【文章內(nèi)容簡介】 ： 通用的模塊。如在不同環(huán)境下發(fā)動機的速度曲線以及一些相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 Compound： 用于用戶定義屬于自己的復(fù)合模塊 [17]。 本文主要用到 Flow， Mechanical， Control， General 這幾個數(shù)據(jù)庫模塊。對發(fā)動機最基本的結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置時，都必須要在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫模塊中進行設(shè)置。發(fā)動機元件模塊用方塊形的圖框表示，然后將相應(yīng)的元件模塊依照發(fā)動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)用線段進行相連，使發(fā)動機可以正常的運行，再將軟件所設(shè)計好的程序進行仿真計算就可以在 GTPOST 中得到相應(yīng) 的圖形數(shù)據(jù)。 發(fā)動機進排氣管模型 進排氣系統(tǒng)是影響發(fā)動機性能的關(guān)鍵因素。進排氣管結(jié)構(gòu)與充氣效率緊密相關(guān)。汽油機的動力性與進氣量有關(guān)，進氣量的多少則與進排氣管結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。本文依次改變汽油機進排氣管的直徑和長度，利用 GTPower 軟件 得出相應(yīng)的數(shù)值。為了降低噪音，增加發(fā)動機的回壓力，增強扭矩輸出，排氣管與進氣管稍微有點不同，排氣管是由彎曲管道和垂直管道兩個部分組成。因此將排氣管分成 4 個部分，在進行模型建立時也將排氣管分成了 4 個管道元件來設(shè)計，把這 4 個部分依次進行研究。圖 和圖 所示。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 11 圖 圖 在對進排氣管進行設(shè)置時，需要對相應(yīng)的一些參數(shù)進行設(shè)置，如進排氣管入口直徑、進排氣管出口直徑、長度、離散長度、所處環(huán)境的大氣壓力、溫度、進入管內(nèi)的氣體成分、進排氣管的表面粗糙度以及壁面溫度等。 空氣濾清器模型 空氣濾清器的建模方法有很多。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(yīng)的離散，生成 .dat 的文件。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行連接。第二種方法，直接利用 GT 軟件。 GT 軟件中有 GTMuffler模塊，在這個模塊中直接引用空氣濾清器的模型。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。然后將該模型的計算部件離散成小塊體積，并另存為 .dat文件 [11]。仿真研究時科研人員大多采用直管或三通管來代替空氣濾清器。本文采用直管來代替空氣濾清器。這種方法較簡單，且對結(jié)果影響不大 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(guān)重要的作用。汽油機噴射分為兩種一種是缸外噴射，一種是缸內(nèi)噴射。這兩者的主要區(qū)別是，缸外噴射主要是噴油器把汽油噴射在進氣管上，之后進氣管上的汽油受到高溫的影響，氣化，和新鮮空氣混合，成為可燃混合氣，之后混合氣進入氣缸進行燃燒。缸內(nèi)噴射主要是噴油器把汽油直接噴射在氣缸內(nèi)部，之后氣缸內(nèi)的汽油受到高溫的影響，霧化，和新鮮空氣混合后，成為可燃混合氣，之后火花塞點燃氣體劇烈膨脹，推動活塞做功。汽油機缸外噴射又可分為進氣管噴射和進氣道噴射兩種。本文采用的汽油機 噴射方式為進氣道噴射，選擇GTPower 噴油器模型中的 InjAFSeqConn 模型。這個模型可用于所有汽油發(fā)動機。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。 氣缸模型 氣缸是引導(dǎo)活塞在其中進行直線往復(fù)運動的圓筒形金屬機件?？蓪?nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能，并驅(qū)動機構(gòu)做相應(yīng)的機械運動。本文中氣缸傳熱模型采用 Woschni 模型，燃燒模型采用 EngCylCombSIWiebe 模型。這兩個模型是汽油機氣缸模型中使用最頻繁的模型。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。 曲軸箱模型 曲軸箱是動力輸出裝置，把活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)換為自身的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動車輛。本文研究對象為單缸，四沖程，直列式發(fā)動機。在該模型中主要設(shè)置的參數(shù)有發(fā)動機的類型、實驗?zāi)Ｊ健⑥D(zhuǎn)速、摩擦損失功、缸徑、連桿長度、壓縮比、曲軸銷間隙等。 本文采用最常用的韋伯燃燒模型，整機模型如圖 所示。 圖 整機模型圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 13 發(fā)動機模型驗證 為了驗證整機模型的正確性，對文中建立的模型進行驗證。由于實驗條件的限制，沒辦法通過具體實驗進行對比。只能通過仿真軟件進行模擬得到數(shù)值與 原發(fā)動機型號上的額定功率，額定轉(zhuǎn)速進行對比。 ,如圖 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速為 7750r/min 時，汽油機功率為 左右，在誤差允許 10%內(nèi)，與原發(fā)動機符合。 圖 發(fā)動機功率 圖 發(fā)動機充氣效率 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 14 圖 發(fā)動機扭矩 圖 發(fā)動機油耗 4 進氣系統(tǒng)優(yōu)化 發(fā)動機進氣系統(tǒng)，是指大氣中的新鮮空氣進入到氣缸中這整個過程中所涉及的所有部件。進氣系統(tǒng)的 性能 直接影響了整個發(fā)動機的性能，甚至 影響 整輛汽車的性能。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(jīng)濟性 [12]。汽油機的進氣過程是一個十分繁雜的脈動和諧振動過程，這個過程與汽油機進氣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有十分密切的聯(lián)系。 進氣管長度優(yōu)化 進氣管結(jié)構(gòu)與汽油機充氣效率緊密相關(guān)，對汽油機性能也十分重要。近年來，世界上很多科研人員進行過不計其數(shù)的實驗，發(fā)現(xiàn)進氣系統(tǒng)中管道長度與其管內(nèi)壓力波上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 15 有關(guān)。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。這個過程中充氣效率在很大程度上受進氣管長度的影響，從而對汽油機產(chǎn)生影響。 本文通過進氣管長度的改變對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃油消 耗率、扭矩、充氣效率的影響進行仿真模擬，并對得到的數(shù)據(jù)進行分析。在汽油機原有數(shù)據(jù)進行模擬的模型中，把進氣管長度分為 10mm， 15mm， 20mm， 25mm， 30mm， 35mm 這 6 個階段，并依次在轉(zhuǎn)速為 6750r/min， 7000r/min， 7250r/min， 7500r/min， 7750r/min 時進行模擬計算。打開 GTPOST，得到汽油機在相應(yīng)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)長度時的燃油消耗量、充氣效率、扭矩的數(shù)值，得出數(shù)據(jù)。 充氣效率隨進氣管長度變化規(guī)律如圖 所示。 圖 充氣效率隨進氣管長度變化規(guī)律 由圖 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，進氣管長度越短，汽油機充氣效率越高。這是因為 進氣門打開初期，活塞向下運動和氣流慣性。氣缸和進氣管內(nèi)都產(chǎn)生很大負壓，空氣從進氣管流入，氣缸中的膨脹波與其相反方向流出，波到達進氣口處后，又往氣缸方向反射回壓縮波，使氣缸內(nèi)壓力上升。 進氣管道長度適當(dāng)， 波從出發(fā)到回到氣缸時，進氣門未關(guān)閉，則壓縮波就進入到氣缸內(nèi)， 進氣門處的壓力波 為增 壓波 ，此時 空氣將被迫進到氣缸中，產(chǎn)生諧振增壓的效果。 反之則為 負壓波 。 空氣反而會回到進氣道中[21]。由此可見進氣管長度為 10mm 時，進氣管長度比較適當(dāng) ，充氣效率 較 高 。 扭矩隨進氣管長度變化規(guī)律如圖 所示。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 16 圖 扭矩隨進氣管長度變化規(guī)律 由圖 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，扭矩隨著進氣管長度的增加而減小。這是因為如圖 所示， 進氣管長度短， 波從出發(fā)回到氣缸的時間與進氣門開始到關(guān)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， 增加進入氣缸中新鮮空氣的質(zhì)量，充氣效率 提高 ，發(fā)動機燃燒更加完全，從而提高汽油機的動力性。當(dāng)進氣管長度 一定時，汽油機扭矩隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而減小。這是因為物體運動具有慣性， 發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，氣缸充氣 不充分 ，活塞已經(jīng)從下 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，無法高效的將內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能，動力性下降 ，扭矩下降。 由此可見進氣管長度為 10mm 時，扭矩 較 大，動力性 較 好。 油耗隨進氣管長度變化規(guī)律如圖 所示。 圖 油耗隨進氣管長度變化規(guī)律 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 17 由 圖可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，進氣管長度越短，汽油機燃油消耗量越 少 。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(guān)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。 當(dāng)進氣管長度一定時，油耗隨著 轉(zhuǎn)速的增加而加大 。這是因為 發(fā)動機進氣過程中，活塞向下運動氣缸充氣。如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速太高，由于氣門的運動慣性，氣缸充氣 不充分 ，活塞已從下 往 上 移動 ，充氣行程的時間就大大減少，新鮮氣體進入氣缸的總量就大大減少，燃油消耗量增加。由此可見進氣管長度為 10mm 時，燃油消耗量 較 少，經(jīng)濟性 較 好。 綜合上述 3 幅圖的結(jié)論得出當(dāng)進氣管長度為 10mm 時，汽油機性能最佳。 進氣管直徑優(yōu)化 本文通過對進氣管直徑改變對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃油消耗量、充氣效率、扭矩的影響進行仿真模擬，并對得到的數(shù)據(jù)進行分析。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(zhuǎn)速為 6750r/min， 7000r/min， 7250r/min， 7500r/min， 7750r/min 時進行模擬。再根據(jù) GTPOST 得到發(fā)動機在相應(yīng)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)直徑時的燃油消耗量、充氣效率、扭矩的數(shù)值，并在 EXCEL 表格中進行記錄，繪制圖表。 充氣效率隨進氣管直徑變化規(guī)律如圖 所示。 圖 充氣效率隨進氣管直徑變化規(guī)律 由圖 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，且轉(zhuǎn)速大于 7000r/min 時，進氣管直徑 越大充氣上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 18 效率越 高 。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 。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)回到氣缸的時間，形成更好的增壓波，得到增壓效果。 因此對充氣效率的提高作用有限，從圖中也可看出影響不大。 當(dāng)進氣管直徑一定時，隨著汽油機轉(zhuǎn)速的增加，充氣效率逐漸降低。這是因為 氣缸充氣需要時間，活塞下行時氣缸才充氣，發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，氣缸充氣 不充分 ，活塞動 作 已經(jīng)從下 往 上 移動 ，因此充氣效率降低。由圖可見 進氣管直徑為 45mm 時，汽油機充氣效率高。 扭矩隨進氣 管直徑變化規(guī)律如圖 所示。 圖 扭矩隨進氣管直徑變化規(guī)律 由圖 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，汽油機扭矩隨著發(fā)動機進氣管直徑的改變幾乎沒有任何變化。這是因為 圖 所示， 僅僅通過改變直徑，無法 改變膨脹波從出發(fā)回到氣缸的時間，形成更好的增壓波，得到增壓效果。 因此對充氣效率的提高作用有限，進入氣缸的新鮮空氣沒有明顯增加，對汽油機動力性影響較小。 當(dāng)進氣管直徑一定時，汽油機扭矩隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而減小。這是因為物體運動具有慣性， 發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，氣缸充氣 不充分 ，活塞動作已經(jīng)從下 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，無法高效的將內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能，動力性下降，扭矩下降。由此可見進氣管直徑為 45mm 時，扭矩 較 大，動力性 較 好。 油耗隨進氣管直徑變化規(guī)律如圖 所示。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 GTPower 汽油機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 19 圖 油耗隨進氣管直徑變化規(guī)律 由圖 可見，當(dāng)進氣管轉(zhuǎn)速一定時，汽油機燃油消耗量隨著進氣管直徑的增加而呈現(xiàn)出遞增的趨勢。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，汽油燃燒更充分，燃油消耗量降低。 當(dāng)進氣管直徑一定時，汽油機燃油消耗量隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。這是因為 發(fā)動 機轉(zhuǎn)速增加，氣缸充氣 不充分 ，活塞動作已經(jīng)從下 往 上 移動 ，因此充氣效率降低。充氣效率降低，就會使進入氣缸的氣體減少，燃燒不完全，會導(dǎo)致油耗增加。由此可見當(dāng)進氣管直徑為 45mm 時，燃油消耗量最少，經(jīng)濟性最好。 綜上所述 3 幅圖的結(jié)論得出當(dāng)進氣管直徑為 45mm 時，汽油機性能最佳。 壓縮比優(yōu)化 發(fā)動機運 行 時，每一 運轉(zhuǎn)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。而壓縮比與容積效率有關(guān)，因此本文通過改變壓縮比優(yōu)化進氣系統(tǒng)。 本文通過改變壓縮比大小對發(fā)動機轉(zhuǎn) 速、燃油消耗率、扭矩、充氣效率的影響，進行模擬計算，得出數(shù)據(jù)分析。在發(fā)動機原有數(shù)據(jù)進行模擬的模型中，分為