【正文】 得出曲管直徑為 30mm 時(shí)，汽油機(jī)性能較好。不僅在單一問題上 可以得到 分析解， 在復(fù)雜的 問題上，也可得到 較精確的數(shù)值 解。 排氣管 1 段直徑優(yōu)化 本文通過排氣 管 1 段直徑的改變對(duì)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油消耗量、扭矩、充氣效率的影響進(jìn)行仿真模擬，得出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)速對(duì)充氣效率的影響程度稍大于直徑對(duì)充氣效率的影響程度。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 ，活塞動(dòng)作已經(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。 當(dāng)排氣管 1 直徑一定時(shí)，汽油機(jī)燃油消耗量隨著轉(zhuǎn)速的 升高 而增加。 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 29 圖 充氣效率隨排氣管 2 直徑變化規(guī)律 由圖 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，排氣管 2 直徑小于等于 15mm 時(shí)，隨著排氣管直徑增大，汽油機(jī)充氣效率逐漸提高。 扭矩隨排氣管 2 直徑變化規(guī)律如圖 所示。 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。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。由此可見 排氣管 3 直徑為 15mm 時(shí)，汽油機(jī)充氣效率較高。 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。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。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。 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。 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。 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。這是因?yàn)橹睆竭^大，排氣已 經(jīng)十分徹底 。 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。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。 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。由此可見，排氣管 2 直徑為 15mm 時(shí)，扭矩較大 ,動(dòng)力性較好。 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。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。 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。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]。 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。 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。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。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。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。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。增大諧振箱容積 V,對(duì)應(yīng)的諧振轉(zhuǎn)速較高。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。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。由此可見壓縮比為 11 時(shí)，充氣效率較高。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。 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。 油耗隨進(jìn)氣管直徑變化規(guī)律如圖 所示。由圖可見 進(jìn)氣管直徑為 45mm 時(shí)，汽油機(jī)充氣效率高。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。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。 扭矩隨進(jìn)氣管長度變化規(guī)律如圖 所示。 充氣效率隨進(jìn)氣管長度變化規(guī)律如圖 所示。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。 本文采用最常用的韋伯燃燒模型，整機(jī)模型如圖 所示。 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。 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。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。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。 General： 通用的模塊。 Thermal： 額外 的熱計(jì)算模塊。 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 。 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(shì)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。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。 3）燃燒與排放：對(duì)排放氣體進(jìn)行分析。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。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]。因?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真能進(jìn)行無數(shù)次的模擬實(shí)驗(yàn)。第一步是建模又叫做從物理到數(shù)學(xué)的步驟，根據(jù)現(xiàn)實(shí)所存在的物理信息，按照其物理變化規(guī)律對(duì)事物外界的影響，進(jìn)行簡化，把物體從物理的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到數(shù)學(xué)的模型方程式中。 4) 通過改變排氣管直徑和長度得到發(fā)動(dòng)機(jī)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速時(shí)燃油消 耗量、充氣效率、扭矩的數(shù)值，并進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。在發(fā)動(dòng)機(jī)研究和開發(fā)的過程中，汽車制造商們和各研究機(jī)構(gòu)都在計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真技術(shù)這一方面加大研究和開發(fā)的力度。以前發(fā)動(dòng)機(jī)研究模式是依靠設(shè)計(jì)繪制出圖紙，再根據(jù)繪制出的圖紙制造出相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，之后利用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)分析，得 出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選擇較優(yōu)的方案進(jìn)行改進(jìn)。這巨大的石油需求消耗量下隱藏著汽車人均保有量的飛速增長。 1950 年左右在內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品中大量使用了增壓技術(shù)。其次通過對(duì)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用、優(yōu)點(diǎn)的介紹，引出常用發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件的介紹和應(yīng)用，如 MATLAB/SIMULINK 軟件、 Ricardo WAVE 軟件、 AVLBOOST 軟件和GTPower 軟件。 本文首 先介紹能源消耗和環(huán)境污染目前的形勢(shì)分析，以及發(fā)動(dòng)機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。內(nèi)燃機(jī)已延伸出一個(gè)基本成熟的機(jī)械體系。 從中國石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布的相關(guān)資料顯示 2021 年我國石油消耗量 23300 萬噸， 2021 年我國石油消耗量 32700 萬噸， 2021 年石油消耗量 42900萬噸， 2021 年石油消耗量 53367 萬噸，預(yù)計(jì)到 2021 年中國表觀石油消耗量 億噸，同比增長百分之 ，而國內(nèi)原油產(chǎn)量仍低于 2 億噸，我國對(duì)進(jìn)口 石油量的依存度將升至為百分之 。 發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀 隨著科技不斷進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)研究模式也不斷改變。越來越多的科學(xué)研究人員采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方式來解決發(fā)動(dòng)機(jī)在工程應(yīng)用技術(shù)上產(chǎn)生的問題。 3) 通過改變壓縮比得到發(fā)動(dòng)機(jī)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速時(shí)燃油消耗量、充氣效率、扭矩的數(shù)值，并進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。仿真技術(shù)分為 3個(gè)步驟。 3）模擬試驗(yàn)的優(yōu)化性。 科研人員 通過仿真軟件對(duì)汽車進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。不僅節(jié)約了大量的時(shí)間而且還節(jié)省了大量的人力，財(cái)力，物力。 2）聲學(xué)特性分析：通過對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)的研究從而減少噪音。其多樣的建模深度既滿足了單獨(dú)部件開發(fā)也同樣適用于整體系統(tǒng)仿真的需求。 現(xiàn)在國家政策對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放要求越來越高，國內(nèi)外的各大汽車廠商以及各大科研機(jī)構(gòu)都希望制造出更舒適，更省油，更環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)。 6）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的廢氣進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少廢氣。 Mechanical： 這一模塊主要是機(jī)械部件，比如發(fā)動(dòng)機(jī)體、曲軸以及一些金屬特性的數(shù)據(jù)等。如監(jiān)視器等。進(jìn)排氣管結(jié)構(gòu)與充氣效率緊密相關(guān)。第一種方法，可以直接通過對(duì)客觀物體的觀察，利用 CAD 軟件繪制出 3D 模型，再通過 CAD 軟件將模型另存為 STL 文件，再用GTSuite 軟件將該 STL 文件打開，并對(duì)這個(gè)圖形進(jìn)行相應(yīng)的離散，生成 .dat 的文件。這種方法較簡單，且對(duì)結(jié)果影響不大 。在這個(gè)模型中，需要輸入空燃比、噴油速率、供給氣缸、噴油正時(shí)、燃油種類以及噴油溫度等。在該模型中主要設(shè)置的參數(shù)有發(fā)動(dòng)機(jī)的類型、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、轉(zhuǎn)速、摩擦損失功、缸徑、連桿長度、壓縮比、曲軸銷間隙等。進(jìn)氣系統(tǒng)主要的作用是為汽油機(jī)燃燒提供足量新鮮的空氣，提高充氣效率，提高汽油機(jī)動(dòng)力性 和經(jīng)濟(jì)性 [12]。打開 GTPOST，得到汽油機(jī)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)長度時(shí)的燃油消耗量、充氣效率、扭矩的數(shù)值，得出數(shù)據(jù)。由此可見進(jìn)氣管長度為 10mm 時(shí)，進(jìn)氣管長度比較適當(dāng) ，充氣效率 較 高 。 圖 油耗隨進(jìn)氣管長度變化規(guī)律 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 17 由 圖可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，進(jìn)氣管長度越短，汽油機(jī)燃油消耗量越 少 。在發(fā)動(dòng)機(jī)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬的模 型中，將進(jìn)氣管直徑分為 25mm， 30mm， 35mm， 37mm， 40mm， 45mm 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。這是因?yàn)?氣缸充氣需要時(shí)間，活塞下行時(shí)氣缸才充氣，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。由此可見進(jìn)氣管直徑為 45mm 時(shí)，扭矩 較 大，動(dòng)力性 較 好。 綜上所述 3 幅圖的結(jié)論得出當(dāng)進(jìn)氣管直徑為 45mm 時(shí)，汽油機(jī)性能最佳。這是因?yàn)?汽油 發(fā)動(dòng)機(jī) 在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，吸進(jìn)來的是汽油與空氣混合而成的混合氣，在壓縮過程中活塞上行，除了擠壓混合氣使之體積縮小之外，同時(shí)也發(fā)生了 渦流 和 紊流 兩種現(xiàn)象。進(jìn)入氣缸中的氣體總量增加，提高充氣效率。當(dāng)壓縮比一定時(shí)，汽油機(jī)油耗隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。在本次模型中，通過參考大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)很多科學(xué)研究人員在 GTPower 模型中，通過在進(jìn)氣管之前加入一段曲管，將這段曲管作為汽油機(jī)的諧振腔容積。因此 ,諧振箱容積 對(duì) 壓力波形態(tài)及諧振強(qiáng)度有影響。當(dāng)曲管直徑一定時(shí)，汽油機(jī)的充氣效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐 漸減小。所以當(dāng) 曲管直徑為 30mm， 35mm， 40mm 時(shí)，扭矩較大，并較為接近。當(dāng)曲管直徑一定時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，汽油機(jī)油耗增加。它是一種基于特征理論的求解雙曲線型的偏微分方程組的模擬方法。因此本文通過最簡單的排氣管長度，排氣管直徑這兩個(gè)方面來進(jìn)行汽油機(jī)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化。 這是因?yàn)?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