（动力机械及工程专业论文）cg125摩托车发动机循环模拟与性能优化研究.pdf

中文摘要 摘要 随着发动机工作过程基础理论的深入研究和计算机技术的高速发展及其在工 程领域的广泛普及和应用，循环模拟计算已经成为汽车和摩托车发动机在设计和 调试阶段新技术的发展方向之。循环模拟计算不受试验环境和试验条件的限制， 可以揭示在试验中没有测量或不可能测量参数的大小，热力参数以及运转参数对 发动机性能影响，预先提供优化设计方案，而且花费小、周期短。因此，针对国 内摩托车基于机型c g l 2 5 发动机，综合内燃机学理论及其循环分析方法、模拟分 析工具和实验测试等技术手段，通过建立c g l 2 5 型号摩托车发动机性能循环模拟 计算模型，探讨各种结构参数对发动机性能的影响，从而掌握摩托车发动机循环 模拟及性能优化的关键技术。 本文以c g l 2 5 摩托车发动机为研究对象，基于循环模拟原理，首先分析并采 用了合理的数学模型和物理模型，包括缸内燃烧、传热及气体交换模型；管道摩 擦损失、压力损失和传热模型。利用b o o s t 软件建立了正确的发动机性能循环模 拟模型，详细探讨了模型中各模块参数的确定和输入，主要包括：进、排气及消 声器系统的结构参数、气缸头的结构参数、进排气门升程及流量系数、空滤器模 块参数、化油器模块参数、燃烧和传热模型参数、摩擦损失等。发动机台架实验 的结果验证了模型的可靠性。 同时，本文围绕发动机循环模拟计算进行了相关的实验测试，包括：气道稳 流实验、气门升程的测试、机械损失的测试、发动机性能测试、进排气压力波动 和缸内压力波动测试等。获得了大量建模和验模所需数据，探讨了测试数据和模 拟模型参数问的相互转化。在此过程中，提出了一种发动机气门升程曲线的实验 测试方法并形成了测试规范。 在循环模拟模型的基础上，对发动机配气正时系统和进、排气系统进行了变 参数优化计算和分析，并应用于c g l 2 5 发动机中低转速性能的优化，提出了若干 发动机中低速扭矩优化方案和途径。试验表明：改进后的发动机中低速动力性和 经济性均得到了显著的改善，所论述的发动机性能循环模拟及优化技术的正确性 得到证实。 关键词：摩托车发动机，循环模拟，实验测试，性能优化 英文摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h em o r ed e e p l y r e s e a r c ho fe n g i n ew o r k i n gp r o c e s sa n dq u i c k d e v e l o p m e n ta n di t se x t e n s i v eu s ei ne n g i n e e r i n g , t h et e c h n o l o g yo fc y c l es i m u l a t i o n h a sb e c o m eo n eo f t h en e wt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tw a yi nd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n go f a u t o m o b i l ee n g i n ea n dm o t o r c y c l ee n g i n e c y c l es i m u l a t i o n c a nd i s c l o s u r et h e m a g n i t u d eo fp a r a m e t e r sw h i c hf l f f e n tm e a s u r e do rc a n tm e a s u r e di nt e s t i ta l s oc a n i n d i c a t et h ei m p a c to ft h e n r n a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e 嘏w i t h o u tt h e r e s t r i c t i o no fs u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t i naw o r d , c y c l es i m u l a t i o nc a na f f o r do p t i m i z e d e s i g nw a yi na d v a n c e 、i t l ll e s sc o s ta n dt i m e i na l l u s i o nt ot h ec g l 2 5m o t o r c y c l e e n g i n e t h em a j o rt y p ei nc h i n a , v a r i a b l es 缸1 l c 眦p a r a m e t e r s i n f l u e n c eo ne n g i n e p e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e db yt h ee s t a b l i s h m e n to fc y c l es i m u l a t i o nm o d e lo fc g l 2 5 m o t o r c y c l ee n g i n e ，t h r o u g hi n t e g r a t i o no ft h e o r yo fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ea n di t s w a y st oc y c l es i m u l a t i o n , t h et o o l so fs i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt e s t sa n ds oo i lt h e nt h e k e yt e c h n i q u eo f c y c l es i m u l a t i o na n de n g i n ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o ni s 班p p c d t h ep a p e rt a k i n gt h ec g l 2 5m o t o r c y c l ee n g i n ea st h es u b j e c ti n v e s t i g a t e d b a s e d o nt h ep r i n c i p l eo fc y c l es i m u l a t i o n , t h ea p p r o p r i a t em a t h e m a t i cm o d e la n dp h y s i c a l m o d e la r ea n a l y z e da n da d o p t e da b o v ea l l ，i n c l u d e ：t h em o d e l so fc o m b u s t i o n , h e a t t r a n s f e ra n dg a se x c h a n g ei n s i d et h ec y l i n d e ra n dt h o s eo ff r i c t i o nl o s s ，p r e s s u r el o s s a n dh e a tt r a n s f e rt h r o u g hp i p e s t h ee x a c t c y c l e s i m u l a t i o nm o d e lo fe n g i n e p e r f o r m a n c ew a sc r e a t e db yt h es o f tb o o s t t h e na l lt h em o d u l ep a r a m e t e r so ft h e m o d e lw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fc y l i n d e rh e a d , i n t a k es y s t e m ，e x h a u s tg a ss y s t e ma n dm u f f l e r b e s i d e s ，t h el i f tr a n g ea n dd i s c h a r g e e o e f f i e i e n to fi n t a k ev a l v ea n de x h a u s tv a l v e ，t h em o d u l eo fa i rc l e a n e ra n dc a r b u r e t o r , t h em o d e lp a r a m e t e r so fc o m b u s t i o na n dh e a tt r a n s m i s s i o n , t h ef r i c t i o nl o s sw a r ea l s o i n p u t t e d t h er e s u l to f e n g i n eb e n c ht e s tp r o v e dt h er e l i a b i l i t yo f t h em o d e l m e a n w h i l e ，s e v e r a lc o h e r e n tt e s t sw e t c a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e c a l c u l a t i o no ne n g i n ep e r f o r m a n c e ，i n c l u d e ：t h et e s t so ft h es t e a d yf l o wi np a s s a g e , t h e v a l v er a n g ec u r v e ，t h em e c h a n i c a lp o w e rl o s s ，t h ee n g i n ep e r f o r m a n c e , t h ei n t a k ea n d e x h a u s tp r e s s u r ew a v ea n dt h a ti n s i d et h ec y l i n d e r , e t c al o to ft h ed a t at h a tw e r e r e q u e s t e di nm o d e lb u i l d i n ga n dc h e c k i n gw e r eo b t a i n e d , a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h et e s t i n gd a t aa n dt h es i m u l a t i o np a r a m e t e r sw e r ed i s c u s s e d bt h ec o u r s eo f r e s e a r c h , am e t h o do fe n g i n ev a l v er a n g eo 1 r v em e a s u r i n gw a se s t a b l i s h e da n ds ow a st h e 1 i i 重庆大学硕士学位论文 s t a n d a r do f t h et e s t b a s e do l lt h ec y c l es i m u l a t i o nm o d e l ，p a r a m e t r i co p t i m i z i n gc o m p u t i n ga n d a n a l y s i so f t h et i m i n gs y s t e m , t h ei n t a k es y s t e ma n dt h e e x h a u s tg a ss y s t e mw e r ec a r r i e d o u t s e v e r a lo p t i m i z i n gw a yt oi m p r o v et o r q u eb e l o wm e d i u ms p e e dw o r ep u tf o r w a r d w h e ni ta p p l i e di nt h eo p t i m i z a t i o no fc g l 2 5m o t o r c y c l ee n g i n ep e r f o r m a n c e i th a s b e e np r o v e db yt e s tt h a tp o w e rp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m yc a nb ei m p r o v e d o b v i o u s l y b e s i d e s ，v a l i d i t yo ft h ec y c l es i m u l a t i o na n dt h eo p t i m i z et e c h n o l o g yo n e n g i n ep e r f o r m a n c ew e r ea l s op r o v e d k e y w o r d s ：m o t o r c y c l ee n g i n e ，c y c l es i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a lt e s t i n g , p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 膏孝缉 签字日期： 历口7 年# 月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽盎堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 乙) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：j 矛竹 签字日期：l 0 0 7 年；月 f 日 导师签名： 长 签字日期谚一年6 莎月呷日 i 绪论 l 绪论 1 1 研究的背景及意义 内燃机循环模拟计算( 或称一维性能数值模拟计算) ，可以应用于指导进气、 排气、增压系统及整机的试验、设计，改善和提高内燃机的综合性能。循环模拟 计算最早出现于1 9 世纪4 0 年代，这时内燃机理论基本上是建立在理论循环基础之上 的，常规的工作过程计算对实际工作进行了很大的简化。计算机技术的飞速发展和 计算流体力学、计算传热学和化学动力学等基础理论的深入研究，为循环模拟计算 提供了条件，促进了循环模拟内燃机瞬时工作过程的蓬勃发展。利用完善的数学模 型和物理模型，循环模拟发动机的实际瞬时工作过程，研究各种结构参数、运行参 数对发动机性能的影响，从而预测优化内燃机整机系统，已成为国内外研究的重 点。 所谓发动机的循环模拟计算，就是从发动机各系统的物理模型出发，用微分 ( 常微分或偏微分) 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，用计算机循环求解微分方程，以求出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、燃气性质、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等问题，所以计算结 果比较符合实际情况【1 1 。 大约在2 0 世纪6 0 年代以前，由于缺乏现代化的计算工具，当时的设计者不 得不作出许多脱离实际的简化假设。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。 这些计算方法未能概括出很多在实际物理过程中所涉及到的复杂因素，因而对发 动机的研制所起到的指导作用十分有限，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【2 】。 至2 0 世纪6 0 年代中期以来，随着计算机在工程领域的广泛应用，使得对内 燃机的实际工作过程进行接近实际的模拟计算成为可能，内燃机实际循环计算( 即 热计算) 的循环方法得到飞跃的发展。内燃机的循环模拟技术已成为研究和开发 内燃机的一种有效方法。 目前，应用循环模拟计算大致可以进行以下工作。 预测发动机的性能。性能预测的内容很多，如预测发动机的稳态工况或瞬 态行为，输出包含时间变化的量，如：在所有通道的流量比和流动速度，系统温 重庆大学硕士学位论文 度，系统压力，管道、分流口、及其他元件温度；发动机容积效率、功率、转矩 和油耗，预知燃烧率模型等等a 设计参数的优化。通过模拟计算可以探讨各种结构参数( 如压缩比、气门 定时、凸轮型线、配气时面值、气门重迭角、排气管结构尺寸、涡轮增压器的结 构和特性等) ，各种热力参数( 如增压压力、中冷温度、大气条件、过量空气系数 、排气背压等) 以及各种运转参数( 如转速、冷却水温度、活塞冷却油温度等) 对内燃机性能影响( 包括预测n o 、h c 、c o 的生成量等) ，并寻求其最佳值。 在内燃机处于调试阶段时，可以把计算视为测量的补充，也就是说可以从 计算中揭示在试验中没有测量或不可能测量参数的大小、热力参数以及运转参数 对发动机性能影响。通过发动机工作过程的循环计算，可深入分析整个热力循环 的各过程和各方面的因果关系，指明参数的调整方向，从而减少试验工作量，缩 短调试周期。 因此，本文选题是基于研究项目“摩托车发动机工作过程及其控制实验平台的 建设”中循环模拟部分的研究内容，根据国内摩托车工业的发展现状，结合建设工 业集团技术开发中心的技术条件和研发能力，以建设工业集团主干产品c g l 2 5 摩 托车发动机为研究对象，拟对c g l 2 5 型号发动机循环模拟计算及相关的实验测试 进行深入的研究，探讨提高c g l 2 5 发动机性能的有效方法，从而掌握将循环模拟 应用于摩托车发动机设计和改型的关键技术。 1 2 发动机循环模拟国内外研究应用现状 发动机循环模拟是一个复杂的系统过程，包括迸、排气系统，配气系统的循 环模拟和燃烧，传热及气体交换循环模拟等多方面的模拟内容。发动机又是一个 复杂的几何体，故难以完全确定各点的边界不稳定条件，这就需要建立各种简化 的数学和物理模型是方程简化，继而通过发动机各个系统循环模拟的结果或实验 数据作为边界条件和参数作为输入数据进行性能模拟计算。一般来说，发动机性 能的循环模拟技术包括数学和物理模型的建立及选择、模拟计算求解、实验验证 等几个方面。下面就本文所涉及到的发动机性能循环模拟计算的几项关键技术的 发展和应用状况进行介绍。 1 2 1 物理模型 建立正确的燃烧、传热及气体交换模型是进行发动机循环模拟的关键。 气体交换模型 3 1 气体交换模型的主要内容就是对气体流动进行综合模拟。包括缸内工作过程 的循环模拟和进、排气系统的循环模拟。其中本文主要是对进、排气系统的循环 模拟进行了研究，而前者并未涉及。 2 1 绪论 描述进排气管系气体流动特性的数学模型有零维模型、一维模型和多维模型。 零维模型也即容积法，其基本思想是：气体在管系内的流动过程被认为是准稳态 的，管系被视为一个容器，在所研究的容器容积内，忽略压力波传递所需要的时 间，各状态参数只是时间的函数，与空间位置无关。该模型可用于流程很短、波 动传递时间可以忽略的管道计算，特点是计算速度快，但对于长的管系或多缸高 速发动机由于顺序发火而引起的压力波动就不太适用。 一维模型考虑了沿管长方向上压力波传递的时间影响，认为管内压力波的传 递不但随时间变化，而且在同时刻，沿管长方向不同位置处压力波动也是不同 的。该模型能反映管路轴向尺寸变化的影响，可以比较不同管系对发动机性能变 化的影响。其中循环模拟计算主要集中于以特征线法为基础的内燃机一维非定常 流动的研究。 多维模型在进排气管系的模拟计算中已经被尝试，国内外研究人员在此方面 做了大量的研究工作。但由于对流动机理的认识仍有局限性，而且较难提供准确 的边界条件，因此模拟精度也不尽人意，加上编程复杂，计算工作量大，使进排 气管系多维模型在内燃机循环模拟研究中较少应用。目前，内燃机进排气管系循 环模拟的实用模型仍是一维非定常流动计算模型。 燃烧模型【4 ，5 】 燃烧过程循环模拟的研究已经历了单纯的放热规律计算、零维燃烧模型、准 维燃烧模型和多维燃烧模型四个阶段。燃烧模型的不同主要表现在对燃烧室内光 亮度场、压力场、组分尝试场和流场的不同处理方法上。 燃烧放热规律的计算，是指由缸内压力数据，根据能量守恒方程和经验传热 公式，推算燃油燃烧的放热过程，用以分析内燃机的燃烧。这种方法比较简便、 直观，对诊断燃烧有一定作用，但难以反映细节，因此作用有限。 本文选择的是零维燃烧模型，它假设燃烧室内压力、温度瞬时均匀，并且认 为系统边界所有各点参量为完全相同，以时间作为唯一的自变量。它是从能量的 角度研究燃烧现象，求解以热力学第一定律为中心建立起来的一组封闭系统的能 量守恒方程。对燃烧放热率的处理采用半经验的方法，即给定燃烧放热率的函数 关系，经过匹配大量的试验数据，确定相关的经验常数，用于计算工作过程中光 亮度、压力等值，典型的燃烧放热率函数有余弦函数和韦伯函数。零维模型计算 简单、求解容易，能预测一些参数的变化对内燃机性能的影响，但是，零维模型 对实验的依赖性较大。在给出燃烧过程经验公式的范围内，可以较准确的预测内 燃机燃烧过程的主要性能参数。 准维燃烧模型是在零维燃烧模型的基础上发展而成的，由于进行了分区处理， 在预测内燃机设计和运转参数的变化对燃烧过程的影响时，准维模型能够得到较 重庆大学硕士学位论文 零维模型更深入的结果。 多维燃烧模型较零维燃烧模型复杂得多。由于对湍流和燃烧化学等许多现象 的尚不清楚，再加上对计算机容量和计算成本的限制，使多维模型的应用还存在 很大局限性。但随着人们对湍流混合、化学动力学、火焰形成和传播机理、传热 及边界条件等方面的研究加以突破和计算技术的进步，多维模型将得到迅速发展 并趋于完善。 传热模型 2 0 世纪2 0 年代n u s s e l t 就提出了著名的内燃机气缸内传热公式，随后b r i l i n g 、 e i c h e l b e r g 、p f l a u m 、w o s c h n i 等，先后在各自的试验基础上建立了气缸内传热系数 公式【6 t 7 】目前这些公式大致可分为三类：第一类是以n u s s e l t 公式为基础，认为影 响传热过程的因素为工质的压力、温度和活塞平均速度；第二类以相似准则为基 础，考虑到工质的物理特性；第三类考虑放热系数沿受热零件表面不同位置的分 布。放热系数不仅与工作过程有关，而且与结构参数也密切相关。不同的学者对 以气缸内温度和压力作为主要影响因素并不怀疑，但对于气缸内工质流动速度如 何正确反应到传热公式中争议较大。虽然一般用活塞平均速度来表征气缸内工质 流速的影响，但各学者对其影响程度的估计存在差异。 1 2 2 计算方法 循环模拟模型研究的关键是对其一阶拟线性偏微分控制方程的数值求解问 题，现已发展应用的主要计算方法有：特征线法、有限差分法和有限容积法。特 征线法有l a t t i c ep o s i t i o n 和m e s hm e t h o d 两种方法，后一种方法更便于在计算机上 应用。2 0 世纪6 0 年代以来，rs b e n s o n 教授及其工作组长期致力于特征线法模拟 计算工作，在计算气道内的气体流动方面获得成功【8 l 。1 9 7 8 年b e n s o n 去世后，他 的同事以b e n s o n 的名义，整理出版了专著内燃机热力学与空气动力学( 卷1 ) ( t h et h e r m o d y n a m i c so f c o m b u s t i o ne n g i n e s ，v o l i ) 【9 】，系统的总结了此前以特征 线法为基础的循环模拟领域的研究和计算成果。前后3 0 年( 2 0 世纪6 0 - , 9 0 年代初) ， 特征线法一直在发动机循环模拟领域处于主流支配地位。 近年来，由于特征线法不如直接求解偏微分方程组方便，所耗机时也较高， 因此已逐渐被精度更高、速度更快的直接求解偏微分方程组的有限差分法和有限 容积法所替代。几种离散求解方法各有优缺点【l o i ，比较如下： 特征线法算法成熟，物理概念清楚，在边界条件方面积累了大量的经验， 但其缺点是质量流量误差较大，在温度较高、压力变化较为剧烈时尤为明显。 有限差分法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概 念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的循环方法。其计算速度和计算精度 优于特征线法，且网格生成可以使有限差分法应用于不规则区域。但是对区域的 4 1 绪论 连续性等要求较严，对不规则区域处理繁琐。因此在处理缸内流场的气道与燃烧 室一类的结构时很难获得相应的精度。 有限容积法又称为控制体积法，是近来内燃机进排气管系非定常流动计算 研究中广泛应用的方法，其基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的控制 体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体 积积分，便得出一组离散方程。因此，这种方法便于用来计算具有复杂边界区域 的流体运动。由于内燃机气体流动计算的计算域边界非常复杂，近年来有限容积 法在内燃机气体流动模拟的数值计算中得到了越来越广泛的应用。本文对c g l 2 5 摩托车发动机进行循环模拟时采用有限容积法进行计算。其具体计算理论及方法 可参考相关文献【i ”。 1 9 9 9 年英国曼彻斯特大学原b e n s o n 研究组的d w i n t e r b o n e 教授和r p e a r s o n 博士合作，发表了发动机进、排气歧管设计技术( d e s i g nt e c h n i q u e sf o re n g i n e m a n i f o l d s ) t 1 2 】和发动机进、排气歧管设计原理( n e o r y o f e n g i n e m a n i f o l d s d e s i g n ) d 3 两书，全面总结了2 0 世纪后2 0 年内燃机这一领域的研究成果，是继b e n s o n 名著内燃机热力学与空气动力学之后的有较大参考价值的文献。自1 9 9 9 年以 来，国内的清华大学汽车工程系发动机热流体研究室一直迸行这一方面的研究， 在内燃机计算流体力学( c f d ) 及热管理方面取得了一定的成果。 1 2 3 模拟工具 2 0 世纪8 0 年代，世界各高校自主开发了发动机循环模拟程序用于循环模拟的 计算，如英国曼彻斯特大学( u m i s t ) 开发的m k - 1 4 ( 原代码) 。我国从2 0 世纪 8 0 年代初起，即紧跟国际潮流开展了这一领域的研究工作。1 9 8 5 年，清华大学内 燃机教研室引进了英国u m i s t 的m k - 1 4 程序，并使之简化用于小型计算机上， 以适应当时的国情。在2 0 世纪8 0 - - 9 0 年代，这些程序陆续在当时的第一汽车制造 厂、第二汽车制造厂、北京内燃机厂( 北内) 等大型企业中应用。二汽6 1 0 0 q 和 北内4 9 2 q 汽油机利用此程序改进后的进、排气系统，都使整机充气效率得到明显 提高。 2 0 世纪9 0 年代以来，一批商用发动机循环模拟软件的开发，如奥地利a v l 公司的b o o s t 、英国g a m m a 公司的g t - p o w e r 、美国西南研究院v i p r e 等，标 志着发动机循环模拟已达到实用化的程度。这些软件的差异主要表现在对各种描 述燃烧和流动的物理化学过程模型的不同有机组合和采用不同的循环方法上，不 同的软件在不同的应用领域有各自的优势。 目前，世界范围内在发展内燃机新机型时，普遍应用内燃机热计算的程序( 如b o o s t 、g t i 、p r o m e 、w a v e 等) ，来探讨各种结构参数、热力参数以及各 种运转参数对内燃机性能的影响( 包括预测n o 、h c 、c o 的生成量等) ，并寻求 重庆大学硕士学位论文 最佳值。在内燃机处于调试阶段时，计算作为对测量的补充，可以从计算中提供 在实验中没有测量或不可能测量参数的大小，从而能够使试制周期和试制费用均 得到有效减少。循环模拟技术在一些较发达的国家，如美国、德国、日本等已得 到广泛的应用。 随着研究工作的不断深入和相关技术的进一步发展，发动机循环模拟技术在 国内也得到进一步的发展和应用。目前，国内一些汽车和摩托车企业也开始进行 相关研究及应用，并取得了一定的成果0 4 1 。如第一汽车集团技术中心郑广勇等人 利用g t - p o w e r 软件计算发动机工作过程中气体流动的变化过程，用来评价发动机 性能指标的优劣，并进一步制定了改善发动机排放的方案。奇瑞汽车公司的杨万 里等人采用b o o s t 软件对其现有发动机进行了改型和性能提升分析，通过变排量 和增压技术，设计出高性能的低排量汽油发动机。玉林柴油机公司莫宗华等人利 用b o o s t 软件建立了该公司某款柴油发动机的循环模拟计算模型，并借助该模型 对柴油机进行各项性能的计算对比分析和研究，最终对配气相位和排气管进行优 化。同济大学董饶清等人通过应用b o o s t 软件建立了某电控d 1 1 4 发动机的仿真 计算模型并进行试验验证，分析在额定工况相同喷油量和喷油提前角下不同的喷 油规律对发动机性能的影响，给出了共轨压力和喷油规律形状对发动机性能和排 放等影响规律。 综观这一系列研究项目及成果，主要目标集中于对发动机性能的提升和排放 的改善，且研究对象大都是多缸机型。本文的研究对象建设工业集团摩托车发动 机的主干机型c g l 2 5 是单缸四冲程汽油机，拟通过将循环模拟技术应用于该机型的 性能优化掌握此类发动机机型循环模拟及性能优化技术。 1 - 3 本文主要研究内容 本文主要研究工作是以建设工业集团c g l 2 5 型号摩托车发动机为研究对象， 综合内燃杌学理论及其循环计算方法、模拟分析工具和实验测试等技术手段，通 过建立并验证c g l 2 5 型号摩托车发动机循环模拟模型，探讨各种参数对发动机性 能的影响。研究内容主要包括以下凡方面： 发动机性能循环模拟模型的建立。 1 ) 基于循环模拟原理，选用了合理的数学模型和物理模型，包括缸内燃烧、 传热及气体交换模型；管道摩擦损失、压力损失和传热模型： 2 ) 采用b o o s t 软件建立了正确的发动机循环模拟模型，详细探讨了模型中 各模块参数的确定和输入，主要包括：进、排气及消声器系统和气缸头的结构参 数、进排气门升程及流量系数、空滤器模块、化油器模块、燃烧和传热模型参数、 摩擦损失等： 6 1 绪论 3 ) 对模拟结果和实验测试结果进行了比较验证； 发动机循环模拟相关实验测试的研究。 1 ) 发动机普通台架性能测试，包括机械损失、进排气流量、气道稳流实验和 外特性等发动机工作过程参数的测试；探讨了测试数据和模拟模型参数之间的相 互转化； 2 ) 动态压力的测试，包括进、排气压力和缸内压力的测试，获得了大量重要 的基础数据，并将结果与模拟计算结果进行了对比验证； 3 ) 气门升程的测试，进行配气机构气阀升程及配气正时的局部参数测量，形 成了一种发动机气门升程曲线的实验测试方法并形成了测试规范。同时利用 t y c o n 软件对气门升程进行了模拟计算，将结果与测试结果进行了对比分析。 发动机性能优化计算及循环模拟的应用 1 ) 基于循环模拟模型探讨了进气系统、排气系统、配气正时、气门间隙、点 火提前角大小等参数对发动机性能的影响：其中重点探讨了进、排气系统参数和 配正时中排气门打开( e v o ) 时刻、进气门关闭( i v c ) 时刻、气门重叠角( v o l ) 时刻对发动机性能的影响，为各参数的优化设计打下了良好的基础； 2 ) 针对c g l 2 5 摩托车发动机中低速扭矩的提升提出了若干方案和途径，并通 过实验测试验证了其中部分方案。 l 。4 本章小结 本章首先分析了国、内外发动机性能循环模拟的发展现状与发展动态，然后 结合国内摩托车企业建设工业集团现有发动机的实际情况，提出了本文的研究任 务。即应用内燃机学理论及其循环计算方法、模拟分析工具和实验测试等技术手 段，建立c g l 2 5 型号摩托车发动机性能循环模拟模型，并进行物理样机的实验分 析与验证。通过探讨各种参数对发动机性能的影响，形成c g l 2 5 型号发动机性能 优化及改型设计的有效方法。籍此掌握摩托车发动机循环模拟和性能优化的关键 技术。 7 2c g l 2 5 发动机循环模拟模型的建立和验证 2c g l 2 5 发动机循环模拟模型的建立及验证 2 1 循环模拟模型的总体方案 所谓发动机的循环模拟计算，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 机循环求解微分方程，以求得气缸内各参数随时间( 或曲轴转角) 的变化规律。 此类问题的解析思路与步骤可概述如下1 1 5 】： 建立物理模型。由于内燃机工作过程的复杂性，导致任何对其主要特征进 行模拟的研究工作都带有某种推测性。不可能将方方面面的影响全部考虑进去， 必须在考虑关键环节，突出本质因素的前提下，用新的简化的物理模式进行替代， 这就是物理模型。譬如内燃机管流常被简化为一维流动模型，液流被当作不可压 缩流来处理等。 选用何种模型与计算精度和准确度有关。精度要求愈高时，模型往往愈复杂。 但是，工程问题影响因素极多，有些因素的影响机理还不很清楚，此时模型变复 杂，准确度未必就高。所以最佳的模型应该是能满足要求的最简化的模型。 建立数学模型。建立数学模型就是分别列出与各子系统物理模型相对应的 数学方程，包括： 1 ) 列基本方程组。对每一个子系统，按所需求解的物理量，建立独立的可封 闭的基本方程组。 2 ) 列边界方程组。为获得基本方程组的定解，必须给出初始条件和建立实时 的边界条件联立方程组。 模拟计算求解。将各子系统的基本方程组和边界方程组，在给定的初始条 件和方程组封闭的前提下，联立计算求解，最终获得工程所求的目标值。这一工 作及其复杂，大都利用恰当的计算方法，编制模拟计算程序后，利用电子计算机 来完成。目前已有大量的商用软件可用，譬如本文所用到的a v l 公司的b o o s t 软件。 实验验证。通过实验验证模型的可行性，并对模型进行改进，这一步极为 重要。任何模型，由于有各种简化与假定，必然有偏差。若只是进行定性分析， 目的仅是对进一步的研究、实验提供一些指导方案，单纯计算即可。但要用于生 产实践，实验验证的不仅是必不可少的，有时还会发现很多新的现象和问题，成 为内燃机进一步发展和创新的源泉。本文通过大量实验数据专门探讨了对c g l 2 5 发动机的实验验证。 9 重庆大学硕士学位论文 本文以理论分析为基础、实验测试为手段、循环方法为核心，遵循理论分析、 循环方法和实验测试密切结合的技术路线。c g l 2 5 摩托车发动机循环模拟及其相 关实验测试所涉及的各种理论、循环、实验方法及其技术手段的相互关联，如图 2 1 所示。 ；童 ； 圄 圃l ；垂差i 毳巍力学第一 i 动态压力测试 l ；l 管道模型构建ll 边界模型构建l ll 缸内过程热力学第一i 图2 1 循环模拟的原理和方法 f i 9 2 1p r i n c i p l ea n d m e t h o d o f c y c l es i m u l a t i o n v i b e 函数燃烧模型、： w o s e i m i l 9 7 8 传热模： 型： 气体交换模型； ： 流经进排气道的小孔： 等熵流动理论模型；： 管流理论模型；： 凸轮配气机构的运动： 学理论计算；： 机械摩擦损失评估模： 型： - ： ， 2 2 物理模型和数学模型 2 2 1 缸内工作过程的计算模型 气缸内热力过程的基本微分方程【1 6 1 7 ，1 明 内燃机气缸内的工作过程是很复杂的，它是包含物理、化学、流动、传热等 的综合过程。为了描述气缸内状态变化，视气缸为一个热力系统，系统的边界由 活塞顶、气缸盖及气缸套诸壁面组成，如图2 2 所示。系统内工质状态由压力p 、 温度r 、质量m 这三个基本参数所确定，以能量守恒方程、质量守恒方程及理想气 体状态方程对工作过程进行描述。利用上述三个方程联合求解，解出气缸内压力p 、 温度r 及质量m 三个基本参数。 为了使问题简化，在进行气缸内热力过程计算时作了如下基本假设： 乱气缸内工质的状态均匀，即同一瞬时气缸内各点的压力、温度和浓度处处 相等。 b 工质为理想气体，其比热容c 、内能”、焓h 等参数仅与气体温度r 及气体 1 0 2c g l 2 5 发动机循环模拟模型的建立和验证 成分a 。( 瞬时过量空气系数) 有关。 c 气体注入或流出气缸的流动过程为准稳定流动过程，即在足够小的计算步 长4 p 内视为稳定流动。 d 工质进、出口处的流动动能忽略不计。 h s s 咖日j 图2 2 缸内的能量平衡( 高压循环) f i 9 2 2e n e r g y b a l a n c eo f c y l i n d e r ( h i g hp r e s s u r ec y c l e ) 利用热力学第一定律可得： 能量守恒方程： 掣= 嘞箬+ 警一警妇警 ， 气体状态方程： p 。= 吉- m c 疋 ( 2 2 ) 式中，! ! ：型是缸内内能的变化；一岛z d v 是活塞对外的机械功；譬是燃料 燃烧释放热量；警是壁面传热损失；k b s 穹笋是进出气缸的焓流a 是缸内 气体质量；“内能属性；成缸内压力；矿气缸容积；q _ f 燃料能量；q 0 壁面热量 损失；口曲轴转角； 船流动焓；! ：霉质量流动率。 a 气缸及气道的传热模型1 9 2 0 , 2 1 1 燃料可提供的能量有大部分损失于传热。该传热损失影响了发动机的效率， 还使发动机机件产生热应力。因此，需要能够预算出内燃机气缸传热的多少。根 重庆大学硕士学位论文 据实验数据统计，由于工质在压缩、燃烧、膨胀过程中通过气缸壁各部分向外散 发的热量损失所引起的发动机功率和热效率的下降约占理论混合循环的功率和热 效率的1 0 。气缸壁的传热问题是很复杂的，它具备着所有传热的三种基本方式： 导热、对流和辐射，其中以对流为传热的主要方式。此外，它是在传热面积和工 质状态，其中包括压力、温度、相对气缸壁各部分的流动速度等反复变化的不稳 定情况下进行的。所有这些，都使得内燃机的传热问题，要从理论计算上获得解 决，目前尚存在着不少困难。 工质向气缸盖底面、活塞顶面和气缸套的湿润表面等燃烧室诸壁面的换热量 瓯是能量守恒方程中的一个部分。可由下式计算得到： 瓯= 4 。r 乏一j( 2 3 ) 式中：九为热损失( 气缸顶、活塞以及气缸套) ；4 为换热面积( 气缸顶、 活塞以及气缸套) ；o t w 为换热系数；乏为气缸内工质温度；为璧面温度( 气 缸顶、活塞以及气缸套) 。 计算工质和燃烧室诸壁面的瞬时换热量的关键是确定瞬时平均换热系数o ，w 。 通常应用w o s c h n i l 9 7 8 、w o s c h n i l 9 9 0 ( 对于部分负荷工况下的传热有更好的精 度) 、a n n a n d 、h o h e n b e r g 等传热模型对缸内换热系数进行计算。本文应用w o s c h n i 1 9 7 8 ( 伏西尼公式) 来计算换热系数。 驴啪俨仍c i c m + c 2 0 g t c - 0 , 5 3 1 c ,麓珏) 0 3 亿 驴1 3 0 d 以27 r 糍珏叫 亿4 ) 式中，c i = 2 2 8 + 0 3 0 8 c 。e 。；c 2 = o 0 0 3 2 4 ( 直喷) ；c 2 = 0 0 0 6 2 2 ( 非直喷) ； d 为缸径；c 。为活塞平均速度；为气缸工作容积；只，为倒拖过程压力线，为 进气门关时缸内温度；为进气门关时缸内压力，只为缸内压力。 在气体交换的过程中，考虑进、排气道的传热也是很必要的。由于气门及气 门座区域具有较高的温度及换热系数，所以热量传递也较多。用修改后的z a p f 热 传递模型： r 厶a p ) 乃= r l 一瓦，e”+ 乙( 2 5 ) 热传递系数口，取决于流动方向，流出由下式可得： a p = f c 4 + c 5 l c 6 e1 砭- 甜一d 叠 1 - 0 7 9 7 - 等1 q q 流入的公式如下： 1 2 2c g l 2 5 发动机循环模拟模型的建立和验证 中f c 7 + c s 氐- c 9 t ：心3 3 m o 6 s d i 傣f l - 0 7 6 5 鲁 q 式中：为气门的换热系数；乃为下游温度；乞为上游温度；乙为气门 口温度；a 为气门处表面积；m 为