【正文】 OST，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。 本文通過(guò)改變壓縮比大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速、燃油消耗率、扭矩、充氣效率的影響，進(jìn)行模擬計(jì)算，得出數(shù)據(jù)分析。 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(lái)衡量。由此可見當(dāng)進(jìn)氣管直徑為 45mm 時(shí)，燃油消耗量最少，經(jīng)濟(jì)性最好。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。這是因?yàn)?進(jìn)氣管直徑加大，瞬時(shí)進(jìn)入進(jìn)氣管的空氣增多，進(jìn)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。 油耗隨進(jìn)氣管直徑變化規(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(wú)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。 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。 圖 扭矩隨進(jìn)氣管直徑變化規(guī)律 由圖 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，汽油機(jī)扭矩隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管直徑的改變幾乎沒有任何變化。由圖可見 進(jìn)氣管直徑為 45mm 時(shí)，汽油機(jī)充氣效率高。 當(dāng)進(jìn)氣管直徑一定時(shí)，隨著汽油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，充氣效率逐漸降低。如圖 所示， 由于僅僅通過(guò)改變直徑，無(wú)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。 圖 充氣效率隨進(jìn)氣管直徑變化規(guī)律 由圖 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，且轉(zhuǎn)速大于 7000r/min 時(shí)，進(jìn)氣管直徑 越大充氣上海工程技術(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 18 效率越 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。 進(jìn)氣管直徑優(yōu)化 本文通過(guò)對(duì)進(jìn)氣管直徑改變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油消耗量、充氣效率、扭矩的影響進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由此可見進(jìn)氣管長(zhǎng)度為 10mm 時(shí)，燃油消耗量 較 少，經(jīng)濟(jì)性 較 好。這是因?yàn)?發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程中，活塞向下運(yùn)動(dòng)氣缸充氣。這是因?yàn)?如圖 所示， 進(jìn)氣管長(zhǎng)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。 油耗隨進(jìn)氣管長(zhǎng)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(wú)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)槿鐖D 所示， 進(jìn)氣管長(zhǎng)度短， 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)， 增加進(jìn)入氣缸中新鮮空氣的質(zhì)量，充氣效率 提高 ，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更加完全，從而提高汽油機(jī)的動(dòng)力性。 扭矩隨進(jìn)氣管長(zhǎng)度變化規(guī)律如圖 所示。 空氣反而會(huì)回到進(jìn)氣道中[21]。 進(jìn)氣管道長(zhǎng)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。這是因?yàn)?進(jìn)氣門打開初期，活塞向下運(yùn)動(dòng)和氣流慣性。 充氣效率隨進(jìn)氣管長(zhǎng)度變化規(guī)律如圖 所示。在汽油機(jī)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬的模型中，把進(jìn)氣管長(zhǎng)度分為 10mm， 15mm， 20mm， 25mm， 30mm， 35mm 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。這個(gè)過(guò)程中充氣效率在很大程度上受進(jìn)氣管長(zhǎng)度的影響，從而對(duì)汽油機(jī)產(chǎn)生影響。近年來(lái)，世界上很多科研人員進(jìn)行過(guò)不計(jì)其數(shù)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣系統(tǒng)中管道長(zhǎng)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(jì)（論文） 基于 GTPower 汽油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化研究 15 有關(guān)。汽油機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程是一個(gè)十分繁雜的脈動(dòng)和諧振動(dòng)過(guò)程，這個(gè)過(guò)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。進(jìn)氣系統(tǒng)的 性能 直接影響了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，甚至 影響 整輛汽車的性能。 ,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。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，沒辦法通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。 本文采用最常用的韋伯燃燒模型，整機(jī)模型如圖 所示。本文研究對(duì)象為單缸，四沖程，直列式發(fā)動(dòng)機(jī)。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。本文中氣缸傳熱模型采用 Woschni 模型，燃燒模型采用 EngCylCombSIWiebe 模型。 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。這個(gè)模型可用于所有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。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。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(jìn)氣管上，之后進(jìn)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(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒。 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。本文采用直管來(lái)代替空氣濾清器。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]。 GT 軟件中有 GTMuffler模塊，在這個(gè)模塊中直接引用空氣濾清器的模型。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。 空氣濾清器模型 空氣濾清器的建模方法有很多。圖 和圖 所示。為了降低噪音，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的回壓力，增強(qiáng)扭矩輸出，排氣管與進(jìn)氣管稍微有點(diǎn)不同，排氣管是由彎曲管道和垂直管道兩個(gè)部分組成。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。 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管模型 進(jìn)排氣系統(tǒng)是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。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(kù)模塊中進(jìn)行設(shè)置。 Compound： 用于用戶定義屬于自己的復(fù)合模塊 [17]。 General： 通用的模塊。 Analysis： 與數(shù)據(jù)分析有關(guān) 的模塊。 Control： 與控制系統(tǒng)有關(guān)的模塊。 Electrical：與電、磁有關(guān)的模塊。 Thermal： 額外 的熱計(jì)算模塊。 Flow：這一模塊主要是與流動(dòng)類相關(guān)的部件，比如進(jìn)排氣管、進(jìn)排氣閥以及氣體的成分，溫度和燃油的成分?jǐn)?shù)據(jù)等。 圖 GTPower 模塊圖 如圖 所示， GTPower 主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、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。本文GTPower 模型的建立采用一維模塊。 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 。 5）通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷進(jìn)行研究，在某些研究領(lǐng)域提供熱邊界條件。 3）通過(guò)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)。 1）在不同的工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量、功率、扭矩進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)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 9 化設(shè)計(jì)。 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(shuō)的優(yōu)勢(shì)以及它強(qiáng)大的功能，越來(lái)越受各大汽車廠商和各大汽車科研機(jī)構(gòu)的青睞。 GTPower 最大的優(yōu)勢(shì)是能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)模塊單獨(dú)優(yōu)化設(shè)置，在模擬 試驗(yàn)運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)將預(yù)先設(shè)定的循環(huán)次數(shù)或者在運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)輸出的壓力、轉(zhuǎn)速、溫度、油耗、功率等參數(shù)傳遞到相應(yīng)的控制單元中，再經(jīng)過(guò)軟件相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序計(jì)算后，輸出給執(zhí)行部件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力、點(diǎn)火提前角、噴油量等一系列參數(shù)的控制。在發(fā)動(dòng)機(jī)模擬過(guò)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 。付友 [10]等通過(guò) AVLBOOST 軟件建立整機(jī)一維熱力學(xué)分析模型，研究受到不同外界壓力時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能受某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的影響。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。 AVLBOOST 也是一款能夠貫穿于發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力總成開發(fā)項(xiàng)目從概念性設(shè)計(jì)到 ECU 標(biāo)定過(guò)程的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真工具。 AVLBOOST AVLBOOST 是由 AVL 公司開發(fā)的仿真軟件。 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 8 5）動(dòng)態(tài)系統(tǒng)控制：通過(guò)仿真技術(shù)把發(fā)動(dòng)機(jī)控制和傳動(dòng)系統(tǒng)一起結(jié)合起來(lái)。 3）燃燒與排放：對(duì)排放氣體進(jìn)行分析。 1）發(fā)動(dòng)機(jī)性能：主要通過(guò)影響進(jìn)排氣系統(tǒng)從而對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行檢測(cè)和優(yōu)化。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。 Ricardo WAVE Ricardo WAVE 是 Ricardo 公司 開發(fā) 的仿真模擬軟件。在該模型基礎(chǔ)上，把進(jìn)排氣管長(zhǎng)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。 談海濤 [4]等利用 MATLAB /SIMULINK 軟件，通過(guò)仿真技術(shù)對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立了進(jìn)排氣系統(tǒng)的熱動(dòng)力 學(xué)模型。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。 MATLAB/SIMULINK MATLAB 是 Math Works 公司研發(fā)出的產(chǎn)品，隨著該公司不斷的優(yōu)化改進(jìn)，MATLAB 早已是大部分科 研人員首選的應(yīng)用型軟件。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]。這個(gè)發(fā)展趨勢(shì) 決定了 仿真軟件 將具有更廣闊的應(yīng)用 。 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(lái)的。 4）模擬實(shí)驗(yàn)的可運(yùn)行性。因?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真能進(jìn)行無(wú)數(shù)次的模擬實(shí)驗(yàn)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程由計(jì)算機(jī)控制 來(lái) 進(jìn) 行 ，因此 可以手動(dòng) 操作，所以模擬操作時(shí)有很強(qiáng)的可控性。因?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真受人 模擬 操作的影響，整個(gè) 流 程可 以更好的 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。第三步，運(yùn)行這個(gè)程序，看實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否合理，若合理則繼續(xù)分析，若不合理實(shí)時(shí)進(jìn)行 更正。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(jiǎn)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。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為分析和研究系統(tǒng)運(yùn)行的軟件，是揭示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種重要手段和方法 [3]。如北京理工大學(xué)開發(fā)的三維內(nèi)燃機(jī)采用通用程序 RES3C2，吉林工業(yè)大學(xué)開發(fā)的微機(jī)版內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)多維氣流運(yùn)動(dòng)模擬程序 SUN1[19]等。 圖 為本文仿真研究的流程圖 圖 GTPower 流程圖 2 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件介紹與應(yīng)用 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件研究模式 內(nèi)燃機(jī)發(fā)明以來(lái)， 科研人員就不斷對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行改正與優(yōu)化。 4) 通過(guò)改變排氣管直徑和長(zhǎng)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。 2) 通過(guò)改變進(jìn)氣管直徑和長(zhǎng)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、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 5 扭矩的數(shù)值，并進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。 本文研究?jī)?nèi)容與方法 本文主要利用 GTPower 軟件設(shè)計(jì)出相應(yīng)模型，運(yùn)行程序，通過(guò)計(jì)算分析出改變進(jìn)排氣管長(zhǎng)度，直徑和壓縮比之后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量、充氣效率、扭矩的影響，獲得最優(yōu)的方案。現(xiàn)在大量科研人員通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)法和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法進(jìn)行科研上的研究和討論。在發(fā)動(dòng)機(jī)研究和開發(fā)的過(guò)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。 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的 飛速 發(fā)展，加上互聯(lián)網(wǎng)科技應(yīng)用普及以及 國(guó)家教育機(jī)構(gòu)對(duì)流體力學(xué)、材料化學(xué)、工程學(xué)等相應(yīng)學(xué)科的重視。進(jìn)入 21 世紀(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要在 二次噴射、可變氣門、可變進(jìn)氣管、人工智能控制、 新型燃燒方式 、發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化等方面進(jìn)行研究 。因此這個(gè)傳統(tǒng)的研究方法不僅需要投入公司巨大的精力，而且完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)至少需要浪費(fèi)幾個(gè)月甚至半年， 一 年的時(shí)間。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)，