周濤，張雪林，雷蕾

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某發(fā)動機性能提升仿真研究

周濤，張雪林，雷蕾

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對某款自然吸氣汽油發(fā)動機的變型產(chǎn)品開發(fā)，文章運用AVL-Boost軟件搭建發(fā)動機熱力學仿真分析模型，精標定基本型發(fā)動機模型，通過嘗試改變進排氣凸輪型線和氣門正時、進氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)、進氣損失以及排氣背壓等手段，預(yù)測以上各方案下的發(fā)動機性能及潛力，研究提升發(fā)動機外特性性能的方法和路徑，為發(fā)動機開發(fā)性能提供一定的思路和指導(dǎo)。

發(fā)動機；性能；熱力學

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-105-03

引言

隨著發(fā)動機技術(shù)發(fā)展，如何提高發(fā)動機性能（動力性、經(jīng)濟性）已經(jīng)成為眾多工程師共同研究的課題[1]。提升發(fā)動機性能可以從提高缸內(nèi)燃燒效率、提高充氣效率、減少附件傳動損失等途徑[2]。本文運用AVL-Boost軟件對某款汽油發(fā)動機進行熱力學仿真，精標定基本型發(fā)動機模型,嘗試通過改變進排氣凸輪型線和氣門正時、進氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)、進氣損失以及排氣背壓等手段提升發(fā)動機性能。

1、模型搭建

Boost作為發(fā)動機熱力學一維分析軟件，具有較高的工程應(yīng)用價值。首先建立該汽油機的原機熱力學模擬模型，應(yīng)用原機的試驗數(shù)據(jù)對仿真模型進行標定。然后在原機模型基礎(chǔ)上，針對進排氣凸輪型線、進氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)、進排氣壓力損失建立分析方案，修改相關(guān)模型設(shè)置及輸入邊界，進行熱力學分析[3]。

2、仿真分析

發(fā)動機熱力學仿真是對整個進排氣過程進行準確還原，通過賦予其準確的邊界條件，建立準確的燃燒模型描述氣體在氣缸中的燃燒放熱過程，建立準確的發(fā)動機模型，計算得到與發(fā)動機性能相關(guān)的所有結(jié)果及進排氣通道中每一點的溫度壓力流量等參數(shù)，了解發(fā)動機運行過程，以便后期的優(yōu)化工作。

圖1 BOOST仿真模型

圖1是發(fā)動機的BOOST的計算模型。環(huán)境氣體從邊界SB1吸入，通過管25到穩(wěn)壓腔PL3再經(jīng)管1到空濾器CL1，再通過管2進入節(jié)氣門R1，出來再通過管3接入進氣歧管的諧振腔，進氣歧管的諧振腔用PL1代替。管子5—12代表進氣歧管和氣道，通過氣道將氣引到氣缸C1—C4?？紤]排氣歧管較短，將排氣歧管和排氣道簡化成13-20，交匯處通過接頭J1連接，通過J1經(jīng)管子26連接到三元催化器Cat1，再通過管道21連到諧振腔PL2，出來經(jīng)管22再連接到PL4，最后由管23和24通向大氣邊界SB2。

2.1 仿真模型標定

任何一個熱力學仿真分析之前，均需要對分析模型進行標定，以確認該模型是否能滿足工程應(yīng)用要求。在對比大量試驗結(jié)果與分析結(jié)果后得出：對于汽油機BOOST模型，仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果差值在4%、關(guān)鍵點在2%以內(nèi)是合格的。一般認為，對于汽油機BOOST模型，分析結(jié)果與試驗結(jié)果差值在4%、關(guān)鍵點在2%以內(nèi)是合格的。調(diào)校后的模型計算值曲線與試驗值曲線吻合度較高、趨勢一致，各關(guān)鍵工況點（最低轉(zhuǎn)速、最大扭矩轉(zhuǎn)速、額定功率轉(zhuǎn)速工況）中各項參數(shù)對比差值均在2%以內(nèi)，判斷該模型滿足工程應(yīng)用要求，可用于后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計分析。目標發(fā)動機性能主要參數(shù)即扭矩、功率和比油耗與試驗數(shù)據(jù)對比如圖2所示。

圖2 發(fā)動機扭矩、功率、比油耗、進氣量、排氣背壓、排氣溫度對比

2.2 凸輪型線優(yōu)化

以扭矩最大、比油耗最低為限制條件，運用DOE軟件對凸輪型線進行修改，得到如圖3所示三個最優(yōu)方案。

圖3 發(fā)動機進排氣凸輪型線優(yōu)化方案

三種型線方案對高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速動力性有明顯改善效果。但在1600rpm～4800rpm范圍內(nèi)，動力性較原方案惡化較多。

圖3 各凸輪型線方案發(fā)動機仿真預(yù)測結(jié)果

2.3 進氣損失研究

自然吸氣發(fā)動機由于進氣壓力無法像增壓型發(fā)動機實現(xiàn)可控，因此進氣損失直接影響到發(fā)動機進氣量，進而影響性能。仿真結(jié)果如圖4所示，降低進氣損失后，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進氣量增加，功率、扭矩均有所提升，比油耗有所降低。其中，當進氣損失減小1KPa時， 6000rpm進氣量增加1.15%、功率提升1.2kW、比油耗降低約0.33%。

圖4 進氣損失方案比較

2.4 排氣背壓研究

圖5 排氣背壓方案比較

針對不同排氣背壓進行整機性能仿真，結(jié)果顯示：當排氣背壓降低5kPa，全轉(zhuǎn)速動力性提升、經(jīng)濟性改善，其中6000rpm扭矩和功率增加0.71%、比油耗降低0.79%；當排氣背壓降低10kPa，整機動力性、經(jīng)濟性進一步提升，其中6000rpm扭矩和功率增加1.4%、比油耗降低0.79%。具體結(jié)果見圖5。

2.5 進氣歧管研究

針對進氣歧管不同長度分析，結(jié)果表明：短管有利于高轉(zhuǎn)速性能，但中等轉(zhuǎn)速區(qū)域會出現(xiàn)扭矩掉坑現(xiàn)象，見圖6。

Improving engine performance simulation research based on Boost

Zhou Tao, Zhang Xue Lin, Lei Lei
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to investigation gasoline engine, this paper uses AVL- Boost software to build thermodynamic analysis model, calibrate the boost model of engine. Predict and contrast engine performance by modifying cam、intake manifold and air pressure loss. This paper researchs that how these cases infect engine performance to supply method of engine development.

engine; economy; thermodynamic

U462.1

A

1671-7988 (2017)02-105-03

周濤，(1983-)，男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。主要從事發(fā)動機設(shè)計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.035