可变配气正时发动机工作过程一维模拟与试验分析.docx

装订线 毕业设计（论文）可变配气正时发动机工作过程一维模拟与试验分析摘要配气机构是汽油发动机进排气系统的核心部件，对发动机性能具有重要影响。配气机构动力学仿真分析和动力学特性试验以及发动机性能仿真和优化已经广泛应用于国外发动机开发应用中。随着国内自主开发汽油发动机工程实践活动的开展，配气机构动力学和运动学特性的研究也随着深化。目前，针对原型自然吸气汽油机进行产品性能升级，进行发动机性能仿真和优化以及对核心部件配气机构动力学模型的仿真分析，最终得到发动机性能试验结果和配气机构试验结果的验证。发动机开发的过程从设计、仿真、试验验证组成了发动机开发的三大核心要素。利用原型自然吸气发动机的基础，进行技术升级是降本增效的重要手段，连续可变气门正时技术，可以根据发动机不同工况实施不同的配气相位，满足发动机在高转速与低转速，不同负荷的要求，提高发动机在动力性、经济性等方面的综合性能。本文主要从仿真和试验验证的汽油发动机技术升级这一工程实践活动入手，重点进行了发动机一维性能仿真和优化以及试验，并且在试验基础上对配气机构一维仿真结果进行试验验证。关键词：汽油发动机，双连续可变配气相位，性能仿真，性能试验IVThe one-dimensional simulation and experimental analysis of the working process of the engine with variable valve timingABSTRACTGas valve mechanism is the core component of gasoline engine exhaust system, and has important influence on engine performance. The dynamic simulation and dynamic characteristics of valve train and the engine performance simulation and optimization have been widely used in the development and application of foreign engine. With the development of the domestic independent development of gasoline engine engineering practice, the research of the dynamic and kinematic characteristics of the valve mechanism is also deepened. At present, according to the prototype naturally aspirated gasoline engine were product performance upgrade, engine performance simulation and optimization and simulation analysis of the core parts of the valve train dynamic model, to get the final validation of the engine performance test results and valve train test results. The engine development process from design, simulation, test validation of the engine development of the three core elements of the engine. The prototype of the naturally aspirated engine, upgrade technology is an important means of the efficiency drop, continuously variable valve timing technology, can according to different working conditions of Engine Implementation of different distribution of the gas phase and meet the engine at high speed and low speed and different load requirements, improve engine in power and economy performance of. This paper mainly from the simulation and the experimental verification of the gasoline engine technology upgrading the engineering practice of, focusing on the one-dimensional engine performance simulation and optimization and test, and test based on the one-dimensional simulation of the gas distribution mechanism results of experimental verification.Key Words: Gasoline engine, dual - continuous variable - phase gas - phase, performance simulation, performance test目录第1章 绪论11.1 引言11.2 国内外研究概况11.2.1 可变气门技术在早期时候的运用11.2.2 二十一世纪的可变气门技术21.2.3 国内研究情况21.3 本文阐述的主要内容3第2章 原型机升级为DVVT背景说明52.1原型机发动机基本情况说明52.1.1 原型机基本结构信息52.1.2 原型机升级开发的背景52.2 DVVT配气机构简介62.2.1 DVVT 执行机构工作原理62.2.2 升级为DVVT对发动机性能的影响72.3 本章小结8第3章 基于boost的发动机性能仿真分析与分析93.1 AVL BOOST软件简介简介及功能原理93.1.1 AVL BOOST软件简介93.1.2 AVL BOOST软件仿真基本原理93.2 发动机性能仿真的模型构建103.2.1 发动机模型构建方案103.2.2 发动机模型的建立113.2.3 边界条件的输入123.3 仿真结果与分析163.3.1 仿真结果163.3.2 仿真结果与试验结果对比183.4 双连续可变配气正时系统仿真优化标定193.4.1 可变配气相位标定的方法和流程193.4.2 寻找最佳进排气相位的策略193.4.3 确定最佳进排气相位203.4.4 最佳配气相位总结与分析283.5 DVVT 发动机与原机型仿真结果的对比303.6 本章小结31第4章 发动机开发试验验证334.1.1 发动机台架简介334.1.1 发动机台架试验技术简介334.1.2 发动机台架试验设备的基本介绍334.2 开发试验的实施344.2.1 测试的过程和结果344.2.2 试验结果的整理和分析354.3本章小结37第5章 总结与展望385.1 总结385.2 展望38参考文献40致谢41装订线 毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 引言汽车工业已成为中国的支柱产业，但节能环保问题成为制约其发展的瓶颈，也越来越受到社会的关注和重视。面对严格的排放法和燃油经济法，汽车研发机构研发了一系列节能减排的结构，其中可变技术能在不同转速提升发动机综合性能，日益受到重视，其中，包括可变气门升程，可变配气相位，可变压缩比，可变进排气管长度，可变增压系统等1。目前，这些新技术和新方法，有的已在内燃机上得到应用，有些正处于发展和完善阶段，有可能成为未来内燃机技术的发展方向。VVT(Variable Valve Timing可变正时技术)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种。它通过控制发动机进、排气门开闭时刻(正时)和改变气门运动升程，与汽车运行工况实现最佳匹配，从而提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率由此可以得到进一步的提高，从而提高汽车的燃油经济性2。1.2 国内外研究概况1.2.1 可变气门技术在早期时候的运用从最近的时代来看，VVT也就是发动机的可变气门正时技术在现代的轿车上广泛应用。提高进气的充量，使得充气量的系数提高是发动机可变气门正时技术在轿车上显示出的优势，发动机的扭矩可以进一步提高，同时还可以提高发动机的功率，汽车的发动机还可以借助这可变气门正时技术更加自由地变换动力模式，例如停车怠速等，这样也就同时降低了内燃机对空气的污染。最早解决这个问题的是宝马公司和丰田公司，这两个公司推出的VANOS与VVTi技术是他们的自豪之作，但如果究其根源的话，VTEC型号的发动机是最早解决发动机可变气门技术的发动机，是本田公司在八十年代推出的，这款发动机的表现非常令人满意20-21。首先介绍本田公司的VTEC技术系统，就是可变气门正时和升程电子控制系统。丰田公司在一九八九年推出VTEC系统技术作为自己公司的专有技术，这项技术可以控制气门升程和气正时，气门升程和气正时可以随着发动机的运转速度、负载荷度和水温等等运行的参数的变化而做出适当的调整，使得发动机在低速行驶时可以发出大扭矩，在高速行驶的时候发出高功率3。其次是宝马的VANOS技术系统。这个技术系统是可以调整进气凸轮轴和曲轴的位置的，使得在不同情况下进气凸轮轴和曲轴的位置相对应。宝马公司第一次使用这项技术是在一九九二年的宝马五系列的搭载M五十发动机上。现在宝马推出了VANOS的新技术即双VANOS，双VANOS技术调整了排气凸轮轴的机构，就是进气凸轮轴的操作是根据发动机转速和踏板位置来确定的，当发动机的转速处于最低的时候，进气门就会开启改善怠速质量和增加平稳度；当发动机处于中转速度时，进气门就会提前开启来增大扭矩并且允许排出的废气在燃烧室内再进行循环利用从而可以减少轿车的耗油量和减少轿车的废气排放量；当发动机运转速度很高的时候，进气门就会再次延迟开启，这样就能发挥出更大的功率4。最后是丰田的VVTi 技术系统。VVTi的全称是Variable Valve Timing intelligent，翻译成中文就是智能可变配气正时，这项技术系统是丰田特有的并且在世界技术上领先的发动机技术系统，可以连续的调节气门正时，但是不可以调节气门升程。该技术的工作原理就是当发动机从低速度迈向高速度的时候，电子计算机就会自动的把机油压人进气的凸轮轴，然后驱动齿轮内的小涡轮，在这样的压力下，小涡轮和齿轮壳旋转就会有一定的角度，当凸轮轴在六十度范围内往前或者往后旋转时，就可以改变进气门开启的时间，从而达到连续调节气门正时的目的5。1.2.2 二十一世纪的可变气门技术首先要介绍的是丰田的VVTLi技术，这项技术的全称是Variable Valve Timing& Lift Intelligent。这项技术是在原来VVTi技术上改进的，就是在原来型号的发动机的凸轮轴上增加了可以切换不同角度而大小不一致的凸轮，而且还采用了摇臂机制来决定是否要到最大角或者最小角的凸轮，这样可以做到连续的改变发动机的正时重叠时间和两阶段式的升程。这项技术与原来技术不同的是现在技术的摇臂里是用油压来决定每个销移动到哪里，现代的VVTLi技术结合了VVTi技术的连续式的可变正时与重叠角技术，这可以说是比较完美的发动机。其次介绍i-VTEC。i-VTEC是从VTEC演变过来的，2001年，也就是VTEC发明后的十二年，VVTLi技术的出现严重打击了VTEC技术，于是本田公司向世界推出了新一代的技术，叫做i-VTEC。这项技术就是在原来VTEC技术系统的基础上增加一个VTC系统，VTC的全名是Variable timing control，翻译成中文就是可变正时控制。该项技术就是把排气阀门的正时和开启的重叠时间设置为是可以变化的，l这个变化是由可变正时控制系统来控制，这个控制系统的导入可以使得发动机在很大范围的运转速度内都可以得到合适的配气，这样一来，i-VTEC和VVTLi技术系统一样都可以称作是比较完美的可变气门发动机。最后是宝马公司的骄傲技术Valvetronic，它与VVTLi或i-VTEC比有更进一步的优势，第一宝马公司的技术减少了节气阀门的设计，这样可以让发动机吸收新鲜空气的时候更加顺畅，还可以采用电子式的可变电阻，根据油门踩踏时候的深浅通过电阻来确定进气量，宝马公司的技术除了和丰田本田一样采用可持续性的变化气门正时外还对其进行了升级，宝马公司增加了一种偏心轴，除了凸轮轴依靠摇臂系统来驱动气门摇臂之外，还通过附加摇臂和气门摇起的接触角度来决定偏心轴的相位，偏心轴的相位可以让一个ECU来控制，这样使得摇臂的角度变化，对应凸轮运动来说，气门摇臂反应的不同，气门升程的变化也就不同。61.2.3 国内研究情况在国内，可变气门技术的研究从20世纪90年代逐步开始。90年代中期，研究人员开发出了一种用谐波传动实现的可变凸轮相位机构，可实现小级差的多级调相。2000年后，吉林大学、上海交通大学与长春汽车研究所等设计了一种液压张紧器式的可变配气相位机构，可使气门实现两级式变化（进气门：提前15CA，滞后13CA），清华大学开展了电磁驱动式气门机构的研究，浙江大学对电磁驱动式气门机构进行了模型的仿真研究。但与国外相比，可变气门技术只是局限于实验室研究，还没有形成具有自主知识产权的，可以广泛应用于车用发动机的可变气门机构7。1.3 本文阐述的主要内容本文源于本人在上海某汽车公司实习期间接触到的某汽油发动机技术升级开发的项目，在基于设计、仿真和开发试验的工程实践活动中，重点研究和分析了配气机构的基本原理，利用仿真软件进行了性能仿真优化，并且利用了公司设备进行了发动机台架试验验证。首先分析了国内外对于可变配气机构的研究和应用，通过在不对原型机本机进行大的结构改动的情况下，提升低速扭矩，降低油耗。根据内燃机原理知道，内燃机动力性的高低主要取决于其缸内气体充量的多少或者充气效率的大小，进气门迟后关、排气门提前开以及进排气重叠角的大小是直接影响因素。然后通过AVL BOOST软件建立对应原型机的发动机模型，确定边界条件后，对发动机性能进行模拟，得到发动机外特性功率和扭矩图，并且与原型机试验结果进行对比，绘制性能曲线进行对比后证明仿真模型比较准确，其次改变发动机配气相位，对比分析得到了该工况下最佳配气相位，然后画出最优配气相位图线，依据该图线，仿真出DVVT发动机的性能，并且与原机型仿真结果进行对比，用仿真结果说明了DVVT对发动性能的提升。最后经过台架基础试验，测出DVVT发动机的外特性油耗，扭矩， 并且与原型机对比，证明了本文的观点和方法的正确性。本文主要的创新点是利用“进气迟后角和气门重叠角随转速的增大而增大”这一配气相位变化原则，先确定低转速和高转速的最佳配气相位，再确定中等转速的最佳配气相位的流程，具体标定利用程中先改变进气迟后角，利用气门重叠角和进气迟后角的联系，再按照一定规律改变气门重叠角的方法列出不通的配气相位组合。通过这种方法大大减小了标定次数，提高了标定效率。图1.1 论文思路框架第2章 原型机升级为DVVT背景说明2.1原型机发动机基本情况说明针对某汽车公司款自然进气汽油发动机，提出了一种DVVT升级思路。原型汽油发动机主要结构信息：DOHC双顶置凸轮轴,原型机发动机配气机构的气门运行参数是固定不变的。其配气相位基于某一狭小工况范围，通过标定进行局部优化来最终确定发动机性能。在工作过程中气门的运动学特性完全由凸轮型线决定。原型机配气机构布置的方式来看，采用气门顶置，凸轮轴顶置，凸轮直接驱动液力挺柱。2.1.1 原型机基本结构信息表2.1 原型发动机基本参数列表发动机位置/发动机安装形式气缸数每缸气门数气缸布置形式发动机排量（L）缸径冲程（mm）压缩比最大功率 (kW)最大扭矩 (Nm)前置/横置44直列2839110.21081852.1.2 原型机升级开发的背景随着环保法规的要求日益严格，对于自然进气汽油发动机来说，从概念设计时为了提高动力性选择高速大负荷，逐步过渡到考虑低速小负荷工况减少对排放的影响。随着上述需求的变化，让配气机构气门运行参数随着发动机工况的改变而变化，从而在全工况范围内优化充气效率。可变气门配气相位技术可以在一定程度上提高发动机动力性、经济性并且降低HC、NOX的排放。原型机技术升级采用DVVT 结构进行CAE仿真分析的背景说明：由于原型机采用的是自然吸气双顶置凸轮直接驱动4气门配气机构，在不对原型机进行大的结构改动情况下，升级为双独立可调节气门配气相位机构就可以达到提升原型机的动力性和经济性的目标。于是进行CAE分析仿真，评估其可行性和潜在风险。（1）从设计角度来说，原型自然进气发动机进行配气机构升级，升级后的配气机构应该保证气缸内换气良好，充气效率高、换气损失小，使发动机有良好的动力性和经济性。同时要求本身工作平稳可靠、噪音低。发动机对配气机构的要求：一方面希望气门加速度越大，以使气门迅速开关，从而达到最好的换气效果，以提高动力性和经济性；另一方面，希望载荷保持相对较小，以减少加速度，从而减少振动和噪音，并延长使用寿命。 （2）根据实际的需求出发，要求优化低速扭矩和优化排放，在进排气门大小和发动机缸盖结构一定的情况下，最直接的方式就是对凸轮型线进行优化，可以提升充气能力如果针对一款原型汽油发动机进行性能提升，首先是要收集其基本信息，根据原型机基本情况确定可选的改进方向。 2.2 DVVT配气机构简介2.2.1 DVVT 执行机构工作原理使用3D模型和图例简要说明DVVT的执行机构，控制策略和效果。DVVT实现的工作原理曲轴经由齿状的传动装置带动凸轮轴转动，使得气门在做开启与关闭的动作时会与曲轴的转动角度形成一定的对应关系。而气体的流动会随着发动机运转速度的快慢而改变，如何使汽缸在不同的转速下都能够获得良好的进气效率。为此必须改变气门开启与关闭的时间。经由安装在凸轮轴前端的油压装置使凸轮轴可以另外做一些小角度转动，以使进气门在转速升高时得以提早开启。采用可变配气定时机构可以改善发动机的性能。发动机转速不同，要求不同的配气定时。这是因为：当发动机转速改变时，由于进气流速和强制排气时期的废气流速也随之改变，因此在气门晚关期间利用气流惯性增加进气和促进排气的效果将会不同。例如，当汽车发动机在低速运转时，气流惯性小，若此时配气定时保持不变，则部分进气将被活塞推出气缸，使进气量减少，气缸内残余废气将会增多。当发动机在高速运转时，气流惯性大，若此时增大进气迟后角和气门重叠角，则会增加进气量和减少残余废气量，使发动机的换气过程臻于完善。总之，四冲程发动机的配气定时应该是进气迟后角和气门重叠角随发动机转速的升高而加大。如果气门升程也能随发动机转速的升高而加大，则将更有利于获得良好的发动机高速性能。图3.3 典型的DVVT双顶置凸轮轴可变相位系统示意图通过“油压控制阀OCV即OIL-FLOW VAVLE控制机油流向，转换机油的压力为动力，控制配气相位正反方向旋转，即通过正时链条，连续干部进排气凸轮轴的相位（进排气凸轮轴相位不变）。当ECU接收到输入信号并半段分析后决定油压控制阀的动作。ECU也会利用凸轮轴位置及曲轴位置传感器，来决定实际的进排气凸轮轴气门正时。当需要相位角度固定式，油压控制阀管壁机油通道将凸轮轴锁定在固定的位置，并反馈位置信号8。图3.4 典型的DVVT双顶置凸轮轴可变相位系统示意图2.2.2 升级为DVVT对发动机性能的影响按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开闭各气缸的进、排气门，使新鲜充量(汽油机为可燃混合气)得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。充量系数： (2.1)M:近期过程中实际充入气缸新鲜充量；Mo:进气状态下充满气缸工作容积理论充量。配气机构对发动机性能的影响主要体现在充气效率的提高，对于汽油发动机来说，要获得高性能，首先是提高发动机的充气效率，尽可能的降低进气通道的阻力，可以采用增加进气门直径，增加进气有效流通面积，使用每缸4气门结构时，每个排气门直径较小，气门的受热面积相对减小。因此其机械负荷和热负荷都相应减轻，工作更为可靠，气门最大升程是随气门直径减小而减小的，使配气机构的动力性得到改善，有利于提高发动机转速。采用DOHC，4气门机构，可以提高发动机的充气效率，提高发动机转速，容易提高压缩比，形成热效率良好的燃烧室。因而可提高发动机功率。所以在高速高性能发动机上广泛采用DOHC，4气门机构9。理想汽油机配气机构要求：为了获得较好的发动机性能，配气相位应随着转速和负荷的变化而变化。发动机在高速和大负荷下需要较大的气门重叠角和进气门关闭角，以得到较高的功率输出；反之，在怠速和低速小负荷下则需要较小的进气门关闭角和气门重叠角，以便得到较好的怠速平稳性和废气排放性能。可变气门技术在汽油机上的应用，可以实现以下几点：（1）提高发动机的动力性 低速时，提前关闭进气门减少进气回流；高速时，推迟关闭进气门，充分利用气流的惯性实现过后充气，提高充气效率。（2）改善部分负荷的燃油经济性通过可变气门技术，在部分负荷时利用进气门早关，减少压缩始点缸内混合气的量，可实现无节气门的负荷控制方式，消除泵气损失，提高了燃油经济性。（3）改善怠速的稳定性和低速时的平稳性怠速时，通过可变气门正时，减小气门重叠角，进而减小充量更换过程中进排气的相互影响，提高怠速和低速的稳定性，并可以降低怠速转速。（4）降低排放利用可变气门正时技术，控制缸内EGR的量，可以有效地降低排放，特别是NOX的排放。2.3 本章小结原型机采用的是双顶置凸轮轴，4气门，凸轮轴直接驱动型，吊杯式液力挺柱，从工程应用开发周期、成本和可靠性的角度出发，根据用户实际需要，在对原型机本体不进行大的结构改动的情况下，提升低速扭矩，降低油耗。根据内燃机原理知道，内燃机动力性的高低主要取决于其缸内气体充量的多少或者充气效率的大小，进气门迟后关、排气门提前开以及进排气重叠角的大小是直接影响因素。本次工程实践的内容是采用进排气独立调节的DVVT执行机构进行升级开发。为了确定合理的技术方案并且缩短开发时间，必须发挥CAE 计算的作用，利用CAE 技术定性预测趋势比较有效的特点，对多方案进行性能预测，优化设计方案。同时必须加以试验验证，实践结合理论，证明仿真结果的可行性。共 40 页 第 41 页第3章 基于boost的发动机性能仿真分析与分析3.1 AVL BOOST软件简介简介及功能原理3.1.1 AVL BOOST软件简介随着计算机技术的发展，仿真技术越来熟，从而使发动机理论也建立在一个新的基础之上。AVL BOOST 是一个建立整台发动机模型的应用软件。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等。它不仅可以在设计阶段预测发动机的稳态性能，而且还可工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（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10。3.1.2 AVL BOOST软件仿真基本原理AVL BOOST基本原理是基于气缸内热力学基本方程，内燃机高压循环的计算基于热力学第一定律： （3.1）式中：气缸内工质的变化；：工质对活塞做的功;:喷入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；u ：比内能；：气缸内压力；V ：气缸容积；：喷入燃料燃烧放出的热量；：壁热损失；：曲轴转角；：漏气焓；：气质量流。热力学第一定律内容为：气缸里的内能变化等于活塞功、燃料燃烧放出的热量、壁热损失和漏气引起的焓流的代数和。气缸里的内能变化等于活塞功、燃料燃烧放出的热量、壁热损失和漏气引起的焓流的代数和。方程(3.1)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：进入气缸的燃料被立即燃烧;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;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：在燃烧开始前混合物是均匀混合物;在燃烧过程中空燃比是恒定的; 即使成分不同，已燃和未燃充气也具有相同的压力和温度。为了求解此方程，需要建立燃烧过程、气缸壁传热和在一定压力、温度、气体组成下的气体性质的模型。和气体方程(3.2) 一起，建立压力、温度和密度的关系。13 （3.2）3.2 发动机性能仿真的模型构建3.2.1 发动机模型构建方案该发动机是传统吸气，多点缸外喷射， 带有空滤，催化吧，消声器。建模时，考虑到以下假设：（1）油品质量合格；（2）通风冷却设备正常运转；（3）不考虑发动机点火提前角受ECU实时控制；（4）不考虑材料的热变形。主程序对所有可用元件提供最优模拟计算。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。根据该结构简图avl boost调用模块来，建立仿真计算模型。 图3.1 发动机仿真模型结构简图3.2.2 发动机模型的建立图3.2是用boost建立发动机的模型。进气过程：新鲜空气从边界SB1进入，通过管1后分两路，一路沿着管道2进入稳压仓PL1，另外一路通过管3进入空滤CL1，然后通过管4,5,6进入谐振腔PL2，再经过进气总管7,8，进入进气歧管9到13后，引入气缸。排气过程：发动机排出的废气经过排气歧管22到29进入排气总管30，经过管31进入催化包CAT1，经过管道31进入谐振腔PL3，再经过管道33进入PL4，最终通过管道24通向边界SB2.。图3.2 发动机性能仿真模型表3.1对仿真模型的各元件进行简单介绍。 表3.1 仿真元件简介气缸测试点系统边界Plenum三通管空滤催化器运用AVL BOOST软件提供的模块建立相应的物理模型后，便可根据热力学、传热、传质等方面的知识，将简单的物理模型进行定量的数学描述，将收集的发动机数据输入到相应的模块中去，即建立数学模型。模型建好以后，关键还要确定模型的边界条件，因为选取合理的初始值可以对该发动机做功过程，在此阶段压力值达到最大值后逐渐进行更准确的模拟。利用已建立的初步模型进行模少拟计算，求出该模型所包含的物理参量。3.2.3 边界条件的输入 (1)发动机基本参数的输入:发动机技术数据是指表述发动机基本构造的参数，如缸数、发动机冷却方式、气门数、缸径行程、发动机排量、压缩比等。这些参数，决定了发动机的基本尺寸和基本性能。大部分参数在第2章已经列举，现在只列出建立模型需要的参数。表3.2 发动机基本参数缸径冲程压缩比连杆长度混合方式83mm91mm10.2145mm非直喷(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： （3.3）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： (3.4)式中：Hu 低热值；c 燃料中碳的质量分数；h 燃料中氢的质量分数；o 燃料中氧的质量分数；s 燃料中硫的质量分数；n 燃料中氮的质量分数；w 燃料中水的质量分数。在富燃中，在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。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，韦伯函数经常用来近似描述发动机真实的放热特征。13Vibe燃烧放热模型： （3.5） （3.6） （3.7）式中：Q为每循环燃料燃烧放热量，kJ； 0j为燃烧始点，（CA）；c为燃烧持续期，（CA）； m为燃烧品质；a 完全燃烧的Vibe参数，a=6.9。表3.3 Vibe模型基本参数转速（r/min）点火提前角(CA)空燃比燃烧持续期(CA)1000511.64401500-3.512.56412000-512.8422500-513.14433000-612.92443500-613.02454000-513.08464500-4.512.58475000-7.512.26485500-812.11496000-712.2450 (3)传热模型传向燃烧室壁，即缸盖、活塞和缸套的热量如下计算： （3.8）Qwi为壁热流（通过缸盖、活塞和缸套的若量）；Ai为表面积（缸盖，活塞，缸套）；w为传热系数； Tc为缸内气体温度；Twi为壁温（缸盖、活塞和缸套的温度）。为了计算传热系数，由于boost提供的几种传热模型其中woschni 1978用于高温循环。于是选用Woschni1978模型：（3.9），对于DI发动机C2 = 0.00324 ，对于IDI发动机C2 = 0.00622;D ：气缸筒直径；cm：平均活塞速度；cu：圆周速率；VD：每缸置换的容积；pc,a：发动机气缸内压力bar； Tc,1：进气门关闭时气缸内温度；pc,1：进气门关闭时缸内压力 bar。13（4）配气相位配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图，配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示。发动机在换气过程中，若能够做到排气彻底、进气充分，则可以提高充气系数，增大发动机的输出功率。四冲程的每个工作行程，其曲轴要转180。现代发动机转速很高，一个行程经历的时间很短（如上海桑塔纳的四冲程的发动机，在最大功率的发动机转速达5600r/min，一个行程的时间只有0.0054s。这样短时间的进气和排气过程往往会使发动机充气不足或者排气不净，从而施发动机功率下降。因此，现在发动机都延长进、排气时间，即气门的开启和关闭时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻，而是分别提前或延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机动力性。4上止点进气排气下止点图3.3配气相位图：进气提前角；：进气迟后角；：排气提前角；：排气迟后角。以点火时刻附近，活塞上止点时，曲轴转角为0。所以发动机一个工作循环，曲轴转720度，要求进气门早开，排气门晚关，提高充气效率。根据给出的数据，画出气门升程图线如图3.4所示。图3.4 进排气门升程图（5）进排气道流量系数进排气道流通能力是影响发动机性能的主要参数之一，流通能力由气道流动系数以及参考面积与气缸截面积之比共同决定。图3.5 进气门流量系数图图3.6 排气门流量系数图进排气门流量系数数据由专业测试人员提供，试验原理：采用无量纲流量系数评价不通气门升程下气道流通能力。在稳流评价方法上，定义无量纲系数为流量系数，表示实际流量和理论流量的比值。 （3.10）Q:气体体积流量；n:进气门门数；A:气门座内截面面积；:理论进气速度。对于传统凸轮驱动的配气机构，由于受到结构的限制，气门不可能瞬间开启到最大升程的位置，其升程特性只能是连续变化的，这在换气过程中造成很大的流动损失，有损于发动机的动力性。气门升程对气道流量系数有非常重要的影响，气道流量系数随气门升程的增大而增大，如图3.4和图3.5所示,并且可以看出，气门升程开启达一定高度后，流量系数几乎不再增加.3.3 仿真结果与分析3.3.1 仿真结果利用boost软件，控制阀门开度为100%，进行模拟发动机运行后可以得到发动机外特性曲线，外特性曲线指的是当发动机节气门开度为100%时测得的发动机输出功率（扭矩）随转速变化的曲线。它表现的曲线特征是功率曲线和扭矩曲线都呈现凸形曲线，但两者表现是不一样的。在汽油发动机外特性曲线中：功率曲线在较低转速下数值很小，但随转速增加而迅速增长，转速增加到一定区间后，功率增长速度变缓，直至最大值后就会下降，尽管此时转速仍会继续增长。当发动机运转的时候，其功率、扭矩和耗油量这三个基本性能指标都会随着负荷的变化而变化。这些变化遵循一定的规律，将这些有规律的变化描绘成曲线，就有了反映发动机特性的曲线图。根据发动机的各种特性曲线，可以全面地判断发动机的动力性和经济性。反映发动机运行状况常用速度特性曲线。通过仿真，得到了发动机扭矩，功率和比油耗图线，如下图所示。图3.7 原型发动机扭矩外特性图3.8 原型发动机功率外特性图3.9 原型发动比油耗从仿真结果上看，外特性扭矩随转速的提高先升高后降低，在4000r/min到4500r/min达到峰值，外特性功率随转速的升高而升高，在6000r/min达到峰值。比油耗先降低后升高，且在中等转速时比油耗最低。因此，扭矩功率比油耗外特性从数值，变化特性都与实际情况相符。可初步判断仿真过程和结果是正确的。3.3.2 仿真结果与试验结果对比图3.10 仿真扭矩与试验扭矩对比图3.11 仿真燃油消耗率与试验燃油消耗率对比分析以上数据可知，从发动机转速1000r/min到6000r/min，仿真数据和试验数据误差在10%以内，因此仿真结果比较准确，证明avl boost软件仿真精度较高，而且燃烧模型，传热模型选择正确，其他各种参数输入正确。扭矩方面主要差别在于低转速和高转速工况，仿真结果较试验结果低，可能的原因是仿真是通过经验公式计算，而实际情况发动机ECU通过各种传感器的信号综合调节发动机扭矩的输出，故试验结果较高，但是在中等转速时刻非常拟合；燃油消耗率方面，低端时仿真较低，试验较高，当转速达到5000r/min时，试验燃油消耗率上升，可能的原因是传感器测得排温高，利用多喷油的方法降低排温。此次对比，为后面的标定和仿真对比提供了试验支持。3.4 双连续可变配气正时系统仿真优化标定进排气门开启和关闭时刻对气缸内混合气体的浓度和成分有着至关重要的影响，不通的转速最合适的进排气门开启关闭时刻往往是不通的，这些数据要通过大量的试验进行对比分析，最终找出有合适的进排气门开启关闭时刻，而真实试验通常要花费大量的人力物力进行试验准备，购买试验设备，如果通过仿真优化，则可大大减少试验次数，而且不受气象条件和场地的限制，不受人为因素的干扰14-19。3.4.1 可变配气相位标定的方法和流程本次仿真的是对象，是DVVT，所谓双连续可变，既要求进气相位连续可变，又要求排气相位连续可变。方法是：通过avl boost软件，每隔500个转速，通过在分析在可行范围内列举不同的进排气相位组合，然后进行性能仿真，对比缸压曲线，找出DVVT发动机在1000到6000r/min/min最佳配气相位。要说明DVVT发动机性能提升情况，还要进行一次和原机的对比。方法是：每隔500转速，仿真原机和装有DVVT发动机在1000到6000r/min/min的功率，扭矩和平均指示缸压，连成曲线，以直观的说明DVVT装置对发动机性能的影响。3.4.2 寻找最佳进排气相位的策略根据发动机原理，进入气缸的新鲜混合气体越多，发动机的性能越好，而进排气门开启关闭的时机就是重要的影响因素。因此，人们总结了如图所示的配气相位图。配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示。发动机在换气过程中，若能够做到排气彻底、进气充分，则可以提高充气系数，增大发动机的输出功率。四冲程的每个工作行程，其曲轴要转180，以压缩行程结束后的活塞上止点点为0度，四个冲程就是720度。现代发动机转速很高，一个行程经历的时间很短，这样短时间的进气和排气过程往往会使发动机充气不足或者排气不净，从而施发动机功率下降。因此，现在发动机都延长进、排气时间，即气门的开启和关闭时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻，而是分别提前或延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机动力性。然后要引入一个概念气门重叠角。所谓气门重叠角就是进气门和排气门同时开启时曲轴所转过的角度（+）。显然发动机高速运转时留给进气和排气的时间更短，因此要求气门重叠角较大。发动机低速运转时的要求相反。例如，当汽车发动机在低速运转时，气流惯性小，若此时配气定时保持不变，则部分进气将被活塞推出气缸，使进气量减少，气缸内残余废气将会增多。当发动机在高速运转时，气流惯性大，若此时增大进气迟后角和气门重叠角，则会增加进气量和减少残余废气量，使发动机的换气过程臻于完善。总之，在一定范围内，四冲程发动机的配气定时应该是进气迟后角和气门重叠角随发动机转速的升高而加大11。如果气门升程也能随发动机转速的升高而加大，则将更有利于获得良好的发动机高速性能。因此确定了以下3条原则：（1）低速时要求较小的进气迟后角和气门重叠角；（2）高速时要求较大的进气后迟后角和气门重叠角；（3）中速时进气迟后角和气门重叠角应介于低速和高速中间。以进排气5CA变化为基准，根据发动机不通的工况依次确定如下转速点：低端转速1000r/min,2000r/min，高转速5000r/min,6000r/min，最大扭矩点4000r/min及中等转速3000r/min,5000r/min,的最佳配气相位。 3.4.3 确定最佳进排气相位（1）1000r/min和2000r/min进排气最佳相位确定此时要求进气迟后角尽