毕业设计(论文)-发动机缸盖的改进设计

各专业完整优秀毕业论文设计图纸

摘 要

本文通过使用先进的计算机辅助设计手段，对奥迪发动机缸盖进行改进设计，目的是改进该发动机的使用性能。其中主要内容是对奥迪发动机缸盖局部进行改型，将原来的扁球形燃烧室改成楔形燃烧室，其进排气道形状也随燃烧室的改变而相应改变。

另外，经过现场测绘，熟悉了解奥迪发动机缸盖的生产加工工艺及受力特点，利用AUTOCAD软件绘制的奥迪发动机缸盖的二维工程图，通过UG软件对改进设计后的奥迪发动机缸盖的局部改进区域建立实体模型，并提出一些关于复杂实体建模的观点，然后对改进后的进气道用UG的PRT文件通过转换成IGS文件，导入Gambit软件，并用Gambit软件进行网格划分，最后将Gambit的MSH文件导入Fluent软件，用Fluent软件对改进前后进气道内气体的流速进行CFD仿真模拟,并进行比较。

关键词：发动机缸盖，UG建模 ，网格划分 , CFD

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上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计

Improved Design for the Head of Audi Engine

ABSTRACT

Improved design for the head of audi engine is conducted , with the semispherical combustion chamber changed to combustion chamber of wedge form , and the figure of the intake duct and the exhaust duct are also changed with the combustion chamber , by means of the advanced CAD techniques , in order to get better performance of the whole machine.

2D drafting is drawn by AutoCAD after mapping on site , and 3D model is established by UG. At the same time, some view points about modeling are brought up. Change the PRT file of improved intake duct to the IGS file , lead to Gambit , and make it plot the grid. Finally , changed the MSH file of Gambit lead to Fluent , and use the CFD method analyze the velocity of the air in improved and original intake duct , compare with each other.

Key words: cylinder head, UG modeling, plot the grid, CFD

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奥迪发动机缸盖的改进设计

施佳伟 061103108

0 引言

气缸盖是用来密封发动机机体缸孔的重要部件，与缸套共同形成燃烧室，气缸盖上有很多孔道，分别是水道，承担分配各缸冷却水的分布冷却；油道，是润滑发动机上部零部件的主要通道；气道，分别是进气道和排气道。

缸盖是汽车发动机的重要零部件之一，形状十分复杂，它还作为燃烧室的一部分承受着很高的热负荷与机械负荷，其中的冷却水腔与进排气道内分别有液体与气体的流动与传热。随着发动机强化程度与性能的提高，对缸盖也提出更高的设计要求，因此，必须研究应用现代设计方法进一步提高其设计质量。

缸盖设计是发动机设计的重要组成部分，其设计方法已由传统的经验设计发展为计算机辅助设计，设计方式已由二维绘图发展为三维造型设计，分析手段已由简单的测试分析发展到各种具备较高精度的数值模拟计算。近年来，国外除了进行较多的实际测试研究外，还发表了较多的关于缸盖设计计算的研究文献，表明了这一研究领域受到重视的程度。目前，研究的重点主要集中在缸盖的三维造型设计，流动模拟计算与有限元分

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析，以及冷却水腔的优化设计等方面。

有限元分析已是应用广泛且较为成熟的现代设计方法之一，但应用于发动机缸盖这类零部件分析温度场、应力和应变分布时，由于不规则的且与传热相关的边界条件难以精确给出，因而仍难达到较高的精度与实用化的程度。真正解决问题的途径是从整体与系统的观点出发，实现综合性的数值模拟计算（包括冷却水腔内的流场与温度场，气道内的流场与温度场、缸盖温度场、应力与应变分布等）以反映多种因素的相互影响与相互作用，而其中的关键技术主要在于实现较高精度的流动与传热数值模拟，精确描述复杂的几何形状与准确确定复杂的边界条件。

1总体设计

1.1 发动机缸盖的工况及设计要求

气缸盖的作用是密封气缸，并与活塞共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气的作用。为保证气缸盖与气缸套之间的密封，气缸盖还要受到很大的螺栓预紧力（一般为爆发压力的3～4倍）；气缸盖各部分温度很不均匀，如缸盖底面燃烧室部分（称为火力面）温度最高，而冷却水套部分温度较低，进气道和排气道温度也不相同，因此，气缸盖的机械应力和热应力很大。气缸盖应当满足下列要求：

1）气缸盖应具有足够的强度和刚度，工作时缸盖变形最小并保证与气缸的接合面和气门座的接合面有良好的密封。缸盖变形过大会加速气门座磨损、气门杆咬死和气缸密封遭到破坏，造成严重漏气、漏水和漏油，使柴油机无法工作。

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2）要根据混合气形成和燃烧方式布置出合理的燃烧室形式，气门和气道布置合理，力求使内燃机性能良好。

3）结构力求简单、铸造工艺良好；冷却合适，缸盖温度场分布均匀，尽可能减小热应力，避免气门座之间形成裂纹。

1.2 发动机缸盖材料选择

根据工作条件，气缸盖应该用抗热疲劳性能好的材料铸造。材料的导热性愈好，膨胀系数愈小，高温疲劳强度愈高，愈能承受热负荷的反复作用。气缸盖中热应力很大。当变形受到时，各种材料中产生热应力的大小可以用热应力特性数

E表示，其中为材料的线膨胀系数，E为弹性模数，为导热系数。为了比较材料的热强度，用材料的拉伸极限强度

EE相比而得到热强度系数。特性数愈小，热应力愈小，热强度系数B愈大，热强度也愈大。如图1.1所示，铸铁、铝合金和钢三种材E/与

料的热强度系数对温度的变化曲线。由图可知，当温度低于250℃时，铝合金具有相当高的热强度，当温度在 300℃左右时，铸铁、铝合金和钢的热强度系数差不多。当温度高于300℃时，铸铁和钢的热强度比较好。当温度达到400℃时，铸铁的热强度也迅速下降。因此铸铁气缸盖的工作温度不应超过375～400℃，铝合金气缸盖的工作温度不应超过220℃。汽油机常用铝合金铸铁制造气缸盖。本次论文文涉及的奥迪发动机缸盖使用的材料就是铝合金。

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图1.1 气缸盖材料热强度系数

1.3 发动机缸盖结构形式选择

水冷式汽油机的气缸盖有整体式、分块式和单体式三种。当缸径

D105mm时，一般多用整体式气缸盖，它的零件数少，结构紧凑，制造

成本较低。如果选用单体式气缸盖在结构上就比较困难，因为各部分壁厚与泥芯截面尺寸受到造型和浇铸条件的而不能按缸径比例缩小，这样就不能在保证有适当的壁厚和泥芯尺寸的条件下得到既有足够的气道面积又有先进的气缸中心距。当D140mm时，一般都用单体式（一缸一盖）气缸盖。这样可以使铸造废品下降，尤其可以供给同一系列而缸数不同的机型通用，便于组织系列化的批量生产，降低制造成本，且使维修方便。当125D140mm时，采用单体、整体和分块（每两缸或三缸一盖）或者兼而有之，视各厂传统习惯和其它条件而定。D105mm左右是采用分块式气缸盖的下限值；D125mm左右是采用单体式气缸盖的下限值；但在产品品种比较单一且产量很大时，由于铸造技术设备比较完善，加工生产

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线负荷率较高，即使缸径较大，还是以整体式气缸盖比较经济。本次设计缸径为80mm，所以采用整体式缸盖。

1.4 发动机缸盖燃烧室的布置

燃烧室形状是决定燃烧速度，防止不正常燃烧的主要因素，各种改

善燃烧的措施也大多需要在燃烧室中实施。燃烧室设计是决定汽油机性能的重要一环，因此，对燃烧室要求是多样的，既要其动力性、经济性好，也要工作轻声平稳，排气污染小，同时还希望结构简单，制造方便。 此次设计尝试把原来的扁球型燃烧室，改成楔型燃烧室如图1.2所示。

图1.2a改进后的楔型燃烧室

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图1.2b改进后的楔型燃烧室

楔型燃烧室结构教紧凑，火焰传播距离较短；要求一定的挤气面积，并且末端混合气冷却作用较强，故压缩比可达9.5~10.5；气门倾斜布置，气门直径较大，气道转弯小，所以冲气性能较好。这种燃烧室有较高的经济性、动力性。

火花塞在楔形高处，对着进排气门之间，利于用新气扫除火花塞附近的废气，低速、低负荷性能稳定。但也使初期燃烧速度大，p/较高，工作粗暴，NOx排出量较高。由于挤气面积内的熄火现象，废气中HC的含量较多，故需控制挤气面积。由于楔型燃烧室进、排气门只能单行排列，采用多气门机构困难，此次的奥迪发动机为两气门单行排列，所以改进后不影响气门布置。

1.5 发动机缸盖的进排气道布置

进排气道的设计对内燃机性能有很大的影响，进气道影响进气阻力和

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充气效率，排气道影响排气阻力和废气能量的利用（如废气涡轮增压）。为了气门驱动方便，当采用两气门（一进一排）时，一般都将气门中心线的连接线放在平行曲轴轴线的方向。这时，气道可以有四种布置方案，如图1.3所示。方案a气道最短，气流阻力最小，但只适用于单缸。这种方案若用在多缸机上时，气道无法从两缸之间引出。方案b 也只能用于单缸或双缸。在两缸以上的内燃机中，方案c、d 应用最广。对于这款奥迪汽油机，为了使发动机设计紧凑，以提高充气系数，采用将进排气通道布置在气缸同侧的第三方案，将火花塞布置在另一侧。

图1.3 气道布置方案

1.6 发动机缸盖螺栓布置

气缸盖螺栓是气缸盖与气缸体之间的联接件，它的位置和数量对于气缸盖和气缸体的受力情况、气缸盖与机体之间接合面密封的可靠程度、以及气缸套的变形大小都有很大的影响。

首先，螺栓数目要足够，以保证压紧均匀，减小局部变形，密封可靠。增加螺栓数目，每个螺栓直径可以相应减小，相对于气缸盖的柔性变大，故能减小螺栓上载荷的交变分量，因而相应地可降低预紧力，同时两螺栓间的距离减小，对气缸垫片的压紧力更加均匀，减少了冲垫漏气的可能性。但是，螺栓的布置又受到气道、推杆孔、水孔和气缸中心距等具体结构的

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，所以螺栓数目也不能随意增多。这个奥迪发动机为四缸一盖的整体式缸盖，在每缸周围使用了4个螺栓，总计10个。

其次，螺栓的布置应尽量相对于气缸中心线均匀分布，否则可能由于气缸受力不均引起局部变形，各螺栓中心连线最好沿气缸周边切线布置，以增加密封能力；各螺栓所分摊的压紧面积要基本相同，以保证压力均匀。

再有，气缸盖螺栓的预紧力要足够，以保证必要的密封压力，防止长期工作后发生松弛。但预紧力过大会使机体、气缸盖过度变形，反而损坏密封。经验证明，当每缸周围所有螺栓的总预紧力等于作用在一缸气缸盖上最大气压力的 3 倍以上时，密封的可靠性才能得到较好的保证。气缸盖螺栓受力很大，一般都用优质中碳钢 45 或合金钢 40Cr 等制造，并经调质处理。本次奥迪发动机缸盖使用的是M12螺栓，根据厂方试验得出的结论，预紧力矩为40Nm。

2 发动机缸盖的实体建模

本次毕业设计的奥迪发动机缸盖实物由上海工程技术大学提供，一些基本的数据是由校方提供，其余的尺寸数据经过现场的实测后，利用Auto CAD软件绘制出二维工程图。在此基础上，使用CAD软件将平面图转化为三维的立体数字模型。 2.1 CAD技术与平台构建

CAD（computer aided design）技术是随着计算机及外围设备和软件的迅速发展而形成的一门新兴技术，它通过交互式图形显示，实时构造、编辑、变换及修改并存储各类几何及拓扑信息，利用相关应用程序进行过

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程计算分析，并对设计结果进行模拟、优化、利用图形处理和动画技术对模型进行仿真，最后自动绘图并输出图纸、数据、设计原型等各种形式的设计结果；它是一种利用计算机辅助设计快速、高质、方便、低成本完成产品设计任务的现代设计技术。

本次建模工作使用的是基于Windows平台，由美国EDS公司开发的Unigraphics（简称UG）软件，它是一款集CAD/CAM/CAE于一体的高端专业软件，它的功能覆盖整个产品开发过程：从概念设计、功能工程、功能分析到制造，广泛运用于航空航天、汽车、机械和模具等工业领域。其用户界面友好，使用方便，具有良好的扩充性和移植性。 2.2 参数化造型

所谓参数化是指在设计特征、零件和装配件时基于决定设计物理形状的参数造型技术。修改某一个参数值就能改变相应的特征和所有参考该特征的特征。参数化技术已不仅仅包括三维实体造型、装配模拟、加工仿真、NC自动编程、有限元分析等常规的功能特征，同时还有模具设计、板金设计等专有特征，实现了面向制造的设计、面向装配的设计、逆向工程、并行工程等先进的设计方法和模式。其中单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。

利用参数化概念开发出来的产品，能将设计到生产的全过程集成在一起，让所有用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。其特点表现在：

1) 真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关的地方； 2) 具有真正的管理并发进程、实现并行工程的能力；

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3) 具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图； 4) 容易使用，可以极大地提高设计效率。 2.3 气缸盖建模方案

气缸盖是一个非常复杂的零件，它不仅承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷。所以，就其结构方面来说，是极其复杂繁琐的。从数字建模的角度来看，气缸盖含有许多特征，这些特征有的是关联的，有的是不相干的；有的是对称的，有的又是有差异的。如何运用计算机CAD软件的优势，把这些看似零乱但又含有一定规律的特征，用计算机的数字语言来表达出来，的确是一件庞大而又需要耐心的工程。

在这些错综复杂的特征中，要想一五一十的去表达每一个特征，需要的不仅仅是扎实的建模功底和良好的建模技巧，一个优秀的建模思路能够令整个建模过程事半功倍。要准确表达气缸盖这样一个复杂的模型，关键在于处理每个特征间的关系，确定各特征是否相关，复杂问题怎样分解成若干简单小问题，这些思考将贯彻整个气缸盖的建模过程。

本次设计的气缸盖建模主要是对发动机的局部区域进行建模，主要是对燃烧室、进排气管等，本次论文研究的部分进行建模，对于发动机缸盖上部的凸轮轴架等本次论文不做重点研究，所以也不进行建模。 2.3.1 气缸盖主体

气缸盖主体的建模使用AutoCAD格式导入曲线，进行拉升的方法，如图2.1所示。本次研究的奥迪发动机缸盖的四个汽缸，左右两两对称，所以我在建模时，只进行其中一半的缸盖建模，另一半与之相同。由于在建模

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之前已经完成了二维图纸的工作，因此在进行三维建模时可以通过导入AutoCAD格式的二维图纸来减少在UG软件中的草图工作量。但在导入过程中容易发生类似丢失线条的问题。经过实践，发现如果在导入时按照以下步骤进行，则一般都可以顺利导入。

图2.1通过AUTOCAD导入后的拉升建模

要将AutoCAD格式的图纸导入UG可按以下步骤：

1）将图纸修改，留下所要导入的线。并将基点移动到靠近零点处,如图2.2所示。

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图2.2将导入的线的基点移动到靠近零点处

2）将所有的线条全部放到1层上。并保存为DXF文件格式。 3）用UG自带的转换器将DXF格式转成PRT格式。 4）在UG软件中打开转好的PRT文件即可。

首先，在导入的过程中应当注意：在建模之前就应该把零件的几何要素考虑周全，一次性地将所有需要导入的二维图纸一并导入，否则当零件建模工作进行到一半时，再需要导入二维图纸中的其它几何信息，将很难保证前后分别导入的内容在UG软件中的定位。

其次，是否一定得使用AutoCAD格式导入文件，这得看具体情况具体分析。如果草图牵涉的几何要素确实很多，那么可以通过这种方式来导入所需的几何要素，但是必须注意到：当使用AutoCAD格式导入几何要素后，这些要素之间没有任何约束，包括尺寸约束和几何约束，所以为了保持整个建模过程的参数化，需要重新对引入的几何特征进行约束。因此，在导

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入前应该对导入后的工作量进行评估，考虑是否通过直接绘制草图更加方便、高效，然后再确定绘制草图的方案，或者可以通过先期使用AutoCAD格式导入与后期进行手动绘制和修改相结合的方法去实现。

另外，从AutoCAD格式导入的曲线，倒圆角之类的特征都已经被包含在其中。因此，直接从导入的曲线拉伸后所得到的实体已经为倒好圆角之后的实体。这样看似方便，却会为以后的操作带来很大的隐患。首先这样的圆角不是利用特征建模建立出来，虽然是参数化的，但不利于修改，即若要修改也得进入草图后，这样就比较麻烦了。其次，拉伸后的实体往往还需要进行拔模斜度的处理或者进行其它相关倒圆的操作。拉伸出包含圆角的实体因为面比较为复杂而很难完成这类后续的操作。因此，利用导入的曲线所作的草图还需要进行修改，即将二维图纸中已有的圆角去除，变为直线，然后再进行相关的操作。

在使用UG的转换器将DXF文件转成PRT文件时有一个地方要特别注意，因为此时UG默认的单位是英寸，而我们通常在AUTOCAD使用的单位是毫米，所以如果不做设置，将来转成的PRT文件里的单位将变成英寸，导致尺寸错误。所以我们转换时要将Edit里的settings进行设置将Inches改成Millimeters,如图2.3所示。

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图2.3a文件转换器的设置

图2.3b文件转换器的设置

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2.3.2 燃烧室

采用的是画草图，对其进行拉生，再进行倒角、倒边处理成型的方法，如图2.4所示。

图2.4a画草图

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图2.4b对草图进行拉升

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图2.4c倒角、倒边的处理

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2.3.3 进排气道

采用做多个定位的基准面，在基准面上画草图，加扫描成型的方式，

如图2.5所示。

图2.5a做多个定位的基准面，在基准面上画草图

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图2.5b扫描成型

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2.3.4 最后成型

使用主体，燃烧室、进排气道，和其他的一些部件，做布尔运算获得,如图所示2.6。

图2.6a最后成型的建模

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图2.6b最后成型的建模

2.4 发动机缸盖UG建模的总结 2.4.1复杂形状实体的建模总结

对于气缸盖本身来说就是一个很复杂的零件，那么通过CAD软件把它转化为数字模型必定也是件不简单的事情。开始三维建模时，便感到满头雾水、没有头绪。根据本次建模的体会，本文认为较好的办法是先对所要建的实体仔细地进行观察。认真地将模型分解成易于建模的几部分，然后再逐个进行，再用布尔运算命令将其合并，最后再进行类似打孔、导园角等的操作来完成整个实体。

其中的关键就是如何很好的将模型分解，在心中形成清晰有序地建模方案。根据自己的体会，总结出以下一些原则：在同一轴线上的可划分在

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一起；可大体利用相同命令完成的可划分在一起；使用同一基准面的可划分在一起。这些原则需要模型的具体情况灵活运用，不必拘泥。对于一个零部件可能有好几种不同的划分方法，如何得出其中的最优方案，还需要依靠多多的实践。关于本次建模的划分方案，可以参照前文关于建模方案的叙述。

2.4.2 修改已建立的实体模型的总结

产品的设计需要修改的可能性很大，不可能一次便设计成型。对于气缸盖来说，其不仅仅是具有相当复杂的外形，而且其内腔更是包含了相当多的曲面。所以，建模的过程绝对不会非常顺利的。那么，由此就会产生大量的修改工作，导致建模工作反反复复。对于一个优秀的设计人员来说，当然不应该只拘泥于正向的建模，能够从一个有问题的模型中去找出问题之所在，并巧妙的去解决它，才算是能称得上合格。在刚刚开始学习UG 的时候，也许已经不知不觉地养成了一个不良的习惯，就是对于一些不想要的特征或者是不符合某些要求的特征，会很随便的将其删除，然后再重新建立真正所需的正确的特征。当然，这种作法并不完全错，可是，对于一个庞大的模型，是不会因为几十部前的一个小错误而将它们轻易的删去。既然这样，应该学会如何去修改已完成的模型，并且在建模的过程中将可能会进行修改这一因素考虑进去。当然，前面所提到的建模思路也是其中的一个重要的方面。对于气缸盖复杂的零部件而言，如果建模方案不佳，很有可能造成实体的相互关系混乱、难于修改的情况。很可能因为思维上的一个小小的忽略，从而导致其它很多的特征都需要重新操作，甚至接近全盘推翻。通过本次对气缸盖建模的实践，本文认为要让一个零部件

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具有良好的可修改性，则该实体模型需要具有以下的要求：

1）模型的建模思路要明确。建模操作的顺序要符合实际情况，即按照由大到小、由粗到细的顺序来建立。即先建立基本实体，其它类似打孔、倒圆角之类的操作放到最后才进行。

2）模型要尽量的保持参数化。非参数化的模型修改起来相当的费力，且其他相关的零部件不可一并修改。因此如何将模型保持尽量多的参数化是模型能否有良好可修改性的关键之一。模型要尽量多的使用参数化，对于一个模型而言，只能有一个基本体素（圆柱体、立方体、锥体、球体），要尽量多的使用草图以及特征操作，这样所建立的实体基本上是全参数化的。

3）在保证参数化的前提下，要尽可能的使用较少的特征，比如倒圆半径相同的特征可以使用一个命令完成，最好不要分开进行，因为不必要的特征的增加会使得将来的修改变得繁琐与不变，模型的更新速度也会大大减慢。

3改进前后气缸盖进气道CFD的仿真模拟的比较

3.1 什么是CFD

CFD是computational fluid dynamics的缩写，中文叫计算流体力学，它是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指

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导作用。

随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动理论的商用CFD软件。商用CFD软件使许多不擅长CFD的其它专业研究人员能够轻松地进行流动数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界（初值）条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地发挥了商用CFD软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工程问题开辟了道路。 使用CFD，你首先得建立你想研究的系统或装置的计算模型；然后将流体流动的物理特性应用到虚拟的计算模型，CFD软件将输出你想要的流体动力性质。

使用CFD的优点：

1）通常的系统是很难模型化的，而CFD的分析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象，因为CFD对你的设计有很强的理解和可视能力。

2）CFD能够快速的给出你想要的结果，一旦你给定你的问题的参量；这样你才有可能在很短的时间内调整你设计的问题的参数，得到最好的优化结果。

3）采用CFD是一种十分经济的做法。由于它的开发周期短，因此能节省大量的人力物力，使产品能更快的进入市场。

目前比较好的CFD软件有：Fluent、CFX、Phoenics、Star-CD，除了Fluent是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品 。本次论文使用的就是Fluent。 3.2 Fluent简介

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件，在美国的市场占有率为60%。举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具

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有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析 、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。

Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。 3.3 网格的划分

在用Fluent进行求解前，必须使用专用的CFD前置处理器来建立几何形状及生成网格，FLUENT系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格。 3.3.1 gambit简介

GAMBIT是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（CFD）模型和其它科学应用而设计的一个软件包。GAMBIT通过它的用户界面（GUI）来接受用户的输入。GAMBIT GUI简单而又直接的做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤，然而这对很多的模型应用已是足够了。

在面向CFD分析的高质量的前处理器，其主要功能包括几何建模和网格生成。由于GAMBIT本身所具有的强大功能，以及快速的更新，在目前所有的CFD前处理软件中，GAMBIT稳居上游。 GAMBIT软件具有以下特点：

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1）ACIS内核基础上的全面三维几何建模能力，通过多种方式直接建立点、线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力，ACIS内核已提高为ACIS R12。该功能大大领先于其它CAE软件的前处理器

2）可对自动生成的Journal文件进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网格

3）可以导入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数CAD/CAE软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证GAMBIT与CAD软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量

4）新增PRO/E、CATIA等直接接口， 使得导入过程更加直接和方便 5）强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度

6）G/TURBO模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网格

7）强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格。GAMBIT中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格

8）先进的六面体核心(HEXCORE)技术是GAMBIT所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网格的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量

9）居于行业领先地位的尺寸函数（Size function）功能可使用户能自主控制网格的生成过程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更加合理，最大限度地满足CFD分析的需要

10）GAMBIT可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何区

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域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格

11）新版本中增加了新的附面层网格生成器，可以方便地生成高质量的附面层网格

12）可为FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS等解算器生成和导出所需要的网格和格式

3.3.2进气管的网格划分

这次Gambit里面的建模，由UG导入。主要步骤是：

1）在UG的草图里画出改进后的进气道的纵向形状，如图3.1所示。注意，图必须画在x-y平面内，否则Gambit无法打开。

图3.1在UG的草图里画出改进后的进气道的纵向形状

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2）将PRT文件保存为IGS文件。

3）将IGS文件导入Gambit里面，如图3.2所示

图3.2文件导入Gambit

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4）将4条边建立为一个面

5）将4条边进行网格的划分，其中一条弯边的网格对应于其对面那条弯边的网格，如图3.3所示

图3.3将边进行网格的划分

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6）对面进行网格划分，如图3.4所示

图3.4对面进行网格划分

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7）将解算器改为FLUENT5/6,对4条边进行边界定义，其中进气口的边类型定义为PRESSURE_INLET,出气口的边类型定义为PRESSURE_OUTLET,其余两边类型定义为WALL。如图3.5所示

图3.5边界定义

8）将文件以MSH格式导出。 3.4 进气道的CFD仿真模拟

1）打开Fluent，导入MSH文件，并进行Check。 2）将长度单位Units定义成毫米(mm)，如图3.6所示

图3.6定义长度单位

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3) 定义Viscous。

4) 定义Boundary Conditions，由于收各种因素影响，边界条件始终在改变，本次研究用最通常的状况统一假设，进气口假设为1个大气压，即101300帕，出气口定义为0.85个大气压，即86105帕。 5) 设定Solve中的Initialize、Monitor

6) 求残渣系数Iterate,其中叠代次数分别输入1000、100、1，如图3.7所示。

图3.7叠代次数的设置

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8）求残渣系数Iterate，结果为收敛，如图3.8所示，说明仿真模拟精确度有保证。

图3.8残渣系数Iterate

9）在Display中显示所需结果。

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3.5改进前后气缸盖进气道CFD的仿真模拟的比较 3.5.1改进前后网格划分的比较

改进前网格的划分和改进后网格的划分，如图3.9所示

图3.9a改进前网格的划分

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图3.9b改进后网格的划分

3.5.2改进前后进气管内气体流速的比较

在定义Viscous时，由于要判断其中的空气流动是层流（Laminar）还是湍流（Spalart-Allmaras）.要用雷诺数来确定，雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞2000为湍流状态，Revd，其中v为进气口速度，为动力粘性系数，由于这两

个参数都无法确定，所以我对这两种模式均进行的仿真模拟。

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1）在层流模式下

改进前进气道的流速仿真, 及最大值和最小值，如图3.10所示。

图3.10a在层流模式下改进前进气道的流速仿真

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图3.10b在层流模式下改进前进气道的流速的最大值和最小值

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改进后进气道的流速仿真,及最大值和最小值，如图3.11所示。

图3.11a在层流模式下改进后进气道的流速仿真

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图3.11b在层流模式下改进后进气道的流速的最大值和最小值

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2）在湍流模式下

改进前进气道的流速仿真, 及最大值和最小值，如图3.12所示。

图3.12a在湍流模式下改进前进气道的流速仿真

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图3.12b在湍流模式下改进前进气道的流速的最大值和最小值

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改进后进气道的流速仿真, 及最大值和最小值，如图3.13所示。

图3.13a在湍流模式下改进后进气道的流速仿真

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图3.13b在湍流模式下改进后进气道的流速的最大值和最小值

3.6改进前后进气管内气体流速总结

在层流模式下，改进前进气道气体最大流速为222.2912m/s,最小流速为100.6106m/s，改进后进气道气体最大流速为227.4969m/s，最小流速为110.0183m/s，如表3.1所示。在湍流模式下，改进前进气道气体最大流速为212.2m/s,最小流速为72.70355m/s，改进后进气道气体最大流速为226.0723m/s，最小流速为77.42228m/s，如表3.2所示。且由于改进后的进气道横向形状与改进前完全一致，但由于燃烧室由扁球形改为楔形燃烧室，改进后的进气管在纵向少比改进前转弯角度减小，所以只对纵向的气流进行模拟仿真比较是合理的。

所以，无论在层流模式还是在湍流模式，改进后的进气道的气体流速均大于改进前进气道的气体流速，故改进后的进气道有更好的充气性能。

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表3.1在层流模式下，改进前后进气道气体流速

改进前 改进后

最小流速 最大流速

100.6106m/s 110.0183m/s

222.2912m/s 227.4969m/s

表3.2在湍流模式下，改进前后进气道气体流速

改进前 改进后

最小流速 最大流速

72.70355m/s 77.42228m/s

212.2m/s 226.0723m/s

4 主要结论

本文按照设计任务书的要求，以上海工程技术大学实训中心所提供的奥迪发动机缸盖为对象，对其进行改进设计。将所设计的发动机缸盖以UG作为辅助设计软件系统，建立发动机缸盖实体模型，把改进前后的进气道用Gambit软件进行网格划分，再通过Fluent软件进行进气道CFD的仿真模拟。可以得出以下结论：

1）通过计算机辅助设计与分析软件，对气缸盖等这样的复杂零件进行改进设计是可行的，而且是高效的、省力的。

2）用UG对复杂零件建模提出了自己的建议和方法，尝试通过文件格式的转换，联合运用AUTOCAD、UG、Gambit、Fluent等多个计算机辅助软件对发动机气缸盖进行改进设计获得成功，为其他的类似研究提供宝贵参考。 3）由扁球形燃烧室改为楔形燃烧室的奥迪发动机缸盖的，进气道由于气道转弯减小，气体流动速度增大，充气性能得到提高。

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译 文

摘要：稀燃分层充气火花点火发动机比起理论充气发动机表现出更高的效率和更低的排放。然而，当混合气的空燃比比理论空燃比更少，在气缸燃烧过程的早期循环变化，和并发的平均有效指示压力，成为更显著和稀燃过程的限定。可实行的稀燃发动机促进充气分层，使在火花塞附近的混合气比气缸内的平均值多。最近的工作已经显示在一个分层充气发动机燃烧过程的早期阶段的循环变化与在点火正时左右火花塞周围的空燃比局部数值的变化和气缸的平均空燃比数值有关。现行的工作的目的是证明一些空燃比变化可能的来源是由于在进气行程早期内缸区域的油滴变化。这个区域被设想在一个透明的单缸4气门楔形火花点火发动机通过激光照明的手段在火花塞下与气缸盖垫圈6到10mm的平行平面。这个发动机运行在进气孔汽油喷射异辛烷在每分钟1500转和30%的充气效率和空燃比相当与理论点燃时和混合气浓度接近稳定运转的稀混合气的极限。 油滴强烈散布的团状图片是获得一个循环的基础。这些研究试图去建立可能的联系在油滴团的大小、位置、分散程度的变化和各自平均有效指示压力的变化。因为低层次油滴的散布和因为和弹性散开在燃烧室壁的油滴问题有关和因为运行在发动机缺火极限的震动问题有关，这获得的图片通过减去反向峰值电压基础数据的修正算法处理成背景。在这处理之后，油滴进入照射平面的到达和离开时刻没有发现来呈现重大的循环基础，但是在记录循环变化是剧烈的，显示气缸内的大量汽油有6%到26%更强大的循环，平均有效指示压力是通常的115%，较弱的循环的平均有效指示压力是通常

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的85%，这些相似的是最大循环变化在内缸的当量比为0.17时。 1 介绍

稀燃火花点火发动机比起常规火花点火发动机有更高的效率和更低排放的优点。然而在稀燃混合气的情况下保持运转平顺不是一件简单的任务因为当混合气的空燃比比理论低时，平均有效指示压力的循环变化更加明显，甚至稀燃运行的极限范围导致驾驶困难。已经能够知道一些稀燃发动机可以促进充气分层，在“整体平均”显示火花塞附近的混合气比气缸内的平均值高。过去十年的研究证明周期流动结构导致成功的稀燃火花点火发动机；比如，Hardalupas,Carabateas 和 用激光多普勒测速仪和激光点燃荧光来测量内缸油滴尺寸和速度和燃料在机体内的集中程度的Berckmuller，都和目前的研究十分相似。

它证明平均有效指示压力的循环变化被称作“燃烧过程的原始火核成长”的燃烧过程的阶段有关联，典型地相似于曲轴转角在要燃烧的块分数（MFB）在5%的时期。标记这个时刻，相似地，典型地约40度的继火时刻在空燃比为22，低负荷，每分钟1500转。这个5%的数据是任意的在通过坚定的简单实验：通过指示图表测量低数据MFB是困难的因为测量缸内压力是无把握的。

数值低于5%可以调查视觉观察的火焰在提供原始火焰核增长的进程在可以观察的燃烧室。比如，Aleiferis用三维效果的10度到40度的曲轴转角继火时刻的原始火焰核增长CCD图象和发现循环的特征是在火花项的很短的持续时间里（约20度曲轴转角），在最后火焰已经增大，在平均

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4毫米的半径，相一致的MFB少于0.2%。

这个问题引起什么导致燃烧过程早期的原始火焰核增长的循环变化和确实点火。一明显的候选人，在理论和其他领域对火焰对流有作用，但是Aleiferis发现着似乎成为循环变化的主要捐赠者。然而，间接根据发现火焰有快速的周期和理论火焰有相似的特性，一个建模研究也显示循环变化的层次可以在空燃比上解释可信的变化。Aleiferis也发现直接根据（内缸空燃比显示循环基础有很大的变化和一致地制造消极的相互关系系数，特别是稀燃工作处境，空燃比20到22），显示空燃比是循环变化的主要贡献者。这个结论同意，在一般情况下，和火花塞附近的预燃空燃比的循环变化的极限；比如Grunefeid,Johansson,Koenig和Hall和Berckmuller。他们已经报道有高确定的相互关系的系数在继火时刻集中在火花塞附近的混合气和最高层次的缸内压力的峰值。

这个问题现在变成是否这些空燃比的变动的主要原因是其他内缸混合气层次导致缸内纵向涡流和横向涡流微小程度的变化而导致的温度变化，或是混合过程中残余废气和新鲜进气的变化，或是在进气行程初期最初的油滴尺寸分布的变化，或者是汽油通过进气阀进入气缸的数量的变化，或者确实合并这些可能装置的变化。现在工作的目的进行调查后期两个源头通过内缸油滴分布的视觉平面的循环变化，通过打开的阀注入稀燃和理论两种情况，为了检查在连续不断的基础上在快和慢的两种稀燃循环里的正来临的油滴图案的可能的变化。尽管，油滴可以用一个高能量激光和加锐的CCD镜头发觉连续循环的基础，在一个稀燃孔射发动机这些是不多的和在透视的稀燃发动机的头部的强烈背景为了灵活散布在燃烧室

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壁上。因此，为了测量散开的油滴，用好的背景图片去除，实践中，使它当场震动运转在缺火极限。这时我们决定使用一个校正过程基于反向峰值电压相互关联算法去减掉油滴分布图片的背景。

2 实验的安排 2.1发动机构造

一个简单的气缸，四个气门，四个冲程，进气孔汽油喷射发动机被用作现在的研究。这个发动机详细的几何描述，测试台设备和它的运转相联系的不确定因素，可以寻找之前的发表，于是这里给出一些全面的解释。这个发动机用透视的方法使燃烧室穿过两个水平的方向：一个是通过两个安装在气缸盖楔形区域对侧的类似三角形的石英窗和通过一个放置在活塞顶的石英窗。燃烧室的可见区域通过一个楔形窗和活塞顶显示在图1。空燃比通过喷油时间和和热度，线性空气和燃料比，安装在排气歧管的高速测试器来控制。燃料用异辛烷和别两种类型的喷射器喷射：单点喷射器和多点喷射器。多点喷射器允许空气助力，我们比较在有和没有空气助力时内缸的油滴分布。这也被允许和Hardalups和Carabateas的整体平均PDA测量的现在研究的循环分解作比较。图片2显示喷射器外观。

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图1燃烧室的可见区域通过一个楔形窗和活塞顶

图2喷射器外观

内缸压力测量由一个连着充气放大器和12bit数字解析的水冷压电压力传感器来传导。这个压力量用来计算总的平均有效指示压力和它的变化系数（COV）

COVIMEP = 100σIMEP/IMEPmean

这里σ IPEM是平均有效指示压力的标准差。汽车可驾驶性问题通常发生在当COVIMEP超过10%。在最近的研究，空燃比为22时最不稳的情况是

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COVIMEP为14.8%，当空燃比为15时是3.2%。运行情况通过经验来总结：发动机转速1500rmp，充气效率为30%，空燃比为15，接近稀燃稳定运行的工况（空燃比为22），分别地在上止点后30度的曲轴转角喷射和点火上止点前40度曲轴转角时的继火时刻继续，用别的话就是不“跳”火。

2.2内缸油滴分布的观察

这个实验安排包括同时获得内缸压力和相符的在循环变化下的油滴分布图片。一个主要的触发脉冲使压力数据和同时获得的图象产生在一张时间记录卡上。这个卡获取参考脉冲从一个安装在曲柄轴上的轴编码器和安装在凸轮轴上的磁性装置。

这个测量用水冷，充气闪光灯，在3到5纳秒里发射532纳米的波长的光波。输出脉冲能量是可以调节的，每脉冲不能超过120毫焦耳。Q-switch闪光灯用外面的晶体管光波分开地触发最短在每光波100豪秒。激光光束使形成一激光薄板层可以在0.6到2.6毫米之间调节，展开角度是20度，焦距范围是200到1000毫米，使用一个60*80的轻薄片单元。激光薄片通过安置在被研究发动机的三角形窗和气缸密封圈平面平行。实验安排如图3。 从油滴发出的稀疏的光有一个CCD照相机(Hamamatsu C3077-01)拍摄到配合一个可变的超声波图象加强器（Hamamatsu C4274）和一个超声波敏感镜头（UV-Nikkor 105mm,f/4.5）。在一个连续的循环基础的每个循环获得一张图片。照相机在一块45度的镜子前通过活塞顶观察楔形区域。每个循环的图象拍摄为8解析度，256灰度，768*576像素由一张帧接受卡通过周边元件扩展接口传入一台装有英特尔奔腾处理器的个人电脑。帧接

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受器用电脑的一个随机存储器来储存图象和允许寸50个图片在储存这些进入示踪的图象处理。200个循环要求每个测试事例在每五十个成批的顺序循环。帧接受器引发去接受激光完成同步的图象和曲轴转角位置。 同步的CCD照相机，控制图片的强调器，激光来源和压力数据的选择由一个脉冲发生器接受它主要引发的时间卡。为了确保激光最好的效果，闪光灯需要一个晶体管产生至少193毫秒的脉冲激活 Q-switch。Q-switch，图象强调器，帧接受器使用同一个晶体管脉冲输入。当发动机转速为1500转，曲轴转一度的时间是111毫秒。这样，闪光灯和Q-switch之间的延误时间为设定为2度曲轴转角，222毫秒。在实验过程中，闪光灯总是在图象获得前2度曲轴转角运行。外部引发Q-switch和激光脉冲发出大约180纳秒的内部延误，比较一度曲轴转角的时间，是可以忽略的。 激光薄片厚度设定为2mm，油滴变化的拍摄平面与气缸盖垫圈平面平行，在火花塞下6到10mm。为了6mm的位置，平面光的层接触主进气口在最大的上升；除了这激光平面碰到主进气口，10mm的平面要求油滴图象尽可能地接近火花塞。进气行程从喷射开始扫描，从进气行程上止点后30度的曲轴转角到进气行程下止点。激光源头强度的可变性被发现不是引起重要物的问题。为了建立背景层次，当发动机和喷射系统不运转时激光射入的燃烧室的200张图片被完成和平均，背景图片的每个像素的灰度强度的变化系数为4%。完成图象的像素尺寸符合80微米。为了喷射管理利用，内缸油滴的平均索特直径，没有空气助力的双点喷射器为80微米，既有单点喷射又有空气助力的双点喷射是30微米。被测量的最大油滴直径是100微米。

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图3实验安排

图4油滴经过激光薄片到达和离开的时刻

3结果和讨论

3.1油滴穿过激光平面的时刻

油滴流入照亮平面开始在发生稀燃状态，在单点喷射器和没有空气助力的双点喷射，在进气行程上止点后80度的曲轴转角，结束在进气行程上止点后130度的曲轴转角。油滴流动显示没有空气助力的双点喷射到达正时比

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其他双点喷射早10度曲轴转角。这个喷射器的油滴流动据观察比其他两个少，发生在上止点后110度曲轴转角。在理论情况，所有三种测试情况显示，油滴流动情况和稀燃情况时是一样的。单点喷射和没有空气助力的双点喷射的油滴流动的最后在进气行程上止点后150度曲轴转角，当有空气助力的双点喷射是进气行程上止点后140度曲轴转角。图4提供在火花塞下6mm处的激光平面油滴流动的开始与结束时刻的摘要。循环变化在这些时刻不超过3度曲轴转角。图4的时刻表示在普通情况，Carabateas的发现，说在考虑之后，在后期研究，单点喷射安装在不同的外观进气点，其中一个现在正在研究中。

3.2单点喷射的内缸油滴变化

单点喷射在稀燃情况下最大的集中油滴进入照射平面被发现在进气行程上止点。燃油分布在6到10mm平面的典型图片被证明是“椭圆”分别在图5a,b。两个平面显示相似的集中的图案。根据观察，最稠密的油滴集中在排气阀的下面，相对着主进气阀，接近气缸套，就像图5a,b中的椭圆指出的那样。典型的分隔大油滴的流动发生在主进气阀和对应的排气阀之间，比较主要的油通路，照射的平面是一个更稀疏的集中。这个流动由箭头1指示。加之一个好的油滴流动被发现在火花塞周围和在在主要和次要的进气阀之间，箭头2标明。没有明显的大油滴通过次进气阀流入燃烧室。

3.3双点喷射的内缸油滴分布

无空气助力的双点喷射器在稀燃情况下的油滴分布最显然在进气行程上

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止点后100度曲轴转角，这和一个记录单点喷射的油滴性能是相同一个曲轴角度。图6a,b显示油滴各自分布在6和10mm平面。每幅图油滴主要集中被标记了椭圆记号。大多数油滴流量通过主进气阀，不过有些油滴也通过次进气阀进入气缸，如图6里的箭头标出的。因为主要的油滴流量别观察标记在活塞环的可见的金属结构，有很大的可能是最大的油滴流接近气缸套。

当双点喷射器加空气助力时，在油滴流到达火花塞下6mm的照亮平面的时刻是典型地进气行程上止点后90度曲轴转角。在更早的时刻，比较没有空气助力的双点和单点喷射的记录，是空气助力器导致油滴雾化的结果。除此之外，这个油滴的性能和单点喷射器的油滴的性能很相似。最密集的油滴的集中的焦点在排气阀下对应主进气阀，由气缸外围向向主进气阀移动大约5到15度曲轴转角。油滴流动也在两个进气阀和火花塞周围。

图5单点喷射：a图6mm平面；b图10mm平面

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图6：没有空气助力的双点喷射：a图6mm平面；b图10mm平面

图7：在火花塞下6mm处内缸油滴分布：a原始图象；b处理后图象

3.4内缸油滴分布的循环变化

最大数量的油滴分散光发现在火花塞下6mm的平面，进气行程上止点后100度曲轴转角，单点喷射器。为了量化在循环基础内缸油滴图案，沿着图象过程顺序被采用：第一，每个循环油滴图案的“背景”，相当于被照亮的气缸盖，被减去。然而，这个过程不得不计算发动机装配的“震动”在高循环变化的平均有效指示压力的情况下接近稀燃运行的极限，“摇动”对应空间象素，从一个循环到另一个。这个完整减法位置问题，照亮缸盖的位置问题在注入油滴的完整200张图片的顺序被记录。为了解决这些问

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题我们不得不考虑用计算式对图片“修正”，最后，我们决定申请一个反向修正算法式基于反向峰值电压法则去完成图象和背景图象。这个运算式被运行在完成的图象和背景图象之间为了替换，在空间，当发动机不运行时，每个发火循环完成的图象相对完成的背景图象。这个方法被证明显然是成功的，算法式产生的值，修正正负4个像素，最终导致优选减少背景图片。图7是典型的图片半成品。

图8空燃比为22在进气行程时火花塞下6mm处油滴的循环变化

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图9空燃比为22平均循环有效压力的概率分布的柱状图

图10空燃比22火花塞下6mm处油滴循环变化的区别：a “好”循环b “坏”循环

图8介绍一系列油滴群在进气行程上止点后100度曲轴转角时进入气缸产生的图象在使用单点喷射器时（对比图8的图片来调节复制品，原始数码图片未展示出饱和度）。显而易见在循环变化图案确实有许多可变性，但是变化的层次（油滴群的两个空间区域为每个循环和它的X-Y坐标）不是意味火焰燃烧图案的循环变化和Aleiferis的平均有效指示压力的值）。 作为初步分类和比较随着平均有效指示压力的循环变化的油滴分布的循环变化，决定统计平均循环有效压力的柱状图，如图9。随后，所有

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完成的图片由200个循环平均油滴分布图片而来。加之，循环的油滴分布图片展示的IMEPmean平均后产生一张图片相对于被称之为坏循环的油滴分布。同样的程序产生的图片相对循环显示IMEP>1.15IMEPmean。 比如图片对应叫作“好循环”。于是，这图片对应所有循环的平均油滴分布有条件地从“好”和“坏”的油滴循环的图片结果分别显示在图10a,b。它可以观察图片相对好循环和其他循环的平均油滴分布的不同，比如图10a,显示一幅图片“剩余”光在气缸好循环的进气冲程的油滴撞击。相反，这个图象相对坏循环的平均油滴分布和其他循环的区别，如图10b,一幅低亮度的全部的图片，它意味这亮度相对坏循环的平均油滴分布比其他循环低。为了进一步研究，好循环的平均油滴分布减去坏循环的，改成主要的背景图片和坏循环减去好循环的平均油滴分布，改成相似于图10a的图案。这个猜测是在好循环图片的分散光的区域图片不存在坏循环图片，所有坏循环的分散光包含在好循环的分散光里面。这个趋势是进一步观察在火花塞下10mm激光平面时刻的油滴分布，确定三维存在的不同。

重复以上过程获得一系列图片和在理论情况下平均有效指示压力的数据。在这样的情况导致COVIMEP刚刚3.2%，它决定分类这些循环IMEP>1.04IMEPmean显示是“好”循环，“坏”循环显示IMEPmean。被观察的结果图案和稀燃循环图案非常类似，例如：当好循环图像减去坏循环图像，结果图像主要是黑色的图像，同时坏循环图像从好循环图像中减少改变的图像和对应的稀燃循环图像十分类似。

这个分析显示喷射过程、雾化、汽化和稀燃和理论情况的早期进气循环都很相似，一确切数量的汽油“升压”好的循环和稀燃和理论情况都很

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相似。然而，导致全部数量的燃油喷射在空燃比为22的稀燃情况比空燃比为15的理论情况少（因为发动机保持常量），燃料的区别是比稀燃情况按比例的更大，可能地，足够大造成更大的平均有效指示压力的变化在稀燃情况。因此，点火正时空燃比的循环变化的起源是早期进气冲程油滴分布的变化。

这里需要提示的是在完成图像的分散光图片是按比例的油滴的表面区域，因此，这里可能争论的是“好”与“坏”循环观察图案的不同归咎于雾化/汽化过程，经过既不大于油滴平均数量，也不大于油滴平均尺寸。 好循环的平均油滴分布区域的测量显示比坏循环大5%，但是好循环的区域的亮度更稀疏（例如，亮光的数量和图10相似，前面提起的）显示这区域的数量是30%。加之，这稀疏光的亮度研究显示好循环的30%比坏循环高20个百分点。假设不同的亮度ΔI，单单由于现状，好循环有更多的油滴尺寸和坏循环一样，意味ΔI和油滴数量n有比例关系,例如，ΔI正比于n,那么这个亮度符合燃料更稀地不同，Δm,在好与坏循环之间，比如，20%更多的汽油在这30%的区域。非此即彼，假设ΔI仅仅取决于现在相同数量的大油滴，ΔI取决于这些油滴的表面积更大，比如ΔI正比于D平方，那么不同的Δm，和油滴的数量是成比例的，例如Δm正比于D的立方，是ΔI的3/2次方，例如20%的3/2次方更多燃料在30%的区域。因此，可以估计在空燃比为22汽油有6%到22%的不同，好循环最好空燃比约等于19，坏循环最坏空燃比约等于25。这是Aleiferis的内缸当量比的化学发光的好的研究。事实上，Aleiferis起反应的混合物的当量比的循环变化的最大值是0.15，现在的研究最大值估计是0.17，一致的结果证明确定内缸混合

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气点火正时空燃比变化的可变性和并发的平均有效指示压力的层次。 为了进一步证明上述观测，需要测量内缸油滴分布在一个循环基础。可以被这样一些方法完成：一是通过平面油滴尺寸运行测量技术，一个基于油滴分散光和荧光同时发生完成图像的技术。分散光按比例射到油滴表面，同时荧光搀杂激光按比例混合一定数量的汽油。因此，确定如此的2幅图片，一个是在一个循环基础上的空间油滴尺寸分布，最后，推断，好与坏循环的不同的汽油分布图案导致更多，更大油滴。

4总结和结论

稀燃火花点火发动机当比起普通发动机提供高效率低排放的优点。然而，当混合气的空燃比增加超过理论，在气缸燃烧过程的早期循环变化，和并发的平均有效指示压力，成为更显著和稀燃过程的限定。可实行的稀燃发动机促进充气分层，使在火花塞附近的混合气比气缸内的平均值多。最近的工作已经显示在一个分层充气发动机燃烧过程的早期阶段的循环变化与在点火正时左右火花塞周围的空燃比局部数值的变化和气缸的平均空燃比数值有关。现行的工作的目的是证明一些空燃比变化可能的来源是由于在进气行程早期内缸区域的油滴变化。

这些循环图案是由一个运行的单缸楔形火花点火发动机通过激光层照亮和在与气缸盖垫片平行的装有CCD镜头的两平面：一个在火花塞下6mm，一个在火花塞下10mm。可见性已经履行的有理论情况和接近稀燃极限的稳定运行。三种类型的喷射系统的工况也被检查，为了比较用相位多普勒风速和风向测定法的内缸油滴分布工作的先前全体的油滴图案的

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循环结果。内缸油滴图案要求完成在一个联贯的循环基础下在发动机发火状态，经加工（消除气缸盖的震动用一个反向峰值电压交叉关系运算法）为了建立油滴团的亮度和循环变化的尺寸与平均有效指示压力之间的可能的关系。

油滴到达和离开照亮平面的时刻没有发现值得注意的改变在一个循环基础，但是稀疏光完成的图像显示比85%平均有效指示压力更低（坏循环），20%低于油滴地稀疏光超过30%的2D稀疏光区域对应于115%平均有效指示压力（好循环）。应该导致更多的汽油，那么循环变化的当量比为0.17在气缸被显示。如此一系列变化在同一发动机起反应的混合物的内缸空燃比的循环变化可以做现在的工作。然而，进一步的研究需要建立是否这些稀疏光图案的变化由更多的油滴表面区域是由更多的油滴数量产生，或者更多的油滴表面积是由更大的油滴尺寸产生。这个可能由激光油滴平面完成，那里是适当搀杂的荧光被Mie荧光同时完成的图片的亮度分隔的油滴荧光图片平面的亮度，为了产生一个油滴尺寸的分布。

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原文说明

题名：稀燃分层充气火花点火发动机进气行程早期油滴分布的循环变化 作者：P.G.Aleriferis,Y.Hardalupas,A.M.K.P.Tayler,K.Ishii,Y.Urata 来源：Experiment in Fluids,Volume 39,Number 5/November,2005

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目 录

摘 要 ..................................................... 1 ABSTRACT ..................................................... 2 0 引言 ....................................................... 3 1总体设计.................................................... 4 1.1 发动机缸盖的工况及设计要求 ............................... 4 1.2 发动机缸盖材料选择 ....................................... 5 1.3 发动机缸盖结构形式选择 ................................... 6 1.4 发动机缸盖燃烧室的布置 ................................... 7 1.5 发动机缸盖的进排气道布置 ................................. 8 1.6 发动机缸盖螺栓布置 ....................................... 9 2 发动机缸盖的实体建模 ...................................... 10 2.1 CAD技术与平台构建 ....................................... 10 2.2 参数化造型 .............................................. 11 2.3 气缸盖建模方案 .......................................... 12 2.3.1 气缸盖主体 ............................................ 12 2.3.2 燃烧室 ................................................ 17 2.3.3 进排气道 .............................................. 20 2.3.4 最后成型 .............................................. 22 2.4 发动机缸盖UG建模的总结 ................................. 23 2.4.1复杂形状实体的建模总结 ................................. 23

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2.4.2 修改已建立的实体模型的总结 ............................ 24 3改进前后气缸盖进气道CFD的仿真模拟的比较 ................... 25 3.1 什么是CFD ............................................... 25 3.2 Fluent简介 .............................................. 26 3.3 网格的划分 .............................................. 27 3.3.1 gambit简介 ............................................ 27 3.3.2进气管的网格划分 ....................................... 29 3.4 进气道的CFD仿真模拟 .................................... 33 3.5改进前后气缸盖进气道CFD的仿真模拟的比较 ................. 36 3.5.1改进前后网格划分的比较 ................................. 36 3.5.2改进前后进气管内气体流速的比较 ......................... 37 3.6改进前后进气管内气体流速总结 ............................. 45 4 主要结论 .................................................. 46 参考文献 .................................................... 47 译 文 ...................................................... 49 原文说明 .................................................... 66

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