基于GT-POWER的车用汽油机动力性能优化

摘要

汽油机换气过程的好坏，直接影响发动机的动力性、燃油经济性及排放性能。本文通过优化汽油机的进气系统管道长度、谐振腔容积、凸轮型线及加装可变配气装置来改善换气过程，提高全负荷工况点的输出转矩，从而改善发动机的动力性能。 本研究首先应用发动机一维模拟软件GT-Power建立了某四缸车用汽油机工作过程的计算分析模型，计算分析了进、排气系统管道长度及谐振腔容积变化对进气管道内压力波动、充气效率的影响，总结得出了影响规律，在该规律的指导下，优化了进气系统管道长度及谐振腔容积。计算结果表明：优化进气系统后发动机的中、高转速区域的动力性能得到了较大改善，但对发动机低转速的动力性能的改善作用不大。 原发动机采用的是传统的配气机构，其配气相位不能随发动机的工况变化而做出相应的改变，这使得发动机低转速无法充分利用进气管道内的波动效应来提高充气效率。因此，本文在分析典型可变配气相位的机构特点，剖析配气相位中影响发动机性能的各种可变因素的基础上，确定了基于凸轮轴调相的可变配气相位的结构方案，提出了在该发动机上实施基于凸轮轴调相原理的可变配气相位技术应用方案。计算分析结果表明，采用可变配气相位技术可以较大幅度的提高发动机低转速、高转速的动力性能，也进一步验证了实施可变配气相位技术的可行性及优越性。 为了进一步提高发动机的动力性能，本研究对原发动机的凸轮型线的丰满度及缓冲段进行了优化。计算结果表明，优化凸轮型线后，发动机的充气效率得到了进一步提高，泵气损失有所减少，从而进一步改善了发动机的动力性能。 在优化了该发动机的进气系统管道长度、谐振腔容积、凸轮型线及加装可变配气装置后，发动机的动力性能得到了较大幅度的提高，最大功率达到了94.32kW/5750r/min，最大扭矩达到了167.54 N-m/4000 r/min，分别比原机提高了8.29％、5.90％，达到了厂家所期望的水平。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1选题的背景和意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1计算机模拟技术的应用及优点

1.2.2进排气系统国内外研究现状

1.2.3可变配气技术的国内外发展现状

1.3论文的主要研究内容及目的

1.3.1主要研究目的

1.3.2主要研究内容

1.4本章小结

第2章 汽油机进气管流动特性及能量损失分析

2.1进气管中波动效应及谐振增压的分析

2.1.1进气管内压力波的形成、反射与合成

2.1.2进气管长度对充量系数的影响

2.2进气管中流动能量损失分析

2.2.1管中总能量损失

2.2.2进气管沿程能量损失

2.2.3进气管局部能量损失

2.3本章小结

第3章 数学模型及计算原理

3.1自然吸气式汽油机的物理模型

3.1.1进气系统

3.1.2气缸

3.1.3排气系统

3.2发动机缸内过程数值解

3.2.1基本假设

3.2.2气缸内热力平衡关系式

3.2.3缸内燃烧过程的数学描述

3.2.4进排气门的流量计算

3.2.5缸内热力过程计算流程图

3.3进排气管中的一维非定常流动数学模型

3.3.1模型导出的条件

3.3.2守恒方程

3.3.3管道摩擦和传热计算模型

3.4一维非稳态流动数学模型的求解方法

3.4.1有限容积法的原理

3.4.2控制方程的离散化

3.5本章小结

第4章发动机整机性能仿真模型的建立

4.1原机基本性能参数及优化后目标值

4.2整机性能仿真模型建立

4.2.1进、排气管建模

4.2.2进、排气道和进、排气门建模

4.2.3配气正时设定

4.2.4其他参数设定

4.3模型验证

4.4本章小结

第5章 进排气系统优化设计

5.1进气系统结构参数对发动机性能影响

5.1.1进气总管长度变化对汽油机动力性能的影响

5.1.2谐振腔容积变化对动力性能的影响

5.1.3进气歧管长度变化对汽油机动力性能的影响

5.2排气系统参数对汽油机动力性能的影响

5.3进气系统参数优化

5.4本章小结

第6章配气正时优化设计

6.1可变配气正时理论分析

6.1.1可变配气正时优点

6.1.2进气门可变正时的作用

6.1.3排气门可变正时的作用

6.1.4可变配气正时对发动机动力性能的影响

6.1.5可变配气正时对发动机燃油经济性能的影响

6.2可变配气正时方案选择

6.3可变配气正时计算分析

6.4本章小结

第7章 优化凸轮型线后发动机性能计算分析

7.1优化前后凸轮型线对比

7.2凸轮型线优化后的发动机性能计算

7.2.1固定配气正时的动力性能计算

7.2.2优化进、排气相位后的动力性能计算

7.3本章小结

本文总结和展望

7.4全文总结

7.5工作展望

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

致 谢