B發(fā)動機進氣系統(tǒng)設計及分析

1、1 / 22 題 目: B15B15 發(fā)動機進氣系統(tǒng)設計及性能分析 學生姓名： 學 院：能源與動力工程學院 班 級：交通運輸 0909- -3 3 指導教師：高志鷹副教授 20182018 年 1212 月 2828 日 內蒙古工業(yè)大學課程設計 論文）任務書 課程名稱： 汽車電子控制技術 學院：能源與動力工程學院 班級：交通運輸 學生姓名： _ _ 學號：200 指導教師： 高志鷹 一、題目 學校代碼: 學 號: 2 / 22 B15 發(fā)動機進氣系統(tǒng)設計及性能分析 二、 目的與意義 根據(jù)汽車電子控制技術課程學習的知識，系統(tǒng)分析 B15 發(fā)動機進氣系統(tǒng)設計 及性能同時結構組成及基本的工作原理，掌

2、握汽車電子控制系統(tǒng)的基本結構與原理 三、 要求 包括原始數(shù)據(jù)、技術參數(shù)、設計要求、圖紙量、工作量要求等） 根據(jù)參考文獻，系統(tǒng)學習并分析 B15 發(fā)動機進氣系統(tǒng)結構組成及基本的工作原 理；按照內蒙古工業(yè)大學課程設計說明書 論文）書寫規(guī)范撰寫課程論文。 四、 工作內容、進度安排 12 月 21 日 12 月 22 日：根據(jù)任務書要求，查閱、學習相關參考文獻； 12 月 22 日一 12 月 23 日：提交論文提綱； 12 月 23 日一 12 月 25 日：根據(jù)指導教師修改后的論文提綱撰寫論文初稿； 12 月 25 日一 12 月 26 日：根據(jù)指導教師對論文的修改意見修改論文； 12 月 26

3、日一 12 月 28 日：提交論文，答辯 五、 主要參考文獻 1 胡軍義柴油機廢氣再循環(huán);EGR 沌控系統(tǒng)控制策略的研究D合肥工業(yè)大學，2008 2 古國棟.柴油發(fā)動機廢氣再循環(huán)系統(tǒng) （EGF 熱交換器仿真模擬與結構設計D.華中科技大 學,2007. 審核意見 系 教研室）主任 簽字） 指導教師下達時間 2009 年 12 月 18 日 指導教師簽字： _ 摘要 近年來, 隨著經濟的發(fā)展 ,汽車行業(yè)也發(fā)生了日新月異的變化。目前 , 對發(fā)動 機的設計除了要達到汽車的動力性、經濟性指標外 , 還需要滿足其排放及噪聲的 要求, 因此有必要對發(fā)動機的進排氣系統(tǒng)進行深入的研究。進氣系統(tǒng)主要包括進 氣歧管

4、前的管路和進氣歧管兩部分 , 其中歧管前的管路起降低進氣噪聲的作用。 如何合理的設計進氣系統(tǒng)的元件 , 分析其綜合性能 , 是目前工程工程中研究較多 的課題。 首先,本文介紹了可變氣門正時與可變進氣歧管技術的原理 ,在 GT-Power 軟 3 / 22 件中建立 B15 發(fā)動機模型，并利用實驗數(shù)據(jù)完成模型的標定，使其誤差不高于 5%, 以用于后續(xù)的仿真計算。為了設計進氣系統(tǒng)的消聲元件 , 對赫姆霍茲諧振腔、 1/4 波長管和空氣濾清器的參數(shù)靈敏性進行計算分析 , 總結參數(shù)變化對消聲性能 的影響規(guī)律。詳細闡述進氣消聲元件的設計流程和方法 , 提出具體的設計方案 , 并針對方案中某轉速下個別階次

5、噪聲高于目標值的問題 , 對消聲元件進行優(yōu)化。 優(yōu)化后的進氣系統(tǒng)進氣口噪聲明顯改善 , 壓力損失不高于 2.5kPa, 符合目標值要 求 , 優(yōu)化效果良好。 其次,為了分析進氣歧管的性能 ,本文提出 3 種方法:利用零維或一維模型做 簡化處理、利用 CFD 軟件完成穩(wěn)態(tài)或孤立瞬態(tài)的計算以及利用一維和三維軟件 進行耦合分析。通過比較 3 種方法的優(yōu)劣 ,發(fā)現(xiàn)利用軟件的耦合可以在計算過程 中獲得實時的邊界條件,有較高的準確度。本文重點闡述利用 GT-Power 件和 STAR-CCM+件進行耦合設置需要解決的關鍵問題，并在此基礎上完成模型的計 最后，為了更好的評價進氣消聲元件的優(yōu)劣，利用 GT-P

6、ower 軟件中耦合后的 模建立汽車加速行駛車外噪聲仿真模型 , 計算得到進氣系統(tǒng)的最大噪 61.8dB(A, 其對通過噪聲的單獨貢獻率滿足目標要求。 關鍵詞: 進氣系統(tǒng)；消聲元件；加速行駛車外噪聲；仿真與優(yōu)化 ABSTRACTABSTRACT With the development of economy, the automobile industry has been changingwith each passing day. At present, the design of enginesmust meet the criteria of emission and noise le

7、vel besides the power performance andeconomy, which makes it very necessaryto make an exhaustive study on engineintake and exhaust systems. The intake system is made up mainly by inlet manifoldand the pipe before inlet manifold. The pipe before inlet manifold can cut down theinduction noise. How to

8、design the intake system components and analyze thecombination property is a topical issue of the current engineering projects. Firstly, the principles of variable valve timing and variable intake manifold areintroduced, then the simulation model of B15 engine is established in GT-Power, afterwhich

9、the model is calibrated by the test results and the error is less than 5%-This layspreliminary groundwork for the subsequent calculation, the parametric sensitivity ofHelmholtz resonator, 1/4 Wave tube and air cleaner is calculated, and the influence ofparameter changing on Acoustic attenuation perf

10、ormance is summarized, based 4 / 22 onwhich the silencer elements of intake system are designed. The design procedure andmethod of silencer element are explained thoroughly, and the detailed design schemeis put forward. Secondly, three methods are put forward in this thesis to analyze the performanc

11、eof inlet manifold,and they are simplified simulation built up with zero or onedimensional models, steady or transient calculation by CFD and coupled simulationby one dimensional with three dimensional software. After the comparison of thesethree methods, it is found that the coupling process can pr

12、ovide more accurateboundaryconditions for the calculation. The problems of coupling between GT-Powerand STAR-CCM+ are solved, and then the simulation is carried out. Then the velocity field of everybranch pipe in different time is analyzed, and the suggestion is that the curvature ofthe branch pipe

13、should be reduced. Lastly, in order to evaluate the performance of the silencer elements, theacceleration running noise model is built up based on the coupling model. The resultshows that the noise of the intake system is lower than 61.8dB(A,which satisfies thedemand for contribution rate to the acc

14、eleration running noise. Key Words: Intake system。 silencer element。 couple。 acceleration running noise。 simulation and optimization5 / 22 目錄 第 1 章 緒論 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 研究現(xiàn)狀 . 2 1.2.1 國外的研究簡況 . 2 1.2.2 國內的研究簡況 . 3 第 2 章 B15 發(fā)動機進氣消聲元件設計 . 4 2.1 進氣系統(tǒng)概述 . 4 2.1.1 進氣系統(tǒng)結構及工作原理 . 4 2.1.2 進氣噪聲的產生機理 . 5

15、2.2 進氣消聲元件優(yōu)化 . 6 第 3 章 B15 發(fā)動機進氣系統(tǒng)性能分析 . 8 3.2 進氣歧管流場分析模型的建立 . 8 4.2 計算流體力學基本理論 . 8 4.3 進氣歧管流場分析方法 8 3.3 汽車加速行駛車外噪聲分析 . 9 1 理論介紹 . 10 2 模型的建立 . 10 3 結果分析 . 11 第 4 章總結與展望 . 13 全文總結 . 13 展望 . 15 參考文獻 . 15 第 1 1 章緒論 研究背景 近年來, 各個國家都對汽車噪聲提出了越來越高的要求 , 使得對汽車噪聲的 研究刻不容緩。要降低汽車噪聲 , 首先要確定噪聲源。汽車是一個綜合的噪聲源 包含許多不同性

16、質的噪聲 , 如發(fā)動機噪聲、風動噪聲、輪胎噪聲、路面噪聲和共 鳴噪聲等。相關實驗表明 , 汽車噪聲以發(fā)動機產生的噪聲為最大 , 它屬于結構噪 聲,隨發(fā)動機轉速的改變體現(xiàn)為不同的形6 / 22 式 , 主要通過前葉子板、擋火墻、引擎 蓋、排氣管產生和傳遞。因此如何降低發(fā)動機噪聲成為降低汽車噪聲技術的中 心環(huán)節(jié)。燃燒噪聲、空氣動力噪聲和機械噪聲都屬于發(fā)動機噪聲 , 其中空氣動力 噪聲又包含進氣噪聲、排氣噪聲和風扇噪聲。對實驗結果的統(tǒng)計分析表明 , 在發(fā) 動機的主要噪聲源中 , 進排氣噪聲占了很大的比重。在絕大部分汽車上 , 發(fā)動機 的排氣噪聲是最主要的噪聲源 ,它比進氣噪聲更加明顯 1 。為了盡量

17、有效地消除 排氣噪聲 ,在排氣系統(tǒng)中安裝消聲器成為普遍運用的手段 , 這一技術目前也相對 成熟。而對于小型高速機和大型增壓機 , 進氣噪聲是僅次于排氣噪聲的主要噪聲 源, 有時比發(fā)動機的本體噪聲還要高。 隨著國家對汽車噪聲的要求逐步變高 , 僅僅考慮消除排氣噪聲已經不能滿足 國家相關法規(guī)的要求 , 因此有必要研究如何有效的消除進氣噪聲。發(fā)動機進氣系 統(tǒng)的功用是盡可能多和盡可能均勻地向各氣虹提供可燃混合氣或純凈的空氣。 一般進氣系統(tǒng)主要包括進氣歧管前的管路 ( 如進氣總管、空氣濾清器及其他消聲 元件等 和進氣歧管。在有些化油器式和節(jié)氣門體汽油噴射式發(fā)動機上 , 一般會 裝有對進氣進行預熱的裝置。

18、為了得到增強進氣的效果 , 有些發(fā)動機的進氣系統(tǒng) 還加裝了諧振器對于汽油噴射式發(fā)動機 , 其進氣系統(tǒng)中還安裝有計量空氣的裝 置?？諝鉃V清器的重要作用是濾除空氣中的雜質和灰塵 , 為氣社提供潔凈的空 氣。另外 , 由于空氣濾清器結構是一個膨脹的腔體 , 類似于擴張型的消聲器結構 , 還具有降低進氣噪聲的作用 , 所以發(fā)動機的進氣系統(tǒng)一般不會單獨安裝專門的進 氣消聲器。對噪聲的控制可以從兩個方面進行研究 :一是對噪聲源的控制 , 二是 采取外部降噪措施 , 如設計消聲元件等。對進氣噪聲的控制主要是通過設計匹配 的進氣系統(tǒng)消聲元件來實現(xiàn)的 , 這是目前最有效、采用最多的方法。受安裝空間 限制, 進氣

19、消聲元件一般與空氣濾清器合為一體 2 。 在某些僅憑空氣濾清器不能 滿足降噪要求的發(fā)動機上 , 還可以安裝相應的赫姆霍茲消聲器或 1/4 波長管。如 何在滿足發(fā)動機動力性和經濟性的前提下 , 合理地設計進氣消聲元件 ,是一項非 常重要的工作。除了進氣歧管前的管路 , 發(fā)動機的進氣系統(tǒng)還包括進氣歧管本 身。進氣歧管對于降低進氣噪聲的作用很小 ,基本可以忽略 , 但其物理結構仍非 常重要。由于發(fā)動機正常工作所必須的空氣由進氣口流經進氣歧管最后進入氣 缸,在流體流動的過程中 , 歧管的結構對于流場的影響會得到明顯的體現(xiàn)。一個 好的結構可以最大程度地減小摩擦 , 消除流動阻力 , 使流體的流動盡可能的

20、順 暢。因此 , 對歧管內流場的分析十分必要。 7 / 22 研究現(xiàn)狀 1.2.1 國外的研究簡況 關于發(fā)動機進氣系統(tǒng)的研究在國外起步比較早 , 在 20 世紀 60 年代之前就有 專門針對汽車噪聲的簡單計算和實驗 , 如 Hosomi.Mikiya 等人概括了發(fā)動機排氣 消聲器的發(fā)展歷程而后隨著數(shù)值模擬技術的發(fā)展 , 結構分析被率先用于汽車領域 采用有限元計算部件模態(tài)和響應。在 70 年代采用有限元研究消聲器內部結 構,80 年代實現(xiàn)三維有限元分析 , 完成了對消聲器傳遞損失的簡單計算。這些技 術的實現(xiàn)表明 :對于結構復雜的消聲器 , 三維有限元的分析方法具有良好的效 果。后來 , 數(shù)值模擬

21、技術得以廣泛應用 , 發(fā)動機的仿真技術也 H 漸成熟 , 如 Bhattacharya.Paritosh 等人通過數(shù)值模擬軟件完成了兩虹四沖程柴油機的性能分 析及噪聲研究。計算流體動力學（CFD術在 20 世紀 70 年代的美國誕生，它被 廣泛應用于各種流體流動與傳熱問題中。四十年來 ,CFD 在瑞流模型、網格技 術、并行計算等方面都取得了飛速的發(fā)展 , 給工業(yè)界帶來了革命性的變化。在汽 車行業(yè)中 ,CFD 和其他計算機輔助工具一起作為產品開發(fā)工具 , 大大減少了樣車 實驗數(shù)量。 1994 年, Thomas Morel 和 Leon A.LaPointe 提出了 “并行模擬和實 驗”的概念

22、, 將模擬和實驗互相補充 , 實現(xiàn)了一體化的解決方法建立數(shù)值模型 , 并 利用實驗收集的基本數(shù)據(jù)對模型進行修正和完善 , 得到實驗無法獲取的數(shù)據(jù) , 在 計算機的并行模擬和實驗中完成發(fā)動機的設計優(yōu)化與幵發(fā)。而在實際的仿真計 算中, 為了避免單獨使用三維軟件計算精度不高的弊端 , 研究者提出了一維與三 維軟件稱合的計算流體力學方法 , 以此分析消聲器內部的流動特性 , 通過計算結 果預測發(fā)動機在實際運行工況下進排氣系統(tǒng)內部的壓力損失及聲學性能 , 從而實 現(xiàn)預先優(yōu)化 。 國內的研究簡況 我國對于進氣系統(tǒng)的研究起步較晚 , 在 1979 年頒布機動車標準后才幵始實施以 實驗研制為重點的研究。隨著中

23、國與世界的聯(lián)系円益密切 , 汽車工業(yè)也面臨著巨 大的挑戰(zhàn) , 迫切需要自主研發(fā)生產新產品 , 其中對噪聲的控制成為不可規(guī)避的課 題之一。由于我國對于噪聲污染的危害意識不夠 , 使得目前對汽車降噪技術的研 究與發(fā)達國家有一定差距 , 幵發(fā)能力相對較低。而隨著噪聲法規(guī)越來越高的要求 只研究排氣系統(tǒng)消聲器已經不能滿足降噪要求 , 迫切需要幵展對進氣系統(tǒng)的研 究。最近幾年 , 國內不少汽車開發(fā)商意識到了這個問題 ,許多專家和學者也做了 不少工作。毛善勇等人通過比較發(fā)動機在不同工況下的聲壓云圖 , 說明增壓高速 發(fā)動機內進氣噪聲對整機噪聲有顯著影響。范錢旺等人利用 Matlab 編寫程序 , 模擬赫姆霍

24、茲共振消8 / 22 聲器結構參數(shù)對消聲性能的影響 , 通過計算發(fā)現(xiàn)共振腔的體 積和主管截面積等對共振頻率和消聲量有重要影響岳貴平等人利用 GT-Power 軟 件分析進氣系統(tǒng)的插入損失 , 幵發(fā)進氣消聲元件中心頻率設計專家系統(tǒng) , 將其傳 遞損失影響參數(shù)考慮在內 , 分別設計了空氣濾清器、赫姆霍茲諧振腔和 1/4 波長 管, 這一系統(tǒng)對進氣系統(tǒng)聲學元件的設計具有很高的實用價值金巖、郝志勇通過 比較加速行駛車外噪聲的頻譜特性 , 應用實驗和邊界元法研究了空氣濾清器的頻 率相應特性 , 在原有結構的基礎上添加赫姆霍茲諧振腔 , 很好地解決了進氣噪聲 的問題 , 達到了整車降噪的目的。張小燕等通過

25、建立發(fā)動機模型 , 優(yōu)化進排氣系 統(tǒng), 對可變進氣歧管系統(tǒng)進行了完整建模 , 提高了模型的仿真精度。尹凌等通過 分析不同的進氣歧管設計方案 ,利用一維和三維軟件賴合計算的方法 , 分析兩種 進氣歧管對整機動力性能的影響 , 同時解決了舉獨使用三維軟件仿真無法實時改 變邊界條件 , 造成結果精度不高的問題 , 使模擬計算結果更加接近實驗數(shù)值這些 研究成果對于今后進氣系統(tǒng)的設計與優(yōu)化有著非常重要的意義。 第 2 2 章 B15B15 發(fā)動機進氣消聲元件設計 2.1 進氣系統(tǒng)概述 發(fā)動機的進氣系統(tǒng)是把空氣或混合氣導入氣紅的零部件集合體，其功能是盡 可能多和盡可能均勻地為發(fā)動機供給可燃混合氣或清潔、干

26、燥的空氣。系統(tǒng)中 的主要組件空氣濾清器、管路及設計安裝的合理性直接影響發(fā)動機的動力性和 經濟性。 2.1.1 進氣系統(tǒng)結構及工作原理 進氣系統(tǒng)包括空氣進入系統(tǒng)和進氣多支管系統(tǒng)，其中前者主要指進氣歧管和 進氣總管，后者包括空氣濾清器、進氣消聲元件、進氣管和柔性連接管等 ，如圖 2-1 所示o 1-進氣系統(tǒng)，2-進氣總管，3-進氣控制閥，4-怠速進氣通道，5-柔性連接管， 9 / 22 6-干凈空氣閥，7-?波長管，8-空氣濾清器，9-空氣過濾閥， 10-赫姆霍茲消聲器，11-進氣口 圖 2-1 進氣系統(tǒng)結構示意圖 空氣經空氣濾清器過濾雜質后，流過空氣流量計，經由進氣道進入進氣歧管， 與噴油器噴出

27、的汽油混合后形成適當比例的可燃混合氣 ，由進氣門送入氣社內點 火燃燒,產生動力。由此可見，發(fā)動機的功率、扭矩等動力性能及有效燃油消耗 率等經濟性能與進氣系統(tǒng)的優(yōu)劣有直接關系。 要研究發(fā)動機的進氣系統(tǒng)，很重要的一個指標是其聲學性能如前所述 ，發(fā)動 機的噪聲源中，進氣系統(tǒng)產生的噪聲占有很大比重。而要降低發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪 聲,還需要平衡發(fā)動機動力性與聲學性能的矛盾。 進氣系統(tǒng)與發(fā)動機的氣虹相連，進氣閥門處的氣壓與大氣壓形成一個壓差 ，10 / 22 壓差越高，空氣在進入進氣系統(tǒng)時要消耗的能量越多。發(fā)動機的功率與進氣管的 截面積有關，截面積越小，空氣流通不順暢，功率損失越大，但進氣口的噪聲越 低。因此

28、，降低進氣口噪聲的同時可能引起發(fā)動機功率損失的增大 ，在進氣系統(tǒng) 設計時就需要平衡這對矛盾。 2.1.2 進氣噪聲的產生機理 空氣進入進氣道之后，其壓力和密度會隨著發(fā)動機進氣門周期性的幵閉進行 波動,從而形成空氣動力噪聲。根據(jù)其產生機理的不同，可以將其分為四類：禍流 噪聲、周期性的壓力脈動噪聲、氣虹內赫姆霍茲共振噪聲和進氣管內氣柱共振 噪聲。 （1禍流噪聲 氣流經過進氣道到達氣紅時形成很高的速度，由于氣通道內的氣門和進氣管 內壁的砂眼、毛刺等障礙物存在，氣流的流動受阻形成禍流，從而產生禍流噪 聲。由于禍流脫落的頻率會影響此類噪聲的頻率 ，障礙物的形狀會影響禍流的排 列，所以其頻譜的峰值分布在特

29、定寬度的頻率范圍。但當繞流的障礙物是規(guī)則幾 何形狀時，潤旋的形成、脫落及排列在流動穩(wěn)定時呈現(xiàn)一定的周期性 ，此時峰值 可以按公式計算： （2- 1 其中，sh-常數(shù)，通常取 0.5, v-進氣門氣流速度m/s）, d-進氣直徑 m （2周期性壓力脈動噪聲 新鮮空氣由進氣口流入進氣管，在發(fā)動機工作過程中氣門的開閉導致空氣的 壓力及速度發(fā)生波動，形成密度的周期性變化，從而產生周期性的壓力脈動噪 聲。它構成了進氣噪聲的主要部分，與進氣道的壓力脈動吻合，其主要頻率 f 受 發(fā)動機轉速的影響，計算公式為： H1 2-2 ） 其中，n-發(fā)動機轉速rpm）, T -沖程數(shù)，i-發(fā)動機缸數(shù)。 11 / 22

30、（3赫姆霍茲共振噪聲 在發(fā)動機工作過程中，氣虹會形成封閉的腔體，赫姆霍茲共振噪聲就由此產 生。氣虹內氣體的壓力波會激發(fā)這類噪聲的共振 ，容積、進氣管直徑及長度等因 素都會影響其共振頻率的大小將共振腔等效成等截面管和具有一定容積的圓球 , 則第一階固有頻率為： - * 2-3 ) 其中,c-空氣中的聲速(m/s，r-進氣管半徑，I-進氣管長度， -氣虹容 積。 (4進氣管內的氣柱共振噪聲 進氣門關閉后進氣管形成氣柱共振系統(tǒng)，管內的空氣由于連續(xù)性和可壓縮性 容易形成氣柱的振動，由此產生進氣管內的氣柱共振噪聲。當聲源的激振頻率與 氣柱的某一階固有頻率相同時，便發(fā)生與該頻率相對應的共振，管道強烈振動并

31、 產生福射噪聲。其固有頻率的公式為： 2-4 其中，c-空氣中的聲速m/s), i-諧波次數(shù)，I-進氣管長度m 2.2 進氣消聲元件優(yōu)化 為了得到更好的消聲效果，對消聲元件模型做以下改進： (1 適當增加空氣濾清器的長度,在 GT-Power 中將出氣口到節(jié)氣門之間的管 路利用等截面直管和變截面彎管取代原先的三維等截面管。 (2由于發(fā)動機運轉時進氣溫度的變化會引起流速的變化，在建模時將赫姆 霍茲諧振腔和 1/4 波長管的尺寸根據(jù)流速的變化進行調整。優(yōu)化后的進氣系統(tǒng) 消聲元件與發(fā)動機稱合,仿真計算結果見圖 2-2 和圖 2-3。A Waghlcd Order Tracking DO 的part

32、ui-Mic-1 12 / 22 圖 2-2 優(yōu)化后的進氣口噪聲 圖 2-3 優(yōu)化后的進氣系統(tǒng)壓力損失 由圖 2-2和圖 2-3可知,進氣口噪聲總聲壓級在目標值以下,各階次聲壓級 全部低于目標值，比優(yōu)化前的進氣口噪聲有所降低。 進氣口到節(jié)氣門的壓力損失 為2.5kPa,90 9 200 17C0 2200 2700 3200 3700 4 200 470C 5 200 5700 6200 Speed RPM o o OOOO BDODOO BDODOO o o oo o o s sr r7 67 6 i? A Waghlcd Order Tracking DO 的part ui-Mic-1 1

33、3 / 22 優(yōu)化后的進氣口噪聲和壓力損失全部滿足要求,優(yōu)化效果良好。14 / 22 第 3 3 章 B15B15 發(fā)動機進氣系統(tǒng)性能分析 3.1 進氣歧管流場分析模型的建立 在滿足發(fā)動機性能的前提下 , 關于進氣系統(tǒng)消聲元件降噪作用的研究 , 對于 進氣系統(tǒng)的另一部分進氣歧管 , 因其降噪作用不明顯 , 故本章只對其內部流 場進行分析 , 討論進氣歧管的結構在發(fā)動機進氣過程中的作用。 3.1.1 計算流體力學基本理論 本章所使用的 STAR-CCM+件是由 CD-adapco集團推出的 CFD 軟件,它采用 最先進的連續(xù)介質力學數(shù)值技術 , 可以導入使用目前主流網格生成軟件所生成的 網格,

34、本身也可計算多面體網格 5 。它與現(xiàn)代普遍使用的軟件工程技術結合 ,擁 有比較出色的性能和很高的可靠性 , 是熱流體分析人員強有力的工具。目前 , 該 軟件成了很多公司進行流場等方面分析時的首選計算流體力學的基本思想是 : 用 有限個離散點上變量值的集合代替速度場、力場等連續(xù)物理量的場 , 建立關于這 些變量值的方程組 ,并進行求解以獲得近似值。在進行流體動力學的計算時 , 要 遵守三個基本的物理守恒定律 , 即動量守恒定律、能量守恒定律和質量守恒定 律。另外 , 如果有不同的組分參與 , 系統(tǒng)還要遵守組分的守恒定律。 如果存在湍 流, 還要附加瑞流的輸運方程。 在這些守恒方程中 , 質量守恒

35、方程是所有流動問 題都需要滿足的定律 , 其公式表述為 :15 / 22 3.1.2 進氣歧管流場分析方法 在常見的流場分析計算中，通常采用零維或一維模型對進氣歧管進行簡化， 如GT-Power 軟件中,將進氣歧管的各個支管分別簡化成若干段管路,通過簡單的 一維連接建立模型，對其性能進行分析。進氣歧管的每個支管都具有比較明顯的 一維流動特征，用軟件中的一維模塊代替時，穩(wěn)壓腔內部的平均壓力是均勻的。 這種方法計算得出的結果與實驗數(shù)據(jù)相比，準確度較低，不能完整體現(xiàn)發(fā)動機運 行時歧管的工作狀況，尤其是對歧管內的流場分布，一維軟件難以給出確切的結 論。由于這種方法不考慮內部物理結構的差異，適用于氣流速

36、度低、壓力波動小 的場合。為了獲得一維軟件難以實現(xiàn)的進氣歧管內流速和壓力的分布 ，現(xiàn)在普遍 采用 CFD 軟件進行仿真分析，如前述的 STAR-CCM+件。利用三維造型軟件繪制 進氣歧管模型并進行簡化處理，在 CFD 軟件中抽取流體域，劃分網格。導入網格 后,通過添加邊界條件，進行其他必要的設置完成計算。利用 CFD 軟件可以進行 穩(wěn)態(tài)的流場計算，這種方法工作量較小，計算時間也相對較短，能夠快速獲取歧管 內的流動特性。但這種方法不能計算歧管在不同時刻的流場 ，因此在考慮時間的 作用時,可以選取瞬態(tài)計算方法。在使用 STAR-CCh 進行瞬態(tài)的計算時,需要先 從一維軟件或實驗數(shù)據(jù)中獲取邊界條件，

37、經過模型設置后得到歧管內部的瞬態(tài)流 動,這與穩(wěn)態(tài)相比更加接近真實的流動。但由于邊界條件是由軟件使用者進行手 動輸入,無法根據(jù)發(fā)動機的工作狀況進行實時的更新，由此獲得的是孤立的瞬態(tài) 結果。而發(fā)動機的實際工作過程是瞬態(tài)的，只用 CFD 軟件進行計算不能完全模擬 實際流場的狀態(tài)。由于進氣歧3-1 動量守恒方程用公式表述為 3-3) 能量守恒方程用公式表示為 3-4) ,AA線為加速始端線,BB線為 加速終端線，汽車沿行駛中心線行駛，傳感器布置離地面高 1.2m 0.02m,距離行 駛中心線 CC 7.5m 0.05m 處,其參考軸線必須水平并垂直指向行駛中心線 CC。要求汽車前端到達 AA 線時,節(jié)

38、氣門全幵，并保持不變通過測量區(qū)域。汽 車加速行駛時 , 其車外最大噪聲級不應超過標準規(guī)定的限值。17 / 22 圖3-1測量場地和測量區(qū)及傳聲器的布置 322 模型的建立 通過噪聲的模型使用Vehicle ”、Clutch Conn ”、Tire Conn Rigid ”、Acoust Microphone等模塊,根據(jù)實驗獲取的參數(shù)進行設定。其中 車輛進入區(qū)域的初始速度的選擇，根據(jù)與發(fā)動機匹配的車型確定。對麥克風位置 的設置,參照汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法中的規(guī)定。根據(jù)以上設 置,建立汽車加速行駛車外噪聲模型,如圖 3-2 所示。 肘50 fl.尺寸單橫 園星爾的杯權試鯊整置 0 樓聲

39、蠱(k 1.210. 07) ) B 丄P 6060氣申匕 0T護 j 18 / 22 曲訕朝 *4*5， it器甘址仝或 19 / 22 圖3-2汽車加速行駛車外噪聲模型 323 結果分析 圖 3-3 為用圖 3-2 的模型計算所得的汽車加速行駛車外噪聲值,X 軸分別對 應車輛行駛距離（m和發(fā)動機轉速（rpm。 (a)隨距離變化 tb） KI發(fā)動機轉速變化 圖 3-2 汽車加速行駛車外噪聲值 由實驗經驗可知，車輛加速行駛通過測量區(qū)域時，最大噪聲應產生在距傳聲 器7S 67 68 B7 1.3 25 3.8 5.1 6.4 7.7 9.0 10.3 11.6 12.9 M2 1S5 168 1

40、SJ 195 20.8 行換焉(7 20 / 22 最近的加速段中心位置附近,即距加速行駛始端線 10m 左右。本文中噪聲最大 值出現(xiàn)在車輛行駛距離為 9.0m 和 10.3m 處,約為 74.3dB(A。因為點聲源輻射 的聲壓(P和距離成反比,更遠距離 r2 的聲壓 SPL(dB(A可以從已知的近距 離 rl 的聲壓SPLi(dB(A計算出： _ I (3-5 其中，r1-0.5，位于進氣口 500mn 處的麥克風裝置；r2=7.5m，為位于 7.5m 處麥克風位置。按公式可得： 一一 ，可通過這個公式對進氣口的 噪聲進行換算。另外,通過查閱文獻可知,對于目標值為 75dB(A的通過噪聲,汽

41、 車進氣系統(tǒng)的噪聲水平限值為 63dB(A6。 目前,中國噪聲法規(guī)中規(guī)定在 2005 年 1 月 1 日以后生產的 Mi 類汽車的通過 噪聲不超過 74dB(A。在本發(fā)動機運行轉速范圍內,在進氣口 500m 處測量進氣 口噪聲,最大噪聲值為 85.3dB(A (4000rpm, 500mm 處,轉換到 7.5m 處的噪聲 值為 100.3-23.5=61.8dB(A,低于 62dB(A(74-(75-63。因此，此發(fā)動機的進 氣噪聲對通過噪聲的單獨貢獻滿足通過噪聲的目標值要求。 第 4 4 章總結與展望 4.1 全文總結 以計算機為支撐的數(shù)值模擬技術的應用，可以大大縮短產品開發(fā)流程，節(jié)約 成本

42、，目前在各個行業(yè)都有廣泛應用。在汽車行業(yè)中，由于國家法規(guī)對汽車噪聲 的要求越來越嚴格，僅通過改善發(fā)動機的排氣噪聲已經不能滿足要求，因此研究 進氣系統(tǒng)噪聲刻不容緩。利用數(shù)值模擬技術研究汽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)的聲學性 能及設計幵發(fā)相應的產品，對某些結構進行針對性的設計優(yōu)化，是目前進排氣系 統(tǒng)研究中比較關注的一個課題。 本文的主要任務是建立準確的發(fā)動機模型，通過分析進氣系統(tǒng)消聲元件參數(shù) 變化對傳遞損失和中心頻率的影響，總結參數(shù)靈敏性規(guī)律，對 B15 發(fā)動機的進氣 系統(tǒng)消聲元件進行設計優(yōu)化，并利用一維和三維軟件耦合的方法完成對進氣歧管 流場的分析 , 最后建立更加準確的汽車加速行駛車外噪聲模型 , 分析進

43、氣噪聲對 加速行駛車外21 / 22 噪聲的貢獻率 , 全面的評價進氣消聲元件的消聲性能。 總結全文的工作 , 主要體現(xiàn)在以下幾個方面 : (1 利用 GT-Power 軟件建立發(fā)動機工作過程仿真模型 , 對可變氣門時和可變 進氣歧管的建模進行詳細說明。將計算結果與發(fā)動機外特性實驗結果對照 , 并標 定模型,使計算值與實驗值誤差在 5%以內,滿足準確度要求 , 為后續(xù)對進氣系統(tǒng) 的設計及分析奠定模型基礎。 (2 利用 GT-Power 分析擴張消聲器和旁支型消聲器的參數(shù)靈敏性 , 總結消聲 元件不同結構參數(shù)對消聲性能的影響規(guī)律。針對 B15 發(fā)動機進氣系統(tǒng)消聲元件 的設計要求 , 分別設計空氣

44、濾清器、赫姆霍茲諧振腔和 1/4 波長管。將消聲元件 與發(fā)動機模型耦合 , 分別計算進氣系統(tǒng)壓力損失和進氣口噪聲。針對某個轉速下 個別頻率的階次噪聲稍高的問題 ,考慮溫度對實際流速的影響 ,提出改進方案 ,使 進氣口噪聲低于目標限值 , 進氣壓力損失不高于 2.5kPa, 優(yōu)化方案滿足設計要 求。 (3 介紹三種進氣歧管流場分析方法 , 選定利用一維和三維軟件耦合的方法 進行歧管的分析。將 GT-Power 軟件和 STAR-CCM+件耦合，通過 GT-Power 軟件 獲取實時的邊界條件 , 分析壓力場和速度場結果。 (4 在耦合后的 GT-Power 模型基礎上添加路面、輪胎等模塊,建立汽

45、車加速 行駛車外噪聲評價模型 , 分析進氣噪聲對汽車加速行駛車外噪聲的貢獻度 , 從宏 觀上評價進氣消聲元件的消聲性能。結果表明本文設計的進氣系統(tǒng)消聲元件是 有效的 , 滿足目標要求。通過本文的研究發(fā)現(xiàn) , 利用數(shù)值模擬的方法進行發(fā)動機 零部件的設計 , 更有針對性, 大大節(jié)省了開發(fā)成本 , 縮短了開發(fā)周期 ,為后續(xù)的設 計開發(fā)提供了指導。 展望 利用數(shù)值模擬方法模擬發(fā)動機工作過程和進行零部件的開發(fā)設計 ,是現(xiàn)代汽 車行業(yè)開發(fā)推廣新產品的必要技術手段。本文運用 GT-Power 和 STAR-CCM+件 對發(fā)動機的進氣系統(tǒng)進行消聲元件的設計和對進氣歧管的性能分析 , 所提出的研 究方法和設計方

46、案在模擬計算中取得了令人滿意的效果 , 具有一定的實用價值。 但從目前的研究現(xiàn)狀來看 ,要實現(xiàn)準確的設計和高準確度的模擬 , 還需要更加深 入的研究和實踐 : (1應用 GT-Power 軟件進行發(fā)動機的建模,對于三維空間的相對位置沒有體 現(xiàn)出來。 為了提高仿真精度,可以利用 GEM3 模塊建立準確的三維模型,對其進 行離散導入GT-Power 中進行仿真計算。另外，僅考慮節(jié)氣門全幵的工況不能完 全評價發(fā)動機的性能 , 對于部分負荷時的工作過程仿真模擬有待研究。 (2利用 STAR-CCM+件計算進氣系統(tǒng)的流場,可以分析添加了進氣消聲元 件的整22 / 22 個進氣系統(tǒng) , 而不僅局限于對進氣歧管的分析。另外 , 對歧管中個別支管 的結構可以適當優(yōu)化 , 進行深入探討。 參考文獻 ?Numbered?Bulleted-Numbered_75c3bd