某款汽油机排气歧管的流动和结构性能分析

发布时间：2020-11-13 06:01

　　 排气歧管是发动机排气系统的一个重要环节,其结构的合理性直接影响着发动机的性能。在设计过程中,排气歧管内腔表面光滑及各个支管之间相互独立,并尽可能地利用气体的波动效应和惯性效应,不出现排气倒流现象;排气歧管实体结构要能够承受高温废气的热冲击和发动机工作时产生的机械振动。因此,为了提高发动机的性能,本文以某款汽油机开发项目为锲机,对排气歧管的流体性能和结构性能进行研究具有重要的指导意义。首先本文结合发动机的基本参数和总布置要求,遵循排气歧管设计原则,运用CATIA软件建立两种方案的排气歧管内腔模型和排气歧管实体模型;再根据有限元法理论,运用ABAQUS软件对之前建立的几何模型进行网格划分和材料定义,得到两种方案相应的有限元模型。接着本文结合有限元体积法,通过STAR-CCM+软件对两种方案的排气歧管有限元内腔模型进行稳态流动性能分析。从压力损失、压损均匀性和流场流线三个方面对稳态流动分析结果进行对比,仿真结果表明第二方案排气歧管的流动性能要优于第一方案,有效地避免各个支管的排气相互干扰,降低各个支管的压力损失,改善其压损均匀性,有利于提高发动机的性能。然后本文结合结构有限元法,通过ABAQUS软件对两种方案的排气歧管有限元实体模型进行结构性能分析。先从固有频率和与之相对应的振型二个方面对自由模态分析和约束模态分析结果进行对比,再从最大响应振幅方面对振动响应分析结果进行对比,仿真结果表明第二方案排气歧管的结构性能要优于第一方案,有效地提高结构强度,有利于提高发动机的可靠性。最后本文对搭载两种方案排气歧管的发动机进行性能试验测试。从发动机外特性、万有特性和可靠性三方面对试验结果进行对比,试验结果表明第二方案排气歧管外特性和万有特性都要优于第一方案,第二方案排气歧管通过了发动机可靠性的考核,同时也满足涡轮增压器总成的使用要求。通过试验结果和仿真结果对比,确定第二方案为该汽油机开发项目排气歧管的最优方案,达到提高该汽油机性能的目标,已获得项目组认可,实现汽油机量产化,并验证软件仿真分析的准确性,为今后建立相应的数据库做好铺垫。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U464.171
【部分图文】：

[2]。发动机排气系统（如图1.1所示）是发动机的一个重要组成部分，主要功能是将发动机燃烧所排出的气体汇聚到排气歧管，再经过三元催化器的催化氧化，最后废气通过消声器的消声处理，由排气尾管排入大气中[3]。因此，排气系统的工作效率直接影响发动机的动力性、经济性、排放特性和可靠性。如图1.1 发动机排气系统排气歧管是排气系统的一个重要环节，其结构的合理性直接影响着排气系统

应尽量使温度场均匀。（7）．结构性能原则上，铸造排气歧管的第一阶固有频率要大于发动机所能提供的激励频率的 1.25 倍；（8）．可靠性试验排气歧管一般需进行冷热冲击试验、耐久性试验、路试搭载试验，试验后保证排气歧管功能正常，未出现局部裂纹，断裂、过大变形等缺陷。2.2.2 排气歧管的建模思路就四缸汽油机而言，排气歧管的结构形式通常有 4-2-1 和 4-1 两种结构，如图 2.1 所示。这两种结构各有各的优势和缺点，其中 4-2-1 式排气歧管主要应用于要求低速扭矩比较高的情况，比较适合应用到乘用车上；而 4-1 式排气歧管应用于要求动力性指标比较高的情况，主要考虑减少排气干涉。

a)提取内腔几何模型表面，参照排气歧管的壁厚，将提取表面偏置生成排气歧管初始几何模型；b)对初始模型依次创建安装法兰凸台、增压器安装法兰凸台及排气歧管隔热罩安装凸台，在相对薄弱的区域，建立加强筋；c)对模型进行布尔运算，通过实体化生成排气歧管的实体几何模型；d)在实体几何模型基础上细化结构特征，在相应位置建立圆角，在各法兰的相应位置建立安装平面和孔；e)详细管理相应辅助线、辅助面，建立排气歧管发布集，方便他人引用。本论文所研究的排气歧管应用于乘用车上，适用于低速扭矩比较高的情况，因此本文选择 4-2-1 结构，运用上述建模步骤，分别建立两种方案的排气歧管内腔几何模型和排气歧管实体几何模型，如图 2.2~2.5 所示。排气歧管内腔模型用于排气歧管的流动性能分析，而排气歧管实体模型用于排气歧管的结构动力学性能分析。
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本文编号：2881831