摘要
椭圆活塞旋转发动机作为旋转活塞式内燃机的一种，其设计理念最早诞生于19世纪初，与三角转子机一样有着体积小、质量轻、转速高、扭矩均匀及功重比高等优点，且由于独立的燃烧室结构具有较高的压缩比。而改善进气特性差对实现该发动机的高效率、高动力性至关重要。本文利用三维仿真软件实现对发动机进气系统进行设计及优化，针对其两种进气系统、进气口开启关闭相位以及进气口形状依次进行分析对比，探究其对发动机的缸内压力分布、进排气质量流量、充量系数、进气过程泵功损失、缸内平均涡度及湍流动能等参数的影响。 本文在建模软件CATIA中搭建发动机计算域几何模型，通过导入仿真软件CONVERGE,对其网格进行局部修改与细化。将计算域模型划分边界与区域，并设置边界条件与转子运动轨迹方程;设定发动机缸内的密封边界。输入基本控制方程来满足流体的基本流动需求。选取RNG k-ε模型作为本文的湍流模型，完成物理计算域模型的搭建。对模型进行网格无关性验证。利用LP公司X4发动机实验缸压数据，对相同运行工况与条件下的椭圆活塞旋转发动机模型进行验证，完成其数值仿真模型。 在3500rpm和7000rpm两种转速下探究偏心轴进气系统与端盖进气系统性能与进气特性。结果表明当转速为3500rpm时，偏心轴进气系统相较于端盖进气系统的压力更高，压力分布均匀，但气体回流现象更为严重。偏心轴进气系统的充量系数比端盖进气系统高3.01％，在进气过程泵功损失仅为端盖进气系统的58％。但在进气与压缩阶段，偏心轴进气系统缸内的涡度与湍流动能却小于端盖进气系统;其中较高的涡度于湍流动能可以使混合气更加均匀且有助于湍流的发展以及后续缸内燃烧的进行。当转速达到7000rpm时，偏心轴进气系统总体压力仍高于端盖进气系统。端盖进气系统充量系数为偏心轴进气系统的88％,泵功损失高于偏心轴进气系统，缸内涡度与湍流动能均小于端盖进气系统。两种进气系统的缸压、缸内气体总质量与发动机的充量系数随转速变化均呈现正态分布趋势;但进气过程的泵功损失、缸内的涡度与湍流动能随转速的变化存在正比线性关系;综合考虑，偏心轴进气系统的最优进气转速为5000rpm，端盖进气系统的最优进气转速为4000rpm。 基于端面进气系统对发动机进气端口相位的优化。将进气端口相位参数化定义为进气口开启相位和进气口关闭相位。结果表明，结果表明，在4000rpm时，将进气口关闭相位提前可以增加峰值缸压和充量系数，降低进气过程的泵功损失。但提前相位提高了第三区间的涡度与湍流动能。在7000rpm时，进气口关闭相位的延后虽然增大了进气过程的泵功损失，但充量系数，峰值缸压都会增加，且显著增加了第四区间的湍流动能和第五区间的涡度与湍流动能。两种转速下，提前进气口开启相位都可以提高发动机的峰值压力和充量系数，减小进气过程的损失。但在4000rpm时，进气口开启相位的延后可以大幅增加第五区间的湍流动能，在7000rpm时，进气口开启相位的延后同时提高了第三区间和第四区间湍流动能的大小，且对第五区间涡度与湍流动能影响较小。 探究四种不同进气口形状下对发动机的缸内流场与进气特性的影响。在上止点时，两种转速下方形进气口拥有最高的峰值压力、充量系数;较小的倒流质量流量和较大的进气流量，使得方形进气口拥有最多的缸内气体总质量;且燃烧室内部最初形成两个对抗涡团，最终统一为大尺度涡团。四种进气口在进气过程中为克服缸内的负压而消耗的泵功差距较小。椭圆活塞转子发动机在进气过程与压缩过程中气流随着转子的旋转受到压迫，形成多个涡团，缸内涡团的变化影响着发动机缸内的平均涡度与平均湍流动能大小。在两种转速下，方形进气口都在第三区间拥有较低的涡度与湍流动能，和在第五区间拥有较高的涡度与湍流动能，但在7000rpm时，梯形进气口在第四区间拥有较高的湍流动能，可以很好的降低发动机残余废气量。
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