3.8 改进前后发动机性能对比分析
• 3.8.1 改进前后进气道压力对比分析
• 3.8.2 改进前后充量系数、转矩、功率对比分析
• 3.8.3 改进前后比油耗对比分析
• 3.9 本章小结
• 第4章 计算流体动力学基础知识及前处理
• 4.1 流体动力学控制方程
• 4.1.1 质量守恒方程
• 4.1.2 动量守恒方程
• 4.1.3 能量守恒方程
• 4.1.4 理想气体状态方程
• 4.1.5 控制方程的通用形式
• 4.2 三维湍流模型
• 4.2.1 湍流的基本方程
• 4.2.2 三维湍流数值模拟方法
• 4.3 基于有限体积法的控制方程离散
• 4.4 基于SIMPLE 算法的流场数值计算
• 4.5 边界条件
• 4.6 CFD 的求解过程
• 4.7 FIRE 介绍
• 4.8 CFD 前处理
• 4.8.1 进气系统三维模型的建立
• 4.8.2 改进前后进气系统模型网格的划分
• 4.8.3 边界条件、初始条件的设置
• 4.8.4 计算控制参数的设置及计算
• 4.9 本章小结
• 第5章 进气系统三维流场分析
• 5.1 速度场分析
• 5.1.1 进气管速度场分析
• 5.1.2 缸内速度场分析
• 5.1.3 质量流量分析
• 5.2 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读硕士学位期间发表的学术论文目录）