XD479Q发动机模拟平台搭建.doc

1 目 录 第一章 绪论 .2 1.1 引言.2 1.2 数值模拟.3 1.3 模拟计算在内燃机发展中的作用.4 1.4 内燃机模拟计算的现状及发展.5 1.5 gt-power 软件介绍 6 1.6 本文主要内容及研究意义.8 第二章 流体流动模型基本原理 .9 2.1 软件的基本原理.9 2.1.1 管路（pipe）模块基本原理11 2.1.2 接头（flowsplit）模块基本原理.12 2.2 缸内流动仿真原理13 2.3 燃油喷射模块基本原理14 2.4 燃烧模型基本原理14 2.5 发动机摩擦及驱动附件损失模块基本原理15 第三章 xd479q 发动机模拟平台搭建16 3.1 xd479q 发动机参数 16 3.2 整机模型的搭建17 3.3 定义外部环境参数18 3.4 定义空气滤清器19 3.5 定义节气门20 3.6 定义连接管件及孔实体21 3.7 进气系统的创建及定义22 3.8 定义进、排气门25 3.6 气缸参数设定31 3.7 燃油喷射模块设定35 3.9 排气系统的创建及定义37 3.9 发动机曲轴箱设定40 3.10 原机外特性仿真结果及模型验证.42 第四章 配气相位对发动机性能影响 46 4.1 进气门处压力分析计算46 4.2 配气相位对性能的影响47 2 4.3 xd479q 发动机配气相位的优化 .48 4.3.1 进气凸轮正时49 4.3.2 排气凸轮正时52 4.3.3 配气相位角的正交试验 55 4.4 优化后配气相位的验证58 第五章 新凸轮型线设计 60 5.1 缓冲段曲线的设计60 5.2 工作段运动曲线设计62 第六章 总结 65 参考文献 .66 附录 i 气门升程随曲轴转角变化关系表68 附录 进气凸轮升程曲线 matlab 源程序 .70 附录 排气凸轮升程曲线 matlab 源程序 .73 致 谢 .76 3 第一章 绪论 1.1 引言 随着国家对汽车油耗、排放等法规要求越来越严格，汽车企业生产的 产品也不得不采取各种办法对产品进行技术升级和改造，以适应国家法规 的要求。 09 年 1 月 1 日，燃油税开始实施。燃油税是指政府对燃油在零售环节 征收的专项性质的税收。通过征税的办法从油价中提取一定比例作为养路 等费用。其基本原理是：车辆类型及行驶里程长短，载货量大小是与耗油 量的多少紧密相连的，耗油越多证明其享有使用公路的权力越多，因此， 包含在油价中上交的燃油税就随之增多，对公路养护所尽的义务也就越多。 燃油税简而言之，就是将现有的养路费转换成燃油税，实行捆绑收费。 由于现行的养路费一般是按吨位和运营收入两种计费方法收取，实际上形 成了一种定额费。而对于用油大户尤其是汽车来说，道路使用率存在较大 差距。 “因为无法测算每台车的道路使用率， ”长沙理工大学经济学教授朱 锡庆表示， “燃油税通过将养路费捆绑进油价，将每辆汽车要交的养路费转 换成税费，在道路等公共设施日益成为一种稀缺资源的大背景下，更多地 体现了多用多缴，少用少缴的公平原则。 ” 2009 年 6 月，国家出台了鼓励新能源车消费的政策汽车产业振兴规 划细则 。国家将拿出 200 亿元补贴投向新能源汽车，支持大中城市推广混 合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等新能源汽车。优先在城市公交、 出租、公务、环卫、邮政、机场等领域推广使用新能源汽车。2009 年至 2011 年，提升新能源汽车销量占乘用车销售总量至 5%左右。 汽车在我国能源消耗和在大气污染排放中的分担率上占有很大比例， 目前汽车每年消耗掉国产 85%左右的汽油和 23%左右的柴油，而汽车尾气 排放带来的环境污染更是日趋严重。按照近年来的增长速度，有专家预计 到 2020 年，我国道路上行驶的汽车数量将突破 1.5 亿大关。随着我国汽车 保有量的迅速增加，汽车增长带来的能源和环保问题日益突出。 4 一方面汽车进入普通家庭提高了老百姓的生活水平，但汽车大量增加 带来了能源大量消耗和环境污染。在节能减排大背景下，如何促进汽车产 业与社会经济协调发展，促进人与大自然的和谐发展，成为我国汽车工业 可持续发展的重大课题。 xd479q 型汽油机结构先进、新颖、合理,升功率、升扭矩和比质量指标 先进,耐久可靠,适用范围广,既适用于轻型客车,也适合于微型货车和家用 轿车。本论文根据提供的数据在 gt-power 平台上搭建 xd479q 的仿真模型， 改变配气相位，模拟各条件下的动力性、经济性、排放质量等性能指标。 对不同配气定时模拟出来的结果进行对比分析，选择最佳方案并设计出对 应的凸轮。 1.2 数值模拟 数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和 图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的 目的1。在计算机上实现一个特定的计算，非常类似于履行一个物理实验。 这时分析人员已跳出了数学方程的圈子来对待物理现象的发生，就像做一 次物理实验。数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。比如某一特 定机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场 的各种细节：如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压 力分布、受力大小及其随时间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚地 看到激波的运动、涡的生成与传播。总之数值模拟可以形象地再现流动情 景，与做实验没有什么区别。从上面的例子可以看到，数值模拟包含以下 几个步骤： 首先要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。具 体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。这是数 值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。牛顿 型流体流动的数学模型就是著名的纳维斯托克斯方程及其相应的定解条 件。 数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算 方法。由于人们的努力，目前巳发展了许多数值计算方法。计算方法不仅 包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条 件的处理等。这些过去被人们忽略或回避的问题，现在受到越来越多的重 5 视和研究。 在确定了计算方法和坐标系后，就可以开始编制程序和进行计算。实 践表明这一部分工作是整个工作的主体，占绝大部分时间。由于求解的问 题比较复杂，比如 方程就是一个非线性的十分复杂的方程，它的数值求解 方法在理论上不够完善，所以需要通过实验来加以验证。正是在这个意义 上讲，数值模拟又叫数值试验。 在计算工作完成后，大量数据只能通过图像形象地显示出来。因此数值的 图像显示也是一项十分重要的工作。目前人们已能把图作得像相片一样逼 真。利用录像机或电影放映机可以显示动态过程，模拟的水平越来越高， 越来越逼真。 1.3 模拟计算在内燃机发展中的作用 大约在上世纪 60 年代中期以前，内燃机工作过程的计算基本上还是建 立在理论循环的基础之上，对实际的工作过程作了很大的简化，例如用闭 口循环来模拟开口循环；用等熵或多变指数来计算压缩和膨胀过程，用定 容放热代替排气过程等。由于不考虑实际的换气过程、燃烧过程、传热过 程，所以只能作粗略的估算，计算结果的精确性在很大程度上依赖于经验 数据的选取。因此长期以来，内燃机的设计、制造和调试主要依靠经验。 直到 60 年代中期，由于计算机的应用才有可能对内燃机的实际工作过 程进行接近实际的模拟计算，从而使内燃机的理论建立在一个新的基础之 上。目前，内燃机实际工作过程的数值模拟已成为研究和开发内燃机的一 种有效方法。 所谓内燃机实际工作过程的数值计算（或称循环模拟计算） ，就是从内 燃机各系统的物理模型出发，用微分方程对各系统的实际工作过程进行数 学描述，然后编制计算程序，用电子计算机数值求解微分方程，以求得气 缸内的热力过程、传热过程、燃气性质、气体流动、充量更换过程、废气 涡轮增压的特性及其与发动机的配合等问题，所以计算结果比较符合实际 情况。目前，应用工作过程数值模拟大致可进行以下工作。 (1) 预测发动机的性能，性能预测的内容很多，如预测发动机的标定 工况性能，部分工况的运行特性，增压发动机的瞬态特性（变负荷时的响 应特性） ，大气状况改变时的发动机性能，以及有害排放物（nox,hc,co） 的预测等。 6 （2）设计参数的优化 通过模拟计算可以研究各种结构参数（如增压 压力、中冷器出口的空气、温度、排气背压等）以及运转参数（如发动机 转速、负荷、冷却水温、活塞冷却油温等）对发动机性能的影响，并寻求 最佳值。 （3）在发动机调试阶段，利用实际工作过程的数值计算，可以揭示试 验中没有测量或不可测量的参数大小，指明参数的调整方向，从而减少试 验工作量，缩短调试周期。 (4)多维数值模拟能够提供空间任意位置和任意时刻的速度、压力、温 度和组分浓度分布，在此基础上进行理论分析，可以为改进发动机结构提 供预见性的指导。 汽车工业的飞速发展，对汽车的环保、安全、经济性能等方面都提出 了越来越高的要求，促使我们对发动机的研究越来越深入，涉及的范围越 来越广泛。借助于数值模拟技术对发动机的工作过程进行模拟计算，对于 缩短产品研发周期、提高产品设计质量、降低产品的研发成本等起到事半 功倍的效果2。 1.4 内燃机模拟计算的现状及发展 内燃机模拟计算对内燃机的研究和发展有三大贡献:一是更全面深入地 理解构成模型的物理过程;二是找出关键的控制变量以拟定更节省、更合理 的实验方案;三是可以很方便的进行内燃机优化设计。 在电子计算机用于内燃机的研究之前，为了能够从定性上对内燃机的 性能做出估计，并进行有限的定量计算，不得不对内燃机的实际工作过程 作出大量的简化与假设。而在内燃机设计中，则需要根据经验和类比，在 大量选取参数的基础上，对工作循环中的几个特征点进行热力计算，以便 做出数量上的估计。 这种简单的热力计算虽然能够得到比较直观和可做定性分析的数据， 但是却十分粗略，不能够全面地反映内燃机燃烧过程、缸内工质的流动及 传热过程、进排气系统中的热力学和气体动力学过程以及内燃机与涡轮增 压器的匹配性能等，更不能对变工况性能进行计算与分析。随着内燃机性 能的不断提高，产品更新的周期不断缩短，采用常规热力计算进行这种经 验设计，己经远远满足不了现代高性能内燃机研制工作的需要。 随着快速、大容量电子计算机和数据处理系统在内燃机研究中的应用， 7 加上实验技术和测量仪器以及测试设备的改进，使得内燃机在实验和理论 研究上有了较大的发展，同时也使得内燃机工作过程的计算机模拟不仅成 为可能，而且取得了不少令人耳目一新的进展3。 具体表现在:描述内燃机内部过程和与涡轮增压器匹配的一系列不受简 化条件限制的微分方程组，现在己有可能进行数值求解，从而得出定量描 述的结果;而那些由内燃机运行状态所决定的内部过程:如燃烧过程、气体 流动过程、热交换过程以及进排气系统与涡轮增压器匹配的气动过程等， 也都有可能在计算中予以考虑;能够建立比较符合实际的物理模型，通过数 学模拟予以表达，以求得各热力参数随时间变化的规律，用以分析内燃机 的性能及其影响因素;能够系统地模拟结构参数、燃烧规律、配气相位、进 排气系统中的流动阻力、中冷器特性以及涡轮增压器特性等与内燃机性能 间的相互关系，并进行参数优化，寻求最佳的组合方案，为内燃机的设计、 试验和性能改进提供了理论依据。这样，就使得现代内燃机的理论研究建 立在了一个全新的基础上4。 内燃机工作过程的模拟，不仅可以计算设计工况点，而且也可以计算 变工况点，并可估计环境参数变化对内燃机性能的影响;不仅可以计算内燃 机的稳态过程，而且也可以计算瞬态过程，以研究各结构参数及性能参数 与内燃机瞬态特性的关系，探求改善内燃机瞬态特性的技术措施;不仅可以 在内燃机设计阶段通过计算模拟进行多方案的比较，且可以在内燃机调试 阶段与测试技术相结合，指明调整的参数及其取值的大小;同时，在工作过 程模拟的基础上，还可以进行工作过程的模拟优化，使内燃机工作过程模 拟研究向优化设计推进一步。如此种种，是内燃机常规热力计算所无法比 拟的5。 1.5 gt-power 软件介绍 gt-power是包含在gt-suit中的一个cae应用程序， gammatechnofogies，inc开发，具有强大的分析计算和设计功能，可以用 于发动机稳态和瞬态的仿真计算，也可以用于发动机/动力系统的控制分析。 它适用于几乎所有形式的发动机，同时用它的部件可以搭建出用户设计的 各种新型发动机，被发动机/汽车制造商和开发者广泛应用于发动机模拟和 分析。gt-power以一维流体动力学为基础来描述发动机模型中的流动和热 传递特性，它基于有限体积法，流体求解的基本观点是通过网格将系统离 8 散为许多小的体积。在这 个系统中，管子(pipe) 根据其离散长度被分割成许多小体积，而流体分叉 (flow-split)只能用一个体积来描述，它们通过边界彼此相连。连续方程、 动量方程和能量方程同时进行一维求解，因此流体流动方向上所有截面的 值都是平均值。标量(如密度、压力等)在单元中心计算:矢量(如速度等)在 单元表面(边界)计算。在计算过程中充分考虑了因可然混合气的组份不同 导致其热力学性质的差异，而且能用于研究一些进、排气系统结构因素(如 分流、合流和弯曲等部分)对流动的影响。此外，它应用数学优化方法进行 参数寻优，使得对发动机进行不需要人为经验控制的优化设计成为可能。 gt-power包括用于建立发动机整机工作模型的前处理平台、gt-power 解算器以及浏览和显示计算结果的后处理平台gt-post。由于gt-power用的 是面向对象的可视化建模方法，在系统建模的前期并不涉及到发动机各部 件的几何结构尺寸，只是在利用gt-p0wer的模型库(templatclibrary)中各 部件的模板(template)创建相应的对象(object)和部件(part)，井将各部 件连接(link)起来组装(assembly)成系统的图形化模型(map)之后，再通过 输入和编辑各部件的属性(property)确定他们的几何结构和尺寸，因而能 显著减少前处理的工作量。模型库中每个模型都有自己用来描述各种输入 参数的属性，许多属性值可以是随时间变化的变量，模型的大多数属性值 要由用 户自己定义。 gt- power采用模块结构建立发动机工作过程的计算模型。发动机的 元件(如气缸、空滤器、催化器、管接头和管道等)模块用方形图框表示， 而元件之间必须用圆形图框的连接件连接。发动机的所有结构参数和特性 参数在相应的元件模块和连接件模块中定义，连接件可以有具体的物理定 义(如气阀连接件和喷嘴连接件等)，也可以只具有象征意义(如发动机各部 件及管道之间的连接件等)。 建立了发动机系统模型之后，需要设置运行时间、解的收敛标准等解 算器运行的控制条件。在指定了运算最长持续时间的前提下，可以将解算 器运行特性设置成连续运行或者周期性运行，如果在达到最长持续时间之 前数值模拟的结果已经满足了收敛标准，则模拟过程将会自行提前结束， 用户定义一个最大时间步长，解算器也会根据数值稳定性标准计算出一个 9 时间步长，实际采用的时间步长取这两个步长中的较小值。gt-power支持 多算例，用户可以设置数值模拟的收敛标准和其他多算例中的变参数，可 以选择自己感兴趣的运行结果，用图表显示出来。 gt-power还有许多有重要实践意义的特点:变量参数化、多算例模拟、 局部装配模型(subassemby)、系统优化、用户子程序、计算结果动画演示、 程序中断的断点保存和恢复运行、在线帮助、多种单位支持、pc/unix平台、 模拟计算批处理。此外gt-power还可以和一些三维cfd软件(star- cd、fluent)或控制模拟软件包(如simulink)结合起来进行祸合模拟，以使 模拟的结果更准确. 1.6 本文主要内容及研究意义 配气相位对发动机的动力性能有很大影响。如果配气相位不准确，会 导致进气不充分，排气不顺畅，影响混合气的形成品质，造成燃烧不完全， 使发动机的动力下降。由于废气和新鲜空气在运动中的惯性，使进排气有 一定的迟滞期。为了使气缸内的废气排除得更干净，新鲜空气进入更充分， 需要进排气门有一个同时开启的时刻，即气门重叠角6。发动机低速时使用 较小的气门重叠角，反之则使用较大的气门重叠角，这样就可以提高进排 气效率，提高发动机的动力性。 配气机构是内燃机的重要组成部分，它直接关系到内燃机运转的可靠 性、振动和噪声，并影响内燃机的动力性和经济性等基本性能。它必须根 据发动机工作循环及工作顺序的要求，按规律开启、关闭进、排气门，保 证正确的配气相位。合理的配气相位是提高功率、降低油耗的一种有效方 法，对改善发动机状况、节约能源、提高经济效益，降低排放有十分重要 的现实意义。 gt-power 是一款包括高级发动机设计概念在内的发动机仿真分析软件， 可用于发动机性能模拟，以及气门升程曲线和气门正时的优化。本文利用 gt-power，搭建了 xd479q 汽油机仿真平台，然后，基于该平台计算研究配 气定时对 xd479q 汽油机充气效率和性能参数的影响规律，最后，重新设计 了凸轮型线，研究配气定时变化对汽油机的充气效率、功率、扭矩和油耗， 排放等参数的影响，从而找出最优的凸轮型线和配气定时，为实验研究提 供参考。 具体任务内容： 10 1、gt-power 上搭建 xd479q 发动机原机模拟平台。 2、优化配气定时，对比分析配气定时对发动机充量系数和性能的影响。 3、设计新的凸轮形线，将数据导入模型，模拟计算。 4、分析总结，对比结果，选择最佳方案。 第二章 流体流动模型基本原理 2.1 软件的基本原理 gt-power 软件的基本思想是将发动机各系统进行模块化，将整体问题 分散处理，有针对性的对具体问题进行集中建模，这样既能考虑模型的多 样性，又能提高模型的精度。在对流体的处理上采用容积法将进排气管和 气缸等串联起来的容积离散成小的单元，单元之间由边界相连，这样不仅 能考虑流体的非稳态性，而且计算收敛快，精度高。其燃烧模型包括直喷 柴油机的多区模型、基于韦伯函数放热率的汽油机模型和柴油机模型等多 种型式。除了对热流体进行计算外，它还能充分地考虑曲轴、连杆、飞轮 乃至于整车等机械部件对发动机性能的影响。最后集成的模型成为一个有 机的整体，因而它可以对发动机的非稳定工况进行动态模拟。 gt-power 软件所应用的是一维流体假设的动力学模型，它综合了发动 机性能的分析代码，并几乎包含了发动机所有关键工况的细节模型，可以 较完整地模拟发动机不同工况的性能变化。整个系统被划分为许多小的控 制单元体，单元体上又划分许多相互交错的网格，网格是系统进行运算估 值的基本单元。也就是说所有的标量（压力、温度等）都以本单元体的边 缘为计算标准，系统内部划分的单元体也是如此。形状各异的气体通道都 可转化为功能相当的标准管件，最后形成发动机的管网化模型，用于对发 动机进行仿真。 gt-power 软件采用一维交错网络，基于一维气体动力学原理，在管路 和其相关模块中以流动和传热理论为基础，在特殊模块中应用液体流动和 传热能力分析理论。流动模型同时包括连续方程、动量方程和能量方程。 作为一维算法，设定所有的流体质量是均匀流动的。主要的变量参数是质 量流量，密度和内能总和。这个系统被离散为多段网格，其中接头处被离 11 散为一段网格，管路可被离散为一段或多段网格，这些网格通中心标量在 计算中视为定值，主要的标量是密度和内能总和；辅助标量是压力，温度， 焓值，组分浓度，质量分数流量等，如图 2-2 相关原理方程如下： 连续性方程： dm= m f l x dt 能量方程： ggasw al l d(m e)dv =(m f l x h )+p-h a(t-t) dtdt 焓方程： ggasef fw al l d(h v)dp =(uah )+v-h a(t-t) dtdt 动量方程： 2 2 pf u dxa1 dpa+(m f l x. u)-4c-c(u )a d(m f l x) 2d2 = dtdx mflx：边界处的质量流量，是边界处有效面积，密度和速度的乘积 m：单位体积的质量 v：体积 p：压力 ：密度 a：流通面积 e：总内能。等于内能加动能 12 h：焓值， p h =e+ ：传热系数 g h u：边界处的速度 ：表面摩擦系数 f c ：压力损失系数 p c d：当量直径 dx：边界处沿流动方向流体流过的厚度距离 dp：经过 dx 距离的压力差 离散化是将大部件分割成小总分以提高计算精度，有两种方法进行流 动系统离散化。一种是将系统离散成多个管理（pipe）和接头 （flowsplit）,另一种是将长管路离散成多个短管路（离散长度应小于管 路的总长度） ，后者相当于用多个短管代替相同长度的长管的作用。 离散长度的选择规律：发动机性能分析时，进行系统离散长度大约是 缸径的 0.4 倍，排气系统离散长度大约是缸径的 0.55 倍。进、排气离散长 度的不同主要是由于瀑度导致声速变化引起的。噪声分析或转速超过 6000rpm 时，离散长度应选择较小，为上述推荐值的一半左右。在一定的范 围内，网格越粗，那么时间步长越大，计算速度越快，精度有一定的降低; 同理网格越细，那么时间步长越细，计算速度越慢，精度有一定的提高。 所以，在仿真中应该尽量使用网格的精细趋于均匀，这有利于提高计算精 度和减少计算时间。 2.1.1 管路（pipe）模块基本原理 管路（pipe）模块设定为截面为圆形或方形的直管路，可通过设定不 同的摩擦系数，传热系数，压力损失系数实现模拟不同几何形状的管路。 对于锥度较小的圆锥管可采用改变压力损失系数的方法用直管代替，对于 锥度大于 30 度或圆锥管长度小于离散长度的锥管需用直径突变的两段管路 实现孔（orifice）的结构，代替圆锥管。管路的流动损失主要源自沿壁的 摩擦损失，计算时考虑雷诺数和表面粗糙度。当管壁光滑时： 13 （层流区，4000） 0. 25 0. 08 r e f d cr ed 当管壁粗糙且不是层流时: 2 0. 25 1 2l og()1. 74 2 f c d h ：雷诺数r ed d：管路直径 h：粗糙度 管路的压力损失取决于其锥度，弯曲度，不规则接头等。而管径突变 带来的压力损失不能单纯靠设定压力损失系数，需要考虑孔（orifice）和 膨胀直径（expansion diameter）7。 2.1.2 接头（flowsplit）模块基本原理 虽然 gt-power 是一维计算软件，但是接头模块（flowsplit）的设计 主要考虑三维因素对流动的影响。在管路计算中，标量（如质量，能量等） 位于有限容积的中心，而矢量（如质量流量等）位于边界处。若管路 （pipe）中存在开口（port） ，就变成了接头（flowsplit） 。接头 （flowsplit）的计算原理与管路（pipe）类似，标量仍位于有限容积的中 心，而矢量方程在每个开口（port）处独立计算。接头几何形状由膨胀直 径（expansion diameter 流体进入管接头后能够达到的直径，主要用于计 算流量系数和能量损失） ，特征长度（characteristic length 流体进入管 接头达到管壁或边界的长度，主要用于计算压力波的传递和反射）和管接 头各开口的空间角度这三个因素决定。单纯的一维算法无法精确计算流体 流出任意方向开口处的动量，接头（flowsplit）模块则是专门计算此种情 况的，流出出口的流体动量由按其出口方向特征速度矢量计算得出。 图 2-1 为简单“三通”接头属性编辑界面， “1、2、3”代表三通的三 个开口（port） ，膨胀直径（expansion diameter）如图中紫色标注所示， 14 特征长度（characteristic length）如图中黑色标注所示，管接头各开口 的空间角度为开口中心线与 x、y、z 轴的夹角，接头的容积可手动输入也 可由 gt-power 软件的 discretizer 功能自动生成。 图 2-1 摩擦，传热，壁温等计算原理与管路模块（pipe）相同，不同处在于 摩擦系数和传热系数计算中的速度值为接头开口处的速度。当接头 （flowsplit）的几何形状不规则时，要精确确定其容积，通过适当调节摩 擦系数、传热系数和压力损失系数来实现不规则形状对流体流动带来的影 响。 2.2 缸内流动仿真原理 进、排气道建模原理与管路（pipe）基本相同。气门处流量系数计算 来自于与定压差质量流量的测量，这种测量通常是在气门安装在发动机以 前进行的。气道的不规则形状（弯曲、直径变化） ，表面粗糙等均造成压力 损失。气门流量系数的计算已经包含了气道压力损失的影响。 为了防止计算过程中气道的损失被计算两次，因此在气道设定中摩擦 系数和压力下降系数应设为“0” 。气道的温度设定主要是由于发动机冷却 系统决定的，流体流动对壁面温度的影响较小。此时的传热系数设定值高 15 于正常值“1” ，这主要用来体现气道弯度，喷油嘴和气门杆的多余面积， 气门和气门杆形成的紊流的影响。engcylwall 模块推荐设定进气道温度 450k，排气道温度 550k，高温主要是来自于气门的传热。气缸内被分割成 很多部分，中间区、挤流区、头部区和活塞凹槽区，在每个时间步长内， 每个区域的轴向速度、径向速度和涡流速度都被应用到燃烧室几何形状， 活塞位置，进排气门处流量/涡流/滚流等的计算。 2.3 燃油喷射模块基本原理 在燃油喷射模块中，用“燃油雾化率”来定义燃油经喷嘴喷射瞬时雾 化的比例。由于蒸发吸收热量改变了燃油的焓值，导致空气、雾化燃油和 液体燃油三者的混合物冷却。此外雾化的燃油在气道内要另外多占一部分 体积。进气道喷射模型设定燃油喷入气道后，没有雾化的部分将一直以液 体的形态存在，直到燃烧开始。 燃烧计算过程中，雾化和液体的燃油始终按瞬态固定的比例燃烧。对 于典型的进气道喷射模块，燃油雾化率初设为 0.3（即燃油喷射瞬间 30%的 燃油气化） 。燃油雾化蒸发体积膨胀对充气效率的影响不显著，主要因为雾 化吸热对混合气的冷却抵消了液体蒸发膨胀的体积。这种特性对于气化潜 热很大的醇类燃料更为重要，喷口布置的离进气门越远，雾化的时间越长。 对于顺序喷射的汽油机，需要知道燃油喷射率，空燃比和喷油脉宽。 2.4 燃烧模型基本原理 虽然点燃式发动机和压燃式发动机燃烧模型建模原理均利用缸压计算 放热率预测发动机性能8，但由于点火方式不同给燃烧带来影响，gt-power 软针对点燃式发动机和压燃式发动机分别设定缸内燃烧分析模块。本论文 仅应用“engcylcombsiwiebe”单维韦伯燃烧模块对点燃式发动机进行整机 性能模拟计算。 主韦伯常数： mm -(e+1) 1/ (e +1)1/ (e +1) d w c = bec-bsc 燃烧始点： m mm 1/ (e +1) -(e+1) 1/ (e +1)1/ (e +1) d (bm c ) so c =aa- bec-bsc bmc =ln(1-bm) 燃烧中点常数，燃烧率设定为 50% 16 bsc =ln(1-bs) 燃烧始点常数，燃烧率设定为 10% bec =ln(1-be) 燃烧终点常数，燃烧率设定为 90% aa：上止点到韦伯曲线燃烧 50%之间的曲轴转角 d：韦伯曲线上燃烧 10%90%之间的曲轴转角 燃烧率计算： (e+1) -w c (-so c ) ()=c e 1-ec om bust i on ：瞬时曲轴转角9 2.5 发动机摩擦及驱动附件损失模块基本原理 gt-power 软件用“engfrictioncf”模块设定发动机的摩擦损失功，驱 动附件（如水泵、散热器风扇等）的损失功也可连接到此模块里。计算公 式如下： 2 m pm pm ax fm ep=c +(pf*p)+(m psf*speed )+(m pssf*speed) c：摩擦损失功的常数部分(recommended values=0.3-0.5bar) pf：缸内最大压力系数(recommended values=0.004-0.0.006) ：缸内最大压力 m ax p mpsf：活塞平均速度系数 (recommendedvalues=0.08-0.10bar/(m/sec) mpssf：活塞平均速度平方系数 (recommended values=0.0006-0.0012bar/(m/sec)2) ：活塞平均速度 m p speed 此公式是在未知摩擦损失功情况下预测整个发动机摩擦损失功的经验 公式，摩擦损失功与缸内最大压力和活塞平均速度有关。 17 第三章 xd479q 发动机模拟平台搭建 3.1 xd479q 发动机参数 xd479q 型汽油机主要用作轻型客车、轻型载货车的前驱动力，也可以 作为同类型汽车和其它机械配套动力使用。浙江吉利汽车公司的 jl479q 具 体相同的设计要求及研发目的，因此建模过程中 xd479q 主要性能指标和结 构参数可参照 jl479q 设置，具体数据如表 3-1 所示： 表 3-1 xd479q 型汽油机主要参数10 冷却方式水冷 缸数和布置直列 4 缸 冲程数 4 燃烧室型式对向斜顶面 气门机构4 气门、顶置、双凸轮轴 缸套型式无 缸径行程 78.969 总排量，l 1.349 压缩比 9.35 最大输出功率,kw/rmin-1 63/6000 最大扭矩,nm/rmin-1 110/5200 全负荷最低油耗率,g/(kwh) 279 怠速稳定转速,r/min 700 润滑油容量,l 3.5 进气门开,ca16(上止点前) 进气门关,ca56(下止点后) 排气门开,ca48(下止点前) 排气门关,ca17(上止点后) 气门间隙(冷态),进气门,mm 0.20 气门间隙(冷态),排气门,mm 0.30 点火提前角,ca上止点前 10(700-800r/min) 外形尺寸,长宽高,mm 668592648 干质量(不带离合器),kg 103 18 3.2 整机模型的搭建 几何结构的精确描述是准确实现数值模拟的重要前提，但汽油机模型 涉及到的实体很多，而且结构极其复杂，如按真实实体结构建立计算几何 模型需要花费大量时间且难以实现，也没有必要。因此根据计算经验，在 保证对数值计算精度不产生很大影响的前提条件下，对实体结构进行一些 等效简化处理。由于对整机进行分析涉及到的工作过程太多，同时也受到 计算速度的影响，因此将进排气管路简化成一维的模型，将缸内工作过程 简化成零维和准维模型，这样既能保证计算的精度，又可以节省大量的时 间。流程图如图3.1所示，模型图如图3.2所示。 19 3.2 xd479q gt-power 模型示意图 3.3 定义外部环境参数 这个模块主要确定压强、温度、气体成份等描述外部边界环境状况的 参数，参数如图 3.3 所示: 图 3.3 20 指针变量 air 的设定如图 3.4 所示： 图 3.4 3.4 定义空气滤清器 创建空气滤清器管件，为了计算方便，将空气滤清器模拟成一维管道， 通过设置压力损失系数实现它原有得功能。参数设置如下： 21 图 3.5 3.5 定义节气门 模板“endenvironment”用来描述上游边界条件（upstream boundary condition） 。将由一个进气管来连接environment 到空气滤清器， 一个管件（pipe）连接空气滤清器到进气歧管，歧管与空气滤清器之间连 接了一个节气门。参数设置如下： 图3.6 22 图3.7 3.6 定义连接管件及孔实体 在模型的离散化过程中，经常需要一些管件及孔实体作为连接件。只要 溢流口和管件连接到一起，就会自动创建一个“def”孔。缺省孔 （defaultorifice）定义模块实体之间的连接时，gt-power 将计算前向和 返回的分散率（forward and reverse dischargecoefficients） 。尽管如 此，在多数歧管中，从歧管到管道的转变都是非常平滑的（smooth） 。使用 缺省孔将为系统增加一个并不真实的额外的损失。因此，需要使用未缺省 （non-default）孔，这里，分散率将是1。 从环境未端到进气歧管未端之间的连接管件均按如下参数进行设置： 23 图 3.8 孔实体设置参数如下： 图 3.9 3.7 进气系统的创建及定义 建立进气系统，首先要建立进气歧管。绘制进气歧管以及离散歧管的方 法（the method used to discretizethe intake manifold）如下图所示。 24 图 3.10 图3.11 传统的分析中，离散化长度（discretization length）规定：进气系 统中，一般是孔径的4 倍；排气系统中，是孔径的5.5倍。离散歧管的一般 步骤如下： 1、确定目标离散长度； 2、从歧管到管道的溢流口的尺寸和位置。溢流口的尺寸和位置必须首先定 义，因为它们通常包含一个容积，并且不能再次做离散。 3、利用总体尺寸（overall dimensions）来计算管到溢流口的长度。利用 进气系统管件的目标离散化长度。如果某些管件太短（小于5倍离散化长度） ，它们应该与相邻的合成一体离散。 上面提到的歧管几何形状已经简化了，因此只需一个溢流口实体 （flowsplittright object）和一个管件实体（pipe object）来完成歧管 模型。 下面列出进气管道中溢流口实体和管件实体的参数设置： 25 图 3.12 图 3.13 26 3.8 定义进、排气门 xd479q汽油机采用四气门结构，2 个进气门和进气道,2 个排气门与排 气道均成错流分别布置在气缸盖两侧，排气凸轮轴通过齿型皮带由曲轴正 时齿轮驱动，进气凸轮轴借助一对齿轮与排气凸轮轴同步反向旋转。进气 或排气系统结构相同,其运动规律各自独立地受制于凸轮型线,同一缸两个 进气门或两个排气门的关闭规律自然保持同步。 进气门气门升程曲线影响到发动机曲轴每个角度处的气门开启程度， 进而影响到进气压力特性的仿真结果。gt-power 与之相关的边界条件包括 了valvecamprconn模块的lift arrays、angle multiplier 和cam timing angle。 lift arrays 是气门升程lift array 与曲轴转角theta array 的对应 关系，其输入采取theta array 为0 时，lift array 为最大值的形式。 angle multiplier 是对气门从开启到关闭的角度差进行调节的参数，通过 对theta array 乘上angle multiplier可以将lift arrays 中输入的气门 从开启到关闭的角度差调节至与真实情况相同的值。cam timing angle 是 气门升程达到最大值点（即theta array 取0 点）与压缩上止点间的曲轴 角度差。 由于无法获知测试车辆的真实气门升程曲线，而只清楚其气门升程最 大值为8.163mm，为了简化问题，lift arrays 中theta array 使用gt- power 设置的默认值，但对每点的lift array 乘上8.163mm 与默认lift array 最大值10.204mm 的比值0.8，得到的theta array 与lift array 对 应关系如附录表1所示。 lift arrays 中填入的气门从开启到关闭的角度差（即theta array 值的跨度）为156 度曲轴转角，而测试车辆的角度差为252 度。按照比例 关系，调整后的气门开启点与升程最大点间的曲轴角度差为 =117.9 73 (1656 180) 7383 本机的气门开启提前角为16 度曲轴转角，与压缩上止点成344 度曲轴 转角轴角度差，因此cam timing angle 值取344 度与117.9度之和，即461.9 度，约为462度。取值时取凸轮转角，因此为231。 27 调整lift arrays、angle multiplier 和cam timing angle 值后得到 的gt-power 输出进气门升程曲线如图3.14所示 图3.14 排气门在计算 cam timing angle 的时候用的是凸轮转角，即为曲轴转 角的一半，通过上述方法计算结果为 257 度曲轴转角，取一半值即为 124 度。调整参数后排气门的升程曲线如图 3.15 所示。 28 图 3.15 进气门的具体参数设定如下： 图 3.16 29 图 3.17 图 3.18 30 排气门的具体参数设定如下： 图 3.19 图 3.20 31 图 3.21 32 图 3.22 3.6 气缸参数设定 气缸模型建立得过程中，需要确定的是燃烧室的具体结构尺寸；确定 气缸壁温度；热量在气缸内传递的方式及燃烧模型等。根据原机具体参数 和 gt-power 推荐参数值建立燃烧室模型如下： 33 图 3.23 图 3.24 34 图 3.25 指针 cylg1 的设定 本论文应用“engcylcombsiwiebe”单维韦伯燃烧模型对点燃式发动机 进行整机性能模拟计算。主要需要输入得数据是由燃烧 0%50%，以及 10%90%所对应的曲轴转角，软件自动调用计算程序，计算所需要的点火提 前角，再调入燃烧模型计算公式计算。 35 图 3.26 韦伯放热率和实验放热率对比 图 3.27 36 图 3.28 图 3.29 37 3.7 燃油喷射模块设定 xd479q具有完善的机内措施,如燃烧系统、电控喷油和电控点火定时 系统、配气系统,配合机外措施的三元触媒催化系统,排放指标可达到欧洲 一号标准(hc 500 10 - 6 ,co 1. 5 %) 。 xd479q 为电控燃油喷射，对喷射燃油量可以通过传感器，ecu，喷油器 等联合作用，进行精确控制。这里主要通过控制空燃比来实现对喷油量的 控制。 图 3.30 38 图 3.31 39 图 3.32 空燃比随转速变化 图 3.33 燃油物化特性 3.9 排气系统的创建及定义 图3.41是用于4 缸火花塞点燃式发动机的基本排气系统。这里将有一 个孔单元（orifice）用来提供合理的背压。从图中可以看到，排气管1 和4 连 接在一起，2 和3 连接在一起，最终又汇聚于溢出口。在排气系统模型的每 个管件（pipe）和溢出口（flowsplit）都有一个用于计算排气系统壁温的 实体，称为“heat conductionobject” 。 可以通过操作“edit/deltte unusedobjects or object and templates”来清除工程库。每个当前未被使用和关联的实体（或者实体和 模板）都将被从工程库中删除。使用这个特性，将会发现柴油的气态和液 态特性（the vapor and liquid properties of diesel）将会从工程图中 消失。 40 图 3.34 前面两个溢流口的参数设置如下 图 3.35 41 图 3.36 总溢流口参数设置如下： 图 3.37 42 图 3.38 3.9 发动机曲轴箱设定 曲轴箱中，设定的是发动机冲程，气缸数，气缸排列形式，发火顺序， 转速以及计算开始点（上止点前曲轴转角） 。在未知摩擦损失功情况下预测 整个发动机摩擦损失功，摩擦损失功与缸内最大压力和活塞平均速度有关。 如果使用测功机试验直接测量出摩擦损失功，则可将摩擦损失功的常数部 分设定为试验值。参数设置如下： 43 图 3.39 图 3.40 44 图 3.41 图 3.42 3.10 原机外特性仿真结果及模型验证 模型设定完成后，对 case setup 及 plot setup 设置好后运行，得出 45 发动机模拟外特性与实验数据对比曲线如下： 图 3.45 xd479q 功率对比图 图 3.46 xd479q 扭矩对比图 46 图 3.47 xd479q 比油耗对比图 分析以上数据，在 gt-post 中通过 view data 取得图表对应转速时的 数据，计算相对误差，制做误差表如下： 表 3-2 转速功率误差扭矩误差油耗误差 2000-14.29%-4.27%0.99% 2500-7.10%-1.87%-0.28% 3000-6.89%-3.89%-0.14% 3500-4.01%-4.28%0.47% 40000.52%-0.64%-0.26% 45004.75%1.28%0.06% 50002.14%0.17%0.44% 55002.79%2.51%-0.19% 60003.75%3.54%0.06% 6500-0.14%7.43%-0.02% 分析误差表及对比曲线可知：发动机最大功率以及功率随转速的变化 趋势都与实验情况接近，功率线趋于平缓，高转速下误差较小，均没有超 过 5%;扭矩线在几个低转速工况下有 47 所差异，但差值不大，相对误差能保持在 5%以内，最高误差值即在最大转 速处也不超过 10%；比油耗线正常，与实验值比较相似度较高，相对误差不 超过 1%。 实验值与gt-power模拟得出的数据有一定的误差是多方面因素造成的。 首先，在建立gt-power模型时做了一定程度的简化与假设，如将进气管模 拟成一维管道，边界条件参数使用了gt-power默认值，燃烧模型使用的是 比较简单但误差较大的零维韦伯燃烧模型，以及管道，接头等部件得摩擦 系数与实际值存在误差，在整个模型建立过程当中，大多数参数都是参照 jl479q设置的，许多参数无法获知，因此只能使用gt-power默认的边界条 件参数。 虽然实验值与模拟值有一定的误差，但误差不大，在误差允许范围之 内。综上所述，软件和模型都具有较高的计算精度和可靠性， 以其为基础 进行的配气相位对xd479q油机性能计算与分析具有可信性，同时也可以用 来对汽油机进行参数优化计算，可以供下一步计算分析使用11。 48 第四章 配气相位对发动机性能影响 4.1 进气门处压力分析计算 发动机进气门处压力对发动机充气效率有决定性的影响，它与气缸内 的压力、进气门流通面积共同决定了发动机的充气效率。进气门关闭角与 进气门处压力波形相适应，使进气门关闭时刻尽量接近压力波峰值，以得 到最大的充气效率12。 图 4.1 进气管压力对比图 图 4-1 中可以看出，当发动机转速在低谐振转速附近（2000rpm） ，进 气门处压力呈现为较有规律的周期波，当进气门开启后，压力波达到峰值， 此后，进气门处压力下降，在进气门开启约 90ca 及 180ca 后再次达到峰值。 这是由于进气门开启后，发动机处于进气冲程，活塞由上止点快速向下止 49 点移动。此时缸内压力迅速下降，在进气门形成一较大的膨胀波。进气门 压力降低，空气开始从气道经进气门流入气缸。这个膨胀波沿进气歧管、 谐振腔、进气总管方向流动，在进气总管口处反射压缩波，引起谐振进气 系统内的压力波动。在发动机的工作循环中，各缸在谐振中相互作用，在 谐振进气系统中产生相位一致的压力波，这种压力波又