缸内气流运动对直喷汽油机燃烧过程的影响研究开题报告

缸内气流运动对直喷汽油机燃烧过程的影响研究开题报告本文简介：缸内气流运动对直喷汽油机燃烧过程的影响研究毕业设计开题报告1．选题依据：(1)设计内容：内燃机缸内气流运动是影响发动机燃烧过程的重要因素之一,因而也影响着发动机的动力性、经济性和排放性。因此,对内燃机缸内空气运动的研究将为改善燃烧过程,提高内燃机性能提供重要的理论依据。本文设计主要利用三维软件进行汽

缸内气流运动对直喷汽油机燃烧过程的影响研究开题报告本文内容：

缸内气流运动对直喷汽油机燃烧过程的影响研究

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1．选题依据：

(1)

设计内容：内燃机缸内气流运动是影响发动机燃烧过程的重要因素之一,因而也影响着发动机的动力性、经济性和排放性。因此,对内燃机缸内空气运动的研究将为改善燃烧过程,提高内燃机性能提供重要的理论依据。本文设计主要利用三维软件进行汽油机燃烧室建模并利用三维流体软件AVL-Fire对工作模型进行仿真，从而了解缸内直喷汽油机工作过程和影响气流运动的主要因素等，以及分析不同进气方式、不同燃烧室结构和不同的进气速度对发动机缸内工作特征和排放特性。

（2）

国内外文献对缸内气流运动对直喷汽油机燃烧过程的影响的综述：

①

国内山东大学能源与动力工程学院利用数值模拟技术研究缸内气流运动燃烧过程的影响,模拟了带有不同进气道的2种燃烧系统.模拟结果表明:进气过程所产生的气流运动状况影响压缩上止点附近的最终动量矩及涡流运动的中心;缸内涡流运动能够维持到压缩上止点附近,压缩冲程后期燃烧室内湍流强度增大的主要原因是大尺度的滚流破碎成众多小尺度的涡流;缸内涡流中心的位置靠近气缸中心有利于火焰沿径向均匀传播[1]；重庆大学机械工程学院利用计算流体力学（CFD）软件Fire对汽油机进气道及缸内流场进行了稳态及瞬态的三维数值模拟计算，采用动网格技术快速生成计算网格，瞬态模拟给出了缸内速度场和湍动能场，获得了较详细的流场信息。研究结果显示气道结构设计合理，缸内流场中出现明显的滚流，进气引起的明显滚流维持到了压缩终点，且高湍动能区位于火花塞附近，有利于火焰传播[2]；聊城大学汽车与交通工程学院在内燃机工作过程中,气流运动占有十分重要的地位。组织良好的气流运动是改善燃烧过程、提高热效率和降低排放的有效途径。数值模拟方法因具有费用低、周期短、信息量大,能充分反映几何形状的影响程度等特点,被广泛地应用于内燃机气体流动方面的研究。本文概述了内燃机机内气体流动数值模拟的国内外研究现状,指出了目前的数值模拟技术还没有真正达到用于优化设计结构的程度,提出了气体流动数值模拟今后研究的方向[3]。天津大学内燃机研究所运用基于双特征角的气道稳流测试系统,对四气门电喷汽油机缸内不同测试平面内的气流运动进行了试验、分析及评价。引入特征矢量的概念,利用缸内滚流运动矢量轨迹图及不同气门升程下发动机缸内气流运动特征矢量表,分析了缸内不同气流运动形式的气流强度、作用平面、矢量方向,宏观地反映了缸内气体流场的运动特性及分布规律。在发动机进气系统的优化过程中,为组织缸内气流最优化作用区域及适当强度的气流运动,改善汽油机性能提供了新的方法和全面的数据依据[4]。

②国外文献的综述：

从20世纪70年代起，国外在内燃机缸内气体流动的多维数值模拟方面作了大量的研究工作，使其逐渐完善，对缸内流场的数值模拟越来越准确。

1973

年，Watkins

首次采用了有限差分法来求解层流流动的方程组[5]。1984

年Gosman

和

Watins

等人对发动机中空气流动进行了三维数值模拟计算，采用了

k

?ε双方程模型，研究了燃烧室形状对空气流动的影响，并将计算结果与试验进行了比较。1987年，Gosman

和

Abmed

对轴对称进气道－气门－气缸内稳态流动进行了实验和计算研究

[6]。

在

20

世纪

80

年代末期，出现了对模型为进气道－气门－气缸的缸内气体流动三维数值模拟研究的高潮。Shigeki

Sugiura

等人通过分别对切向进气道－气门－气缸内气体进行二维和三维稳态流动的数值模拟计算，来研究进气系统几何形状对质量流量和流型的影响[7]。由数值计算结果得到：在计算模型带有气门杆时，模拟的质量流量计算值与实际测量值吻合度很高；但如果计算模型不带气门杆，那么质量流量计算值要比实际测量值偏高

4.5％～11％。因此，对进气过程模拟的计算模型必须加上气门才能得到与实际相吻合的更有价值的结果。1990

年，Ken

Naitoh

等人采用

SIMPLE

和

ICE

方法分别对

2

气门和

4

气门发动机进气道和缸内气体的三维流动进行了数值模拟计算，并且在模拟中考虑到了气门和活塞位置的变化，并反映了流动现象的复杂性[8]。数值模拟计算结果的分析进一步揭示了内燃机机内气体流动的复杂性。1994

年，Bahrain

等人采用自行开发的

CFD

程序对平螺旋状燃烧室内燃机的进气道－气门－气缸内耦合流动结构进行了多维模拟[9]。同年，Pierre

Godrie

和

Mark

Zellat

在直气道和螺旋气道上进行了稳态流动模拟，流量系数和缸内速度场与实验结果表现出较好的一致性，并分析了稳态流动模拟所观察到的涡流的产生机理[10]。1995

年，Kang

Y．Huh

等人采用修改过的

KIVA-II对稳态流动和运行工况下内燃机进气道－气门－气缸内气体流动的进行可三维模拟计算，结果显示，虽然稳态时的涡流比与发动机工作时的涡流比有差异，但可以用稳流试验测量的涡流比来预测运行工况发动机的涡流比[11]。综上所述，国外已经基本掌握了如数值模拟方法、湍流模型的选择、网格的生成以及运动边界的设置处理等有关进气道－气门－气缸内气体流动的多维瞬态数值模拟计算的关键性技术，不过仍然有大量工作需要深入研究，例如进行瞬态模拟所需动态网格技术有待进一步发展完善、如何使网格的运动与缸内流场的实际变化更加吻合以及如何使网格的变化与内燃机进气道－气门－气缸系统的结构形状相适应等问题。

（3）本课题研究意义：在发动机性能研究的早期，大多数人们一直认为：在发动机中，缸内气流运动的研究作用似乎不过只是为了给气缸提供适量的空气，而进排气系统的结构对充气量的好坏起主要决定作用，与气缸内气体的细致流动和流场的变化情况关系并不大，由此看来研究缸内气体的流动似乎没有必要。然而事实并非如此，在往复式发动机发展的初期，研究人员就发现缸内气体的流动状态对发动机的各项性能有直接影响。例如里卡多设计的“湍流式发动机”，缸内气体流动的组织可以通过其燃烧室形状来控制，以达到燃烧的最佳状况；同时，阿尔柯克研究发现，进气气流所产生的旋流可以明显提高发动机的燃烧性能[11]。目前，大量研究人员把许多精力都花费在气道和缸内气体流动状态的研究上，并且已经取得了很大的发展[12,13,14,15]。

发动机缸内空气的流动状态对混合气的形成和燃烧过程起到了决定性的影响，对发动机的动力性、经济性、有害气体的排放以及燃烧噪声也有很大的影响。为了提高气油机的燃油和空气混合速率，加快燃烧速率，促进燃烧过程中未燃燃料和空气的混合，良好的组织缸内空气运动有着至关重要作用。所以，深入了解发动机缸内气体的流动状态对燃烧过程的影响和作用，对组织良好充分的燃烧过程，开发高性能、节能、低碳、环保的发动机具有重要意义。

用AVL-Fire建立直喷汽油机缸内工作模型对直喷汽油缸内工作过程模拟仿真，不仅能够直观地研究发动机进气系统设计的合理性，也可以通过改变进气系统的结构来合理的设计和组织气流，以满足发动机性能的需要，可以减少大量的重复性实验，节省大量的人力、财力和物力。

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２．设计方案：

（1）

具体内容：

①发动机结构参数：发动机结构型式：四缸、四冲程、水冷；缸径×冲程：65mm×72mm；压缩比：10；

②查阅参考文献

，熟悉缸内直喷汽油机工作过程以及燃油供给系统的工作原理；了解缸内直喷汽油机工作过程和影响气流运动的主要因素等。

③发动机进气道－气门－气缸三维几何模型的建立。

根据燃烧室结构图纸利用三维造型软件

PROE建立仿真模拟计算所需模型。

④利用AVL-FIre对直喷汽油机缸内工作过程进行仿真。

应用Fire中的FAMEEngine+动网格模块进行动网格生成,网格自动生成后对其进行相关检查和优化,最终得到符合计算要求的网格。

⑤根据软件仿真分析不同进气方式、不同燃烧室结构和不同的进气速度对发动机缸内工作特征和排放特性。

⑥根据仿真绘制相关图纸。

（2）

关键问题：

①

Proe软件掌握不熟练，如何能更好的建立燃烧室模型；

②利用AVL-FIre软件仿真时如何能更准确的生成出不同进气方式以及进气速度的网络；

③根据仿真出来的网络能否正确的分析出缸内的工作特征及排放特性。

（3）技术路线：

确定发动机气缸参数

↓

查阅相关文献

↓

利用三维软件建立模型

↓

利用AVL-FIre软件进行仿真

↓

生成网络图

↓

根据网络图进行分析

（4）

进度安排：

2015年

3

月

17

日

-

3

月7日

查阅资料，撰写开题报告；

3

月8日

-

3

月15日

开题报告答辩；

3

月16日

-

4

月

12

日

完成毕业设计理论设计计算；

4

月

13

日

-

5

月

8

日

完成相关图纸的绘制；

5

月

9

日

-

6

月

4

日

完成毕业设计说明书的撰写及任务书要求的其它内容；

6

月

5

日

-

6

月10日

设计说明书的整理、修改与打印；

6

月15日

-

6

月20日

论文答辩。

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3．参考文献：

[1]

张强，

王志明.缸内气流运动及对燃烧过程影响的数值分析[N].山东大学学报(工学版)，2006-03-20（1）

[2]李林.基于AVL-FIRE的汽油机进气道气流运动三维数

值模拟[N].重庆科技学院学报(自然科学版)，2009-06-10（6）

[3]胡云萍.内燃机机内气体流动模拟研究现状[J].内燃机动力装置，2009，,8(2):

20~23

[4]基于特征矢量的汽油机缸内气流运动特性研究[N].农业机械学报，2012-07-28（3）

[5]刘耀峰．内燃机气道内气体流动三维数值模拟与应用研究-IND-3D程序的开发与应用[M]．北京：北京理工大学，2002．198

[6]Gesman

AD，Ahmed

AMY．Measurement

and

Multi-dimermiousl

Prediction

of

Flow

in

an

Axisymmetric

Port．Valve

Assembly[C]．SAE：870592.1987：100

[7]Shigeki

Sugiura．Numerical

Analysis

of

Flow

in

the

Induction

System

of

Internal

Combustion

Engine[C]．SAE：900255，1990：80

[8]Ken

Naitoh．Numerical

Simulation

of

the

Detailed

How

in

Engine

Ports

and

Cylindem[C]．SAE：

900256，1990：62

[9]Bahram

khaligli

，

Danid

C

Haworth

，

Mark

S

Huebler

．

Multidimensional

Port-and-In-Cylinder

Flow

Calculationsand

Flow

Visualization

Study

in

an

Internal

Combustion

Engine

with

Different

Intake

Configurations[C]．SAE

941871，1994：80

[10]Pierre

Godrie,Mark

Zellat.Simulation

of

Flowfield

Generated

by

Intake

Port-and-In-Cylinder

Configuration-Comparision

withMeasurements

and

Applications[C].SAE

940521

，1995:32

[11]J.H.郝洛克,D.E.温特伯恩.内燃机的热力学和空气动力学[M].北京：机械工程出版社,1992.28-29

[12]彭立印.柴油机缸内流体流动数值模拟分析[D]硕士学位论文.成都：西南交通大学，2007

[13]杨玫,吴承雄.进气道稳流试验装置内三维流动特性的数值分析[J].内燃机工程,1998，21(3).

40-43

[14]王志，黄荣华.基于CAD/CAM/CDF的发动机气道研究[J].内燃机工程，

2002，

32(3)：10-12

[15]常思勤.发动机气道现代设计方法及其应用的研究[D].学士学位论文.武汉：华中科技大学，1998

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指导教师意见：

指导教师：*年*月*日