2022年B发动机进气系统设计及分析.docx

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1、精品学习资源学校代码：10128学号：2课程论文题目：B15发动机进气系统设计及性能分析同学姓名：学院：能源与动力工程学院班级：交通运输 09-3指导老师：高志鹰 副教授2021 年 12 月 28 日欢迎下载精品学习资源内蒙古工业高校课程设计 论文）任务书欢迎下载精品学习资源课程名称：汽车电子把握技术学院：能源与动力工程学院班级： 交通运输欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源同学姓名： 学号：200指导老师：高志鹰一、题目欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源二、目的与意义B15 发动机进气系统设计及性能分析欢迎下载精品学习资源依据汽车电子把握技术课程学习的学问，系统分析B15发动机进

2、气系统设计及性能同时结构组成及基本的工作原理，把握汽车电子把握系统的基本结构与原理三、要求 包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）依据参考文献，系统学习并分析B15发动机进气系统结构组成及基本的工作原理；依据内蒙古工业高校课程设计说明书电控系统把握策略的争辩D合肥工业高校，20212 古国栋. 柴油发动机废气再循环系统EGR热 交换器仿真模拟与结构设计D. 华中科技高校,2007.审核看法同意；系教研室）主任 , 其对通过噪声的单独贡献率中意目标要求；关键词: 进气系统；消声元件；加速行驶车外噪声；仿真与优化欢迎下载精品学习资源ABSTRACTWith the develop

3、ment of economy, the automobile industry has been changingwith each passing day. At present, the design of enginesmust meet the criteria of emission and noise level besides the power performance andeconomy, which makes it very necessaryto make an exhaustive study on engineintake and exhaust systems.

4、 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 design the intake system components and analyze thecombination property is a topical issue of the current engineering projects.Firstly, the

5、principles of variable valve timing and variable intake manifold areintroduced, then the simulation model of B15 engine is established in GT-Power, afterwhich the model is calibrated by the test results and the error is less than 5%-This layspreliminary groundwork for the subsequent calculation, the

6、 parametric sensitivity ofHelmholtz resonator, 1/4 Wave tube and air cleaner is calculated, and the influence ofparameter changing on Acoustic attenuation performance is summarized, based onwhich the silencer elements of intake system are designed. The design procedure andmethod of silencer element

7、are explained thoroughly, and the detailed design schemeis put forward.Secondly, three methods are putforwardinthisthesis toanalyze the performanceof inlet manifold,and they are simplified simulation built up with zero or onedimensional models, steady ortransient calculationbyCFDand coupled simulati

8、onby one dimensional with three dimensional software. After the comparison of thesethree methods, it is found that the coupling process can provide more accurateboundaryconditions for the calculation. The problems of coupling between GT-Powerand STAR-CCM+ are solved, and then the simulation is carri

9、ed out. Then the velocity field of everybranch pipe in different time is analyzed, and the suggestion is that the curvature ofthe branch pipe should be reduced.Lastly, in order to evaluate the performance of the silencer elements, theaccelerationrunning noise model is built up based on the coupling

10、model. The resultshows that the noise of the intake system is lower than 61.8dBA,which satisfies thedemand for contribution rate to the acceleration running noise.欢迎下载精品学习资源Key Words: Intake system； silencer element； couple； acceleration running noise；simulation and optimization欢迎下载精品学习资源目录第 1 章 绪论.

11、11.1 争辩背景 .11.2 争辩现状 .21.2.1 国外的争辩简况 .21.2.2 国内的争辩简况 .3第 2 章 B15 发动机进气消声元件设计 .42.1 进气系统概述 .42.1.1进气系统结构及工作原理.42.1.2 进气噪声的产愤怒理 .52.2 进气消声元件优化 .6第 3 章 B15 发动机进气系统性能分析 .83.1 进气歧管流场分析模型的建立.83.1.1 运算流体力学基本理论 .83.1.2 进气歧管流场分析方法 83.2 汽车加速行驶车外噪声分析 .93.2.1 理论介绍 .103.2.2 模型的建立 .103.2.3 结果分析 .11第 4 章总结与展望 .134

12、.1 全文总结 .134.2 展望 .15参考文献 .15欢迎下载精品学习资源第 1 章绪论1.1 争辩背景近年来 , 各个国家都对汽车噪声提出了越来越高的要求, 使得对汽车噪声的 争辩刻不容缓；要降低汽车噪声 , 第一要确定噪声源；汽车是一个综合的噪声源, 包含许多不同性质的噪声 , 如发动机噪声、风动噪声、轮胎噪声、路面噪声和共鸣噪声等；相关试验说明, 汽车噪声以发动机产生的噪声为最大, 它属于结构噪声, 随发动机转速的转变表达为不同的形式, 主要通过前叶子板、挡火墙、引擎盖、排气管产生和传递；因此如何降低发动机噪声成为降低汽车噪声技术的中心环节；燃烧噪声、空气动力噪声和机械噪声都属于发动

13、机噪声, 其中空气动力噪声又包含进气噪声、排气噪声和风扇噪声；对试验结果的统计分析说明, 在发动机的主要噪声源中 , 进排气噪声占了很大的比重；在绝大部分汽车上, 发动机的排气噪声是最主要的噪声源 , 它比进气噪声更加明显 1 ；为了尽量有效地排除排气噪声 , 在排气系统中安装消声器成为普遍运用的手段, 这一技术目前也相对成熟；而对于小型高速机和大型增压机, 进气噪声是仅次于排气噪声的主要噪声源, 有时比发动机的本体噪声仍要高；随着国家对汽车噪声的要求逐步变高 , 仅仅考虑排除排气噪声已经不能中意国家相关法规的要求 , 因此有必要争辩如何有效的排除进气噪声；发动机进气系统的功用是尽可能多和尽可

14、能均勻地向各气虹供应可燃混合气或纯洁的空气； 一般进气系统主要包括进气歧管前的管路 如进气总管、空气滤清器及其他消声元件等 和进气歧管；在有些化油器式和节气门体汽油喷射式发动机上, 一般会装有对进气进行预热的装置；为了得到增强进气的成效, 有些发动机的进气系统仍加装了谐振器对于汽油喷射式发动机, 其进气系统中仍安装有计量空气的装置；空气滤清器的重要作用是滤除空气中的杂质和灰尘, 为气社供应干净的空气；另外 , 由于空气滤清器结构是一个膨胀的腔体, 类似于扩张型的消声器结构 , 仍具有降低进气噪声的作用 , 所以发动机的进气系统一般不会单独安装特地的进气消声器；对噪声的把握可以从两个方面进行争辩

15、: 一是对噪声源的把握 , 二是实行外部降噪措施 , 如设计消声元件等；对进气噪声的把握主要是通过设计匹配的进气系统消声元件来实现的 , 这是目前最有效、接受最多的方法；受安装空间限制, 进气消声元件一般与空气滤清器合为一体2 ；在某些仅凭空气滤清器不能中意降噪要求的发动机上 , 仍可以安装相应的赫姆霍兹消声器或1/4 波长管；如欢迎下载精品学习资源何在中意发动机动力性和经济性的前提下, 合理地设计进气消声元件, 是一项特殊重要的工作；除了进气歧管前的管路, 发动机的进气系统仍包括进气歧管本身；进气歧管对于降低进气噪声的作用很小, 基本可以忽视 , 但其物理结构仍特殊重要；由于发动机正常工作所

16、必需的空气由进气口流经进气歧管最终进入气缸, 在流体流淌的过程中 , 歧管的结构对于流场的影响会得到明显的表达；一个好的结构可以最大程度地减小摩擦, 排除流淌阻力 , 使流体的流淌尽可能的顺畅；因此 , 对歧管内流场的分析特殊必要；1.2 争辩现状1.2.1 国外的争辩简况关于发动机进气系统的争辩在国外起步比较早, 在 20 世纪 60 岁月之前就有特地针对汽车噪声的简洁运算和试验 , 如 Hosomi.Mikiya 等人概括了发动机排气消声器的进展历程而后随着数值模拟技术的进展, 结构分析被领先用于汽车领域 , 接受有限元运算部件模态和响应；在70 岁月接受有限元争辩消声器内部结构,80岁月

17、实现三维有限元分析 , 完成了对消声器传递缺失的简洁运算；这些技术的实现说明 : 对于结构复杂的消声器, 三维有限元的分析方法具有良好的成效；后来 , 数值模拟技术得以广泛应用, 发动机的仿真技术也H 渐成熟 , 如Bhattacharya.Paritosh等人通过数值模拟软件完成了两虹四冲程柴油机的性能分析及噪声争辩；运算流体动力学 CFD技术在 20 世纪 70 岁月的美国产生 , 它被广泛应用于各种流体流淌与传热问题中；四十年来,CFD 在瑞流模型、网格技术、并行运算等方面都取得了飞速的进展, 给工业界带来了革命性的变化；在汽车行业中 ,CFD 和其他运算机帮忙工具一起作为产品开发工具,

18、 大大削减了样车试验数量； 1994 年, Thomas Morel 和 Leon A.LaPointe 提出了 “并行模拟和试验”的概念 , 将模拟和试验相互补充 , 实现了一体化的解决方法建立数值模型, 并利用试验收集的基本数据对模型进行修正和完善, 得到试验无法猎取的数据, 在运算机的并行模拟和试验中完成发动机的设计优化与幵发；而在实际的仿真计算中, 为了防止单独使用三维软件运算精度不高的弊端, 争辩者提出了一维与三维软件稱合的运算流体力学方法, 以此分析消声器内部的流淌特性 , 通过运算结果推测发动机在实际运行工况下进排气系统内部的压力缺失及声学性能, 从而实现预先优化 3 ；欢迎下载

19、精品学习资源1.2.2 国内的争辩简况我国对于进气系统的争辩起步较晚 , 在 1979 年颁布机动车标准后才幵始实施以试验研制为重点的争辩；随着中国与世界的联系円益亲热, 汽车工业也面临着巨大的挑战 , 迫切需要自主研发生产新产品, 其中对噪声的把握成为不行规避的课题之一；由于我国对于噪声污染的危害意识不够, 使得目前对汽车降噪技术的争辩与发达国家有确定差距 , 幵发才能相对较低；而随着噪声法规越来越高的要求, 只争辩排气系统消声器已经不能中意降噪要求, 迫切需要幵展对进气系统的争辩；最近几年 , 国内不少汽车开发商意识到了这个问题, 许多专家和学者也做了不少工作；毛善勇等人通过比较发动机在不

20、同工况下的声压云图, 说明增压高速发动机内进气噪声对整机噪声有显著影响；范钱旺等人利用Matlab编写程序 , 模拟赫姆霍兹共振消声器结构参数对消声性能的影响, 通过运算发觉共振腔的体积和主管截面积等对共振频率和消声量有重要影响岳贵公正人利用GT-Power软件分析进气系统的插入缺失 , 幵发进气消声元件中心频率设计专家系统, 将其传递缺失影响参数考虑在内 , 分别设计了空气滤清器、赫姆霍兹谐振腔和1/4 波长管, 这一系统对进气系统声学元件的设计具有很高的有用价值金岩、郝志勇通过比较加速行驶车外噪声的频谱特性 , 应用试验和边界元法争辩了空气滤清器的频率相应特性 , 在原有结构的基础上添加赫

21、姆霍兹谐振腔, 很好地解决了进气噪声的问题 , 达到了整车降噪的目的；张小燕等通过建立发动机模型, 优化进排气系统, 对可变进气歧管系统进行了完整建模, 提高了模型的仿真精度；尹凌等通过分析不同的进气歧管设计方案 , 利用一维和三维软件賴合运算的方法, 分析两种进气歧管对整机动力性能的影响 , 同时解决了舉独使用三维软件仿真无法实时转变边界条件 , 造成结果精度不高的问题 , 使模拟运算结果更加接近试验数值这些争辩成果对于今后进气系统的设计与优化有着特殊重要的意义；欢迎下载精品学习资源第 2 章 B15发动机进气消声元件设计2.1 进气系统概述发动机的进气系统是把空气或混合气导入气紅的零部件集

22、合体, 其功能是尽可能多和尽可能均勻地为发动机供应可燃混合气或清洁、干燥的空气；系统中的主要组件空气滤清器、管路及设计安装的合理性直接影响发动机的动力性和经济性；2.1.1 进气系统结构及工作原理4进气系统包括空气进入系统和进气多支管系统, 其中前者主要指进气歧管和进气总管 , 后者包括空气滤清器、进气消声元件、进气管和柔性连接管等, 如图2-1 所示 ；1- 进气系统， 2- 进气总管， 3- 进气把握阀， 4- 怠速进气通道， 5- 柔性连接管，6-干净空气阀， 7- .波长管， 8- 空气滤清器， 9- 空气过滤阀，10-赫姆霍兹消声器， 11- 进气口图 2-1 进气系统结构示意图空气

23、经空气滤清器过滤杂质后 , 流过空气流量计 , 经由进气道进入进气歧管 , 与喷油器喷出的汽油混合后形成适当比例的可燃混合气, 由进气门送入气社内点火燃烧 , 产生动力；由此可见 , 发动机的功率、扭矩等动力性能及有效燃油消耗率等经济性能与进气系统的优劣有直接关系；要争辩发动机的进气系统, 很重要的一个指标是其声学性能如前所述, 发动机的噪声源中 , 进气系统产生的噪声占有很大比重；而要降低发动机进气系统噪声, 仍需要平稳发动机动力性与声学性能的冲突；进气系统与发动机的气虹相连 , 进气阀门处的气压与大气压形成一个压差,欢迎下载精品学习资源压差越高 , 空气在进入进气系统时要消耗的能量越多；发

24、动机的功率与进气管的截面积有关 , 截面积越小 , 空气流通不顺畅 , 功率缺失越大 , 但进气口的噪声越低；因此 , 降低进气口噪声的同时可能引起发动机功率缺失的增大, 在进气系统设计时就需要平稳这对冲突；2.1.2 进气噪声的产愤怒理空气进入进气道之后 , 其压力和密度会随着发动机进气门周期性的幵闭进行波动, 从而形成空气动力噪声；依据其产愤怒理的不同, 可以将其分为四类 : 祸流噪声、周期性的压力脉动噪声、气虹内赫姆霍兹共振噪声和进气管内气柱共振噪声；1 祸流噪声气流经过进气道到达气紅时形成很高的速度 , 由于气通道内的气门和进气管内壁的砂眼、毛刺等障碍物存在 , 气流的流淌受阻形成祸流

25、 , 从而产生祸流噪声；由于祸流脱落的频率会影响此类噪声的频率 , 障碍物的形状会影响祸流的排列, 所以其频谱的峰值分布在特定宽度的频率范畴；但当绕流的障碍物是规章几何形状时 , 润旋的形成、脱落及排列在流淌稳固时显现确定的周期性 , 此时峰值可以按公式运算 :欢迎下载精品学习资源1m）2-其中， sh- 常数，通常取0.5 ， v- 进气门气流速度 周期性压力脉动噪声新颖空气由进气口流入进气管 , 在发动机工作过程中气门的开闭导致空气的压力及速度发生波动 , 形成密度的周期性变化, 从而产生周期性的压力脉动噪声；它构成了进气噪声的主要部分 , 与进气道的压力脉动吻合 , 其主要频率 f受发动

26、机转速的影响 , 运算公式为 :2-2）其中， n- 发动机转速 赫姆霍兹共振噪声欢迎下载精品学习资源在发动机工作过程中 , 气虹会形成封闭的腔体 , 赫姆霍兹共振噪声就由此产生；气虹内气体的压力波会激发这类噪声的共振, 容积、进气管直径及长度等因素都会影响其共振频率的大小将共振腔等效成等截面管和具有确定容积的圆球, 就第一阶固有频率为 : ， r- 进气管半径， l- 进气管长度，- 气虹容积；4 进气管内的气柱共振噪声进气门关闭后进气管形成气柱共振系统, 管内的空气由于连续性和可压缩性 ,简洁形成气柱的振动 , 由此产生进气管内的气柱共振噪声；当声源的激振频率与气柱的某一阶固有频率相同时

27、, 便发生与该频率相对应的共振 , 管道猛烈振动并产生福射噪声；其固有频率的公式为 :2-4）其中， c- 空气中的声速 m/s）， i- 谐波次数， l- 进气管长度 适当增加空气滤清器的长度 , 在 GT-Power中将出气口到节气门之间的管路利用等截面直管和变截面弯管取代原先的三维等截面管；2由于发动机运转时进气温度的变化会引起流速的变化, 在建模时将赫姆霍兹谐振腔和 1/4 波长管的尺寸依据流速的变化进行调整；优化后的进气系统消声元件与发动机稱合 , 仿真运算结果见图 2-2 和图 2-3 ；欢迎下载精品学习资源图 2-2 优化后的进气口噪声图 2-3 优化后的进气系统压力缺失由图 2

28、-2 和图 2-3 可知, 进气口噪声总声压级在目标值以下 , 各阶次声压级全部低于目标值 , 比优化前的进气口噪声有所降低；进气口到节气门的压力缺失为 2.5kPa, 优化后的进气口噪声和压力缺失全部中意要求, 优化成效良好；欢迎下载精品学习资源第 3 章 B15发动机进气系统性能分析3.1 进气歧管流场分析模型的建立在中意发动机性能的前提下 , 关于进气系统消声元件降噪作用的争辩, 对于进气系统的另一部分进气歧管, 因其降噪作用不明显 , 故本章只对其内部流场进行分析 , 争辩进气歧管的结构在发动机进气过程中的作用；3.1.1 运算流体力学基本理论本章所使用的 STAR-CCM软+件是由

29、CD-adapco集团推出的 CFD软件, 它接受最先进的连续介质力学数值技术 , 可以导入使用目前主流网格生成软件所生成的网格, 本身也可运算多面体网格 5 ；它与现代普遍使用的软件工程技术结合, 拥有比较杰出的性能和很高的牢靠性 , 是热流体分析人员强有力的工具；目前 , 该软件成了许多公司进行流场等方面分析时的首选运算流体力学的基本思想是: 用有限个离散点上变量值的集合代替速度场、力场等连续物理量的场, 建立关于这些变量值的方程组 , 并进行求解以获得近似值；在进行流体动力学的运算时, 要遵守三个基本的物理守恒定律 , 即动量守恒定律、能量守恒定律和质量守恒定律；另外 , 假如有不同的组

30、分参与 , 系统仍要遵守组分的守恒定律；假如存在湍流, 仍要附加瑞流的输运方程；在这些守恒方程中, 质量守恒方程是全部流淌问题都需要中意的定律 , 其公式表述为 :欢迎下载精品学习资源3-1或3-2动量守恒方程用公式表述为 :能量守恒方程用公式表示为:）3-3）欢迎下载精品学习资源3.1.2 进气歧管流场分析方法,AA线为加速始端线 ,BB线为加速终端线 , 汽车沿行驶中心线行驶 , 传感器布置离地面高 1.2m0.02m, 距离行驶中心线 CC7.5m0.05m 处, 其参考轴线必需水平并垂直指向行驶中心线 CC；要求汽车前端到达 AA线时 , 节气门全幵 , 并保持不变通过测量区域；汽车加

31、速行驶时 , 其车外最大噪声级不应超过标准规定的限值；欢迎下载精品学习资源图 3-1 测量场地和测量区及传声器的布置3.2.2 模型的建立通过噪声的模型使用 Vehicle ”、Clutch Conn ”、Tire ConnRigid ”、Acoust Microphone等模块, 依据试验猎取的参数进行设定；其中 , 车辆进入区域的初始速度的选择 , 依据与发动机匹配的车型确定；对麦克风位置的设置, 参照汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法中的规定；依据以上设置, 建立汽车加速行驶车外噪声模型 , 如图 3-2 所示；欢迎下载精品学习资源图 3-2 汽车加速行驶车外噪声模型3.2.3 结果分析

32、图 3-3 为用图 3-2 的模型运算所得的汽车加速行驶车外噪声值,X 轴分别对应车辆行驶距离 m和发动机转速 rpm；图 3-2 汽车加速行驶车外噪声值由试验体会可知 , 车辆加速行驶通过测量区域时 , 最大噪声应产生在距传声器最近的加速段中心位置邻近 , 即距加速行驶始端线 10m左右；本文中噪声最大欢迎下载精品学习资源值显现在车辆行驶距离为 9.0m 和 10.3m 处, 约为 74.3dBA；由于点声源辐射的声压 P和距离成反比 , 更远距离 r2 的声压 SPL2 dBA可以从已知的近距离 rl 的声压 SPL1dBA运算出 :3-5其中， r1-0.5 ，位于进气口 500mm处的

33、麦克风装置； r2=7.5m，为位于 7.5m处麦克风位置；按公式可得：，可通过这个公式对进气口的噪声进行换算；另外 , 通过查阅文献可知 , 对于目标值为 75dBA的通过噪声 , 汽6车进气系统的噪声水平限值为 63dBA ；目前, 中国噪声法规中规定在2005 年 1 月 1 日以后生产的 Mi 类汽车的通过噪声不超过 74dBA；在本发动机运行转速范畴内 , 在进气口 500m 处测量进气口噪声, 最大噪声值为 85.3dBA 4000rpm, 500mm 处, 转换到 7.5m 处的噪声值为 100.3-23.5=61.8dBA,低于 62dBA74-75-63 ；因此, 此发动机的进气噪声对通过噪声的单独贡献中意通过噪声的目标值要求；第 4 章总结与展望4.1 全文总结以运算机为支撑的数值模拟技术的应用 , 可以大大缩短产品开发流程 , 节省成本, 目前在各个行业都有广泛应用；在汽车行业中, 由于国家法规对汽车噪声的要求越来越严格 , 仅通过改善发动机的排气噪声已经不能中