AVLBOOST软件模拟分析配气相位对4100QBZL柴油机油耗影响的数据分析

本 科 毕 业 论 文题目： AVL BOOST 软件模拟分析配气相位对 4100 QBZL 柴油机油耗影响的数据分析 学 院： 姓 名： 学 号： 专 业： 年 级： 指导教师： 二 00 一一年 五 月毕业论文题目摘 要中文摘要：本文利用 AVL BOOST 软件建立了 4100QBZL柴油机模拟计算模型。利用所建立的模型，对柴油机全负荷工况下，n=1400,n=2200,n=2600,n=3200r/min 四种转速情况下的配气相位角对有效燃油消耗率的影响进行了模拟计算，并与实验数据进行了对比。结果表明，模拟数据与实验数据能较好的吻合，从而验证了该机工作过程模型的正确性。在此基础上，对 4100QBZL柴油机的配气相位进行了优化计算，通过分析各配气相位角度对柴油机油耗的影响，确定了该柴油机的最佳配气相位。同时，对4100QBZL柴油机的结构参数进行了改进，并对改进后的柴油机和原机做了对比实验。结果表明，改进后柴油机经济性得到一定的改善。达到了本文研究的目的。 关键词：avl boost ； 4100QBZL 柴油机 ； 配气相位 ； 有效燃油消耗率。The Data analysis simulated by avl boost software about how the valve timing influence effective specific fuel consumption of the 4100QBZL diesel engineAbstract:This paper using AVL BOOST software establish simulation calculation model of 4100QBZL diesel engine。Using the established model, we study how the valve timing influence effective specific fuel consumption of the diesel engine in the situation of full load conditions, n = 1,400, n = 22, n = 2600, n = 3200r/min four speed situation , and compared with the experimental data. Results show that simulation data can well agree with the experimental data and verify the correctness of the machine working process model. On this basis, simulate the working process of the of 4100QBZL diesel engine, according to its results, to optimize its valve timing and finally determine its best valve timing. Meanwhile, improve the structural parameters of the diesel engine and contrast the effective specific fuel consumption of the improved diesel engine and that of the original engine. Results show that effective specific fuel consumption of the improved diesel engine have been improved.it achieve the purpose of this study.Key words: avl boost; 4100QBZL diesel engine ; valve timing; effective specific fuel consumption.毕业论文题目目 录1 绪 论 .- 1 -1.1 前言 .- 1 -1.2 AVL BOOST 软件 .- 1 -1.3 发动机配气相位、油耗以及两者之间的关系 .- 3 -1.31 配气相位 .- 3 -1.32 燃油消耗率 .- 4 -1.33 配气相位对燃油消耗率的影响 .- 4 -1.4 配气相位的调节 .- 4 -1.41 配气相位调节的主要原则 .- 4 -1.42 现代配气相位调节的方法及结构特点 .- 4 -1.5 4100QBZL 柴油机简介 .- 5 -2 模拟试验 .- 6 -2.1 模拟试验目的 .- 6 -2.2 模拟试验方案 .- 6 -3 模拟试验结果与分析 .- 6 -3.1 进气提前角与柴油机油耗的关系曲线 .- 6 -3.2 进气迟闭角与柴油机油耗的关系曲线 .- 8 -3.3 排气提前角与柴油机油耗的关系曲线 .- 9 -3.4 排气迟闭角与柴油机油耗的关系曲线 .- 10 -4 发动机台架试验 .- 12 -4.1 实验目的 .- 12 -4.2 实验内容 .- 12 -4.3 试验方法及主要试验设备仪器 .- 12 -4.4 实验结果及分析 .- 13 -5 结论 .- 14 -参 考 文 献 .- 14 -致 谢 .- 14 -毕业论文题目- 0 -1 绪 论1.1 前言石油作为一种不可再生的能源，随着人类社会的不断进步与发展，已不断走向枯竭，几十年后，使用石油将成为历史。20世纪 50年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注起世界“能源危机”问题。许多人甚至预言：世界石油资源将要枯竭，能源危机将是不可避免的。如果不作出重大努力去利用和开发各种能源资源，那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的严重问题。石油资源将会在一代人的时间内枯竭。它的蕴藏量不是无限的，容易开采和利用的储量已经不多，剩余储量的开发难度越来越大，到一定限度就会失去继续开采的价值。在世界能源消费以石油为主导的条件下，如果能源消费结构不改变，就会发生能源危机。汽车工业作为石油消耗最大的工业，由于石油的匮乏，除了发展新能源汽车，探索如何提高汽车的燃油经济性、降低燃油消耗率也是当下应对能源危机、高油价时代的有力措施。再者，随着温室效应愈演愈烈，人们的环保意识越来越强烈、中国在哥本哈根提出了将碳排放量降低 45%的承诺，并且随后颁布了各种节能减排法规条例（国四标准、增收燃油税） 。国内消费者的汽车消费观念正日趋成熟，消费者购车时的评价重心已经从当初的配置、价格扩展到对于包括使用成本和经济性在内的多项指标上来。这都使得提高汽车燃油经济性、降低燃油消耗率成为目前汽车发展研究的一个趋势。配气相位是发动机设计的一项重要性能参数，直接关系到发动机运转的可靠性、振动和噪声，并影响其动力性、经济性和排放等基本性能。鉴于此，为了提高 4100QBZL 柴油机的经济性，本文中通过使用 AVL BOOST 软件模拟分析配气相位对 4100QBZL 柴油机油耗的影响得到的数据，分析不同发动机转速下，配气相位对柴油机油耗的影响，以期获得该柴油机的最佳配气正时。1.2 AVL BOOST 软件AVL BOOST软件是一个为建立整台发动机的模型而开发的一套模拟程序。它不仅可以在设计阶段预测发动机的稳态性能，而且还可以分析成型发动机的热力学过程。模拟的目标是减少在昂贵的试验台架上的投资，并且可以在计算机上用一种或更多种能应用于实际的产品更换原来的机型。它可以进行一维发动机工作过程模拟计算，使用户建立一个完整的发动机模型（包括各种附件，例如空气虑、EGR 系统等） ，进行发动机稳态及瞬态性能方面计算，同时可以优化进、排气系统等一些影响性能的主要部件的设计。 （该软件的主界面如图 1-1）毕业论文题目- 1 -图 11该软件可以应用在下列范围： 各种发动机草案的对比 在不损害功率输出，扭矩和燃油消耗的情况下优化组件的几何形状，例如进、排气系统，气门尺寸等。 优化气门正时和凸轮型线 发动机瞬态性能的评价AVL BOOST已经应用于很多种发动机的开发和优化设计任务。该软件包括交互式预处理程序、主程序和后处理程序三部分。预处理程序：提供了基于 windows技术基础上的图形界面，它包含一个模型编辑器，所需数据由模型编辑器指导输入。建立发动机的计算模型时，先用鼠标从菜单中选择所需的模块，然后用管件把它们连接起来。由于有大量的模块可供使用，用这种方式可以模拟较复杂的发动机配置。主程序：为所有可应用的模块提供理想的模拟算法。管道流动采用一维模拟，通过解气体动力学方程得出管道横截面上的压力，温度和流速的平均值。流动损失由于受三维空间的影响，在发动机的特定位置通过适当的流量系数加以考虑。后处理程序：对模拟的大量结果进行分析。想要显示的数据可以从计算模拟图中直接选取。后处理程序为计算结果的分析提供下列形式： 信息分析：程序在运行时信息可以根据信息类型，模块或曲轴转角来分类。 瞬态分析：每一循环计算的平均值可以根据循环号或时间来进行显示。毕业论文题目- 2 - 图形分析：图形显示的是模拟的最后一个循环的结果，横坐标为曲轴转角，纵坐标为各种发动机的指标（包括发动机功率、扭矩、油耗等） 。 系列分析：每个模型变量模拟的平均值对照主变参数进行显示所有结果可以和测量值或者先前计算的结果进行比较。使用该软件所需要输入相关的参数如下： 开始输入的整体参数（General Input Data）：测试日期、类型，运行方式，发动机转速，计算方式，发动机状态，参考条件（温度、压力） ，燃烧类型及特性等。 部分元素及选择参数：1、管子（pipe）选择参数：长度，直径，摩擦系数等。2、增压（plenum）选择参数：容量，初始条件，流体系数等。3、空气滤清器（Air Cleaner）选择参数：空气滤体积，过滤器的长度，质量流量等。4、系统边界（System Boundary）选择参数：瞬态条件（压力、温度） ，流体系数，瞬态空气质量成分组成（燃油蒸汽，空燃比） 。5、气缸（Cylinder）选择参数：缸径，冲程，压缩比，活塞运动方式，点火顺序等。 最后输入数据：参考测量点，发动机负载，有效压力进气提前角，进气迟闭角，排气提前角，排气迟闭角等。1.3 发动机配气相位、油耗以及两者之间的关系1.31 配气相位配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的实际开闭时刻和开启的持续时间。用曲轴转角的环形图来表示配气相位，这种图称为配气相位图（图 1-2） 。图 1-2 配气相位图理论上四冲程的发动机的进气门应当在活塞处在上止点时开启，当活塞运动到下止点时关闭，排气门则应当在活塞处于下止点时开启，在上止点时关闭，进气时间和毕业论文题目- 3 -排气时间各占 180曲轴转角。但根据图 1-1的配气相位图可知，进气门在上止点之前早开了 角度，称为进气提前角。在活塞到达下止点后又晚闭了 角度，称为进气迟后角。其目的是为了保证进气行程开始时进气门已有一定开度，在进气行程中获得较大进气通道截面，使新鲜空气能顺利充入气缸。当活塞运动到下止点时，气缸内压力仍低于大气压力，在压缩行程开始阶段，活塞上移速度较慢的情况下，仍可以利用气流较大的惯性和压力差继续进气。发动机转速越高，气流惯性越大，迟闭角应取大值，以充分利用进气惯性充气。排气门在下止点之前早开了 角度，称为排气提前角。在活塞到达上止点之后又晚闭了 角度，称为排气迟后角。其目的是利用排气过程后期，当做功行程接近下止点时，气缸内仍有 300500kpa 的压力，但就活塞做功而言，作用不大，这时若开启排气门，大部分废气在此压力作用下可从缸内排出，以减小排气行程消耗的功，排气迟后关闭主要是利用排气气流惯性排出更多废气，当活塞到达上止点时，燃烧室内的废气压力仍然大于大气压力，加之排气时气流一定的惯性，所以可以使废气排得较干净。1.32 燃油消耗率发动机每输出 1kWh的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率，记作 be。显然，有效燃油消耗率越低，经济性越好。be=1000B/Pe 式中： B 每小时的燃油消耗量，kg/h；Pe 有效功率，kW。1.33 配气相位对燃油消耗率的影响现代发动机普遍采取延长进、排气时间的方法来改善进、排气状况，从而提高发动机的功率等，但是进、排气门配气相位如果不能很好的与发动机工作相匹配，会对发动机的各项性能造成巨大的影响。对进气门配气相位而言，当进气提前角过大时，气缸内燃油和空气充分混合后，在火花塞点火前提前自发燃烧，发生早燃现象，造成气缸做功功率下降，发动机最高燃烧压力、温度降低，油耗增加；当进气提前角过小时，气缸内燃油和空气接触时间过短，混合不均，也会造成发动机功率不足，油耗增加，最高燃烧压力、温度降低等；当进气迟后角过大时，发动机在压缩行程时会将进气排出，同样造成功率不足，最高燃烧压力、温度降低；当进气迟后角过小时，对发动机的功率、油耗等的影响较小。对排气门配气相位而言，当排气提前角过大时，气缸做功的功率会随着气门的开启而下降，气缸燃烧压力也将显著下降；当排气提前角过小时，气缸内废气不能充分排出，气缸温度较高、压力较大，不利于发动机的正常工作；当排气迟后角过大时，由于进气门提前开启，此时进、排气门同时开启，废气的排气惯性影响进气，造成进气不足，甚至废气流入气缸，导致发动机功率低，最高燃烧温度、压力下降；当排气迟后角过小时，气缸内废气残留多，同样会导致功率降低，发动机最高燃烧压力、温度降低。所以，合理的进、排气门配气相位对于降低发动机的油耗十分重要。1.4配气相位的调节1.41配气相位调节的主要原则毕业论文题目- 4 -配气相位调节的主要原则是： 当运输式发动机的负荷工况和转速工况提高时 所有相位均应加大。1.42现代配气相位调节的方法及结构特点对国内、外的结构进行分析后表明， 最常见的是采用能调节配气相位的机械式驱动装置从调节器布置位置来看， 这里有三种方法：（1）布置在曲轴和凸轮轴之间；(2)布置在凸轮轴和推杆之间；(3)布置在从推杆到气门之间的区段上。方法 1：其最普遍采用的方案是在曲轴和凸轮轴之间设有齿轮啮合位置可变化的齿轮传动装置。这会导致所有相位同时和对称地位移。这种方法明显不能克服的缺点是:不可能对进气门和排气门的配气相位进行单独调节； 调节范围受到限制, 这是传动装置齿轮啮合位置改变机构复杂和外形尺寸太大所决定的； 不可能调节气门的最大行程， 不可能在高压燃油泵由同一根凸轮轴来驱动的场合下采用。方法 2： 这种方法的特点是采用了复杂型面凸轮。原则上可能有两种结构：第一种结构： 凸轮轴与钢性固定在凸轮轴上的型面凸轮以及一般的推杆一起轴向位移。第二种结构： 轴向移动传动件， 如特形凸轮刚性固定在凸轮轴上的情况下的摇臂。但这种方法存在着很大的缺点配气相位不可能进行随机的、事先未作规定的调节; 凸轮盘型面设计复杂, 需要有高的制造精度; 凸轮轴支承轴承间的间距太大， 恶化了整个驱动装置的动力性能和强度性能；设有活节连接或万向连接， 从而形成很大的总间隙， 降低了配气相位调节的灵敏度和精度。方法 3： 这种方法只是在具有中间环节( 如摇臂、摇动槽、摇拐、横臂或第二凸轮轴)的情况下才能使用。所有上述调节方法无争议的优点是： 使气门的相位和行程具有最大的变化范围( 与其他方法相比) ， 直到它们被完全关闭。但是也有很大的缺点, 主要是:不能单独调节和微调配气相位； 调节范围的宽度与轴的偏心率有很大关系； 必须保持热间隙； 一方面有可能使机构卡住， 而另一方面却要提高驱动装置的工作刚度( 已为实践所证明)； 总的可靠性低， 维护复杂。1.5 4100QBZL 柴油机简介型号 4100QBZL缸数 4气缸排列 立式、直列缸径（mm) 100行程（mm) 105排量（L) 3.612进气方式 增压中冷式冷却方式 液冷压缩比 17.5标定功率/转速kw/(r/min) 70/3200最大转矩/转数N.m/(r/min) 270/20002200毕业论文题目- 5 -最低燃油耗g/(kw.h) 217排放水平 国净重（kg) 320外形尺寸（mm) 895622806配套范围 低速汽车/轻卡/轻客技术特点:1.长冲程、低速扭矩大，动力性好；2.油耗低；3.采用外挂式机油冷却器，可靠性高；4.排放达到欧；5.低噪声;2 模拟试验2.1 模拟试验目的1、 不同转速下进、排气门曲轴转角与 4100QBZL柴油机有效燃油消耗率的关系。2、 根据试验对结果进行分析并得出柴油机经济性的最佳进、排气门曲轴转角。2.2 模拟试验方案合理的配气相位角能提高柴油机的燃油经济性能，不同的机型具有的最佳配气相位各不相同。采用 AVL BOOST 发动机循环工作模拟计算软件，以 4100QBZL柴油机为原型进行建模。由于配气相位最佳值随着转速不同而不同，所以试验前先确定柴油