王若平,余云飛,洪 森

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

采用GT-POWER仿真的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能優(yōu)化

王若平,余云飛,洪 森

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

進(jìn)氣系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，進(jìn)氣性能嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的性能，因此設(shè)計(jì)充氣效率高的進(jìn)氣系統(tǒng)是汽車工程和學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期以來(lái)追求的目標(biāo)。利用GT-power建立了某4缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程模型,在驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性后,通過(guò)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)管道長(zhǎng)度與直徑的改變，找出了充氣效率的影響規(guī)律，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并驗(yàn)證了該優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。

GT-power；充氣效率；進(jìn)氣系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程是一種脈動(dòng)與諧振共存的過(guò)程。進(jìn)氣性能與進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中管道的長(zhǎng)度、直徑有著直接的關(guān)系。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究[1-10],結(jié)果表明:進(jìn)氣系統(tǒng)管道長(zhǎng)度影響進(jìn)氣管道內(nèi)壓力波諧振頻率；直徑影響進(jìn)氣管道內(nèi)壓力波幅值。在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于受到經(jīng)濟(jì)成本、實(shí)驗(yàn)條件等的限制，多采用理論加經(jīng)驗(yàn)的估算方法來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]。該方法雖然能節(jié)約時(shí)間，但存在精度低的缺點(diǎn)，無(wú)法保證設(shè)計(jì)出來(lái)的進(jìn)氣系統(tǒng)具有最優(yōu)的性能。本文利用GT-power軟件搭建了與某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的進(jìn)氣系統(tǒng),研究了進(jìn)氣系統(tǒng)長(zhǎng)度與直徑改變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能的影響規(guī)律，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并驗(yàn)證了優(yōu)化方案的正確性。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)的理論分析與組成

在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)氣系統(tǒng)管道長(zhǎng)度適當(dāng)時(shí),進(jìn)氣后期進(jìn)氣閥處的壓力波為增壓波,新鮮工質(zhì)(空氣)將被壓縮進(jìn)入氣缸,產(chǎn)生諧振增壓的效果,增加進(jìn)入氣缸內(nèi)新鮮工質(zhì)的質(zhì)量,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能[3-4]。大量的文獻(xiàn)資料[5-6]顯示：管道長(zhǎng)度與諧振頻率成反比關(guān)系,縮短管道長(zhǎng)度使得諧振頻率增大,進(jìn)氣諧振點(diǎn)向高轉(zhuǎn)速移動(dòng),反之則向低轉(zhuǎn)速移動(dòng)。因而可以利用這一特性來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)特定轉(zhuǎn)速下氣缸的充氣效率,改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。

1.1 進(jìn)氣系統(tǒng)的組成

如圖1所示，進(jìn)氣系統(tǒng)一般由進(jìn)氣導(dǎo)流管、空氣濾清器、赫姆霍茲消聲器、四分之一波長(zhǎng)管、進(jìn)氣總管、進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣控制閥等組成。從結(jié)構(gòu)形式考慮，影響進(jìn)氣阻力的因素主要有進(jìn)氣系統(tǒng)中的管道結(jié)構(gòu)和空氣濾清器等。改善進(jìn)氣過(guò)程中的管道結(jié)構(gòu)能很好地降低進(jìn)氣阻力，從而提高進(jìn)氣效率[5-6]。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)組成圖

1.2 進(jìn)氣性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性能直接影響著內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

(1)

其中：pi為平均指示壓力；ηi為指示效率；Hu為燃燒低熱值；Lo為燃燒1 kg燃料理論上所需的空氣量；Ps為進(jìn)氣系統(tǒng)壓力；TS為進(jìn)氣系統(tǒng)的溫度；ηv為充氣效率。

平均指示壓力是指發(fā)動(dòng)機(jī)單位汽缸工作容積一個(gè)循環(huán)能發(fā)出的有效功，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的重要指標(biāo)。因此，提高內(nèi)燃機(jī)的充氣效率對(duì)提高內(nèi)燃機(jī)的綜合性能有重要意義。

(2)

由式(2)可知：提高充氣效率主要從提高吸氣終了壓力和降低殘余廢氣壓力著手。本研究主要通過(guò)改變吸氣的壓力來(lái)提高充氣效率。

2 GT-power模型的搭建

GT-power是以一維CFD為基礎(chǔ)，采用有限容積法對(duì)熱流體進(jìn)行模擬計(jì)算的軟件，在計(jì)算進(jìn)氣系統(tǒng)流體狀態(tài)時(shí)應(yīng)用的基本控制方程如下：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

根據(jù)樣車的以上參數(shù)建立如圖2所示的GT-power模型。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)性能參數(shù)

由圖3可知：仿真模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)整體趨勢(shì)一致并且在數(shù)值上差距較小，可以判斷搭建的模型基本與該款樣車的進(jìn)氣特性相吻合。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)GT-power模型

圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相比較

3 整改方案

根據(jù)管道長(zhǎng)度與直徑對(duì)進(jìn)氣壓力的影響，設(shè)置了以下3種方案對(duì)樣車的充氣效率進(jìn)行改進(jìn)：

1) 調(diào)整進(jìn)氣總管長(zhǎng)度，調(diào)整范圍：±40%、±20%、+60%；

2) 調(diào)整進(jìn)氣總管直徑，調(diào)整范圍：±40%、±20%、+60%；

3) 調(diào)整進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度，調(diào)整范圍：±40%、±20%、+60%。

3.1方案1：進(jìn)氣總管長(zhǎng)度調(diào)節(jié)對(duì)充氣效率的影響

進(jìn)氣總管的長(zhǎng)度主要影響進(jìn)氣系統(tǒng)中的波動(dòng)效應(yīng)。由圖4可知：當(dāng)進(jìn)氣總管長(zhǎng)度增加時(shí)，在低轉(zhuǎn)速下，充氣效率略有波動(dòng)，整體趨勢(shì)一致；在3 000～3 400 r/min時(shí)，充氣效率會(huì)有提高，且峰值會(huì)向低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)移；在3 400 r/min以后充氣效率會(huì)減少。

當(dāng)進(jìn)氣總管長(zhǎng)度減少時(shí)，在3 400 r/min之前，改進(jìn)前后整體保持一致；在3 400～4 000 r/min，整體充氣效率提高。

綜合以上的數(shù)據(jù)分析可知：對(duì)進(jìn)氣總管長(zhǎng)度的變化范圍應(yīng)控制在-20%～+20%。

圖4 進(jìn)氣總管長(zhǎng)度改變對(duì)充氣效率的影響

3.2方案2：進(jìn)氣總管直徑的調(diào)節(jié)對(duì)充氣效率的影響

進(jìn)氣總管直徑主要影響進(jìn)氣管道內(nèi)壓力波幅值。由圖5可知：當(dāng)進(jìn)氣總管直徑增加時(shí)，在低轉(zhuǎn)速下，充氣效率略有波動(dòng)，但改進(jìn)前后整體趨勢(shì)一致；在3 000～3 400 r/min時(shí)，充氣效率基本不變，且在3 400 r/min左右充氣效率達(dá)到峰值；在 3 400～4 000 r/min，充氣效率整體增加。

當(dāng)進(jìn)氣總管直徑減少時(shí)，整體充氣效率減少，在3 000～4 000 r/min,充氣效率降低較多，峰值也有所下降。這是由于減小管道直徑會(huì)增加系統(tǒng)的沿程阻力和局部損失，從而減少充氣效率。

綜合以上分析可知：對(duì)進(jìn)氣總管直徑的變化應(yīng)控制在+20%～+40%。

圖5 進(jìn)氣總管直徑變化對(duì)充氣效率的影響

3.3方案3：進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度變化對(duì)充氣效率的影響

由圖6可知：當(dāng)進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度增加時(shí)，在低轉(zhuǎn)速充氣效率略有波動(dòng)；在2 500～3 000 r/min，進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度增加，充氣效率會(huì)有所增加；在高轉(zhuǎn)速時(shí)，充氣效率會(huì)有所減少；當(dāng)進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度減少時(shí)，整體充氣效率會(huì)減少。

綜合以上分析可知，進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度的增加范圍應(yīng)控制在+40%～+60%。

4 針對(duì)4 000 r/min下充氣效率達(dá)到峰值的時(shí)間分析

該發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速在4 000 r/min左右，該轉(zhuǎn)速下達(dá)到充氣效率峰值的時(shí)間越短，對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性提高越明顯。針對(duì)以上方案，對(duì)充氣效率峰值時(shí)間進(jìn)行分析。

4.1進(jìn)氣總管長(zhǎng)度變化對(duì)充氣效率峰值時(shí)間的影響

由圖7可知:當(dāng)進(jìn)氣總管長(zhǎng)度增加時(shí)，充氣效率達(dá)到峰值的時(shí)間會(huì)提前，但充氣效率會(huì)略有降低；當(dāng)進(jìn)氣總管長(zhǎng)度減少時(shí)，充氣效率達(dá)到峰值時(shí)間與峰值的大小基本不變。綜合以上分析可知：進(jìn)氣總管長(zhǎng)度應(yīng)控制在-20%～+40%。

圖7 進(jìn)氣總管長(zhǎng)度對(duì)充氣效率峰值時(shí)間的影響

4.2進(jìn)氣總管直徑的變化對(duì)充氣峰值時(shí)間的影響

由圖8可知：當(dāng)進(jìn)氣總管直徑增加時(shí)，達(dá)到峰值的時(shí)間基本不變，整體充氣效率會(huì)有增加；當(dāng)進(jìn)氣總管直徑減少時(shí)，峰值時(shí)間略有延后，并且整體充氣效率會(huì)大幅減少。綜合以上分析可知：進(jìn)氣總管直徑控制范圍應(yīng)在+20%～+40%。

圖8 進(jìn)氣總管直徑對(duì)充氣峰值時(shí)間的影響

4.3進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)充氣效率峰值時(shí)間的影響

由圖9可知：隨著進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度增加，充氣效率峰值時(shí)間會(huì)有所提前，但峰值會(huì)減少；當(dāng)進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度減少時(shí)，充氣峰值時(shí)間基本不變，峰值會(huì)有較大幅度的減少，在減少20%時(shí)，充氣效率峰值時(shí)間基本不變，且整體充氣效率有所增加。綜合以上分析可知：進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度的變化范圍應(yīng)在-20%左右。

圖9 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度變化對(duì)充氣效率峰值時(shí)間的影響

4.4方案總結(jié)與優(yōu)化

綜合以上的數(shù)據(jù)分析，考慮到各個(gè)因素對(duì)充氣峰值和峰值時(shí)間的影響，最終采取的控制方案是：對(duì)進(jìn)氣總管長(zhǎng)度的變化范圍控制在-20%～+20%；進(jìn)氣總管直徑變化范圍為+20%～+40%；犧牲充氣效率峰值時(shí)間，進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度的范圍應(yīng)控制在+40%左右。

表2 各方案對(duì)比

5 結(jié)論

1) 本文在充足的參數(shù)基礎(chǔ)上利用GT-power搭建模型，保證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

2) 基于已有的理論，對(duì)樣車從管道長(zhǎng)度和直徑兩方面進(jìn)行優(yōu)化，從中找出了相應(yīng)的變化規(guī)律。

3) 綜合兩個(gè)參數(shù)的影響，對(duì)所提的優(yōu)化方案做了進(jìn)一步的篩選，極大地提高了優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。

4) 采用CFD與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，縮短了進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間，優(yōu)化了進(jìn)氣系統(tǒng)的性能。

5) 由于受到條件的限制，沒有對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，因而與實(shí)際工況會(huì)存在一定的偏差。

[1] 李景淵.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)性能分析研究[D].重慶：重慶大學(xué),2005.

[2] 邵恩坡,程漢華.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及其控制[J].小型內(nèi)燃機(jī),1994(4):44-47.

[3] 蔣德明.內(nèi)燃機(jī)原理[M].北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[4] 顧宏中.內(nèi)燃機(jī)中的氣體流動(dòng)及數(shù)值分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1985.

[5] 劉靖,鄭德林.一種新型配氣機(jī)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),1998,16(1):75-81.

[6] 盧月娥,任述光,楊大平.內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)型線的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,28(6):522-524.

[7] 石來(lái)華,馮仁華.基于GT-POWER模型的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車,2010,32(7):18-21.

[8] 牟紅雨,張翠平,任超超,等.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的FLUENT分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī),2011(3):30-33.

[9] 羅馬吉,黃震,陳國(guó)華,等.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流動(dòng)三維瞬態(tài)數(shù)值模擬研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2005,23(1):74-78.

[10] 劉義智，何健.客車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究,2012(4):36-39.

(責(zé)任編輯陳 艷)

OptimizationofEngineIntakePerformanceBasedontheSimulationofGT-Power

WANG Ruoping, YU Yunfei, HONG Sen

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013， China)

Intake system is an important part of the engine, and the performance of the engine and the performance of the vehicle is seriously affected by the intake system. The design of the intake system with high efficiency is the goal which the automobile engineering and the academic circles have been pursuing. This paper establishes a simulation model of a 4 cylinder gasoline engine working process by using GT-power software to verify the accuracy of the simulation model, to accelerate the charging efficiency condition and speed of the engine by changing the length and diameter of pipeline simulation of intake system, and it finds out the influence of the optimized intake system and verifies the accuracy of this optimized system.

GT-power; gas charging efficiency; air intake system

2016-12-18

王若平(1960—)，女，黑龍江哈爾濱人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)理論與方法研究，E-mail：1104816058@qq.com。

王若平,余云飛,洪森.采用GT-POWER仿真的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能優(yōu)化[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(10):1-5.

formatWANG Ruoping, YU Yunfei, HONG Sen.Optimization of Engine Intake Performance Based on the Simulation of GT-Power[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):1-5.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.001

TK411.6

A

1674-8425(2017)10-0001-05