基于AVL-FIRE的发动机扫气过程仿真研究开题报告.doc

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基于AVL FIRE的发动机扫气过程仿真研究
毕 业 设 计 开 题 报 告
1．选题依据：
1.1课题研究背景及意义
内燃机已经成为当今社会上最为常用的动力装置之一，而内燃机所依赖的石油能源
非常有限，内燃机对环境所造成的空气污染也已经成为重要的社会问题，因此对于内燃机的燃油经济性和排放性能越来越收到重视。随着社会、经济、环境的变化，人们对内燃机技术也提出了新的要求，而面对这种日益增长的社会环境需求，内燃机技术更加快速的发展具有重要意义。
近年来，多家技术公司和研究机构研发出对置气缸对置活塞（OPOC）发动机。EcoMotors 公司是最早研发该发动机的公司之一。2010年 3 月，EcoMotors 展示了其开发的 EM100 对置活塞对置汽缸发动机样机，EcoMotors与 Navistar、中鼎等多家公司合作在准备在 2014 年实现量产。TARDEC 也在底特律“2008美国汽车工程学会年会暨展览会”上展示了其研发的对置活塞对置气缸(OPOC)发动机，阿凯提斯动力公司是另外一家美国致力于研发 OPOC 发动机的公司，2004 年开始就已经进行了相关商业实验，至 2011 年运行了 2000 多个小时，该公司称实验结果证明：它可以满足目前最严格的欧 6 和 EPA10 的排放标准，且该发动机的燃油经济性比传统柴油机高出 15%，而其零部件减少 40%，在包括功率密度、制造成本等其它方面同样具有优势，尽管该发动机的研究已经进行的非常迅速，但是在于传统发动机接近百年的发展历史，OPOC 发动机的研究才刚刚起步，其结构的设计仍有很大的改造空间、其性能也有很大的提升空间，而它同样将面临的很多的技术难题。
我们知道，扫气过程的优劣直接影响到发动机的动力性、经济性以及排放性能。与四冲程发动机相比,传统高速二冲程发动机由于扫气时间短、进排气过程同时进行,存在新鲜气体与废气掺混严重,缸内残余废气系数大,扫气质量差等问题。因此,针对传统高速二冲程发动机的扫气缺陷,双对置二冲程柴油机采用可控直流扫气的换气方式,其进、排气口分布在气缸两端,气口的开闭由对置的活塞控制,从而实现沿气缸轴线的直流扫气过程。双对置二冲程柴油机具有结构简单、功率密度高等特点.其独特的直流扫气结构能有效提高高速二冲程柴油机的扫气效率,从而提高发动机性能。
二冲程对置活塞对置气缸（OPOC）柴油机，很好的结合了对置活塞概念和对置气缸概念。这两种概念都具有紧凑和水平的特性。与对置活塞发动机相比，OPOC柴油机只有一个曲轴，而不是两个。所有力都传递到曲轴上，没有传递给主轴承和曲柄箱。与对置气缸式发动机相比，OPOC柴油机没有气缸盖，而对置气缸式发动机有两个缸盖。这种巧妙的结构使发动机简单，轻量化，紧凑，高效[1,2]。同普通内燃发动机相比，对置活塞式二冲程柴油机的零部件约少50%，重量和体积约低50%，其热效率高达41%，升功率可达到88 kW /L，功率密度可达到2 kW/kg，同时能够实现动力单元模块化组合。因此，将其应用在小型飞机上，有着成本低，续航能力强等优点，无人机作为在未来发展中不可或缺的航空器,对发动机提出了大功率、轻质量、小体积的要求，而活塞式内燃机作为无人机动力具有良好的发展前景。
换气过程是工作过程中最为重要的环节，它的好坏直接影响发动机的性能，这是由于进入并存留于气缸内的新鲜充量越多，燃烧放热量就越多，将热能转化成的有用功也就越多，发动机的功率和转矩也随之升高 [3]。与四冲程内燃机不同，由于二冲程内燃机的换气时间短、进排气过程同时进行，会产生新鲜充量与废气掺混，缸内残余废气系数大，扫气质量差等问题[4]。与传统的二冲程发动机一样，OPOC柴油机也没用独立的进气冲程和排气冲程，其换气方式采用直流扫气，进、排气口环形布置在气缸两端，由内、外活塞运动控制进、排气口的开闭。一个成功的二冲程发动机扫气过程，应当尽可能地减少与新鲜充量混合，并使他扫气未到之处所留下的燃烧产物达到最低限度[5.6]。为了达到这一目标，必须优化OPOC柴油机的扫气过程，尽可能避免新鲜充量与废气相互掺混，提高扫气效率，进而提高发动机的性能、燃油经济性和排放[7]。
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1二冲程柴油机换气过程数值模拟的现状
发动机的换气过程是一个复杂的非稳态的流体动态过程，流体流动参数和热力学参
数既是位移的函数又是时间的函数，而且涵盖了流体力学、空气动力学及热力学等方面
的知识，计算十分困难[8]。随着科技的进步和计算机软、硬件的发展，计算机模拟仿真
技术越来越多的应用于工程实践中，对于由换气系统、增压系统、燃料供给系统、冷却
系统和气缸组成的整个发动机工作系统，可建立一维仿真模型。利用所建立的一维仿真
模型来研究换气系统各个零部件结构参数及匹配情况对气体流动的影响，并可进行配气
相位优化。一维模型中考虑了进排气系统的动态效应，比较符合内燃机的实际工况，且
计算速度快，能够在短时间内完成多参数优化。但分析中将进排气系统简化为一维的管
道，不能体现三维结构对发动机性能的影响。三维模型的计算域是实际的流域，能够比
较直观地看到流场内工质的状态，计算出一维模型不能得到的一些参数[9]。因此，换气
过程数值模拟的发展趋势就是将发动机工作过程一维仿真模型和进排气系统的三维流
动模型进行耦合，相互提供所需的数据，如一维计算为三维计算提供初始条件和边界条
件，三维计算为一维计算提供扫气效率和流量系数等参数，使这两种模型都正确合理。
国外从事柴油机缸内气流数值模拟方面的研究比较早，而且做的也比较充分完善。在上世纪八十年代初期，Sher就开始对回流扫气二冲程发动机的气体流动过程进行数值模拟[10]。在八十年代后期，B.Ahmadi-Befrui用FMCS程序计算了发火工况的扫气过程，指出只有确定正确的边界条件才能得出与实际一致的结果，然而只建立气缸本身的模
型，气口边界处的流场非常复杂，而且气流速度的大小和方向是不断变化的，因此很难
确定较准确的边界条件，也就无法得到正确的计算结果。P.H.Epstein首次将扫、排气
道（口）及气缸联系起来进行数值模拟，将整个换气系统为分成气道和气缸两部分，并
分别划分网格，利用KIVA-II程序对这两个区域分开处理，然后将两个程序耦合在一起，
两套网格交界面处的物理量互为“边界条件”。这种方法与分块法不同的是，在计算循
环的一次迭代中要扫过两个区域中的网格，而不是分开单独求解。
Nak Won Sung研究了进气口和排气口结构对6V-92二冲程柴油机缸内流体运动的影响，并将计算结果对比了实验测值，验证了模型的正确性。最后指出扫气角度促使缸内的涡流的产生，而排气口的形状对缸内气流的影响不大[11] 。
Chang Su使用AVL-FIRE软件建立了进排气系统包括扫气箱、气口、气缸、排气阀、气缸盖及排气管在内的完整的三维模型，并对换气过程进行数值计算，计算结果与试验测得的数据相吻合[12]。
Wladyslaw Mitianiec分析了二冲程发动机进排气系统和结构参数对扫气效率和扫气质量的影响，并对其进行优化，结果表明降低进排气口开口角度会使扫气效率降低[13] 。
Carlo Alberto Rinaldini利用多维数值分析软件KIVA-3v程序对二冲程高速柴油机的换气过程进行了计算分析，所需的边界条件由GT-Power仿真计算提供，对发动机进行改进设计，其理论计算和实际结果是一致的。可见，多维数值模型可以在发动机设计中得到有效应用，即提高了发动机的功率，又缩短了设计周期及费用[14]。
国内对二冲程发动机扫气过程的数值模拟研究起步较晚,但近几年来,这方面的研究发展十分迅速，也逐步缩小了同发达国家之间的差距。
吉林大学的郭文翠对二冲程自由活塞式E15柴油机的换气部分进行了设计改进。通过改变扫气口仰角、横截面圆周角，扫气道进口粗细等建立了七种改进方案模型，并导入CFD软件中进行分析。结果表明：扫气口具有合适的仰角，能够有效地扫除气缸盖顶部的废气，而且增强了缸内流场的湍流强度，促进燃油雾化和燃烧。扫气口的圆周平射角也会影响进气道的长度和结构造型，使进气道的流动阻力，造成进气流速方向和压力的变化[15]。
来海菊仿真模拟了二冲程汽油机扫气过程，研究结果表明，扫气口仰角对缸内气流方向甚至滚流方向都有影响。并描述了倒托工况下的二冲程汽油机扫气过程流场的形成和发展过程：扫气口打开缸内便形成对称的滚流，一直持续到上止点附近，滚流中心的位置随着活塞的运动不断发生变化[16]。
王广基在二冲程汽油机扫气过程的 CFD 模拟计算及试验文中用 CFD 软件对 IE40F小型汽油机的扫气过程进行模拟，研究了气口结构参数对扫气过程的影响，并与试验结果对比。结果显示，排气口下降，能够增大有效行程，且保证扫气口截面积，合理组织扫气过程，使发动机功率增大 25%，燃油秏降低 20%，比排放下降 45%[17]。
2011 年杜涛采用三维模拟方法对二冲程发动机扫气过程进行分析，将换气系统划分成进气道、燃烧室、气缸和排气道四区域，并单独划分网格，然后联接成一体，对四 对四个区域之间联接的面作为内部边界，边值条件通过试验给定，并对各计算区域分别赋值，具有较高的可信度；对决定扫气道形状的主要参数进行研究和优化，选取了一种能达到较好扫气效果的改进方案，通过试验验证表明，改进后功率提高了 18.5%，同时排放比原机排放降低了 31%[18]。
华中理工大学的杨文用 Simple 数值方法在稳流试验台上对进气道的流动情况进行了三维模拟计算[19]。
纵观二冲程发动机扫气过程数值模拟计算的发展，对于计算模型的精度要求越来越高：在选取计算区域时，若仅选气缸部分为研究对象，则不容易确定进出口边界条件，使计算结果不准确，不具备工程应用价值，而进气道和排气道处的进出口边界比较容易确定，因此应该将气缸与进气道、进气口、排气门（口）及排气道联接成一个系统来进行数值计算；另一方面又要考虑现有的计算机硬件条件的限制，将计算域仅限于缸内是的，若将整个换气系统作为计算区域，会使模型的网格数目急剧增加，计算也会变得繁琐。因此在选择研究对象时，应选择既便于测得边界条件又具有工程应用价值的区域[20]。1.2.2 对置气缸对置活塞二冲程柴油机的发展现状
近年来，OPOC 二冲程柴油机的研究逐渐增加。2005 年 Lixin Peng 等设计了应用于辅助动力装置的高速 OPOC 发动机模型，对 OPOC 发动机进行了一维工作过程仿真，
在转速为 10000rpm 的工况下对比在不同的进排气口高度下的发动机功率，其结果是优
化的进气口高度为 4-5mm，排气口高度在 4mm 的情况下得到最大功率。随后他们利用
star-cd 三维软件进行了三维扫气过程仿真同样得到不同进气口和排气口高度的扫气效率和留在气缸内的新鲜空气量，进过分析论证认为在一维仿真结果的基础上将进排气口高度都降低为 3mm 为最优化的方案。之后建立运动学模型并进行机构的有限元分析，
得到了不同组件的应力分析。最后通过试验样机进行了测试，证明在作为辅助动力装置
为卡车怠速行驶时提供电力的优势，并证明 OPOC 发动机能达到很高的扫气效率[21]。
Peter Hofbauer 等设计应用于卡车动力的 OPOC 发动机模型。首先利用一维仿真分析对 OPOC 发动机的增压系统进行了匹配，同样利用一维仿真分析对进排气正时和歧管尺寸进行了仿真对比，得到进气口高度为 19.4，排气口高度为 26.08 的优化方案。随后进行了扫气过程的三维仿真，设计了不同的进排气道方案，仿真结果显示了最优进排气道方案的扫气效率达到 85.6%，优于一维仿真的 80%，之后文章对三维燃烧过程进行了仿真，分析了不同燃油喷射方案对燃烧过程的影响，得到了优化的 3 孔喷油方案，最后通过对 OPOC 发动机的有限元分析和机构动力学分析，比较系统的研究了该发动机的工作过程，证明 OPOC 发动机在军事地面车辆应用上能提供更好的驾驶性能[22]。
James Kalkstein 等进一步对高速 OPOC 发动机的一维工作过程进行了仿真研究，分别在发动机转速为 8000、10000、12000rpm 的工况下进行仿真模拟，得到了不同气口高度下的发动机功率、EGR 含量、燃油量、平均有效压力等数据，随后又利用三维仿真工具进行扫气研究，得到了最优的进排气口高度，然后按照三维仿真结果修正一维仿真的扫气数据，进一步预测了 3 中不同转速下的发动机功率、扭矩、燃油消耗量、最大爆发压力、EGR 量等。文章同样进行了结构仿真分析得到了各部件的应力曲线。最后建立试验平台研究了 OPOC 的喷油器参数对发动机性能的影响[23]。
Michael Franke 等对 450 马力 OPOC 发动机的燃烧过程进行仿真研究，针对不同的喷孔数、喷油提前角、喷油规律、喷油量、涡流强度进行方案匹配设计，得到了不同方案的仿真数据，通过对比各方案的空气利用率、油滴-壁面接触、燃烧进程等结果得到最优的喷油设计方案，然后通过实验和仿真结果对比为性能提升提供方向。文章也对增压器进行了匹配研究，对扫气过程进行了研究，最后对一维工作过程仿真进行了优化。
证明在有限的实验数据条件下，CAE 工具能够合理的预测出 OPOC 原型机的性能[24]。
许汉君等针对 OPOC 发动机的混合气形成和燃烧过程进行了仿真模拟，分别设计了
进气口的涡流和滚流方案，仿真得到了缸内的涡流和滚流的速度矢量图，也得到了涡流
和滚流的变化曲线、湍流动能变化曲线、空气利用率曲线等，通过对比组织缸内的两种
流动，分析出两种不同流动对燃烧过程的影响和优缺点，预测了发动机的性能[25]。
陈文婷等对额定功率为 160kw、转速为 2500rpm 的 OPOC 发动机扫气过程作了仿真
研究，对仿真结果计算得到了该工况的扫气效率达到 94%，然后通过对缸内流动的分析
证明采用直流扫气方式可以有效提高高速二冲程发动机扫气质量[26]。
刘长振等利用 boost 软件进行 OPOC 发动机一维性能分析的方法做了研究，证明通过等效容积原理，以活塞运动规律曲线作为输入条件进行 OPOC 发动机的性能分析的方
法是可行的[27]。
章振宇等人对另一种 op 发动机的扫气过程进行了仿真研究，针对扫气过程中的扫
气口结构、气口高度、涡流的形成等对扫气质量的影响进行分析研究，仿真得到了缸内
扫气过程的扫气口流量变化曲线、扫气效率曲线、涡流比曲线等，并得到了缸内流动的
云图。通过对比，阐述不同扫气口高度和扫气口倾角对扫气的作用，得到最优的方案。
另一篇对 op 发动机在 2500rpm 时刻不同喷油规律的燃烧过程进行仿真研究，设计了矩形、梯形等不同的喷油方案，计算得到当量空燃比、湍流混合速率、放热率等结果，阐述了不同喷油规律的优缺点[28][29]。
裴玉姣通过建立 OPOC 发动机的一维模型，分别设计了进气口高度不同方案和排气
口高度不同的方案，对比不同工况下，扭矩、比油耗等随气口高度改变而产生的变化。
在确定了气口高度方案后，又设计了不同气口位置的仿真方案，并进行了配气相位的正
交仿真试验，得到了气口高度和气口相位相配合的最优方案。最后通过三维扫气仿真研
究了气口结构对扫气过程的影响[30]。
刘军萍对 OPOC 发动机的燃烧过程进行了仿真分析，对比了不同喷孔角度方案对扫燃烧过程的影响，并确定了优化的喷油角度方案[31]。
赵晓辉对不同喷油提前角的燃烧方案进行了对比研究，确定了喷油提前角的优化方案[32]。
夏孝朗以 EcoMotors 公司的 EM100 发动机作为研究对象，搭建了实验和仿真平台，
建立基于 OPOC 性能目标的增压器数学模型，通过开发的增压器优化匹配软件优化得到
最佳的增压器匹配方案；按照选定的增压器模型和发动机数学模型进行了一维仿真，进
行了进排气口高度设计优化；根据实验数据仿真负荷特性曲线和外特性曲线上工况点的
扫气质量，对比结果得到改善扫气效率的方案；三维燃烧过程的仿真对比了不同喷油角
度和喷油提前角对燃烧性能的影响[33]。
此外，张文春、徐元利等很多研究者都对对置活塞式的发动机进行了相关的研究，
促进了 OPOC 发动机的技术发展[34][35][36]。

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２．设计方案：
2.1 拟采用研究方法
基于双对置二冲程柴油机直流扫气过程流动特点,建立该发动机扫气过程瞬态流动三维计算流体动力学(CFD)仿真模型,应用AVL FIRE软件对该发动机额定工况(功率160kW,转速2500 r/min)下的扫气过程进行仿真研究,进行扫气过程不同时刻流场分析。
2.2研究具体步骤
① 了解双对置活塞（opoc）发动机的结构特点，并与传统二冲程发动机进行比较；
② 对双对置结构布置形式的发动机进行运动和受力分析,推出其运动和受力公式；
③ 设计曲柄连杆机构,活塞、连杆、曲轴以及它们的连接件；
④ 根据各结构基本尺寸的相互关系,参考传统往复式柴油机的结构设计准则,设计曲柄连杆机构,活塞、连杆、曲轴以及它们的连接件均满足实际的装配和运动要求；
⑤ 利用pro/e建立与实际相符的三维实体模型；
⑥ 利用AVL FIRE软件对该发动机的扫气过程进行仿真研究；
⑦ 分析仿真结果；
2.3 进度安排
（1）3月09日～3月20日 调研、文献检索、制定技术方案
（2）3月20日～3月28日 撰写开题报告
（3）3月29日～4月08日 　双对置结构布置形式的发动机进行运动和受力分析；
设计曲柄连杆机构,活塞、连杆、曲轴以及它们的连接件； 建立曲柄连杆机构三维实体动力学模型，进行动力学仿真分析；
(4) 4月09日～5月20日 利用CF利用CFD软件对扫气过程进行仿真研究；
(5) 5月21日～6月10日 撰写毕业设计说明书；
(6) 6月11日 准备和进行毕业设计答辩；

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指导教师意见：

指导教师：
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