【正文】 更好的 控制，仿真時(shí)間可 以 人為調(diào)整，所以時(shí)間上有著很強(qiáng)的操作性，同時(shí)也能節(jié)省實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)的效率。因?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真能進(jìn)行無數(shù)次的模擬實(shí)驗(yàn)。 發(fā)動(dòng)機(jī)常用仿真軟件 仿真軟件從 50 年代中期開始仿真軟件發(fā)展起來的。比如談海濤和左承基利用MATLAB /SIMULINK 軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真 [4]。例如在金融方面可進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，財(cái)務(wù)建模，在工程方面可進(jìn)行相應(yīng)制圖，運(yùn)算，在通信方面可進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)以及圖像的處理，還有通訊系統(tǒng)的設(shè)置等等。在該模型基礎(chǔ)上，把進(jìn)排氣管長度和直徑設(shè)置成變量，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)得到進(jìn)排氣管出口壓力和溫度變化的關(guān)系，并畫出圖形。因此，在各種科技方面都可以看到它的身影，如汽車、電力、輪船、飛機(jī)等。 3）燃燒與排放：對(duì)排放氣體進(jìn)行分析。 AVLBOOST AVLBOOST 是由 AVL 公司開發(fā)的仿真軟件。它可以很方便的與三維 CFD 仿真軟件 FIRE 耦合做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也可以與整車系統(tǒng)仿 真軟件 CRUISE 耦合進(jìn)行整車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。在發(fā)動(dòng)機(jī)模擬過程中， GTPower 不僅提供了多種多樣的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型，而且提供了 CAD， Simulink/MATLAB 的耦合 接口 。 GTPower 軟件作為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化的工具，根據(jù)上述所說的優(yōu)勢以及它強(qiáng)大的功能，越來越受各大汽車廠商和各大汽車科研機(jī)構(gòu)的青睞。 3）通過仿真軟件對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行噪聲實(shí)驗(yàn)分析，得出相應(yīng)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 GTPower 可以 優(yōu)化曲軸平衡； GTPower 可在 發(fā)動(dòng)機(jī)不同 工況下對(duì)排氣內(nèi)含 量成分的分析 ； GTPower 可對(duì) EGR 管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ； GTPower 能以曲線或 三維動(dòng)態(tài) 圖的方式呈現(xiàn)熱力和熱流的變化； GTPower 可用于廢氣旁通閥的設(shè)計(jì) 以及 進(jìn)排氣系統(tǒng)的噪聲分析 。 圖 GTPower 模塊圖 如圖 所示， GTPower 主要由數(shù)據(jù)庫、導(dǎo)航圖、 模型管理、模型區(qū)域四個(gè)模塊上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 GTPower 汽油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 10 組成。 Thermal： 額外 的熱計(jì)算模塊。 Control： 與控制系統(tǒng)有關(guān)的模塊。 General： 通用的模塊。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最基本的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置時(shí)，都必須要在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫模塊中進(jìn)行設(shè)置。汽油機(jī)的動(dòng)力性與進(jìn)氣量有關(guān)，進(jìn)氣量的多少則與進(jìn)排氣管結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。圖 和圖 所示。把該空氣濾 清器的模型轉(zhuǎn)換成 GTPower 中的元件模塊，再將該元件模塊用線段與相鄰的元件模塊進(jìn)行連接。然后將該模型的計(jì)算部件離散成小塊體積，并另存為 .dat文件 [11]。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 GTPower 汽油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 12 噴油器模型 噴油器對(duì)于整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，具有至關(guān)重要的作用。汽油機(jī)缸外噴射又可分為進(jìn)氣管噴射和進(jìn)氣道噴射兩種。 氣缸模型 氣缸是引導(dǎo)活塞在其中進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的圓筒形金屬機(jī)件。在該模型中主要設(shè)置的參數(shù)有活塞頂溫度、活塞溫 度、氣缸溫度、缸徑面積比等。 本文采用最常用的韋伯燃燒模型，整機(jī)模型如圖 所示。 ,如圖 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速為 7750r/min 時(shí)，汽油機(jī)功率為 左右，在誤差允許 10%內(nèi)，與原發(fā)動(dòng)機(jī)符合。汽油機(jī)的進(jìn)氣過程是一個(gè)十分繁雜的脈動(dòng)和諧振動(dòng)過程，這個(gè)過程與汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有十分密切的聯(lián)系。這個(gè)過程中充氣效率在很大程度上受進(jìn)氣管長度的影響，從而對(duì)汽油機(jī)產(chǎn)生影響。 充氣效率隨進(jìn)氣管長度變化規(guī)律如圖 所示。 進(jìn)氣管道長度適當(dāng)， 波從出發(fā)到回到氣缸時(shí)，進(jìn)氣門未關(guān)閉，則壓縮波就進(jìn)入到氣缸內(nèi)， 進(jìn)氣門處的壓力波 為增 壓波 ，此時(shí) 空氣將被迫進(jìn)到氣缸中，產(chǎn)生諧振增壓的效果。 扭矩隨進(jìn)氣管長度變化規(guī)律如圖 所示。這是因?yàn)槲矬w運(yùn)動(dòng)具有慣性， 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，氣缸充氣 不充分 ，活塞已經(jīng)從下 往 上 移動(dòng) ，充 氣效率降低，就會(huì)使進(jìn)入氣缸的氣體減少，燃燒不完全，無法高效的將內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，動(dòng)力性下降 ，扭矩下降。這是因?yàn)?如圖 所示， 進(jìn)氣管長度 越 短， 波從出發(fā)回到氣缸的時(shí)間與進(jìn)氣門開始到關(guān)閉的時(shí)間越一致，使更多高壓空氣進(jìn)入到氣缸，增壓效果越強(qiáng)， 充氣效率提高，燃燒更充分，燃油消耗量減少。由此可見進(jìn)氣管長度為 10mm 時(shí)，燃油消耗量 較 少，經(jīng)濟(jì)性 較 好。再根據(jù) GTPOST 得到發(fā)動(dòng)機(jī)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)直徑時(shí)的燃油消耗量、充氣效率、扭矩的數(shù)值，并在 EXCEL 表格中進(jìn)行記錄，繪制圖表。如圖 所示， 由于僅僅通過改變直徑，無法 改變膨脹波從出發(fā)回到氣缸的時(shí)間，形成更好的增壓波，得到增壓效果。由圖可見 進(jìn)氣管直徑為 45mm 時(shí)，汽油機(jī)充氣效率高。 因此對(duì)充氣效率的提高作用有限，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣沒有明顯增加，對(duì)汽油機(jī)動(dòng)力性影響較小。 油耗隨進(jìn)氣管直徑變化規(guī)律如圖 所示。這是因?yàn)?發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速增加，氣缸充氣 不充分 ，活塞動(dòng)作已經(jīng)從下 往 上 移動(dòng) ，因此充氣效率降低。 壓縮比優(yōu)化 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn) 行 時(shí)，每一 運(yùn)轉(zhuǎn)周期 所獲得的空氣量多少，是決定發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的基本因素，而發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣能力由發(fā)動(dòng)機(jī)容積效率和充填效率來衡量。打開 GTPOST，得到發(fā)動(dòng)機(jī)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)壓縮比時(shí)的燃油消耗量、扭矩、充氣效率的數(shù)值，并在 EXCEL 表格中進(jìn)行記錄，繪制圖表。當(dāng)密閉容器中的氣體受到壓縮時(shí)，壓力隨著溫度的升高而升高。 充氣效率隨壓縮比變化規(guī)律如圖 所示。由此可見壓縮比為 11 時(shí)，充氣效率較高。而當(dāng)壓縮比過大時(shí) ，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)有明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象，不但不能降低油耗，還會(huì)發(fā)生“爆燃”和“表面點(diǎn)火”等現(xiàn)象。這是因?yàn)槠蜋C(jī)轉(zhuǎn)速越大，需要消耗的功越多，燃油消耗量越大。這種效應(yīng)稱為進(jìn)氣波效應(yīng)。本文也采用該種方式，保持該段曲管長度為25mm 不變，通過這段曲管直徑的改變，改變諧振腔的體積。 充氣效率隨諧振腔容積變化規(guī)律如圖 所示。增大諧振箱容積 V,對(duì)應(yīng)的諧振轉(zhuǎn)速較高。因此諧振腔容積的增加， 起到氣流緩沖的作用，減弱進(jìn)氣壓力脈動(dòng)， 消除氣道內(nèi)的紊亂氣流，提高充氣效率。這是因?yàn)?當(dāng) 曲管 直徑一定時(shí)，隨著汽油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，充氣效率逐漸降低。 圖 扭矩隨諧振腔容積變化規(guī)律 由圖 可見 ， 當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，當(dāng)曲管直徑小于 25mm 時(shí)，汽油機(jī)扭矩隨著曲管直徑的增大而增大。當(dāng)曲管直徑相同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 GTPower 汽油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 24 的增加，汽油機(jī)扭矩逐漸減小。 圖 油耗隨諧振腔容積變化規(guī)律 由圖 可見 ，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，曲管直徑小于 30mm 時(shí)，隨著曲管直徑的增加，汽油機(jī)燃油消耗量減少。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增加需要輸出的功率越大，輸出的機(jī)械能越大，燃油消耗越多，使更多的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。對(duì)汽車排氣系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，科研人員一般都采用兩種方式。在 19 世紀(jì)的時(shí)候人們就已經(jīng)將它進(jìn)行應(yīng)用，在 20 世紀(jì)之后隨著計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展，特征線法也同樣在此基礎(chǔ)上得到更 好的應(yīng)用。但是由于在實(shí)際研究問題操作過程中，為了不讓操作流程過于復(fù)雜，在一般研究中，科研人員大多采用第一種方法。 本文研究的排氣管是由彎曲的管道和垂直的管道兩個(gè)部分組成的，在建立模型時(shí)，把排氣管分為四段，分別是 1 段的彎曲段， 2 段的垂直段， 3 段的彎曲段，以及 4段的垂直段。打開 GTPOST，得到汽油機(jī)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)直徑時(shí)的燃油消耗量、扭上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 GTPower 汽油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 26 矩、充氣效率的數(shù)值 ，得出數(shù)據(jù)，繪制圖表。 當(dāng)排氣管 1 直徑一定時(shí)，汽油機(jī)充氣效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。由此可見 排氣管 1 直徑為 15mm時(shí)，汽油機(jī)充氣效率較高。這是因?yàn)榕艢夤苤睆竭^大， 排氣 十分順 暢，排氣背壓不足， 排氣門提前開啟，在活塞達(dá)到下止點(diǎn)前，仍具有一定壓力的燃?xì)?通過 排氣門排 出 ，損失 機(jī)械能， 扭矩減小，甚至造成起步無力 [20]。 因此 就呈現(xiàn)出曲線下降的趨勢。 當(dāng)排氣管直徑大于 15mm 時(shí)，隨著直徑增大，汽油機(jī)油耗 增加。由此可見 ，排氣管 1 直徑為 15mm 時(shí)，燃油消耗量較少，汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能較好。打開 GTPOST，得到汽油機(jī)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)直徑時(shí)的燃油消耗量、扭矩、充氣效率的數(shù)值，得出數(shù)據(jù)，繪制圖表。 提高充氣效率。 這是因?yàn)?氣缸充氣需要時(shí)間，活塞下行時(shí)氣缸充氣，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，氣缸充氣 不充分 ，活塞動(dòng)作已經(jīng)從下 往 上 移動(dòng) ，充氣效率降低。 造成結(jié)果的原因與圖 的原因相同， 隨著排氣管直徑增大，汽油機(jī)排出的廢氣更徹底，留在整個(gè)進(jìn)排氣系統(tǒng)廢氣減少，新鮮空氣進(jìn)入氣缸總量增加，提高充氣效率，輸出更 多的機(jī)械能。由此可見，排氣管 2 直徑為 15mm 時(shí)，扭矩較大 ,動(dòng)力性較好。 造成結(jié)果的原因與圖 的原因相同 ,隨著排氣管直徑增大，汽油機(jī)排出的廢氣更徹底，留在整個(gè)進(jìn)排氣系統(tǒng)廢氣減少，新鮮空氣進(jìn)入氣缸的量增加，燃燒更充分。 綜合上述 3 幅圖得出排氣管 2 直徑為 15mm 時(shí)，汽油機(jī)性能較好。 充氣效率隨排氣管 3 直徑變化規(guī)律如圖 所示。 當(dāng)排氣管3 直徑一定時(shí)，隨著汽油機(jī)轉(zhuǎn)速增加，汽油機(jī)充氣效率逐漸減小。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 GTPower 汽油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 32 圖 扭矩隨排氣管 3 直徑變化規(guī)律 由圖 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，排氣管 3 直徑小于等于 15mm 時(shí)，隨著排氣管直徑增大，汽油機(jī)扭矩逐漸增大。由此可見當(dāng)排氣管 3 直徑為 15mm 時(shí)，扭矩較大，汽油機(jī)動(dòng)力性較好。當(dāng) 排氣管 3 直徑大于 15mm 時(shí)，隨著直徑的增大，汽油機(jī)油耗增加。 綜合上 述 3 幅圖得出排氣管 3 直徑為 15mm 時(shí)，汽油機(jī)性能較好。 充氣效率隨排氣管 4 直徑變化規(guī)律如圖 所示。這是因?yàn)橹睆竭^大，排氣已 經(jīng)十分徹底 。 圖 扭矩隨排氣管 4 直徑變化規(guī)律 由圖 可見， 當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，排氣管 4 直徑小于等于 20mm 時(shí)，隨著排氣管直徑增大，汽油機(jī)扭矩逐漸增大。 在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)輕巧，節(jié)省制造成本原則，由此可見排氣管 4 直徑 為 20mm 時(shí)，扭矩較大，動(dòng)力性較好。當(dāng) 排氣管 4 直徑大于 20mm 時(shí)，汽油機(jī)燃油消耗量隨著排氣管直徑增大而增大。 由于這四段排氣管在制作過程時(shí)是連在一起的，因此四段排 氣管的直徑要相同，從上得出結(jié)論，排氣管 1， 2， 3 段直徑為 15mm 時(shí)，汽油機(jī)性能最佳，而排氣管 4 段。由此可見排氣管 4 直徑為 20mm 時(shí)，燃油消耗量較少，汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性較好。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 GTPower 汽油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 35 圖 油耗隨排氣管 4 直徑變化規(guī)律 由圖 可見 ，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，排氣管 4 直徑小于等于 20mm，隨著排氣管直徑增大，汽油機(jī)燃油消耗量逐漸減小。當(dāng) 排氣管 4 直徑大于 20mm 時(shí)，汽油機(jī)扭矩 汽油機(jī)扭矩受排氣管直徑影響很小。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)輕巧，節(jié)省制造成本原則，由此可見排氣管 4 直徑 為 20mm時(shí)，充氣效率較高。造成結(jié)果的原因與圖 的原因相同， 隨著排氣管直徑增大，汽油機(jī)排出的廢氣量更加多，更加徹底，留在整個(gè)進(jìn)排氣系統(tǒng)的廢氣就會(huì)減少，從而讓更多新鮮空氣進(jìn)入氣缸中 ， 提高了充氣效率。在汽油機(jī)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬的模型中，把排氣管 4 段直徑分為 10mm， 13mm， 15mm， 20mm， 25mm， 30mm 這 6 個(gè)階段，并依次在轉(zhuǎn)速為 6750r/min， 7000r/min， 7250r/min， 7500r/min， 7750r/min 時(shí)進(jìn)行模擬計(jì)算。由于 排氣管直徑過大，排氣十分 順暢，排氣背壓不足，排氣門提前開啟，活塞達(dá)到下止點(diǎn)前，仍具有一定壓力的燃?xì)馔ㄟ^排氣門排出，油耗變高 [20]。 圖 油耗隨排氣管 3 直徑變化規(guī)律 由圖 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，排氣管 3 直徑小于等于 15mm 時(shí)，隨著排氣管直徑增大，汽油機(jī)燃油消耗量逐漸減小。當(dāng) 排氣管 3 直徑大于 15mm 時(shí)，汽油機(jī)扭矩受排氣管直徑影響很小。由此可見 排氣管 3 直徑為 15mm 時(shí)，汽油機(jī)充氣效率較高。造成結(jié)果的原因與圖 的原因相同， 隨著排氣管直徑增大，汽油機(jī)排出的廢氣量更加多，更加徹底，留在整個(gè)進(jìn)排氣系統(tǒng)的廢氣就會(huì)減少，從而讓更多新鮮空氣進(jìn)入氣缸中 ， 提高了充氣效率。在汽油機(jī)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬的模型中，把排氣管 3 段直徑分為 10mm ， 13mm， 15mm， 20mm， 25mm， 30mm 這 6 個(gè)階段，并依次在轉(zhuǎn)速為 6750r/min， 7000r/min， 7250r/min， 7500r/min， 7750r/min 時(shí)進(jìn)行模擬計(jì)算。這是因?yàn)榕艢夤苤睆竭^大，排氣過于順暢，排氣背壓不足，排氣門提前開啟，活塞到達(dá)下止點(diǎn)前，仍具有一定壓力的燃?xì)馔ㄟ^排氣門排出，油耗增加 [20]。 圖 油耗隨排氣管 2 直徑變化規(guī)律 由圖 可見 ，當(dāng)排氣管 2 直徑一定 時(shí)，隨著汽油機(jī)轉(zhuǎn)速增加，汽油機(jī)燃油消耗率逐漸增加。 當(dāng)排氣管 2 直徑一定時(shí)，隨著汽油機(jī)轉(zhuǎn)速增加，汽油機(jī)扭矩逐漸減小。 扭矩隨排氣管 2 直徑變化