（动力机械及工程专业论文）基于atkinson循环的车用汽油机节油潜力研究.pdf

基于a t k i n s o n 循环的混合动力车用发动机的节油潜力研究 摘要 传统o t t o 循环汽油机的负荷为节气门“量”调节方式，在城市路况下进气节流 损失严重，造成不可避免的泵气损失，从而导致油耗增加，在定程度上降低了 混合动力汽车的节能减排的优势。相比之下，a t k i n s o n 循环是一种热效率很高的 循环，它膨胀比大于压缩比。通过v v t 控制可以实现a t k i n s o n 循环，并且在部分 负荷通过控制进气门关闭时刻来调节负荷，可代替传统的节气门控制，减少进排 气过程的泵气损失。膨胀比大于压缩比能够更大程度地将热能转化为机械能，提 高发动机的热效率，降低燃油消耗率，在混合动力汽车上得到广泛的应用。 本文就是基于上述的研究意义，采用数值模拟和实验验证相结合的方法验证 了建立的汽油机工作过程仿真模型的正确性，并研究了压缩比和配气相位对发动 机性能参数的影响和提出了改善汽油机经济性与动力性的优化设计策略，对车用 a t k i n s o n 循环发动机的优势进行研究，论文主要研究工作与创新之处为： ( 1 ) 采用g t - p o w e r 软件建立了车用汽油机仿真模型，并对其节油性能进 行了研究分析，实验结果验证了仿真模型的正确性。 ( 2 ) 分析与评定了无节气门节流损失时a t k i n s o n 循环发动机节油潜力和节油 率相关参数，并推导了节油潜力计算公式，为a t k i n s o n 循环发动机节油开发提供 了较好的参考依据。 ( 3 ) 通过发动机台架试验数据，得到了发动机万有特性曲线上a t k i n s o n 循环 的节油潜力m a p 图，揭示了无进气节流损失的a t k i n s o n 循环发动机节油规律，对 典型工况进行了模拟计算，获得了a t k i n s o n 循环发动机搭载到混合动力整车后需 要的动力分布规律。 关键词：汽油机；a t k i n s o n 循环；泵气损失；节油潜力；可变配气正时；性能仿真 h a b s t r a c t i nt r a d i t i o n a lo t t oc y c l eg a s o l i n ee n g i n e sl o a di sa d j u s t e dt h r o u g hat h r o t t l ei n t h ef o r mo ff r e s h c h a r g e q u a n t i t y ”c o n t r 0 1 i nc i t yd r i v e nc o n d i t i o n s t h ei n t a k e t h r o t t l i n gl o s si ss i g n i f i c a n t ，i tc a u s e si n e v i t a b l ep u m p i n gl o s sa n dl e a d st oi n c r e a s eo f f u e lc o n s u m p t i o n ，r e d u c e sp o t e n t i a lo fah y b r i dv e h i c l ee n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o n a t k i n s o nc y c l ec o u l db er e a l i z e dt h r o u g hv v t c o n t r o la t k i n s o nc v c l e c o m p a r e dt oo t t oc y c l e ，a tp a r tl o a dc o n d i t i o n s ，p u m pl o s sc a nb er e d u c e di fu s i n g i n l e tv a l v et i m i n gt oc o n t r o lt h el o a di n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lt h r o t t l e i nc o n t r a s t a t k i n s o nc y c l eh a s h i g ht h e r m a le f f i c i e n c yd u et og r e a t e re x p a n s i o nr a t i ot h a n c o m p r e s s i o nr a t i o ，s oi tc a nt r a n s f o r ml a r g e rf o r t i o no fh e a te n e r g yi n t om e c h a n i c a l e n e r g y , i m p r o v ee n g i n et h e r m a le f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ef u e lc o n s u m p t i o n c o m b i n en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t he x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n ，t h ec o r r e c t n e s so f g a s o l i n ee n g i n es i m u l a t i o nm o d e lw a sv a l i d a t e d t h ec o m p r e s s i o nr a t i oa n dv a l v e t i m i n gw e r es t u d y e do ne n g i n ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si n f l u e n c e b e s i d e s t h eo p t i m a l d e s i g ns t r a t e g yo fi m p r o v i n gt h ee c o n o m ya n dp o w e rp e r f o r m a n c ew a sa d v a n c e d t h e m a i nr e s e a r c ha n di n n o v a t i o no ft h ea r t i c l ei n c l u d et h ef o l l o w i n gw o r k s ： ( 1 ) af o u rc y l i n d e rg a s o l i n ee n g i n es i m u l a t i o nm o d e lw a s b u i l t t h eg t - p o w e r s i m u l a t i o nm o d e lw a sc e l i b r a t e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h ec o r r e c t n e s so f n l o d e l w a sv a l i d a t e d ( 2 ) t h ef u e ls a v i n gp o t e n t i a lo fe l i m i n a t i n gt h ep u m p l i n gl o s sw a s t h e o r e t i a l l y a n a l y z e d s e v e r a ln e wp a r a m e t e r sw e r ei n t r o d u c e dt or e d u c et h ef u e l s a v i n gr a t i o t h e n ，af o r m u l ao fd e s c r i b i n gf u e ls a v i n gp o t e n t i a lw a sd e d u c e d t h ef u e ls a v i n gr a t i o e q u a l st op u m p i n gl o s se l i m i n a t i o nr a t et i m e st h ep u m p i n gl o s se n e r g yc o n s u m p t i o n ( 3 ) b a s e do ne n g i n et e s td a t a ，t h er e l a t e dp a r a m e t e r so ff u e ls a v i n gr a t i ow a s c a l c u l a t e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n ，t h ee n e r g y s a v i n gp o t e n t i a lm a po ft h ea t k i n s o nc y c l ew a sd e v e l o p e da n da n a l y z e d b a s e do n t h a t ，t h em o s to ft e no p e r a t i n ga r e ao fa na u t o m o t i v ee n g i n ew a si d e n t i f i e d t h e d y n a m i cd i s t r i b u t i o nl a wr e q u i r e db yt h ea t k i n s o ne n g i n ew h i c hi sa p p l i e do nt h e h y b r i dv e h i c l ew a sa c q u i r e d k e y w o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；a t k i n s o nc y c l e ；p u m p i n gl o s s ；f u e l s a v i n gp o t e n t i a l ； p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ；v v t i i i 基于a t k i n s o n 循环的混合动力车用发动机的节油潜力研究 插图索引 图1 1 在2 0 0 3 年前后生产的l l 台轿车柴油机和汽油机的油耗对比2 图1 2 不同技术发动机平均燃油消耗效率提高和汽车成本增加对比3 图2 1g t - p o w e r 仿真计算流程图1 0 图2 2 典型内燃机结构简图1 l 图2 3 发动机缸内能量、质量变化示意图1 5 图2 4 管道的离散化。1 7 图2 5 短缩口管示意图1 8 图2 6 修改后的短缩口管示意图1 8 图2 7 微穿孔管示意图1 8 图2 8 进气歧管稳压腔单元划分1 9 图2 9 排气歧管单元的划分1 9 图3 1 理想的a t k i n s o n 循环示意图2 l 图3 2 理想o t t o 循环和a t k i n s o n 循环对比示意图2 2 图3 3a t k i n s o n 循环p v 示意图2 3 图3 4o t t o 循环部分负荷p v 示功图一2 4 图3 5a t k i n s o n 循环实际p v 示功图2 5 图3 6 泵气损失解析图2 6 图4 1 进气歧管模型3 2 图4 2 排气歧管模型3 3 图4 3 发动机本体模型。3 4 图4 4 外特性燃烧放热率曲线3 4 图4 5 带配气正时的气门升程3 5 图4 6 爆震模块。3 5 图4 7 进排气道流量系数3 6 图4 8f m e p 实验数据3 6 图4 9 发动机计算分析性能模块3 7 图4 1 0 平均有效压力实验值与模拟值对比3 8 图4 1 l 燃油消耗率实验值与模拟值对比3 8 图4 1 2 功率实验值与模拟值对比3 9 图4 1 3 部分负荷典型工况燃油消耗率模型校准。3 9 图5 1g t p o w e r 中配气相位示意图4 2 u 硕十学位论文 图5 2o t t o 循环和a t k i n s o n 循环各工作循环消耗燃料对比示意图4 3 图5 3 平均摩擦压力( f m e p ) j 4 4 图5 4 缸压循环的平均指示压力( g i m e p ) 4 4 图5 5 泵气损失( p u m p i n gl o s s ) 4 5 图5 6 进气行程缸内平均压力4 5 图5 7 排气过程缸内平均压力4 5 图5 8 泵气损失能耗比4 6 图5 9 泵气损失消除率4 7 图5 1 0 无节气门节流时的节油率4 8 图5 1 1 原机与方案一的气阀正时对比。4 9 图5 1 2 原机与方案二的气阀正时对比5 0 图5 1 31 3 0 0 r p mb m e p 0 2 9 5 m p a 的计算结果对比5 1 图5 1 41 5 0 0 r p mb m e p 0 2 6 2 m p a 的计算结果对比5 l 图5 1 52 0 0 0 r p mb m e p 0 2 0 0 m p a 的计算结果对比。5 2 图5 1 62 2 0 0 r p mb m e p 0 2 4 5 m p a 的计算结果对比一5 2 图5 1 7 无节气门节流时的节油率5 4 图5 1 8 外特性数值对比5 5 图5 1 9 混合动力驱动动力分布5 6 图5 2 0 原机1 5 0 0 r m i n ，b m e p 为o 2 6 2 m p a 示功图5 7 图5 2 1 方案3 的推迟排气阀关闭时刻的燃油消耗率对比5 8 图5 2 2 方案3 的推迟排气阀关闭时刻的热效率对比一5 8 i x 基于a t k i n s o n 循环的混合动力车用发动机的节油潜力研究 附表索引 表1 1 提高发动机经济性和动力性的技术途径2 表1 2 混合动力汽车搭载电机和电池一3 表4 1 发动机基本参数3 l 表4 2 进气系统边界条件3 l 表4 3 排气系统边界条件3l 表4 4 第一气缸进气歧管参数设置3 2 表4 5 第一气缸排气歧管( 直管) 参数设置3 3 表4 6 第一气缸排气歧管( 弯管) 参数设置3 3 表4 8 其它参数值一3 7 表5 1 原机与方案一的气阀定时数据5 0 表5 2 原机与方案二的气阀定时数据5 0 表5 3 排气阀开启时刻数据5 8 x 硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 近年来，金融危机对全球实体经济造成了严重的影响，尤其是对作为全球经 济支柱的汽车行业产生了巨大的冲击。而国内汽车发展势头强劲，产量日益增大， 能源供给日趋紧张，大中城市的环境和交通压力也越来越大。伴随着我国汽车产 销量的快速增长，给我国的石油能源造成了巨大的压力。因此，巨大的市场需求 与严峻的能源短缺是我国汽车行业面临的首要问题。 汽车造成的污染也日益严重，大气环境污染中有一半以上的污染直接来源于 汽车排放的尾气。以我国为例，据国家环保局分析，2 0 0 5 年我国机动车尾气排放 在城市大气污染中的分担率就达到7 9 。与1 9 8 0 年相比，全国机动车保有量增加 了2 5 倍，而且这个数据还在增加，随着机动车保有量的增加，机动车排放污染物 对环境的影响日趋严重，给城市和区域空气质量带来巨大压力，汽车排放问题俨 然成为了当今污染物控制的重大问题晗1 。 节能与环保是现代社会的重要任务，设计和生产节能汽车是未来汽车产业的 发展趋势。纯电动汽车从上世纪7 0 年代开始研究，由于受限于电池技术，其发展 不够理想。电力可直接驱动或通过制取氢燃料来驱动车辆，是未来利用新能源的 重要途径。中国拥有大量煤炭资源，目前，8 0 电力为火电。用煤炭发电驱动汽车 会使温室气体排放至少增加一倍，使环境污染问题更为严重；用核裂变发电仅占 全国发电量不到1 ，难以成为主要能源；用其它能源发电，包括直接利用太阳能、 风能、河流、潮汐等，虽然对环境没有危害，但潜在的发电能力较弱，不适合电 动车大量的供电需求；在代用燃料方面，用粮食制取燃料已开始影响人类粮食供 应，而用木材、植物以及利用废料等生产燃料的数量更是有限。因此，把研发重 点放在降低燃油动力的油耗方面，才是未来汽车行业的主流研究方向，而且在未 来3 0 年内，由于其它技术受条件的限制，技术成熟的汽油发动机仍将是现代乘用 车主流动力。 柴油机比汽油机的热效率高。根据欧盟联合研究中心( e u a c e a ) 公布的数据， 2 0 0 4 年欧洲柴油轿车的c 0 2 排放( 油耗) 比汽油车低1 1 。图1 1 比较了在2 0 0 3 年 前后生产的5 台1 9 2 0l 轿车柴油机和6 台2 0 l 轿车汽油机在1 5 0 0r m i n 转速 下不同负荷的比油耗。当负荷增加时可以看出，两类内燃机油耗之间的差别有所 下降，但总体而言，在大多数负荷，柴油机的经济性是优于汽油机。由于国内柴 油供应紧张的限制，而且中国炼油的柴汽比已高达2 3 ：1 ，很难再提高，而且我国 基于a t k i n s o n 循环的混合动力车用发动机的仿真和优化研究 的进口石油量已创新高，因此，出于石油安全问题，即使未来柴油供应紧张得到 缓解，柴油轿车在中国也难以成为主流产品。 众 号 邑 。勃 u 耽 图1 1 在2 0 0 3 年前后生产的11 台轿车柴油机和汽油机的油耗对比 汽油机轿车在中国轿车市场仍将占主要份额。虽然汽油机的热效率低于柴油 机，但是汽油发动机重量轻、升功率高、后处理技术较成熟，随着采用新技术， 发动机燃油经济性得到较大提升，具有较大节油潜力。近些年，为了提高发动机 的节油经济性，一些汽油机和柴油机的新技术应运而生，如表1 1 所示： 表1 1 提高发动机经济性和动力性的技术途径 其中汽油缸内直喷技术节油达到2 0 ，其他技术像v v t 可变气门相位、h c c i 匀质混合气压燃等，在面对汽油机工况时刻变化的情况下，对汽油机效率改善极 其有限。图1 2 显示了不同燃油动力车辆燃油平均效率和单机成本的比较。从图1 2 中也可以看出，混合动力车的平均燃油效率的提高是很明显的。随着混合动力汽 车成为汽车行业的重要研究对象，相比传统汽车发动机在全速范围内工作，需要 兼颐起动、怠速、加速、制动等复杂工况而言，而混合动力汽车的发动机只需在 一定转速和扭矩范围内，即高效经济区内工作。因此，可以按照混合动力汽车的 特定工况重新调试发动机。 硕士学位论文 l 更 * 4 警 将 锓 器 讲 3 5 3 0 0 巷圜加州、： 两2 0 1 6 一 ，、曼v c p 毒 o k 量 柴油均鬟梁嚣食：二霉l ! 焉 筝攀瓣可强 51 01 52 02 53 03 54 0 车辆平均燃油效率的提高糯 图1 2 不同技术发动机平均燃油消耗效率提高和汽车成本增加对比 混合动力汽车( 简称h e v ) 是指在同一台车上同时装备热动力源( 由传统的 汽油机或者柴油机产生) 与电动力源( 电池与电动机) 的汽车。由于在混合动力 汽车上使用电机，电机在整车运行过程中起到分配动力的作用，而发动机保持在 综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。混合动力车搭载的常用电机 和电池基本种类如表1 2 所示： 表1 2 混合动力汽车搭载电机和电池 目前，很多人在进行混合动力电动汽车的研究，设计出多种结构的混合动力 电动汽车。h e v 分为串联、并联和混联三种，但具体那种模式更优，更节约能源， 没有得到具体的论证，因而对两种模式进行对比研究，得出具体的对比结论将具 有重要意义引。 近些年，为了提高发动机的节油经济性，一些汽油机和柴油机的新技术应运 而生，不过在面对汽车行驶工况时刻变化的情况下，尤其是车辆在城市工况使用 中需要频繁的启停，传统发动机由于压缩负功过大，在一定程度上降低了搭载传 统o t t o 循环发动机的混合动力汽车的节能减排优势，传统o t t o 循环发动机存在部 分负荷燃油消耗率高、泵气损失、小膨胀比和过浓的混合气等缺陷，已经不能满 足混合动力汽车的要求，需要研发与混合动力汽车相匹配的发动机。 日本丰田公司研究的第二代p r i u s 混合动力汽车采用的发动机是1 5 l a t k i n s o n 循环发动机，搭载这台发动机的混合动力汽车节油效果明显，这也引起了 行业对a t k i n s o n 循环发动机的研究哺1 。 辆、ill 匿 譬以碧烈 厂所 皿群料察 基于a t k i n s o n 循环的混合动力车用发动机的仿真和优化研究 詹姆斯阿特金森( j a m e sa t k i n s o n ) 1 8 8 2 年发明了燃油效率要比奥托循环高的 内燃机。在他设计的内燃机中，吸气和压缩行程比做功和排气行程要短，该发动 机是通过活塞和飞轮之间的特殊的曲轴和连杆系统来实现的，这就是a t k i n s o n 循 环。o t t o 循环曲轴转两圈完成吸、压、做、排四个冲程，而a t k i n s o n 循环只转一 圈就能完成这套动作，这种设计很巧妙，用不同的连杆机制协同工作，使得各个 行程幅度不同，不仅有效的改良了进排气情况，膨胀比大于压缩比更是阿特金森 发动机最大的特点一3 。更长的膨胀行程可以让燃料更充分燃烧，燃油效率也比奥 托循环更高一些。但是连杆的引入不仅影响了活塞行程，也使作用在曲轴上的力 矩发生了改变，连杆在体积上和故障情况都不如奥托发动机，所以在汽车上未能 普及，不过船用、发电等大型柴油机在很大程度上借鉴了阿特金森发动机这种特 性，可谓失之东隅收之桑榆。 1 9 4 7 年米勒在简单的奥托循环发动机的基础上实现了高燃油效率的a t k i n s o n 循环。他舍弃了复杂的连杆结构，在传统汽油机的结构基础上采用配气正时机构 来制造这种效果。a t k i n s o n 循环是通过可变气阀正时和提高几何压缩的方法来降低 泵气损失、提高膨胀效率继而实现发动机节油效果的提高陋1 。 基于a t k i n s o n 循环的发动机，在部分负荷时可以通过推迟关闭进气门，而不 是减小节气门开度，来实现充量的调节，并减小泵气损失；通过推迟排气门开启 和提高几何压缩比，来达到提高热效率的目的凹州。但是，由于有效工作容积的减 少，降低了发动机在全负荷时的动力性，使发动机外特性动力有所降低，同时 a t k i n s o n 循环存在功率偏低的缺点，特别在低速低负荷下更加明显，导致a t k i n s o n 循环发动机并没有在传统汽车上大规模应用起来。但是相比传统汽车发动机在全 转速范围内工作，需要兼顾起动、怠速、加速、制动等复杂工况而言，而混合动 力汽车的发动机只需在一定转速和扭矩范围内，即高效经济区内工作，因此，可 以按照混合动力汽车的特定工况重新调试发动机。混合动力汽车技术的出现，在 低速小负荷下可以使用蓄电池和电动机一起驱动，既发挥了电动机低速大转矩的 优点，又避开了a t k i n s o n 循环低速小负荷下的弱点。因此，a t k i n s o n 循环发动机 是混合动力汽车采用的较理想的发动机，。 随着计算机技术的不断发展和进步，c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 正成为 发动机现代设计与研究方法发展的主流。本文是基于g t - p o w e r 平台，对国内某 厂家的某款四缸自然吸气式汽油机进行研究。文章通过对混合动力车用发动机的 a t k i n s o n 循环和o t t o 循环发动机基本原理的研究，分析了无进气节流损失的节油 潜力，通过在模型中进行压缩比的优化和配气相位的优化，设计得出优化的 a t k i n s o n 发动机模型，把理论分析与工程应用融合起来，在产品改进设计中起到 了很好的辅助作用，也为以后的学习和工作积累了经验。 1 2 国内外研究现状及发展概况 在能源危机与环境污染日益严重的今天，节能减排已成为世界汽车工业发展 的大趋势n 别。我国出台了2 0 1 5 年全面实施第三阶段油耗法规来限制乘用车能耗 n 引。对于传统汽油机( o t t o 循环) 而言，已经不适合经济性要求越来越高的混合 动力车型，相应的适宜发动机研发逐步在展开。 1 2 1a t k i n s o n 循环的国内外研究现状 在国外，对混合动力汽车专用发动机的研究较多，以日本丰田公司和美国的 福特公司为代表。丰田p r i u s 的1 5 l 汽油机( i n z f x e ) 采用了a t k i n s o n 循环，它是 在1 n z f e 的基础上改造得到的。a t k i n s o n 循环发动机具有高膨胀比、高热效率和 紧凑型倾斜挤气燃烧室( 以形成有利于燃烧的挤气涡流) ，其主要目的是追求高的 热效率而不是高功率。汽车运行过程中电机承担了功率调峰的作用，这就使得发 动机舍弃非经济工作区的动力性能而追求经济工作区的高效率。为了达到提高燃 油经济性的目的，该车还从以下几个方面进行了改进n 1 5 1 ：发动机轻量化；发动 机紧凑化：取消浓混合气，利用电动机的辅助作用，p r i u s 取消了在低速负荷和高 速负荷的混合气加浓，消除了浓混合气后虽然使得发动机的最大输出功率减小， 但是以牺牲功率为代价却获得最佳的燃油经济性。 在国内，高校和汽车公司对a t k i n s o n 循环发动机的研究工作大部分还处在制定 混合动力整车控制策略为主的基础研究，对混合动力汽车专用发动机方面的研究 甚少。北京理工大学的陈宇航利用仿真软件，对混合动力车用发动机的进气系统 进行了研究，以发动机有效功率及充气效率为目标，对进气系统进行了优化；厦 门大学物理学院赵英茹、陈锦灿等人也做了相应的工作n6 。，同济大学的田永祥、 杜爱民等人对a t k i n s o n 发动机的基本工作原理及实现方法做了简单的介绍n7 1 ，由于 相关的文献比较少，这里就不再阐述。 2 0 0 7 年，长安汽车结合产学研项目，与北理工大学通力合作，经过近两年的 研发，在j l 4 7 5 q 3 发动机基础上采用阿特金森循环技术取得了成功试验。长安 a t k i n s o n 循环发动机是在原有动力平台上开发，不仅开发周期短，更具有成本低的 优势。它打破了多年来国外汽车制造商对该技术的垄断，而且也填补了国内混合 新动力领域的空白，为国内混合动力汽车的发展奠定了坚实的基础引。 1 2 2 可变配气技术国内外研究现状 在国外，很多公司开发了可变气门正时技术，v v t ( v a r i a b l ev a l v et i m i n g ) 仅 是对气门开启相位和开启持续角度可变。现在，有些公司已将可变气门升程列入 可变气门正时的范畴内，亦称可变气门正时和升程控制系统。最简单的v v t 系统 是通过提前和延迟进气和排气气门正时来实现；还有通过在低速和高速工况下变 基于a t k i n s o n 循环的混合动力车用发动机的仿真和优化研究 换配气系统的凸轮来实现，如本田的v t e c 系统，但是v t e c 系统不是在一段转速 范围内连续可变。为了改善v t e c 系统的性能，本田推出了i v t e c 系统口引，使发 动机在大范围内都有合适的配气相位，实现连续调节；此外还有通过改变气门的 开闭时间和气门升程来实现，如丰田的v v t l i n 引；宝马公司的“v a l v e t r o n i cs y s t e m 可变气门控制系统则是完全新型的可变气门正时系统。与传统的可变气门正时机 构不同的是，它随着发动机负荷的变化，能够在宽阔的转速范围内连续改变进气 门的开启持续角度与升程等n 引。通过v v t 控制可以实现a t k i n s o n 循环，膨胀比大于 压缩比能够更大程度的将热能转化为机械能，提高发动机的热效率，降低燃油消 耗率，在混合动力汽车上得到广泛的应用。 在国内，高校、科研机构和生产企业也一直在进行研究，目前自主生产的带 v v t 技术的汽油机比重较低( 估计在2 0 左右) ，并且大部分均只采用进气v v t i ， 但随着对排放水平越来越严格的要求，总的趋势是向双v v t 发展乜。2 0 0 4 年，奇 瑞公司在a v l 公司帮助下开发的自主品牌1 6 l s q r 4 8 1 h 和2 0 ls q r 4 8 4 h 汽油机使 用了v v t 可变气门技术，2 0 0 6 年，吉利汽车在宁波基地宣布，由吉利自主研发的 v v t 高性能发动机j l 4 g 1 8 正式量产。在世界技术发展趋势的影响下，国内企业对 相关技术不断研究，不久的将来该技术必将在国内高速发展，广泛采用乜刳。 1 2 3 进气系统国内外研究现状 在国外，发动机的性能开发中，进气系统的设计一直是作为提高发动机性能 的关键系统进行研究。发动机的进气系统是用来为提供燃烧所需要的空气并组织 燃烧室内气体运动方式，进气歧管是发动机最关键部件之一，其核心功能是为发 动机各气缸提供充足均匀的混合气，是影响发动机动力性和油耗的关键因素。国 外己经开发出许多用于计算分析发动机性能的软件，例如采用特征线法研究管内 波动的英国曼彻斯特理工学院m k l 4 程序和西德波鸿一鲁尔大学p m b 程序乜3 一制； m a s a a s k it a k i z a w a 在有限差分法的基础上开发了实用程序等。 以前进气歧管主要采用铝合金制造，为满足发动机进气和电喷系统安装要求， 同时还要为发动机电喷系统主要传感器和执行器提供结构支撑，使得进气歧管结 构很复杂n 副。德国宝马公司采用熔芯法成功生产出塑料进气歧管后，以其质量轻、 成本低、性能好等特点迅速取代金属进气歧管。随着欧排放标准的临近，新型 发动机进气歧管要求配备电控可变进气阀等复杂的内部控制机构，金属进气歧管 已很难满足未来进气歧管的发展要求，发动机进气歧管塑料化是全球性趋势。 在国内，进气歧管设计大部分停留在传统的经验设计上，但都缺乏有效的优 化设计准则，通过采用c a d 软件完善进气歧管的设计，生成c a d 零件模型，可直 接利用其快速原型技术制造产品样件，无需制作模具乜引，这种开发方法是全球性 趋势，我们国家也不例外。 硕士掌位论文 1 3 本课题主要研究内容和目标 1 3 1 主要研究内容 a t k i n s o n 循环的发动机优势就是在部分负荷时可以通过推迟关闭进气门，而不 是减小节气门开度，来实现充量的调节，迸而减小泵气损失；通过推迟排气门开 启和提高几何压缩比，来达到提高热效率的目的。 基于以上优势，之前关于a t k i n s o n 循环的相关研究工作，就直接从v v t 和进排 气管的设计着手，通过软件进行仿真计算，对比不同方案下的节油效果，这些思 路和方法或多或少都存在缺点，例如： ( 1 ) 制定进气晚关角和压缩比方案进行性能仿真。殊不知在不更改凸轮型线 的前提下，进气晚关角增大，进气提前开启角伴随着减小，导致存在进气门节流， 造成泵气损失，优化效果不佳； ( 2 ) 优化进气关闭角和压缩比后，进一步优化排气提前开启角。通过本文分 析可知，对于排气阀开启时刻标定较合理的现代汽油机，通过简单的推迟排气提 前开启角，来增大膨胀比的方法节油效果是非常有限的； ( 3 ) 对发动机在外特性上进行模拟分析对比。没有在万有特性和部分负荷工 况进行分析，不能提出a t k i n s o n 循环发动机使用在混合动车上时所需要的动力输出 分配方案； ( 4 ) 简单的改变进排气管的结构参数，进行仿真计算，来增加进气效率。 而本文从理论分析着手，提出了一条新的思路，讨论了o t t o 循环转变成 a t k i n s o n 循环能多大程度地消除节气门节流所造成的泵气损失，进而能带来多大 的节油潜力，提出了节油率、泵气损失消除率和泵气损失能耗比的概念；根据推 导出的公式结合发动机的性能试验数据，计算出了节油率所需要的相关参数值， 为a t k i n s o n 循环无需节气门调节负荷的发动机设计与标定提供指导。 利用g t p o w e r 软件，基于一款传统汽油机的实测数据建立计算模型，对模 型进行校准，达到模拟计算精度要求之后，针对之前研究的不足，做了相应的工 作，主要研究内容如下： ( 1 ) 针对某款自然吸气式汽油机，采用发动机一维性能仿真软件g t - p o w e r 建立对象发动机模型，并确定其基本输入参数； ( 2 ) 根据厂家提供的台架试验数据，对该模型进行标定，并将对象发动机模 拟计算值与实测值进行对比，通过数据的对比来对该模型进行模型验证，验证该 模型的准确性； ( 3 ) 对降低内燃机燃油消耗率的方法进行初步分析，对l l o t t o 循环与a t k i n s o n 循环，从理论上分析a t k i n s o n 循环在无节气门节流损失时发动机的节油潜力及原 因： 基于a t k i n s o n 循环的混合动力车用发动机的仿真和优化研究 ( 4 ) 对比o t t o 循环与a t k i n s o n 循环，提出评定节油率的相关参数：泵气损失 能耗比与泵气损失消除率；推导出节油潜力的计算公式：节油率等于泵气损失能 耗比与泵气损失消除率之积； ( 5 ) 基于理论推导与实测数据计算得到发动机万有特性曲线上a t k i n s o n 循环 的节油潜力m a p 图，以提高发动机的热效率或者降低燃油消耗率为主要目标，同 时计算过程中考虑燃烧压力增加及爆震的问题，通过制定可行的三种方案，对发 动机4 个典型的部分负荷工况点进行模拟计算，研究确定对象发动机改进成 a t k i n s o n 循环发动机的最佳方案； ( 6 ) 分析改进后的a t k i n s o n 循环发动机搭载到混合动力后需要的动力分布情 况；在进一步推迟排气阀晚开的方案中，分析对于标定较合理的现代汽油机中通 过用推迟排气阀开启时刻的措施来增大膨胀比对a t i k i s o n 循环降低油耗的影响效 果到底如何。 1 3 2 主要研究目标 本课题的研究目标是通过对四缸自然吸气式汽油机的仿真分析，研究配气相 位和压缩比对发动机性能的影响，旨在无节气门控制负荷的方式下，寻找最佳的 气门控制负荷方法，从而最大限度地减小汽油机部分负荷泵气损失，提高其热效 率，文章要达到以下目标： ( 1 ) 建立混合动力车用汽油机仿真模型，完成对模型的验证； ( 2 ) 完成在理论上分析无节气门节流损失时发动机具有较好节油潜力； ( 3 ) 提出评定节油率的相关参数，完成推导出节油潜力的计算公式； ( 4 ) 完成a t k i n s o n 循环的节油潜力m a p 图的推导； ( 5 ) 制定模拟方案，完成对压缩比和配气相位的优化，确定对象改进成 a t k i n s o n 循环发动机的最佳方案； ( 6 ) 确定优化后的a t k i n s o n 发动机搭载到混合动力后需要的动力分布方案； ( 7 ) 验证通过进一步推迟排气阀晚开来增大膨胀比的措施对降低油耗几乎没 有实质性的影响。 1 4 本章小结 1 ) 指出了论文的研究背景和意义； 2 ) 比较详细的介绍t a t k i n s o n 循环发动机的研究现状； 4 ) 结合国内外研究现状，综合阐述了发动机可变配气技术现状和进气系统的 研究； 5 ) 阐述了之前关于a t k i n s o n 循环研究的不足，提出了论文主要研究内容和研 究目标。 硕士学位论文 第2 章数学模型及计算原理 在内燃机的研究和开发过程中，内燃机工作过程的数值模拟已经成为十分重 要且非常实用的工具。通过对内燃机进排气过程，尤其是气缸内的热力过程进行 模拟计算，不仅能够预测出发动机的性能，而且还能进行多方案的研究和对比， 实现内燃机运行参数和结构参数的优化，从而减少工作量，缩短开发周期，节约 开发费用和人力资源。基于这种方法进行研究，使用模拟工具g t p o w e r 对方案 进行选优，本章就针对这样的问题展开阐述，详述了数值模拟应用及优点，发动 机仿真模型中涉及的热力学原理等。 2 1 发动机数值模拟的应用及优点 发动机数值模拟等价于在计算机上通过系统模型模拟一个实际存在或正在设 计中的真实系统，以再现( 实现可视化) 或分析( 数值计算) 真实系统的本质特征。非 常类似于通过计算机来履行一个物理实验，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。 数值模拟技术经历了计算方法研究到编写计算工具的过程，发动机数值模拟 是靠计算方法和计算工具来支持的。有了计算方法，相应的就诞生了许多专业性 的软件，用于发动机的性能仿真计算。发动机工作过程分析的常用数值模拟工具 有：s t a r c d ，f i r e ，g t p o w e r ，a v l b o o s t ，k i v a ，f l u e n t 等。采用不同 的软件在不同应用领域有各自的优势。例如，奥地利a v l 公司的发动机专用三维 模拟软件f i r e 依靠其强大的试验能力的支持，近来发展相当快；g t p o w e r 软 件是一个功能强大的发动机稳态和瞬态分析软件，提供了丰富的发动机元件模型 及接口，它可以模拟包括燃烧在内的发动机的整个工作循环过程心。 发动机的仿真计算因为有着种种的优势而得到广泛的应用，发动机仿真计算 具有以下特点： ( 1 ) 代替许多难以或者无法实现的发动机试验。在工程实际中，许多问题是 无法通过实际的运行来加以研究的就可以采用计算机模拟。 ( 2 ) 方便对新型发动机的研发、匹配工作。在开发前期，仿真计算和试验相 结合，可以有根据的选择和确定新系统的初步结构参数和评估新系统的工作特性； 在开发后期，在各结构参数已经确定的情况下，可以根据实际需要优化或者确定 系统的运行参数。 ( 3 ) 发动机数值模拟计算还有很多优势。可以解决一般方法难以求解的大型 系统问题；降低投资风险，节省研究开发费用，避免实际实验对人身及财产的危 害，可以避免对人员、财产的危害；可以缩短实验时间，不受时空限制等。 基于a t k i n s o n 循环的混合动力车用发动机的仿真和优化研究 总的来说，我国发动机数值模拟还处于起步阶段，很多方面还不完善，而国 外的研究发展相对很快，尤其是伴随着计算机技术的发展。近几年，网格生成技 术发展很快，特别是计算机性能得到很大提高的前提下，使模拟的情况更接近实 际发动机几何运动学状态。 2 2g t - p o w e r 软件介绍 软件的开发者是美国g a m m at e c h n o l o g i e s 公司，是汽车、零部件及内燃机的 模拟软件。涵盖了汽车、内燃机、燃油供给系统、冷却系统、曲柄连杆和配气机 构等，它是汽车厂家和内