【正文】 工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 2 進氣管直徑優(yōu)化 .................................................... 17 壓縮比優(yōu)化 ........................................................ 19 諧振腔容積優(yōu)化 .................................................... 22 5 排 氣系統(tǒng)優(yōu)化 ........................................................ 24 排氣管 1 段直徑優(yōu)化 ................................................. 25 排氣管 2 段直徑優(yōu)化 ................................................. 28 排氣管 3 段直徑優(yōu)化 ................................................ 31 排氣管 4 段直徑優(yōu)化 ................................................ 33 排氣管 2 段長度優(yōu)化 ................................................ 35 排氣管 4 段長度優(yōu)化 ................................................ 37 優(yōu)化結果匯 總 ...................................................... 41 6 結論 ................................................................ 42 參考文獻 .............................................................. 44 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 3 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 1 摘 要 隨著時代的發(fā)展，石油資源越來越匱乏，環(huán)境污染越來越嚴重，節(jié)能減排勢在必行。在這數(shù) 百年來，內燃機始終是現(xiàn)代交通工具的主要動力。這早已不能適應現(xiàn)代技術快速前進的腳步。從 1970 年代英國的曼切斯特理工大學用 MK14 對發(fā)動機進行仿真模擬，到 1980 年各大商業(yè)公司對發(fā)動機模擬仿真軟件進行開發(fā)，如最常用的奧地利 AVL 公司旗下的 BOOST 軟件，美國Gamma 公司的 進行模擬實驗?，F(xiàn)實生活中的很多問題是沒有辦法通過具體實驗來運行的，有的采用理論分析和數(shù)學計算方法很難準確求解，但計算機仿真模擬可以通過“數(shù)值實驗”方法，來解決實際運行無法解決的問題。在發(fā)動機研究設計的全部階段都可以應用 Ricardo WAVE 軟件，不管是在研發(fā)設計前的模型階段還是在研發(fā)完成后的優(yōu)化設計階段，都可用于汽油 機各種性能的模擬。 GTPower GTPower 是 Gamma Technologies 公司研發(fā) 和 制造的內燃機模擬仿真軟件，已經廣泛在市場上進行普及與使用。圖 為建立模型采用的模塊圖。 本文主要用到 Flow， Mechanical， Control， General 這幾個數(shù)據(jù)庫模塊。為了使科研人員在使用時可以針對不同空氣濾清器進行研究，在該模塊中加入了實驗常用的一些組件，如直管、彎管、同心管、打孔管、擋板等。這兩個模型是汽油機氣缸模型中使用最頻繁的模型。由于汽油機進氣流動是一種不穩(wěn)定流動，因此進氣門處壓力以及氣體速度會不停的發(fā)生變化，使充氣效率發(fā)生變化。當進氣管長度 一定時，汽油機扭矩隨著發(fā)動機轉速的增加而減小。這是因為進氣管直徑加大，瞬時進入進氣管的空氣增多，進入氣缸的空氣總量增加，充氣效率提高 。 當進氣管直徑一定時，汽油機燃油消耗量隨著轉速的增加而增加。 由此可見壓縮比 11 時，扭矩 較 大，動力性 較 好。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 22 諧振腔容積優(yōu)化 由于進氣過程具有間歇性與周期性，致使進氣管內產生一定幅度的壓力波，此壓力波以聲速的形式在進氣系統(tǒng)內傳播和往復反射，如果利用一定長度和直徑的進氣管和一定容積的諧振室組成諧振進氣系統(tǒng)，并使其固有頻率與氣門的進氣周期協(xié)調，那么在特定轉速下，就會在進氣門關閉之前，在進氣管內產生大幅度的壓力波，是進氣管壓力增高，從而增加進氣量 [14]。 反之，則相反 [15]。 油耗隨諧振腔容積變化規(guī)律如圖 所示。對研究汽油機排氣系統(tǒng)而言，假設任何時刻的排氣管內的壓力以及溫度在順著管路位置方向數(shù)值是不穩(wěn)定的，是動態(tài)變化的，因此該計算方法的準確度比有限容積法要高。因此就呈現(xiàn)出曲線稍微下降的趨勢。這是因為這是因為物體運動具有慣性， 發(fā)動機轉速增加，氣缸充氣 不充分 ，活塞動作已經下 往上 移動 ，充氣效率降低，就會使進入氣缸的氣體減少，燃燒不完全， 燃油消耗量增加 。 圖 扭矩隨排氣管 2 直徑變化規(guī)律 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 30 由圖 可見 ，當轉速一定時，排氣管 2 直徑小于等于 15mm 時，隨著排氣管直徑增大，汽油機扭矩逐漸增大。打開 GTPOST，得到汽油機在相應轉速，相應直徑時的燃油消耗量、扭矩、充氣效率的數(shù)值，得出數(shù)據(jù)，繪制圖表。 造成結果的原因與圖 的原因相同 ,隨著排氣管直徑增大，汽油機排出的廢氣更徹底，留在整個進排氣系統(tǒng)廢氣減少，新鮮空氣進上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 33 入氣缸的量增加，燃燒更加充分。 扭矩隨排氣管 4 直徑變化規(guī)律如圖 所示。 綜合上述 3 幅圖得出排氣管 4 直徑為 20mm 時，汽油機性能較好。當 排氣管 4 直徑大于上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 34 20mm 時，汽油機充氣效率受排氣管 4 直徑影響很小 。 在轉速 7500r/min 到 7750r/min 時，排氣管直徑25mm， 30mm 幾乎在同一直線上。由此可見 排氣管 2 直徑為 15mm 時，燃油消耗量較少，汽油機經濟性好。 當排氣管 2 直徑一定時，隨著汽油機轉速增加，汽油機充氣效率逐漸減小。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 28 圖 油耗隨排氣管 1 直徑變化規(guī)律 由圖 可見 ， 當汽油機轉速一定時， 排氣管 1 直徑小于等于 15mm 時，隨著直徑的增大汽油機油耗減小，這是因為 圖 所示 排氣管直徑增加使 汽油機排出的廢氣量更加徹底，留在整個進排氣系統(tǒng)的廢氣就會減少，進入氣缸中的新鮮空氣增加，進氣更充分，燃燒完全，降低燃油消耗量。 這是因為 隨著排氣管直徑增大，汽油機排出的廢氣量更加多，更加徹底，留在整個進排氣系統(tǒng)的廢氣就會減少，從而讓更多新鮮空氣進入氣缸中 。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。所以當 曲管直徑為 30mm， 35mm， 40mm 時，扭矩較大，并較為接近。因此 ,諧振箱容積 對 壓力波形態(tài)及諧振強度有影響。當壓縮比一定時，汽油機油耗隨著轉速的增加而增加。這是因為 汽油 發(fā)動機 在運轉時，吸進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，同時也發(fā)生了 渦流 和 紊流 兩種現(xiàn)象。由此可見進氣管直徑為 45mm 時，扭矩 較 大，動力性 較 好。在發(fā)動機原有數(shù)據(jù)進行模擬的模 型中，將進氣管直徑分為 25mm， 30mm， 35mm， 37mm， 40mm， 45mm 這 6 個階段，并依次在轉速為 6750r/min， 7000r/min， 7250r/min， 7500r/min， 7750r/min 時進行模擬。由此可見進氣管長度為 10mm 時，進氣管長度比較適當 ，充氣效率 較 高 。進氣系統(tǒng)主要的作用是為汽油機燃燒提供足量新鮮的空氣，提高充氣效率，提高汽油機動力性 和經濟性 [12]。在這個模型中，需要輸入空燃比、噴油速率、供給氣缸、噴油正時、燃油種類以及噴油溫度等。第一種方法，可以直接通過對客觀物體的觀察，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，并對這個圖形進行相應的離散，生成 .dat 的文件。如監(jiān)視器等。 6）對發(fā)動機排氣系統(tǒng)的廢氣進行優(yōu)化設計，減少廢氣。其多樣的建模深度既滿足了單獨部件開發(fā)也同樣適用于整體系統(tǒng)仿真的需求。不僅節(jié)約了大量的時間而且還節(jié)省了大量的人力，財力，物力。 3）模擬試驗的優(yōu)化性。 3) 通過改變壓縮比得到發(fā)動機在相應轉速時燃油消耗量、充氣效率、扭矩的數(shù)值，并進行分析，實現(xiàn)優(yōu)化。 發(fā)動機研究現(xiàn)狀 隨著科技不斷進步，發(fā)動機研究模式也不斷改變。內燃機已延伸出一個基本成熟的機械體系。其次通過對計算機仿真技術應用、優(yōu)點的介紹，引出常用發(fā)動機仿真軟件的介紹和應用，如 MATLAB/SIMULINK 軟件、 Ricardo WAVE 軟件、 AVLBOOST 軟件和GTPower 軟件。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。在發(fā)動機研究和開發(fā)的過程中，汽車制造商們和各研究機構都在計算機數(shù)值模擬仿真技術這一方面加大研究和開發(fā)的力度。第一步是建模又叫做從物理到數(shù)學的步驟，根據(jù)現(xiàn)實所存在的物理信息，按照其物理變化規(guī)律對事物外界的影響，進行簡化，把物體從物理的運動狀態(tài)轉變到數(shù)學的模型方程式中。比如談海濤和左承基利用MATLAB /SIMULINK 軟件對發(fā)動機進排氣系統(tǒng)進行建模與仿真 [4]。 3）燃燒與排放：對排放氣體進行分析。 GTPower 軟件作為發(fā)動機設計優(yōu)化的工具，根據(jù)上述所說的優(yōu)勢以及它強大的功能，越來越受各大汽車廠商和各大汽車科研機構的青睞。 Thermal： 額外 的熱計算模塊。汽油機的動力性與進氣量有關，進氣量的多少則與進排氣管結構有很大的關系。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 12 噴油器模型 噴油器對于整個發(fā)動機而言，具有至關重要的作用。 本文采用最常用的韋伯燃燒模型，整機模型如圖 所示。 充氣效率隨進氣管長度變化規(guī)律如圖 所示。這是因為 如圖 所示， 進氣管長度 越 短， 波從出發(fā)回到氣缸的時間與進氣門開始到關閉的時間越一致，使更多高壓空氣進入到氣缸，增壓效果越強， 充氣效率提高，燃燒更充分，燃油消耗量減少。由圖可見 進氣管直徑為 45mm 時，汽油機充氣效率高。 壓縮比優(yōu)化 發(fā)動機運 行 時，每一 運轉周期 所獲得的空氣量多少，是決定發(fā)動機動力的基本因素，而發(fā)動機的進氣能力由發(fā)動機容積效率和充填效率來衡量。由此可見壓縮比為 11 時，充氣效率較高。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。這是因為 當 曲管 直徑一定時，隨著汽油機轉速的增加，充氣效率逐漸降低。這是因為轉速增加需要輸出的功率越大，輸出的機械能越大，燃油消耗越多，使更多的內能轉化為機械能。 本文研究的排氣管是由彎曲的管道和垂直的管道兩個部分組成的，在建立模型時，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。這是因為排氣管直徑過大， 排氣 十分順 暢，排氣背壓不足， 排氣門提前開啟，在活塞達到下止點前，仍具有一定壓力的燃氣 通過 排氣門排 出 ，損失 機械能， 扭矩減小，甚至造成起步無力 [20]。打開 GTPOST，得到汽油機在相應轉速，相應直徑時的燃油消耗量、扭矩、充氣效率的數(shù)值，得出數(shù)據(jù)，繪制圖表。由此可見，排氣管 2 直徑為 15mm 時，扭矩較大 ,動力性較好。 當排氣管3 直徑一定時，隨著汽油機轉速增加，汽油機充氣效率逐漸減小。 綜合上 述 3 幅圖得出排氣管 3 直徑為 15mm 時，汽油機性能較好。 在發(fā)動機設計時考慮發(fā)動機輕巧，節(jié)省制造成本原則，由此可見排氣管 4 直徑 為 20mm 時，扭矩較大，動力性較好。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(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