第 1 章 绪论
1.1课题背景
人类文明的发展离不开物质生活保障，汽车的出现更加快了人类前进的步伐，随着化石能源的日益减少和人类对环境的日益关注，节约和环保已经备受关注。汽车已经成为人们的代步工具，汽车对能源的消耗更加引人注目，北美、欧盟、日本、中国均非常关注能源和排放问题，分别建立了不同特点的法规，这些法规不断加严能源消耗限值。例如：从 1992 年欧盟实施欧Ⅰ标准到目前实施的欧 V 标准污染物排放限值缩严了 95%。美国 2007 年的新联邦排放法规比 20 世纪 70 年代的法规对氮氧化物排放加严了 95%，碳氢排放物加严了 84%。我国在 2001 年颁布了 GB18352.1-2001国家排放标准，达到了欧 I、欧Ⅱ排放限值；2005 年 4 月出台的相关规定中要求到 2010年全面达到欧Ⅳ排放水平。2012 年北京将施行国Ⅴ排放标准，到 2015 年将全面实施新的排放标准，在未来五年我国将减排指标从两项增加到四项，氨氮化物和氮氧化物减排 10%。随着石油价格攀升以及人们节能意识的提升，整车油耗已经备受关注。欧盟委员会应对全球变暖推出的二氧化碳排放量强制标准法案，间接地限制了整车油耗。日本考虑其国土资源的局限大力发展微型车、经济型车，并且排放和油耗要求严格。2003 年后中国进入了汽车市场高速发展期，各大汽车厂产销量逐年提升，整车和发动机综合技术水平不断提升。2010 年 6 月 1 日，国家出台了《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》将小于 1.6 升（含 1.6 升）的动力总成纳入“节能产品惠民工程”，同时其它相关规定中又有对购买节能汽车的消费者给予 3000 元的一次性补贴，这一优惠政策对国内各大车厂加快节能研发工作是一个极大的刺激。
随着油价不断上涨以及低碳生活理念不断深入人心，消费者对油耗指标越来越看重，虽然还有部分人热衷于大排量车，但是大多数的消费者都青睐于小排量。同时，随着时代的发展，科技的进步，人类也不断提高对汽车舒适性和动力性的要求。以低成本获得快捷便利交通，充分享受驾驶乐趣和个性化需求成为人们的首选。因此满足公益目标、节能、环保、高性能的汽车才是符合二十一世纪市场需求的产品。为应对激烈的市场竞争，汽车制造企业在应用新技术上想尽了办法，在作为汽车心脏的发动机上更是花了大力气。事实证明，先进发动机技术的应用在汽车节能、环保开发中起着决定性的作用。目前主要的发动机新技术包括增压、缸内直喷、进排气气道优化设计、可变进气控制、废气再循环、减磨技术等。新技术的应用提高了发动机的性能，满足了不断提高的法规要求，但也不同程度地增加了发动机成本。由此，低的成本增加带来高的发动机性能提升逐渐引起人们的关注。比如：进排气气道优化设计，特别是进气道优化设计，可以以较低的成本增加甚至是零成本增加大幅提升发动机的性能，改善发动机的排放与油耗。作为新型小排量发动机开发新技术，为国内发动机厂广泛采用近几年随经济的发展，汽车作已经成为人们的代步工具，越来越多的汽车导致道路拥挤、城市交通不堪重负，堵车现象时常发生，使得发动机更多时间工作在中低转速范围内。而传统发动机进气系统设计主要注重发动机高速性能，根本无法适应当前整车的动力需求，有的还致使整车的部分工况恶化。所以说，发动机进气系统优化设计，必须兼顾发动机中低速性能。
第 2 章 模拟计算发动机工作过程的基本方法
模拟计算发动机工作过程可以简单地理解为建立物理模型—设定多组微分方程—解方程组的过程，通过最优算法计算出结果，得出发动机运转过程中的各种参数。
2.1 气缸内的工作过程
2.1.1 能量平衡方程
前面所讲的方程对可燃混合气的适用范围很广，不论发动机工作过程中可燃混合气体的形成部位在哪里都是满足的，既在缸内或缸外形成均可。同时由于工作过程中会使气体成分含量波动，所以我们将采取差异化的方法对待内部混合和外部混合。内部混合假设条件：空燃比持续减小，燃料进入气缸马上反应，反应产物与所剩气体随即变成一体。外部混合假设条件：刚开始燃烧时的混合燃料是均匀的，空燃比不变，燃烧的气体和没有燃烧的气体忽略成份不同的影响，其它条件都相同。由于二维、三维方程的解法复杂，计算量大，我们在进行发动机模拟计算时经常用到的是一维非定常流动方程。汽油发动机进气道中的气体是以高度紊流的状态流动，气体的流动轨迹线非常复杂，流体内部以及流体与孔壁表面之间都存在着摩擦力，其性质是时间和空间的函数，已经超出一维确定的范围。但是为了方便求证，我们常常假设流体是没有粘性的，流体与孔壁表面之间的摩擦用摩擦系数来估算[28] [29]，就可以用一维方程来求解气体流动问题了。为了正确建立和求解进气系统气道内气体的流动方程式，我们作了如下假设：
(1)进气系统的管道长度比管道的直径大很多倍，管壁是刚性的。在这种条件下气体在管道内径向运动范围很小可以忽略，气体沿着管道内壁流动是我们要研究的主要方向。这样我们就可以重点考虑轴向流动效应，同时将气体的流动参量简化为管道截面的平均值。
(2)由于气体在管道内流动时各参数量在不同的时间点上变化较大，所以气体的流动也是非定常状态。如果假设进气管道内沿长度方向和随时间变化的坐标分别为x、t，那么用t和x就可以表示任何气体流动参量。
(3)气体流动时与管壁产生摩擦、管壁对热量的传导程度、气体在进气管道内的燃烧时分支管路气体质量增减等都会对气体流动参量产生影响，这些影响已经远远超出了一维的范畴，但是综合考虑还是建立一维模型比较合适，所以该过程非等熵。
第3章 DAM10 发动机模拟计算及分析................. 25-54
3.1 DAM10 发动机简介 ................25-26
3.2 BOOST 软件简介 ................26-28
3.3 建立 DAM10 三缸发动机模型................ 28-34
3.4 进排气相位的优化计算 ................34-38
3.4.1 排气相位优化 ................34-36
3.4.2 进气相位优化 ................36-38
3.5 进气歧管的优化计算................ 38-48
3.5.1 进气歧管基本结构及参数的确定................ 39-41
3.5.2 进气歧管气道长度的优化 ................41-43
3.5.3 进气歧管气道内径优化................ 43-45
3.5.4 进气歧管稳压腔容积的优化................ 45-47
3.5.5 进气歧管优化结果分析................ 47-48
3.6 气门体喉口优化................ 48-51
3.7 本章小结 ................51-54
第4章 进气系统零部件的设计与研制................ 54-64
4.1 概述................ 54
4.2 缸盖气道的设计与制造................ 54-58
4.3 进气歧管的设计与制造................ 58-61
4.4 气门体的设计与制造 ................61-63
4.5 本章小结 ................63-64
第5章 计算结果与试验结果对比................ 64-68
5.1 试验装备 ................64
5.2 对比分析................64-66
5.3 DAM10 与 DAM13 对照................ 66
5.4 本章小结................ 66-68
结论
在DAM10发动机进气系统的研究、设计及开发过程中，我们采用了一维非定常流动建模，通过验证证明了这种方法的实用性。本位阐述了进气系统对发动机的整机性能的重要影响。通过此项研究工作，结论如下：
(1) 通过专用软件建立了模拟DAM10型发动机工况的数值模型，并通过台架试验验证所建模拟模型的试验值与计算值接近，证明了此方案是适合的。同时也证明了采用此种方法开发的进气系统达到了初始设定的目标。
(2) 本文采用一维非定常流动方程对进气系统管道进行计算，具体介绍了基本无振荡有限体积法。即使流量计算具有很高的精度同时也保证了计算出来的数值通量是稳定的。
(3) 进气歧管的结构参数对不同工况下发动机的性能有着不同的影响，进气歧管直径大而长度短对提高发动机高速功率有利，进气歧管直径小而长度长对提升发动机中低速扭矩有利。在无法采用可变进气歧管的情况下，需要在兼顾发动机高低速性能前提下折衷处理出现在固定进气歧管上的这种相互影响、互相矛盾的因素。(4) 实践证明，采取模拟模型计算、CAD、CAM、台架试验验证相结合的开发模式已经取得了很好的效果，可以在产品开发中采用。采取这种开发模式减少了初期样件研制投资，降低了由于盲目投入带来的产品开发风险；同时缩短了零部件毛坯研制时间，压缩了产品开发周期，提高了开发成功率。
参考文献
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