CNG发动机建模与发动机性能模拟计算

前 言大约在上世纪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。由于不考虑实际的换气过程、燃烧过程和传热过程等，所以计算中人们只能作粗略的估算，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、制造和调试主要依赖于经验。直到60年代中期，由于电子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，然后编制计算机程序，用电子计算机数值求解微分方程，以求得气缸内各参数随时间或曲轴转角的变化规律。计算中考虑到气缸内的热力过程、传热过程、燃料性质、气体流动、充量更换过程、废气涡轮增压器的特性及其与发动机的配合问题，所以计算结果比较符合实际情况。目前，发动机工作过程数值模拟的研究状况大致如下：（1）预测发动机的性能：如发动机的标定工况性能、部分工况运行特性、增压发动机的瞬态特性（变负荷时的响应特性）以及有害排放物（、等）的预测；（2）设计参数的优化：通过模拟计算可以研究各种结构参数（如压缩比、配气定时、排气管的尺寸布置、增压器特性等）、热力参数（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、机油温度等）对发动机性能的影响，并求得最佳值；（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，指明参数调整方向，从而减少试验的工作量，缩短调试过程的周期，从而节约时间和资金1。我国的发动机工作过程数值模拟还处于刚刚起步阶段，国外在这方面的研究也是随着计算机技术的飞速发展才发展起来的，很多方面还不完善，尤其是排放、燃烧和燃油喷雾等方面的各种物理化学模型需进一步完善。由于计算机技术的飞速发展，计算速度的提高更多的依赖于计算机速度的提高，而计算方法的改进所带来的计算时间的缩短效果并不理想，它的改进更多的是考虑计算精度的提高。本毕业设计是一个题为“CNG发动机建模与发动机性能模拟计算”的结合科研的专题研究。文章第一章是关于发动机性能模拟计算的绪论，讲述了该毕业设计的主要内容、理论价值和现实意义，同时分析了发动机性能模拟在国内外研究状况、存在的问题和发展方向。第二章讲述了内燃机工作过程模拟计算的理论，为后面的建模、模型参数的输入以及模型的调试奠定理论基础。第三章主要说明的是该CNG发动机模型的建立过程和详细的参数设置，此外还介绍了发动机性能模拟软件BOOST。第四章利用模拟仿真数据和试验数据对模型进行了验证。验证的内容主要参数是发动机的有效功率、最高爆发压力、CNG流量、空气流量四个参数和发动机图。结果表明，模拟数据和试验数据的误差在5%之内，模型具有足够的模拟精度，可以用该模型对CNG发动机性能进行模拟计算。第五章中我们利用建立的CNG发动机模型对发动机性能进行模拟计算，分析点火提前角、空燃比等参数对该天然气发动机性能的影响规律，并结合本科阶段所学的理论知识对模拟出来的各种规律进行了分析。本专题研究要求具有发动机全套技术资料和BOOST模拟软件。在研究过程中，本文引用了国内外许多工厂、研究所和本科院校的试验、研究资料，充分利用了大学本科期间所学的理论知识来解决毕业设计中遇到的难题。因此，本毕业设计巩固了我们大学本科期间所学的内燃机方面的理论知识，同时提高了学生运用计算机解决问题的能力、科技文献检索能力、自学能力和动手解决实际问题的能力。目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 设计的主要内容11.2 设计的理论价值和现实意义11.3 国内外研究现状和存在的问题21.3.1 研究现状21.3.2目前研究中存在问题31.4 内燃机循环模拟的发展方向3第2章 内燃机工作过程的模拟计算理论42.1 缸内模型42.2 燃烧模型52.3 放热模型62.3.1 Vibe函数72.3.2燃烧始点72.3.3 燃烧持续期72.3.4 形状参数m82.4 传热模型82.4.1 Woschni1978模型92.4.2 Woschni1990模型92.5 扫气模型102.6 管道模型10第3章 CNG发动机建模123.1 关于AVL BOOST123.1.1 AVL BOOST软件简介123.1.2 AVL BOOST学习方法和使用143.1.3 AVL BOOST软件要求输入的数据结构143.1.4 AVL BOOST软件仿真分析步骤153.2 CNG发动机工作过程模拟计算模型的建立153.2.1 模型的创建153.2.2 模型参数的输入17第4章 计算模型准确性的验证254.1 利用n=1200r/min的工况验证计算模型254.2 利用n=2000r/min的工况验证计算模型274.3 计算模型准确性的验证结果30第5章 主要参数对发动机性能的影响分析315.1 点火提前角对CNG发动机性能的影响315.1.1 点火提前角对发动机动力性的影响315.1.2 点火提前角对发动机经济性的影响345.1.3 点火提前角对发动机排放性能的影响355.2 混合气浓度对CNG发动机性能的影响375.2.1 混合气浓度对发动机动力性的影响375.2.2 混合气浓度对发动机经济性的影响395.2.3 混合气浓度对发动机排放性能的影响40第6章 结论与展望446.1 结论446.2 展望45致 谢47参考文献48摘 要天然气发动机由于其在环境及资源上的优势，得到了越来越广泛的应用。世界很多汽车公司也将天然气汽车作为一种优先发展的代用燃料汽车。目前，我国许多大城市把发展天然气公交车作为治理城市大气污染的重要举措之一。因此，研究、开发天然气发动机具有广阔的市场前景。本文通过发动机性能模拟软件AVL BOOST建立一个直列六缸CNG发动机工作过程的计算模型，并通过模拟数据和试验数据的比较验证了模型的准确性。验证的主要参数是发动机的有效功率、最高爆发压力、CNG流量、空气流量四个参数和发动机图。验证结果表明，模拟数据和试验数据的相对误差在5%以内，模型具有足够的精度，可以采用该模型对发动机性能进行模拟计算。此外，文章还寻求模拟仿真数据与试验数据之间的差异，分析导致两者之间产生误差的原因，并通过改变模型中的点火提前角、空燃比等主要工作参数，对该发动机的性能进行了分析，从而为发动机的参数优化奠定理论基础，减少开发时间、物力和财力。关键词：天然气发动机，模拟计算，模型，性能分析ABSTRACTNatural gas engine has been used widely because of its environmental and resource advantages. Many automotive companies take the CNG engine as the most important alternative fuel vehicle. At present, large amount of big cities in China develop CNG buses as the important measurement of air pollution treatment. Therefore, research and development of natural gas engine has broad market prospect.This paper establishes an operating process of calculation model to simulate the performance of an inline six-cylinder compressed natural gas (CNG) engine by using engine performance simulation software AVL BOOST. Model of the engine is adjusted by the comparison between simulation results and experimental results. The main parameters that we compared are four parameters, which are effective power, peak pressure, CNG flow, air flow, and the indicator diagram. Results show that the simulation result error is within 5%, so the model is accurate enough to simulate this engine. In addition, this paper finds out the difference between simulation results and experimental results and analyzes the reason for the relative error. By changing the spark advance angle, air-fuel ratio of the engine model, this paper analyzes the performance of the engine, which can provide the theory bases for the future parameter optimization, and can reduce the time, materials cost and financial resources in the design of compressed natural gas engine.Keywords: CNG engine, Computer simulation, Model, Performance analysisI第1章 绪 论内燃机工作过程的研究是实现良好的动力性、经济性以排放性指标的基础，是内燃机原理的基本内容。内燃机工作过程是一个非常复杂的系统，它涉及到热力学、化学反应动力学、流体动力学、传热学等多门学科。建立工作过程数值计算的数学模型就是在一定的目的下，在各种精确度和复杂度的水平上把相关学科的计算公式有机地结合起来。通过计算机解算，可以比较深入地了解工作过程中参数变化的规律及结构参数、工况条件等因素对工作过程的影响程度，进而与试验研究相互补充，形成对内燃机工作过程进行比较全面、深入的分析研究方法，成为推动内燃机性能研究的有力工具。1.1 设计的主要内容内燃机工作过程模拟计算可分为设计类计算和研究类计算。设计类计算是以确定发动机工作参数、结构选型方案及尺寸为目的的计算。研究类工作过程数值计算是对现有机型的工作过程进行细致分析，以加深理解为目的，它可以揭示系统各个因素之间的数量关系2。“CNG发动机建模与发动机性能模拟计算”是结合科研的专题研究。该研究先通过发动机性能模拟软件AVL BOOST建立一个直列六缸CNG发动机模型。通过对比模拟仿真数据和真实试验数据，我们对模型进行验证。研究中对我们利用该发动机的两个工况点（转速分别为1200r/min和2000r/min的工况点）的仿真数据和试验数据对建立的模型进行了调整和验证。验证的内容主要参数是发动机的有效功率、最高爆发压力、CNG流量、空气流量四个参数和发动机图。结果表明，模拟数据和试验数据的误差在5%之内，模型具有足够的模拟精度，可以用该CNG发动机模型对实际天然气发动机的性能进行模拟计算。同时，研究中我们还寻求仿真数据与试验数据之间的差异，分析导致两者之间产生误差的原因。最后，我们对发动机性能进行模拟计算，分析点火提前角、空燃比等参数对发动机性能的影响规律，为发动机进一步的设计提供参考。1.2 设计的理论价值和现实意义内燃机模拟计算是一种现代化的计算研究方法，同传统的计算分析方法相比，具有显著的优越性和合理性。AVL BOOST是一个建立整台发动机模型的模拟程序。它可以模拟包括燃烧在内的发动机所有循环和进排气系统的特性。它可应用于各种发动机设计方案的优化、气门正时的优化、增压系统的设计、各零部件的优化设计和发动机瞬态性能的评价等。若结果计算值与实测值较为吻合，可将计算值作为分析和研究的依据，此外，如建模方法和步骤正确，可推广运用到其它类型的发动机建模。天然气具有资源丰富、价格便宜、燃烧完全且排放污染低的突出优点，因而倍受人们青睐。世界各大汽车公司也将天然气汽车作为一种优先发展的代用燃料汽车。目前, 我国许多大、中城市把发展天然气公交客车作为治理城市大气污染的重要举措之一3。因此，研究、开发天然气发动机具有广阔的市场前景。很多时候，我们需要对原有发动机进行燃用CNG燃料的改装，若使用AVL BOOST进行原发动机燃烧CNG时的性能模拟，可较为方便且合理地确定改装或设计的方案，降低开发难度。1.3 国内外研究现状和存在的问题1.3.1 研究现状在国外，内燃机循环模拟的研究和应用首先开始于各大学和研究机构，其中比较著名的有英国的UMIST大学、Bath大学，德国的Ruhr大学，美国的UW大学、Ricardo公司和PEI公司。它们相继开发出高质量的循环模拟软件，并用于各种不同的研究工作。其中值得一提的是美国PEI公司开发的Eng-Tech系列软件，除了循环模拟功能以外，它还能够对内燃机各个组成系统（如喷油系统、曲柄连杆机构、配气机构等）的工作进行模拟研究。随着循环模拟软件的进一步发展，内燃机循环模拟成为各内燃机制造公司产品开发过程中不可缺少的重要技术手段。例如，DEUTZ车用发动机有限公司目前推向市场的新型水冷柴油机BFM1015系列，因其具有排放、噪声水平低、结构紧凑、比重量极低等卓越的性能而受到国际市场的广泛关注。在其研制开发过程中，内燃机循环模拟也发挥了极其重要的作用。例如，为实现六缸机和八缸机进气系统的最佳化，在方案论证阶段，利用PROMO程序进行配气计算，研究各种增压方案，在满足安装要求的前提下，使内燃机获得最佳的进气效果，同时还解决了各缸进气分配不均匀的问题。除此以外，还对柴油机的排气系统进行了优化设计。同国外相比，我国内燃机循环模拟的研究和应用起步并不晚。七十年代，北京大学、中国科学院计算所等单位开始进行这方面的研究工作。到八十年代，天津大学、北京理工大学、西安交通大学、上海交通大学等高校和研究单位相继开展这项工作，内燃机循环模拟研究发展得较迅速，相继开发了一些模拟计算程序，并在一些科研项目中发挥了应有的作用。但是这些程序的应用仅限于各研究单位，甚至某个研究者，还未能进入实际产品开发过程。1.3.2目前研究中存在问题随着内燃机循环模拟理论和技术的不断完善，它在内燃机设计和研究中的作用已得到公认，但仍存在一些不足。（1）内燃机循环模拟采用的数学模型目前大多数仍是借助于物理模型或相似模型的研究建立的，模型求解的边界条件和系数的确定仍需试验解决，还无法成为一种独立的研究手段；（2）建模过程中对实际过程进行了许多简化、抽象和假设，从而影响了仿真模型的建立，使计算结果和实际情况之间存在偏差；（3）数学模型中采用的经验公式（如传热系数、流量系数、放热规律等）是由不同的条件和不同的内燃机试验获得的，很难做到通用，在应用时必须根据情况恰当选择，否则难以得到满意的结果；（4）仿真算法的精度与速度，对于不同的研究内容会有不同的要求，目前难以有统一的标准；（5）内燃机循环模拟软件多是针对具体的工作过程和机型编制的，软件的可移植性和可扩充性差。1.4 内燃机循环模拟的发展方向内燃机循环模拟的优越性越来越为人们所重视，尤其是对于新型内燃机的研制、选型及改进等，提供了极大的方便，开展这方面的研究工作十分必要，工作的重点应放在以下方面：（1）探讨适合内燃机工作特点的仿真方法，在考虑计算精度的前提下，还应考虑计算速度；（2）重点进行内燃机整机性能进行模拟研究，模型建立应力求简单，物理概念明确；（3）软件的结构应采用开放式，具有好的移植性和扩充性；（4）模拟软件应提供友好的用户界面，方便人们的使用；（5）注重排放的研究和模拟4。第2章 内燃机工作过程的模拟计算理论内燃机工作过程是如此的复杂，为了模拟，总要作一些重要的简化假定。内燃机的热力过程都受燃烧过程的强烈影响。模型不在于维数的高低，不在于考虑因素的多少，也不在于是定性或者定量，评价好坏的关键在于实用。能得出满足工程精度要求的定性或定量结果，能提供进行设计和性能分析的理论依据，能解决实际问题，这样的模型才是有实用价值的模型5。2.1 缸内模型发动机气缸中的工作过程是很复杂的，它包括机械、物理、化学、热传导及其流动等过程。在气缸内各部分工质的温度、压力及成分也是不同的，特别是在燃烧过程阶段，各处的温度和工质成分差别很大。发动机缸内燃烧周期计算的理论基础是热力学第一定律： 式（2.1）式中：气缸里工质内能的变化；：工质对活塞做的机械功；：燃料燃烧放出的热量；：工质与气缸盖、缸套、活塞进行热交换的热量； ：由于漏气而引起的焓流；：气缸里工质的质量；：比内能；：气缸内压力；V ：气缸容积；：燃料燃烧放出的热量；：壁面的热损失；：曲轴转角；：漏气焓；：流动质量。在燃烧周期中，热力学第一定理对缸内能量的变化描述同样适用于整个活塞的运动情况，还包含燃料的加入、气缸壁的传热损失和窜漏的焓值。为了求解这个方程，需要对燃烧过程、壁面传热过程进行模拟，还需要知道工质特性随压力、温度变化的关系及工质的成分，再结合气体状态方程： 式（2.2）从以上的方程中，建立了压力、温度和密度的关系。式2.2和可以用R-K方法解出。只要气缸内的温度知道，气缸压力可以由气体方程得到。式2.1对燃料在气缸内部和外部混合的发动机都适用。但是，考虑到由于燃烧而引起气体成分的变化，对于外部混合和内部混合的发动机采用不同的处理方式。对于内部混合的发动机，假定：（1）进入气缸的燃料被立即燃烧；（2）燃烧产物与气缸里的剩余气体立即混合形成新的均匀统一混合气体；（3）缸内混合气的空燃比的值从燃烧开始到燃烧结束不断减小。对于外部混合的发动机，假定：（1）在燃烧开始前混合物是均匀混合物；（2）在燃烧过程中空燃比是恒定的；（3）即使成分不同，已燃和未燃充气也具有相同的压力和温度。2.2 燃烧模型气缸内燃料的燃烧是一个化学过程，它受许多参数影响，其中之一是空气和燃料的比例（空燃比）。如果实际空气比理论需要的多，使燃料充分燃烧，则叫稀燃，反之则叫富燃。在燃烧后既没有未燃燃料剩余也没有空气剩余的空气和燃料的比例叫做化学计量空燃比。下面的方程说明了1kg燃料完全燃烧所需要的化学计量的空气量： 式（2.3）对于稀燃，一个循环释放的热量可以从气缸里的燃料量和其低热值计算得到。低热值是一种燃料属性，可以从下面的公式计算得到： 式（2.4）式中：低热值；：燃料中碳的质量分数；：燃料中氢的质量分数；：燃料中氧的质量分数；：燃料中硫的质量分数；：燃料中氮的质量分数；：燃料中水的质量分数。在富燃燃烧中，循环中产生的总热量由气缸中的空气量决定。即使实际空气比理论所需少，燃料也会全部被转换成燃烧产物。但是，在富燃和稀燃的条件下燃烧产物的组成成分是不同的。燃烧产物的组成成分由所用的燃料类型、空燃比、压力和温度决定。如果有足够的时间达到化学平衡，产物的成分组成总是一样的。事实上，在真实的发动机条件下，上述假设的完全燃烧过程是不可能达到的。对过量空气系数（过量空气系数的定义为气缸内实际的空气量与理论燃烧所需的空气量之比）为1的燃烧过程来说，这是非常重要的。因此，BOOST程序中包含了有关于燃料转换因子的模型，以考虑过量空气系数在0.9到1.2之间的不完全燃烧过程。内燃机气缸中的燃料燃烧放出的能量，一部分转化为机械功，一部分转换为机械功，一部分随同废气排出气缸，还有一部分传到燃烧室周壁上，由冷却液介质带走，而工质所吸收的热量为喷入燃料燃烧时放出的热量和传给燃烧室周壁的热量之差，即： 式（2.5）在所研究的系统内，获得或放出的热量变化必将以工质内能和机械功变化的形式表现出来，即： 式（2.6）2.3 放热模型放热率是描述燃烧过程、分析燃烧性能的一个重要参数。建立燃烧过程模型的最简单的方法是直接指定放热率。发动机在某一运行点的放热率可由测量的缸内压力曲线计算得到。通过对高温循环的逆计算，即可得到相应曲轴转角的放热率。为了简化计算，必须指定无量纲的热输入特性。通过计算循环总放热量（由气缸内的燃料量和空燃比确定），BOOST计算出每度曲轴转角所释放的热量。2.3.1 Vibe函数 式（2.7） 式（2.8） 式（2.9）式中：燃烧放出的总热量；：曲轴转角；：燃烧开始时刻；：燃烧持续期；：形状系数；：完全燃烧室时为6.9。2.3.2燃烧始点单区VIBE缸内燃烧过程模拟模型的输入参数是燃烧始点，而对发动机实际控制的是点火提前角，因而只能根据点火提前角的变化趋势来估计燃烧始点的变化趋势，根据测得的发动机点火提前角来确定燃烧始点。怠速时的点火提前角很小，相应的燃烧始点也很靠后；当发动机转速逐渐提高点火提前角也逐渐增大，相应的燃烧始点也提前。2.3.3 燃烧持续期怠速工况下发动机的转速很低，点火提前角很小，用曲轴转角表示的燃烧持续期也较小。随发动机转速不断提高，燃烧时间变短，但用曲轴转角表示的燃烧持续期却因为发动机的转速的提高不断增大。2.3.4 形状参数m在发动机缸内的燃烧参数中，形状系数m决定了燃烧放热率曲线的形状。m越小，燃烧速度越快，燃油消耗率及排气温度降低。但压力升高率及最大燃烧压力也随之增大，发动机工作粗暴；m越大，燃烧速度越慢，后燃较严重，燃油消耗率及排气温度也随之上升。因此，m值应根据机型、发动机转速等来选取。各类内燃机的、的统计资料如下：表2.1 各类发动机的、统计资料内燃机型式m直喷式高速柴油机0.15-1.250-150-12到0直喷式中速柴油机0.5-2.050-120-12到0分隔高速非增压柴油机0.4-0.660-100-12到0汽油机1.5-3.040-80-10到02.4 传热模型燃烧室壁面的传热可由下式得到： 式（2.10）：壁面热流动（缸盖、活塞和缸套）；：表面积（缸盖，活塞，缸套）；：传热系数； ：缸内气体温度；：壁温（缸盖、活塞和缸套的温度）。在定义气缸套的温度时，其轴向温度变化将被考虑： 式（2.11） 式（2.12）：缸套温度；：上止点处缸套温度；：下止点处缸套温度；：相对行程（与整个行程相对的实际活塞位置）。为了计算传热系数，BOOST提供了下面的传热模型：（1）Woschni1978（2）Woschni1990（3）Hohenberg（4）Lorenz（只用于分隔式燃烧室的发动机）（5）AVL 2000 MODEL2.4.1 Woschni1978模型Woschni1978模型在计算压力较高的循环中归纳如下： 式（2.13）:；：0.00324（DI发动机）；：0.00622（IDI发动机）；：气缸直径；：活塞平均运动速度；：圆周速率；:单个气缸容积；：发动机汽缸内的压力；:排气门关闭时气缸的温度；：排气门关闭时气缸的压力。2.4.2 Woschni1990模型修改后的Woschni1990传热模型目的是在部分载荷工况下对传热有更准确的预测。 式（2.14）：活塞在上止点时候的气缸容积；：气缸实际的统计；：平均有效压力。2.5 扫气模型良好的混合模型经常应用在四冲程发动机上，这一点也就说明了废气也是气缸内气体的主要组成成分。同时，废气中能量的组成也是气缸内能量的组成，在这种情况下，可以通过下面这个方程计算随曲轴转角变化的混合气浓度： 式（2.15）：混合气浓度。2.6 管道模型发动机的工作过程是有周期地进行的，在排气系统中气体也是非定常的。当排气门打开后废气从排气门流向涡轮或排气管的过程是压力传播的过程。因此，排气管中的压力不仅是时间的函数，也是位置的函数。为了较精确且简便地计算管道内的流动，作如下假设：（1）由于管道轴向几何尺寸比径向几何尺寸大得多，管道内轴向流动比横向流动效应大得多。因此，忽略径向流动效应，认为管道内流动是一维的，对于每一个流动参量均理解为在相应管道截面上该流动的平均值；（2）管内流动是不定常的，每一个流动参量都是轴向坐标x与时间t函数；（3）气体所流经的管道的截面面积变化比较缓慢，而且管道是刚性的；（4）考虑管壁的摩擦和热传导，为简化起见，仍用一维流动模型，但流动过程是非常熵的；（5）管内气体是理想气体，并不计重力。对于管道内的一维气体动力学，BOOST通过下述三个方程进行描述：（1）连续方程： 式（2.16）（2）动量方程： 式（2.17）（3）能量方程： 式（2.18）：密度；：流速；：沿管轴线的坐标；:管的横截面积；：静止压力；：管壁摩擦力；：单元容积；：温度；：管壁热流。根据雷诺相似定律，管道壁面的热流量可由壁面摩擦力和壁面、气体之间的温度差计算得出： 式（2.19）：定压比热；：管壁温度。式2.16、式2.17、式2.18三个偏微分方程描述了管内流体的一维非定常流动，其状态参数随时间和位置的变化而变化，其中考虑了管截面的变化，存在于流体与管壁间的摩擦、传热，以及考虑到熵的改变等。计算模型中的管系涉及到的物理边界包括气阀端、分叉处、涡轮端、开口端、封闭端等，在处理这些边界时都作了如下假定：（1）由于流动的参量随距离的变化比随时间的变化大得多，即，从而假设，即；（2）没有热交换，即；（3）如果流道收缩，假定是等熵过程；在突扩或分叉处，以非等熵过程处理6。第3章 CNG发动机建模与多维模型比较，发动机的一维模型是相对简单的。然而为了获得比较理想的计算结果，计算模型要求的输入数据尽可能接近真实的发动机参数，特别是几何结构输入数据。因此发动机建模应该使用详细图纸或实物。发动机的制造误差造成了实物与图纸的差异，我们需要利用真实的台架试验数据来校准发动机模型。在理论上，发动机模型需要满足以下两个要求：（1）管路系统的长度需要正确考虑；（2）进、排气系统的总的容积是正确的。经验表明，主要的问题可能出现在管路尺寸的规定方面。管路的长度基本上沿管路中心确定，管路中心是很难测量的。发动机建模需要充分研究的每个管的长度以及管路总长（如进气口到气缸进气门的距离）。在锥管建模时，认真检查管路的流量平衡是很重要的（也就是管路进出口的流量）。在建模过程中我们应该尽量避免使用锥管或台阶管的模型，而采用流量限制的方式。3.1 关于AVL BOOST 3.1.1 AVL BOOST软件简介该软件是我们的毕业设计“CNG发动机建模与发动机性能模拟计算”的主要模拟计算工具，使用者必须对该软件有一个全面的了解。AVL BOOST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。模拟的目的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（包括实际循环模拟、换气过程模拟）计算，使用户建立一个完整的发动机模型（包括各种附件，例如空气滤、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零部件的设计。该软件可以应用在下列范围：（1）发动机各种方案的性能对比；（2）进、排气系统、气门尺寸的优化；（3）气门正时和凸轮型线的优化；（4）增压系统的设计和匹配；（5）燃烧噪声研究；（6）发动机瞬态性能的评价。以上为BOOST 软件的功能，但它也有差强人意的地方。软件输入参数复杂。在预处理程序中所要求输入的参数较多，而且有些参数测量起来有一定难度。例如：在单一计算时要填写的流体流动参数、管子磨擦系数等；连续计算时要填写的活塞温度、气缸头温度、燃烧持续时期、缸套温度、燃烧开始角度、动态空燃比、阀温度等。同时BOOST软件涉及面广，对使用者来说，必须熟练掌握工程热力学和内燃机原理及其相关知识和实际工作经验。AVL BOOST已经应用于很多种发动机的开发和优化任务。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出所需的模块，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了理想的模拟算法。管道中的流动被视为一维，这就意味着从解气体动力方程所得到的压力、温度和流速代表着管道横界面的平均值。由于三维流动影响导致的处于发动机特殊部位的流动损失由适当的流动系数来修正。如果需要对三维流动作详细考虑，可以连接到AVL的三维流动模拟程序FIRE中进行。这就是所说，发动机关键部位的多维模拟可以和其它地方的一维模拟结合起来。该特点对于气缸里的进气运动，二冲程发动机的扫气和复杂的消音元件的模拟具有特殊用处。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型图中直接选取。后处理程序为计算结果的分析提供下列形式：（1）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。（2）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。（3）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指标（包括发动机功率、扭矩、油耗等）。（4）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6。3.1.2 AVL BOOST学习方法和使用目前，市面上还没有专门关于该软件的中文书籍，关于该软件学习的资料也不算多。我们学习AVL BOOST软件主要来源是该软件自带的用户指南和英文帮助文章，此外，在互联网上也有关于该软件的学习资料。学习BOOST软件，我们可以先从模仿例子开始，这样快速地对软件有一个全面的了解。在软件的安装目录下，有若干个做好了的发动机模型例子，同时在软件帮助里有关于这些例子的具体建模模拟过程的PDF格式的说明文件。我们打开这些文件，仔细观察模型的组成，更重要的是要看看每个模型的参数设置。由于AVL BOOST是一个全英文界面的软件，我们要充分利用我们汽车专业英语和发动机原理的知识，研究每个参数代表的意义，为以后自己独立建立模型打下基础。可以说，利用BOOST软件建立模型是比较简单的，但是要得到比较好的模拟精度就需要我们对参数进行全面认真的设置。通过例子的模仿后，我们对可以自己独立地建立一些简单的发动机性能模拟的例子。通过这样的训练，我们对软件会越来越熟悉，同时对每个参数理解也会逐渐加深。利用AVL BOOST软件创建模型是比较简单的，因为程序里含有很多的现成的发动机零部件的模型，例如空气滤清器、涡轮增压器、中冷器等。我们使用软件的时候只需要双击元件树上的零件的图标，元件就会在图形区内显示。每个元件都可以在图形区内进行位置的移动、缩放、旋转等操作。每个元件应该以合适的大小并且以在合适的位置显示，以便于使用管子把各个元件连接起来，同时，方便读者对发动机模型的理解。如何验证我们所建立的模型有足够的发动机性能模拟精度是一个重要的问题。我们可以对建立的模型和发动机试验结果进行对照。技术上许多创新和突破，都要求以试验研究为基础，或是经过试验来检验7。工程师常常利用AVL BOOST软件对现有的发动机进行建模，然后用模拟的结果和发动机试验的结果进行比较。若模拟具有较高的精度，我们可以利用软件改变发动机的某些结构参数，继续进行性能模拟，得出最优的设计参数，从而达到优化设计的目的。3.1.3 AVL BOOST软件要求输入的数据结构AVL BOOST软件主要输入的整体参数有：测试日期，测试类型，运行方式，发动机转速，计算方式（单一计算、连续计算、动态计算），空气与燃油的混合方式（内部混合、外部混合），冲程数，燃料类型及特性（燃烧值、空燃比），空气特性类型（恒定、可变），发动机状态（稳定转速、变速），参考条件（压力、温度）等。最后输入数据有：参考测量点，发动机负载，有效压力等。其分类如下：（1）常规型数据：根据所需研究的发动机的机型、结构尺寸等，通过厂家提供的结构参数和图纸就可完成对这些参数的输入，主要包括气缸、进排气管道、腔体、增压器、中冷器等的基本参数。（2）理论型数据：取决于BOOST计算主程序所依据的理论基础，用户对这些数据的取值要符合其所采用的基本理论及其对这些参数的特定定义；用户可选择的放热模型有Woschni/Anisits、Vibe、double Vibe、Constant Volume、Constant Pressure、Motored、Hiroyasu等，也可以自定义；气缸的传热模型有Wochni1978、Woschni1990、Hohenberg等，也可忽略气缸的传热；管道的传热模型一般用Zapf，也可忽略；扫气模式也按其扫气质量的高低进行了区分。（3）自定义型数据AVL公司为达到计算的统一性、规范性，自行定义的一些方便于计算的数据。自定义数据有计算模式、存储数据间隔、步长等参数。3.1.4 AVL BOOST软件仿真分析步骤首先进行发动机的建模：（1）收集发动机相关的数据和资料；（2）将实际的复杂的发动机分解成若干个容易处理的子系统，并运用BOOST提供的模块建立相应的物理模型；（3）根据热力学、传热、传质等方面的知识，将简化的物理模型进行定量的数学描述。将收集的数据及资料输入到相应的模块中去，即建立数学模型。接着进行各个数据的分析及优化：（1）利用已建立的初步模型进行模拟计算，求出模型所包含的全部物理量；（2）通过设置不同的工况进行仿真，对发动机的某些参数进行改变和优化使试验数据和仿真数据相吻合。最后进行结果分析及其后处理，根据结果做整体分析，找出影响发动机性能的因素，提出相应的修改措施，为发动机的进一步设计提供参考依据。3.2 CNG发动机工作过程模拟计算模型的建立3.2.1 模型的创建该CNG发动机模型是该发动机实物在试验台架工作过程的结构建立起来的。从该软件的工具箱中选择所需的连接件，再通过管道将各连接件连接起来，建立整台发动机的模型。为了使模型更准确，在变径管处加有一定的阻力。文中模型是以第一缸为基准的，在第一缸上置有测量点，用来检测流动数据，但它不会对流动本身造成任何影响，其余五缸的工作过程与第一缸相同。其模型如图3.1所示。其中结构参数以发动机实际值输入，包括各管的直径、长度、燃烧室的结构参数及配气机构参数等；其初始化设置的参数均为原发动机机的试验数据，包括空燃比、增压比、进排气初始温度、单循环喷油量等（模型中的MP为测量点，主要测量各管的压力、温度、流量、流速等）。创建计算模型的第一步是在画图区域设计模型。为此，鼠标从要素菜单选择所需要素并且通过按各项按钮在画图区域内拷贝。用鼠标在画图区域内要素可移动到所需要的位置。画图区域内所示符号可依照WINDOWS惯例用鼠标进行调整。在绘图区内管道设计须在菜单中按Pipe钮。一个管道附件所有可能存在的点在绘图区内用小圈显示出来。用鼠标左键点击所要指示的圈，则管道被附上要素。管道的外形可通过在绘图区内用鼠标左键安置许多参考点来定义。最近的一系列点须再次定位在可能存在的管道附件上。然后管道的嵌入须按鼠标右键来完成。如果管道两端之一的一个小圈没有选中，则管道程绿色，此即表明管道附件没有被预程序所认可。下图是设计出来的模型。图3.1 仿真模型该模型由55个元件构成，其中包括27个管道；6个气缸（Cl-C6）；2个容积腔（PLI-PL2），PL1代表进气总管，PL2代表排气总管；6个约束；一个节气门；一个燃料喷射器；两个系统边界（SB1、SB2）；5个测量点（MPl-MP5）。表3.1 模型的组成元件名称管道边界条件容积腔汽缸接头约束旋转阀燃料喷射器测量点数量27226561153.2.2 模型参数的输入3.2.2.1 全局输入数据由于全局输入数据用于控制每一元件的输入过程，BOOST要求全局输入数据优先于任何一个元件输入数据。日期是最后一次改变BOOST数据设置的日期，日期由前处理程序自动填写。项目标识和运行标识是一个注释行，可以区别计算工况。两者长度最大为50个字符。BOOST提供3种计算方式：（1）单个计算：对某一发动机配置单一操作点的计算，在发动机整个输出计算中可以利用详细的流动分析；（2）系列计算：系列操作点，或某一冲程中发动机变量计算。只有发动机总的性能数据能被存储。（3）动态计算：BOOST后处理中为了模拟显示结果，专门为某一操作点和发动机配置提供输出量。本设计中的CNG发动机工作过程模拟计算采用的是单个计算。发动机的转速是指曲轴的回转速度。对于稳定工况，它是一个常数。对于瞬态工况（如发动机加速工况），在前三个循环里由于初始化过量空气动力学，其初值也保持恒定。随后，发动机瞬态转速通过计算每一时间段的曲轴动力学扭矩方程来得出。该模拟是模拟发动机的两个转速的工况，转速分别是1200r/min或2000r/min。BOOST提供两类混合物的制备：（1）内部: 在循环过程中，燃油直接供给气缸；（2）外部: 燃油通过化油器或喷油器喷入进气系统，或是与周围空气的混合物一起喷入进气系统。根据实际发动机的设计，该CNG发动机的混合气形成是缸外混合。BOOST 提供的燃料有汽油、柴油、甲烷、甲醇、乙醇、氢。对每一种燃料，缺省的低热值和理论空燃比也应给出。如果有更精确的数据可用，缺省值可以填在上面。 通常，BOOST在任何时候的燃油特性都是根据实际的燃油成份、实际压力、实际温度来确定。显然，该模型是燃料种类为CNG，即甲烷。为了准确计算发动机性能数据，如传动效率、升功率等，要求的参考环境（压力和温度）与周围环境有关。发动机从系统边界环境吸气，确保参考环境与系统边界环境相匹配是用户的职责。否则，结果可能会出现错误。该模拟的参考环境是：大气压力为1巴，大气温度为24.85。最大的计算周期由曲轴相位角间隔值来表示，在该工况停止后，结果会被保存。对于稳定工况来说，为了取得稳定的计算结果，其计算周期是相当长的。建议用多个循环周期。达到稳定状态的所必需的计算周期，取决于发动机的配置。对一个多缸发动机来说，计算周期可能会较短。4冲程发动机比2冲程发动机所需的计算时间短。根据该发动机的特点，模型中最大计算周期是20个循环。模型的点火顺序与实际发动机吻合，为1-4-2-6-3-5。具体模型中的全局输入数据见下表。表3.2 模型中的全局输入数据模拟任务（Simulation Tasks）循环模拟（Cycle Simulation）计算方式（calculation mode）单个计算（single）发动机转速（engine speed）1200r/min或2000r/min燃料混合方式（mixture preparation）缸外混合（external）燃料类型（fuel type）甲烷（methane）燃料低热值（lower heating value）50000KJ/kg理论空燃比（stoichiometric A/F ratio）17.2参考环境（reference conditions）大气压力1bar,温度24.85最大计算周期（maximum calculation period）20个循环（20engine cycle）管道的平均尺寸（pipe average cell size）25mm点火顺序（firing order）1-4-2-6-3-53.2.2.2气门数据的输入内燃机的换气过程是内燃机排出本循环的已燃气体和为下一循环吸入新鲜充量（空气或可燃混合气）的进排气过程，它是工作循环得以周而复始不断进行的保证。对四冲程内燃机而言，换气过程即是指从排气门开启到进气门关闭的整个过程。内燃机性能很大程度上依赖其换气过程，为提高动力性和经济性指标，需要研究减少进排气流动阻力损失和提高充量系数的措施及方法。配气机构是发动机中的重要组成部件之一，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，对改善发动机技术状