基于ANSYS的汽车用废气涡轮机进气管路优化设计与分析.pdf
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1、2 0 1 1 年第1 期(总第2 3 4 期)农业装备与车辆工程A G R I C u【J U R A LE Q U l P M E N T V E H I C I 正E N G I N E E R I N GN o 12 0 1 l(T o t a l l y2 3 4)d o i:1 0 3 9 6 9 j i S s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 1 0 1 0 0 2基于A N S Y S 的汽车用废气涡轮机进气管路优化设计与分析李建伟,张学义,张庆乡,尹红彬,王于娟(山东理工大学交通与车辆工程学院,山东淄博2 5 5 0 4 9)摘要:利用热力学第二定律的蛹概念及
2、J I|分析方法对发动机废气能量传递过程进行分析找出废气中各部分能量的分布状况及传递过程中的主要损失部位为采取新的措施来减少能量传递过程中可用能的不必要损失提供理论依据利用A N s Y s 兀0 T R A N 有限元分析软件对所设计废气涡轮机的M P C 进气管道系统进行流场速度分析和压力分析来对其结构进行优化以减少废气流动过程中能量的不必要损失。关键词:废气能量;A N S Y S;流场分析;炯分析;汽车中图分类号:U 4 6 4 2 2文献标识码:A文章编号:1 6 7 3 3 1 4 2(2 0 1 1)0 l 删0 4O p t i m a lD 幅i 驴a n dA 眦l y s
3、 i so ft h eE】|【l l a u s tT u r b i 玳A i r _ i n t a k eP i p e U 耻o nV e l l i c 恼B a s e d 伽A N S Y SuJ i a n w e i,z H A N Gx u e y i,z H A N GQ i n g-x i 蛐g,Y I NH o n g _ b i n,w A N GY u-j u 如(S c h o o lo fT r 粕s p o r t a t i o n 蚰dV e h i c l eE n g i n e e r i n g,S h a n d o n gU n i v e
4、 璐畸o fT e c h l o g y,z i b o 帮5 0 4 9,C h i n a)A b l t l m c t:T h ec a u 跎o ft I l ee n g i n ee x h a u s t,se n e。g yt m n s f e rw 鹊粕a l y z e db yt l l ec o n c e p to fe x e r g ya n de x e r g ya n a l y s i 8o ft h ec o n dt I I e o r yo ft I e m I o d y n 砌i c s T h ed i s t r i b u t i o
5、 n0 ft l l ev 捌o u 8p a n so fe x I l a u s te 眦r g yw i d e n t i f i e d 艄t op m v i d eat I e o r e t i c a lb 舾i sf o rt a k i I l gn e wm e 鹪u 陀8t or e d u c et l eu n n e c e s s a r yl o s so ft l l ea v a i l a b l ee n e r g yd u 而n gt h ee n e r g yt r a n s f e rp r o c e 8 s T h ev e l o
6、 c i t y 蛐a l y s i so fn u i d 粕dp 陀s s u 陀a n a l y s i sw a sc o n d u c t e dt h m u g ht h eA N S Y S F L O T R A Nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f h a 陀鹪t 0o p t i m i 舱t l I es t n l c t u 弛o ft h ed e s i g n e dM P Ca i r i n t a k ep i p e l i n es y s t e m“t h ee x h 叫s tt u r b
7、 i 腿a n dr e d u c et h ee n e r g);d e g r a d a t i o n K e y w o r d s:e x h 叫s te n e r g y;A N S Y S;n u i da n a l y s i 8;e x e r g y 明a l y s i s;v e h i c l e1 引言随着社会经济的迅速发展,作为世界汽车第一产销大国,汽车所消耗的能源在总能源消耗中所占的比例越来越高,环境问题日益严重节能与环保已成为当今世界关注的热点,也是车用动力技术发展的两个主要目标,如何实现汽车的节能已成为当今世界汽车工业发展的主题。汽车的经济性是衡量
8、汽车性能的重要指标而燃料在汽车发动机气缸中燃烧的总能量仅有2 5 4 0 转变为有效功,其余6 0 7 5 都通过废气、冷却介质及零部件表面等途径散失掉了。其中2 5 5 0 的能量则通过排气管道以废气的形式排掉。有效利用汽车废气的能量是实现汽车节能、降低汽车能源消耗的一种有效途径。目前废气涡轮增压技术的成功运用说明了收稿日期:2 0 l o-1 2 一1 6作者简介:李建伟(1 9 8 7 一),男,山东理工大学在读硕士研究生,研究方向:汽车电子电气与电动车技术。一4 一废气能量利用的可行性。利用汽车废气驱动涡轮带动发电机发电f 2 。不仅充分利用了发动机废气t的能量,提高了能量利用率,而且
9、也符合国家节能政策。因此,减少废气能量在传递过程中不必要的损失具有十分重要的意义。2 废气能量的炯分析2 1 分析的基本原理在内燃机中燃料在汽车发动机中燃烧的总能量有2 5 4 0 转变为有效功,其余大部分能量被浪费掉。传统的分析方法基于热力学第一定律在数量上说明了能量在转化传递过程中的守恒关系并没有解决系统变化的方向问题以及能量质量的变化问题,故无法找到能量消耗的真正原因。能量具有质和量两种属性在系统的传递过程中会自发地向能量降低的方向进行。虽然系统变化前后能量的数量可能相等。但其能量的品质已经降低当能量品质降到一定的程度时就会变为废万方数据李建伟等:基于A N s Y S 的汽车用废气涡轮
10、机进气管路优化设计与分析2 0 1 1 年1 月热浪费掉。热力学第二定律指明了能量在传递转化过程中的明确方向。炯是继熵之后描述热力学第二定律的具有状态函数性质的热力学参数在一般的环境条件下,某种形式的能量或某种状态的物质。从初始状态经过完全可逆的过程(传热、传质、化学反应等)达到与环境相平衡的最终末态。在这个过程中该能量或该物质所能提供的最大功(3 为炯。用符号E表示,它是系统的属性。而在传递过程中耗散的部分为炯损,可以作为不可逆程度的一个尺度。炯分析方法是基于炯概念理论的能量分析方法。也是炯概念理论的直接应用,而不需要借鉴其他的理论和方法。在任何实际的能量转换和循环过程中都不可避免地存在某种
11、不可逆因素使能量中一部分能量炯的品质降低。即所有动力装置所能够完成的有用功量总是小于其自身输入热量的可用能在可逆的过程中即理想状态,炯值保持不变,这就是能量贬低原理。因此,在循环过程中不可逆性越大,可用能的损失也就越大。炯分析的基本出发点就是对系统的热过程进行炯平衡分析。寻找在循环过程中易产生炯损失的薄弱部位或环节,为节能提供可靠的理论依据。进而减少不必要和不合理的火用损失。炯分析方法的基本依据是炯平衡原理 引是指系统输出的有效的炯值与系统的各种炯损之和恒等于系统输入的炯值。其稳流条件下平衡方程式可以表示为:j 乙E x 专E x 产乙E x t+W+D kio式中凰i、眈。流人和流出系统的炯
12、流率:眈。、W 一系统与外界所交换的热炯和功:D。烟损。2 2 发动机废气能量炯损的计算热能通常是通过燃料燃烧由化学能转化而来。燃料的化学能属于炯,丽热能不完全是炯,当燃料在发动机内燃烧由化学能转化为热能的过程中必然存在着炯损失。对发动机燃料从汽缸内燃烧到排气整个过程进行炯分析。在该过程中产生炯损的过程主要有燃烧过程、冷却散热、摩擦损耗及驱动附属装置、排放废气和对外做功等。1)燃烧过程燃烧过程由不完全燃烧和燃烧不可逆两部分构成。1k g 燃料完全燃姚的烟气所具有的炯值为:,一垦1E 一巩l1(昝乃)l n 争I式中日。广燃料的低热值;野燃烧过程的初始温度;卜最高温度;一环境标准参数。燃烧过程中
13、燃料的化学炯E。倒可以由下式计算:置旷矾(1 0 0 3 8+0 1 3 6 5 岩辫+8 詈器m 叭叫詈器)式中(C)、(H)、(D)、(S)一燃料当中C、日、D、S 的质量分数,可以从柴油型号中得到 5 l。由不完全燃烧造成的姗损系数为:缸笔式中E,矿_ 不完全燃烧烟气所含的炯值;最知广燃料的化学炯。燃烧不可逆造成炯损系数为结盟盘L,J 谢2)冷却散热过程冷却过程中热量的损失主要包括:一部分是实际循环中工质与缸壁的传热损失、废气通过排气道时传给冷却介质的损失、活塞与缸壁摩擦润滑油传给介质的损失等,这部分是发动机工作过程所必需的:另一部分则是冷却介质向外部环境散热造成的损失。由冷却介质造成的
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