【正文】 量 億噸，同比增長百分之 ，而國內原油產量仍低于 2 億噸，我國對進口 石油量的依存度將升至為百分之 。經報告顯示，地球每年出產的石油總量中約有百分之 46 是汽車消耗的，其中我國機動車油耗占比最廣 [1]。 如此多的汽車，排放出的尾氣對環(huán)境產生了不可估量的后果。此外汽車尾氣排放中產生的二氧化碳所造成的溫室效應，已讓海平面越來越高，長此以往會造成無法估量的損失。 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。通過不斷重復的試驗最終得到可以投入市場的機型[2]。這早已不能適應現(xiàn)代技術快速前進的腳步。 雖然 這些 方面 都使發(fā)動機提高動力 ， 降低排放 ，但是開發(fā)成本和開發(fā)周期大大增加 。越來越多的科學研究人員采用計算機數(shù)值模擬的方式來解決發(fā)動機在工程應用技術上產生的問題。如今計算機仿真技術已經能夠完全模擬發(fā)動機運轉過程，給設計優(yōu)化節(jié)省了大量成本。實驗法是依靠相應的實驗方法在試驗臺上得出數(shù)據，做出相應分析，仿真則可以縮小實驗范圍并且估計結果 [2]。 仿真內容： 1) 利用 GTPower 建立汽油機模型。 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。 5) 確定最優(yōu)方案。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。 計算機仿真技術的應用和優(yōu)點 計算機仿真技術 （ puter simulation technology） 是一門全新綜合性現(xiàn)代化信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 6 息技術，指實體尚不存在或者不易在實體上進行實驗的情況下，先通過對考察對象進行建模，用數(shù)學方程式表達出其物理特性，然后出編制計算機程序，并通過計算機運算出考察對象在系統(tǒng)參數(shù)或內外環(huán)境條件改變的情況下，其主要參數(shù)如何變化，從而達到全面了解和掌握考察對象特性的目的。仿真技術分為 3個步驟。第二步是建立系統(tǒng)仿真模型，用數(shù)學計算方法，進行計算，得出物體在運動中各個變化參數(shù)的關系，整體分析完模型后編寫仿真程序。 與 傳統(tǒng)設計分析 不同，通過 計算機模擬技術 進行發(fā)動機模擬時主要 有 以 下 幾個 優(yōu)點： 1 ）模擬時間的可伸縮性。 2）模擬運行的可控性。 3）模擬試驗的優(yōu)化性。是以能得出不一樣的結果，種種結果互相對比，從中找出一個更優(yōu) 異的解決問題方法?，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。 1984 年以數(shù)據庫為核心的仿真軟件系統(tǒng) 的誕生 ， 以及后來 人工智能技術的仿真軟件系統(tǒng) 的出現(xiàn) 。 科研人員 通過仿真軟件對汽車進排氣系統(tǒng)設計研究。谷芳等基于 CFD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 7 數(shù)值模擬汽車排氣結構系統(tǒng)進行分析 [5]，吳春玲等基于 STAR CCM+對排氣系統(tǒng)進行參數(shù)設計和優(yōu)化 [6]，倪計民等基于 WAVE 模型進行汽油機進氣系統(tǒng)優(yōu)化設計 [7]，葉明輝等基于一維，三維及耦合模型的汽油機進氣系統(tǒng)優(yōu)化 [8]，丁維新等應用 AVLBOOST軟件對發(fā)動機排氣系統(tǒng)設計優(yōu)化 [9]。 MATLAB 在以下幾個方面進行應用。 SIMULINK 是 MATLAB 軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的軟件，與MATLAB 不同的是客戶通過 Windows 的模型化圖形輸入進行聯(lián)系交接，這讓使用者可全身心的對模型進行設計。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。之后輸入油門階躍信號，得出在相同的油門開度下進排氣管出口壓力和溫度隨時間變化關系。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。 Ricardo WAVE 一般用 于 汽車發(fā)動機的動態(tài)仿真、性能分析和結構力學等方面。 2）聲學特性分析：通過對進排氣系統(tǒng)的研究從而減少噪音。 4）熱分析：可以預想到氣缸內和整個排氣系統(tǒng)相應的溫度。 倪計民 [7]等基于發(fā)動機整機性能分析軟件 Ricardo WAVE， 建立了發(fā)動機流動過程模型，分析了進氣歧管管徑和管長對充氣性能的影響。 AVLBOOST 是對發(fā)動機的性能提供預想的數(shù)據，減少進排氣噪聲和改善尾氣凈化裝置。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。 丁維新 [9]等應用 AVLBOOST 軟件通過對進排氣管路尺寸、氣門正時、流量系數(shù)等參數(shù)的設置，來對發(fā)動機排氣系統(tǒng)進行設計優(yōu)化。 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。 GTPower在設計時主要用于一維的氣體流動計算。 現(xiàn)在國家政策對發(fā)動機尾氣排放要求越來越高，國內外的各大汽車廠商以及各大科研機構都希望制造出更舒適，更省油，更環(huán)保的發(fā)動機。 目前 GTPower 軟件 在國內 主要應用在 以下幾個方面 。 2）發(fā)動機電子控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。 4）按照實際應用中的情況，在不同技術方案中，得出最實際，最適合生產，成本最小的方案。 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。 3 基于 GTPower 發(fā)動機 仿真模型建立 建立 GTPower 模型 本文通過建立 GTPower 仿真分析軟件模型對汽油機進排氣系統(tǒng)進行優(yōu)化。圖 為建立模型采用的模塊圖。其中數(shù)據庫模塊是用戶建立模型的基礎，如下所示數(shù)據庫由八大部分組成。 Mechanical： 這一模塊主要是機械部件，比如發(fā)動機體、曲軸以及一些金屬特性的數(shù)據等。如有限元熱計算模塊等。如電動機、電池、電磁閥等。如傳感器等。如監(jiān)視器等。如在不同環(huán)境下發(fā)動機的速度曲線以及一些相應的數(shù)據。 本文主要用到 Flow， Mechanical， Control， General 這幾個數(shù)據庫模塊。發(fā)動機元件模塊用方塊形的圖框表示，然后將相應的元件模塊依照發(fā)動機的內部結構用線段進行相連，使發(fā)動機可以正常的運行，再將軟件所設計好的程序進行仿真計算就可以在 GTPOST 中得到相應 的圖形數(shù)據。進排氣管結構與充氣效率緊密相關。本文依次改變汽油機進排氣管的直徑和長度，利用 GTPower 軟件 得出相應的數(shù)值。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 個管道元件來設計，把這 4 個部分依次進行研究。 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 11 圖 圖 在對進排氣管進行設置時，需要對相應的一些參數(shù)進行設置，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、進入管內的氣體成分、進排氣管的表面粗糙度以及壁面溫度等。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。第二種方法，直接利用 GT 軟件。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。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。這種方法較簡單，且對結果影響不大 。汽油機噴射分為兩種一種是缸外噴射，一種是缸內噴射。缸內噴射主要是噴油器把汽油直接噴射在氣缸內部，之后氣缸內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。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。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?？蓪饶苻D換為機械能，并驅動機構做相應的機械運動。這兩個模型是汽油機氣缸模型中使用最頻繁的模型。 曲軸箱模型 曲軸箱是動力輸出裝置，把活塞的往復運動轉換為自身的轉動，驅動車輛。在該模型中主要設置的參數(shù)有發(fā)動機的類型、實驗模式、轉速、摩擦損失功、缸徑、連桿長度、壓縮比、曲軸銷間隙等。 圖 整機模型圖 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 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。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，額定轉速進行對比。 圖 發(fā)動機功率 圖 發(fā)動機充氣效率 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 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)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]。 進氣管長度優(yōu)化 進氣管結構與汽油機充氣效率緊密相關，對汽油機性能也十分重要。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。 本文通過進氣管長度的改變對發(fā)動機轉速、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)據進行分析。打開 GTPOST，得到汽油機在相應轉速，相應長度時的燃油消耗量、充氣效率、扭矩的數(shù)值，得出數(shù)據。 圖 充氣效率隨進氣管長度變化規(guī)律 由圖 可見，當轉速一定時，進氣管長度越短，汽油機充氣效率越高。氣缸和進氣管內都產生很大負壓，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，使氣缸內壓力上升。 反之則為 負壓波 。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 。 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 16 圖 扭矩隨進氣管長度變化規(guī)律 由圖 可見，當轉速一定時，扭矩隨著進氣管長度的增加而減小。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。 由此可見進氣管長度為 10mm 時，扭矩 較 大，動力性 較 好。 圖 油耗隨進氣管長度變化規(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 17 由 圖可見，當轉速一定時，進氣管長度越短，汽油機燃油消耗量越 少 。 當進氣管長度一定時，油耗隨著 轉速的增加而加大 。如果發(fā)動機轉速太高，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。 綜合上述 3 幅圖的結論得出當進氣管長度為 10mm 時，汽油機性能最佳。在發(fā)動機原有數(shù)據進行模擬的模 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。 充氣效率隨進氣管直徑變化規(guī)律如圖 所示。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 。 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。這是因為 氣缸充氣需要時間，活塞下行時氣缸才充氣，發(fā)動機轉速增加，氣缸充氣 不充分 ，活塞動 作 已經從下 往 上 移動 ，因此充氣效率降低。 扭矩隨進氣 管直徑變化規(guī)律如圖 所示。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。 當進氣管直徑一定時，汽油機扭矩隨著發(fā)動機轉速的增加而減小。由此可見進氣管直徑為 45mm 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 19 圖 油耗隨進氣管直徑變化規(guī)律 由圖 可見，當進氣管轉速一定時，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。 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。充氣效率降低，就會使進入氣缸的氣體減少，燃燒不完全，會導致油耗增加。 綜上所述 3 幅圖的結論得出當進氣管直徑為 45m