某柴油机进气歧管的优化设计开题报告
2020-04-09 03:04
1. 研究目的与意义（文献综述）
一、选题的依据。目的和意义
随着我国各行业的快速进步，对柴油机的需求越来越大，无论是道路用车，还是非道路用车，都对柴油车有很大的需求。中汽协产销快讯数据显示：2017年国内销售汽车用柴油机3575201台，同比增长23.98%。柴油机相对于汽油机有着一些显著的优点，比如油耗低，可靠性高等。但是，柴油机目前仍然存在噪声大，制造成本高，污染大且难以处理等等问题，限制了柴油机的未来发展[1]。而柴油机的进气歧管作为柴油机的关键部件，承担了向各个气缸输送新鲜空气的任务，进气歧管的性能好坏决定了柴油机的充气效率和换气损失，进而影响到了柴油机的动力性、经济性和排放性能[2-5]。因此，完成柴油机的优化设计对于柴油机的普及，节能减排等方面都具有重要的意义。而作为关键部件，进气歧管的优化必不可少[6,7]。
二、国内外研究现状及发展趋势
对于进气歧管的优化设计主要从三个方面进行，包括进气歧管的结构优化，例如歧管的长度等参数，然后是流场方面的优化，减少进气损失，最后是温度场的优化。关于进气歧管的模拟计算中，国内外已经开发出一维和三维流动模型，以计算流场和温度场[8-10]。
（1）进气歧管结构。进气歧管可分为增压式进气歧管和自然吸气式进气歧管[5]。进气歧管的长度，管径，弯曲半径是进气歧管的重要参数，传统进气歧管使用的是固定参数，是在各个工况下的折中考虑。但是这种方式只能让发动机在某一工况下获得最好的效率，无法同时兼顾低转速与高转速、低负荷和高负荷等工况[11,12]。随着各项法规越来越严格，要求发动机进气歧管的各项参数能够随着发动机工况的改变个改变。吉利汽车研究院王超等在报告《进气歧管结构对发动机性能的影响》中指出，使用可变进气歧管可以使得在一特定转速下，进气歧管产生大幅度压力波，从而增加进气量[5]，在由于技术条件的限制，现在能够较为容易实现的是进气歧管长度的改变。
（2）随着CFD（计算流体力学）的越来越成熟，如陈亮等在《某柴油机进气歧管优化设计分析》报告中对于进气歧管流场的优化设计，即是主要利用CFD/CAD同时结合实验的技术[13-15]，计算得到各缸的质量流量、流量系数及流量系数差异性,通过压力分布图找出压力损失部位，对其进行优化；优化方案模型经分析，其结果满足评价标准[18]。而黄英铭在论文《进气歧管气道流场分析及优化》中的方法是首先通过三维建模软件建立进气歧管内部结构三维模型，然后导入前处理软件中进行网格划分，获得产生损失的地方进行改进[13][16，17]。现在常用的三维CFD仿真软件STAR CCM 从微观上展现进气歧管内部流场分布，并以此为基础指导进气歧管气道结构优化[18-20]。
（3）温度场的优化一般是在台架试验的基础上采用数值模拟技术研究试验发动机各缸排温差异的影响因素 , 并对试验发动机的排气歧管结构进行了优化 , 最后总结出符合工程实际需要的排气歧管优化策略 [21,22]。由于进气歧管有进气冷却，温度较低，在本设计中不予考虑。
进气歧管设计的合理与否会影响到发动机的充气效率和换气损失，进而影响到发动机的动力性和经济性。良好的进气歧管使进入各气缸的空气更加均匀，同时，还能满足当前发动机乃至汽车的发展需求[23].
2. 研究的基本内容与方案
三、本课题研究内容和技术方案
从上面可以看出，针对进气歧管的材料，为了满足轻量化的要求，在目前条件下，使用复合塑料或者镁合金即可。对于进气歧管结构，由于目前大多数发动机是增压发动机，过长的进气道会增大进气损失，因此采用固定结构进气歧管即可。对于发动机进气歧管的优化设计，最主要的对近期歧管的长度，管径，弯曲半径等参数进行确定，对进气歧管内的流场进行模拟和计算，获得损失产生的原因，并通过设计减少损失，并尽可能使得各个气缸进气均匀[22,23]。初步设计的研究内容和技术方案如下：
初步建立发动机进气歧管的仿真模型。
设置进气歧管的边界条件和求解器参数。
对进气歧管模型进行分析，模拟得出各支管流量和流量因素以及压力分布图，获得模拟结果。
从模拟结果中获得压力损失信息。
基于压力损失信息，对进气歧管的结构进行优化设计。
模拟计算后的进气歧管各支管流量和流量因素以及压力分布图，分析验证设计是否合理并且满足要求。
分析是否可以进一步改进或者还需要什么外部条件。
撰写报告。
流程图如下图所示：
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3. 研究计划与安排
| 周次 | 工作内容 |
| 1-2周 | 查阅文献，整理资料，确定思路，撰写开题报告 |
| 3-4周 | 撰写文献检索摘要，确定翻译文献 |
| 5周 | 翻译外文文献，提交翻译结果 |
| 6-7周 | 建立仿真模型，获得模拟结果 |
| 8-9周 | 确定改进方案，绘制图纸 |
| 10周 | 撰写设计报告 |
| 11周 | 通过老师的意见，对设计进行修改 |
| 12周 | 提交所有材料 |
| 13-14周 | 准备答辩材料，整理答辩材料 |
| 15周 | 参加毕业答辩 |
4. 参考文献（12篇以上）
五、参考文献
[1] 钱多德，杨跃滨，钱叶剑，曹文霞，钱德猛。多缸柴油机进气歧管的仿真计算和实践研究[J].合肥：合肥工业大学学报（自然科学版），第37卷第8期，2014
[2] 叶明辉，黄露，帅石金，王志，王建昕。基于一维、三维及耦合模型的汽油机进气系统优化[J].北京：清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室，第3期，2007
[3] 许元默，帅石金，王建昕。进气歧管对电喷汽油机充气效率的影响[J].北京：清华大学，第25卷第1期，2004
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[7] 张小燕，詹樟松。发动机可变长度进气歧管系统的优化设计研究[J],重庆：内燃机，第1期，2007
[8] 李军，饶均，田延庆，张世艺。发动机进气歧管稳压腔结构优化[J].重庆：计算机仿真，第33卷第08期，2016
[9] 张雪林，阮仁宇，许涛。可变进气歧管优化设计[J].合肥：安徽江淮汽车股份有限公司，2013.01.005
[10] 孙辉国。基于进气歧管和配气机构的发动机性能优化[D].广州：华南理工大学，2012
[11] 朱茂强，钟翔波。小排量汽油机进气歧管 CFD优化设计与试验[J].上海：汽车工程师，2011
[12] 张福祥。矿用防爆柴油机进气歧管的优化设计[J].太原：煤矿机电，2016年第5期
[13] 陈亮，张超，王宏大，马勇，邹凯。某柴油机进气歧管优化设计分析[J].合肥：交通工程技术，2015 年第 8 期（总第 42 卷）
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[20] 李湘华，张小姣。柴油机排气歧管流场分析与结构优化[J].玉林：柴油机，第 28 卷第 4 期，2006
[21] 陈征，张波，尧命发，张雷，曾德林。基于数值模拟的排气歧管优化策略[J].天津，玉林：内燃机工程，第30卷第3期，2009
[22] Soonseong Hong, Byungkeun Oh and Yongtae Kim。Optimization of Intake Manifold Design using DFSS (Design for Six Sigma)[J].GM Daewoo Auto amp; Technology Co,2007
[23] Devananda B Pai, Hari Shankar Singh and P V Fayaz Muhammed。Simulation Based Approach for Optimization of Intake Manifold[J].Maruti Suzuki India Limited, India，2011
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