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sqr372w 发动机动力性和经济性优化设计发动机动力性和经济性优化设计 摘 要 摘 要 随着全球气候变暖、冰川消融日益受到世界各方广泛关注的影响，中国作 为全球最大的发展中国家承诺在降低二氧化碳排放方面做出自己的贡献。“十二 五”期间，力争 2015 年，单位工业增加值能耗和二氧化碳排放量比“十一五” 末均降低 16左右。据分析，80%的减排目标要靠节能。中国汽车工业协会发 布汽车产销数据显示，2010 年中国汽车产销双双超过 1800 万辆，稳居全球产 销第一。因此，降低汽车碳排放量将对整个节能减排工作有着决定性的影响。 在国际方面，欧盟在 2010 年已开始实施 130g/km 的二氧化碳排放标准， 预计到 2020 年将达到 95g/km 的排放水平1。在 2010 年发布节能汽车惠民工 程中也明确提出了“第三阶段”油耗标准，而根据预测，中国预计在 5 年内， 中国的新一阶段油耗标准将再降低 20%左右。 sqr372w（排量 1.0 升）发动机是在广泛畅销的 sqr372f（排量 0.8 升） 发动机基础上依标准化、系列化、通用化要求衍生出来的一款产品，主配微型 客车、货车等轻型汽车产品。为了达到更高的油耗标准要求，在尽量少增加成 本的情况下对产品进行细节方面的优化设计。 本文通过对国家法规政策分析、国内国际发展趋势研究及数据汇总分析基 础上，运用 cae(avl boost/fire 等方法)进行优化计算结合国内行业内的发 展趋势和实际情况进行优化设计。主要采用了提高燃烧效率、提高机械效率等 方面的措施如进排气歧管优化、气道优化、燃烧系统优化、活塞及活塞环优化、 配气相位优化、加装进气 vvt 等措施，使发动机性能得到提升。 本文还对运用 boost 对发动机性能评估、fire 对进排气道的设计评估等 进行了介绍，对发动机热力学开发试验方法和发动机性能台架标定方法也进行 了介绍。优化设计方案中涉及到进排气歧管开发、气道优化设计、燃烧室优化 设计、活塞环优化设计、vvt 设计等关节零部件设计验证流程；对气道紊流试 验、vvt 专项试验等也进行了介绍。 关键词：关键词： 汽车发动机 优化设计 vvt optimal design of dynamics and economics for sqr372w engine abstract with global warming, melting glaciers attract the worlds attention y, china, as the worlds largest developing country, promise to make its contribution in reducing carbon dioxide emissions. during 12th five-year plan period, china strive to lower energy consumption of unit industry added value and carbon dioxide by 16% than 11th five-year plan period. according to the analysis, 80% of emissions reduction targets must depend on the energy saving. this article optimize the performance of engine by meanings of cae and other development methods. mainly adopts the combustion efficiency, increase mechanical efficiency such as exhaust manifold optimization, port optimization, the combustion system optimization, piston ring optimization, timing system optimization and vvt etc, to make the engine performance get promoted, vehicle fuel consumption reached a new phase of a limit requirements. this paper also uses avl boost to evaluate the performance of engine, and， the engine thermodynamics test methods and engine performance test bench calibration method were introduced, too. optimized design scheme involved in intake and exhaust manifolds development, port optimization design, combustion optimizing design and piston rings optimization design, vvt design and other critical parts design and verification procedures. keywords: automobile engine; optimization design; vvt 插插 图图 清清 单单 图 1-1 国内外汽油机压缩比分布对比2 图 1-2 某款塑料进气歧管外观图片 2 图 1-3 塑料油底壳外观图片 3 图 1-4 排气歧管结构对性能的影响3 图 2-2-1 1-d 热力学仿真模型8 图 2-2-2 发动机机械损失9 图 2-2-3 实测各转速点缸内压力曲线 9 图 2-3-1 仿真模型校正结果（1） 10 图 2-3-2 仿真模型校正结果（2）11 图 2-3-3 进气量偏差分析11 图 3-1-1 进气软管内径模拟计算结果13 图 3-1-2 进气软管长度模拟计算结果 14 图 3-2-1 节流阀体喉口口径模拟计算结果 15 图 3-3-1 进气歧管长度优化模拟计算结果 16 图 3-3-2 进气歧管内径优化模拟计算结果 （1） 17 图 3-3-3 进气歧管内径优化模拟计算结果 （2） 18 图 3-3-4 进气歧管内径优化模拟计算结果 （3） 18 图 3-3-5 进气歧管内径优化模拟计算结果 （4） 19 图 3-3-6 进气歧管结构图 20 图3-3-2-1进气歧管总压分布 20 图3-3-2-2进气歧管速度矢量图 21 图 3-3-3-1-1 排气背压对发动机性能的影响 22 图 3-3-3-1-2 排气背压对泵气损失与进气量的影响 23 图3-3-3-2-1铸铁排气歧管与紧耦合排气歧管 23 图3-3-3-2-2紧耦合排气歧管模拟计算结果 24 图 3-3-4-1 排气歧管原始方案 cad 模型 25 图 3-3-4-2 紧耦合排气歧管 cad 模型 25 图3-3-4-3铸铁排气歧管三元催化剂速度矢量 26 图3-3-4-4紧耦合排气歧管三元催化剂速度矢量 26 图3-4-3-1气道优化加大过渡圆弧 28 图3-4-3-2气道优化加大排气道缩口面积 28 图3-4-5-1气道滚流测试方法示意图 29 图3-4-5-2气道滚流计算方法示意图 29 图3-4-5-3气道模型计算域 29 图 3-4-7-1 fire 模拟进气道流量系数 30 图 3-4-7-2 fire 模拟排气道流量系数 30 图3-4-8-1气道芯盒数模模型 31 图3-4-8-2芯盒排气道流量系数 31 图3-4-8-3芯盒进气道流量系数 32 图3-4-9-1新气道缸盖进气道流量系数 32 图3-4-9-2新气道缸盖排气道流量系数 33 图 3-4-9-3 新气道缸盖进气道滚流比 33 图 3-4-10-1 boost 对新气道发动机性能预测 34 图3-4-10-2新气道缸盖台架试验验证结果 34 图 3-5-1 相位整体平移性能对比 35 图 3-5-2 进气门关闭 ivc 时刻对性能的影响 36 图 3-5-3-1 排气门开启 evo 时刻对性能的影响 36 图 3-5-4-1 原始升程与加大气门升程相位对比 37 图 3-5-4-2 加大升程与原始升程扭矩对比 37 图 3-5-4-3 加大气门升程相位优化模拟结果 38 图 3-5-4-4 加大气门升程相位优化结果 39 图 3-6 活塞环工作受力状态 40 图 3-6-2-1 摩擦损失对比分析 41 图 3-6-2-2 低弹力与非低弹力活塞环活塞漏气量对比 42 图 3-6-2-3 低弹力与非低弹力活塞环燃油消耗率对比 42 图 3-6-2-4 低弹力与非低弹力活塞环部分负荷油耗对比 42 图 3-7 发动机压缩比模拟优化分析结果 43 图 3-8-1 vvt 进气凸轮轴相位提前角度 44 图 3-8-2 vvt 模拟优化分析结果 44 图 3-9 发动机最优方案性能模拟结果 45 图 4-2-1 进气软管内径结构 46 图 4-2-2 节气门体结构外观图 47 图 4-2-3 进气歧管结构优化外观图 47 图 4-2-4 排气歧管结构优化外观图 47 图 4-2-5 气门室罩盖结构优化外观图 48 图 4-2-6 1 号罩盖结构优化外观图 48 图 4-2-7 凸轮轴结构优化外观图 48 图 5-2-1 发动机台架试验 50 图 5-2-2 进气 vvt 相位提前角度 50 图 5-2-3 发动机外特性点火提前角 50 图 5-2-4 发动机外特性缸内压力曲线 51 图 5-2-5 发动机外特性缸内压力 map 分布 51 图 5-2-6 不同口径节气门阀体对性能的影响 52 图 5-2-7 最优方案的试验结果 52 图 5-2-8 部分负荷油耗试验结果 53 图 5-3 试验数据与模拟计算数据对比 54 表表 格格 清清 单单 表 1 发动机基本结构参数8 表 2 缸内燃烧韦伯（vibe）参数 9 表 3 进气歧管各支管 cfd 计算结果 21 表 4 排气歧管各支管 cfd 计算结果26 表 5 活塞环优化方案40 表 6 发动机各转速点摩擦损失情况41 表 7 试验数据分析结果53 独独 创创 性性 声声 明明 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志和致谢的地方外，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 合肥工业大学 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。 学位论文作者签字：李 力 签字日期： 2011 年 4 月 29 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 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，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大 学 可以将学位论文的全部或部分论文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。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文者签名： 李力 导师签名： 左丞基 签字日期： 2011 年 4 月 29 日 签字日期： 2011 年 4 月 29 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 1 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1 概述 11 选题背景 概述 11 选题背景 为应对日益严峻的全球气候变暖趋势， 世界各国都在探讨节能减排的方式和方法， 尤其是 co2 排放的降低， 受到社会各界的广泛重视。 根据 联合国气候变化框架公约 (unfccc)的约定中国：到 2020 年单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降 40%-45%（2009 年哥本哈根世界气候大会上，中国承诺到 2020 年我国单位国内生产 总值二氧化碳排放比 2005 年下降 4045；2010 年 5 月 31 日，财政部、科技部、 工业和信息化部、 国家发展改革委等单位联合发出 “节能产品惠民工程”节能汽车 （1.6 升及以下乘用车）推广实施细则 ，对乘用车燃料消耗量做出了新的规定，较现行第二 阶段限值相比，下降了 20%左右。 为响应国家节能减排号召，我们对 sqr372w 发动机立项进行动力性、经济性提 升工作，基于现有的发动机生产线和开发平台，在不改变主要设计结构和较低幅度增 加成本的前提下，对发动机的动力性和经济性进行提升。该款发动机所匹配的 a00 级 小型紧凑型车月销量均在万台以上，实现第三阶段油耗限值要求具有一定的现实意义 和示范作用。 该款发动机是由我公司自主研发的一款发动机，目前在此基础上已形成两缸、三 缸、四缸等三大系列、0.6l、0.8l、1.1l、1.2l 等多个排量系列机型。该系列机型广 泛应用在小型轿车、微型客货车及部分载客、载货摩托车上，其中部分产品还出口到 国际市场。目前，市场保有量逾百万台。 因此在该款机型上进行动力性和经济性提升设计的相关研究，对于提升该系列机 型的性能具有示范意义和指导意义，对该系列机型今后的发展将奠定基础，同时，也 为行业发动机发展起到带动作用。 12 近期国内外汽油机技术发展趋势 12 近期国内外汽油机技术发展趋势 从全球范围行业发展来看，对于汽油发动机节能新技术，缸内直喷技术、增压技 术及可变气门技术已成为三大主流发展方向。国际上，大众、通用等均已推出各自的 新机型如大众的 ea888、通用的 1.4tsi 等先进发动机。国内大多数企业如奇瑞汽车、 长安汽车等均已宣称具备缸内直喷增压技术并已投入试制产品。但从国内行业发展水 平及零部件技术配套体系来看， 在满足国家三阶段油耗的法规要求的前提下， 结合 cae 等技术的发展，在现有轿车汽油发动机技术水平下通过以下措施仍能对发动机的性能 进行适度提升且符合目前国内行业普遍的发展水平。 1）摩擦功降低 2 偏心曲柄连杆机构可减小活塞侧向力，降低摩擦损失；低弹力活塞环，通过降低 活塞环侧向力减小环与缸壁间摩擦，尤其是油环对活塞环组的摩擦功贡献更大。较小 的气环弹力和开口间隙也有利于降低活塞漏气量（blow by）从而减小机油消耗，长期 看也是有利于经济性的；短裙活塞、裙部无凸耳，裙部表面石墨涂层，减少摩擦副接 触面积和摩擦系数；低弹力气门弹簧，减小凸轮基圆宽度，减小配气机构驱动阻力； 缸体采用全铝缸体，浅水套设计，减小缸体内冷却水容积，快速暖机，改善排放和油 耗；低粘度机油同样可降低摩擦损失；塑料进气歧管内壁光滑，减小进气阻力，降低 进排气系统泵气损失；发动机连杆的轻量化，尤其是涨断连杆，在工艺性和重量上均 比较有优势。另外，变排量机油泵、电子水泵、高效率发电机等，均能在一定程度上 提高发动机的机械效率。 2）高压缩比 有利于提高发动机热效率，进而提高发动机的动力性、改善燃油经济性。柴油机 热效率高其中一个重要因素就是柴油机的压缩比相对于汽油机高。当然，汽油机因为 爆震原因，提高压缩比受到很大限制。但是随着技术的进步，活塞冷却措施的加强等， 汽油机高压缩比有进一步扩大的趋势。图 1-1 显示了 600 款当前不同排量国内外汽油 机的压缩比分布。 相关计算结果显示， 压缩比每提高0.2个单位， 燃油消耗降幅为1-2%。 3）零部件塑料化 零部件塑料化目前在发动机开发工作中是一个趋势。现在，塑料进气管应用相当 普遍，基础机型的 sqr372 发动机在 2004 年就已 经开发了塑料歧管，随着技术的进步和塑料行业 的发展，塑料歧管在成本上优于铸铝进气歧管。 塑料歧管气道内壁光滑，由于较小的沿程阻力能 够降低进气摩擦损失，试验结果显示，换用塑料 歧管后约能节油 3-5%左右。另外，采用塑料歧管 后，可以对进气系统相关零件、气门室罩盖、空 图 1-1 国内外汽油机压缩比分布对比 图 1-2 某款塑料进气歧管外观图片 3 滤等进行集成设计制造，一定程度上可以减轻发动机重量，从这个角度看，也是有利 于节油的。 近年来塑料油底壳也是业内比较热门的一个话题。塑料油底壳不仅可以减少模具 制造的费用，其生产成本应比铝合金油底壳低 30%40%。另外，塑料油底壳还可以集成了油 道、吸油管、机油收集过滤器、机油挡板等， 通过设计可以进一步优化空间利用，有利于发 动机的小型化和减轻发动机重量。据分析，与 铝合金压铸油底壳相比，塑料油底壳的重量会 减轻 60%。 但其结构强度、 材料可靠性等大多数 厂家仍然在验证阶段。 另外，一些集成模块也可以采用塑料材质，比如冷却液控制模块装置、塑料气门 室罩盖等。 4）不锈钢紧耦合排气歧管 减少残留尾气看似简单，即便通过可变正时 排气来增加排气时间，但依旧存在较大的瓶颈，其中最大的障碍便是排气歧管。近年 来发动机大多采用短排气歧管的结 构。然而，如果到排气歧管集合点 的距离太短，本来为谐振进气而设 计的谐波结构在排气时，不同气缸 之间的排气谐波就会相互影响，一 度排放出去的尾气又被吹回燃烧室 内，高温残留气体因此便会不断增 加。 为了避免上述的现象，以四缸 机为例，马自达采用了增加排气歧 管长度的 4-2-1 排气系统即首 先将四条独立排气歧管交汇成两条 排气歧管、然后再汇集成一条排气 总管的方式，使各个气缸排气距离 保持在相同状态，减小或消除谐振 排气带来的尾气残留，实现更充分排气。 5）可变气门技术 包括可变气门正时（vvt）和可变气门升程（vvl）技术。它能提高发动机进气充 量和优化混合气形成、保证燃烧稳定，能同时提高发动机动力性、改善燃油经济性和 降低污染物排放。可变气门技术近几年已被国内轿车发动机普遍采用。截止到 2006 图 1-4 排气歧管结构对性能的影响 图 1-3 塑料油底壳外观图片 4 年，新车型采用可变气门正时技术的比例不足 10%。采用可变气门正时技术的车辆一 般能达到比第二阶段油耗限值低 10%左右的油耗水平。可以预见，可变气门正时技术 可能将是汽油车应对第三阶段油耗限值的一项普遍适用技术。 6）可控燃烧速率 可控燃烧速率控制 cbr 系统（controlled burn rate）是 avl 公司提出的一种等 控制下的稀燃技术。cbr 进气系统被安装在缸盖和进气歧管之间，由双束喷油器、 cbr 滑板和废气再循环等控制装置构成，进气经过两个不同的气道后分别生成切向涡 流和无涡流的中性气流进入气缸。avl 公司在均带有 egr 系统的 2.0l 升 4 气门 mpfi 发动机和 2.0 升 4 气门 cbr 发动机上进行了部分负荷条件下（2000rpm/2bar）考察 发动机油耗以及排放影响的试验结果表明，采用 cbr 技术的发动机燃油耗降低约 6%。 目前国内部分汽车公司在 avl 的咨询下分别开发出采用 cbr 技术的 2.4 cbr 发动机 和 acteco 发动机，但其大批量生产的可行性需进一步考察。 7）汽油机涡轮增压技术 汽油机增压可大幅提高进入气缸的空气充量密度，提高缸内的平均有效压力，从 而达到提高功率和改善燃油经济性的目的。 国内采用涡轮增压技术的汽油机越来越多， 如华晨 1.8t 汽油机汽油机、名爵 1.8t、大众速腾 1.8t、江淮汽车在 4ga1-1 型发动 机基础上开发的 2.0t 汽油机等均是在 mpi 发动机基础上采用增压技术。 8）双火花塞点火(i-dsi) 双火花塞点火(i-dsi)系统可使点火的效率更高， 着火概率提高一倍； 缩短了火焰 传播距离的同时加快了火焰的传播速度，缩短了燃烧时间，提高了热效率，进而可提 高燃油经济性。国内本田飞度的 1.3l 和思迪 1.3l 汽油机均采用双火花塞点火技术。 我国汽车乘用车第三阶段油耗标准制订后，汽油机涡轮增压技术、汽油机直喷技术 （gdi）和稀薄燃烧技术以及双火花塞点火(i-dsi)这些已经被大量采用的更加先进的 技术将得到推广。 9）停缸技术 停缸技术是指用低速下停止大排量发动机部分气缸工作的方法达到节省油耗的目 的，而在高速下迅速激活所有气缸工作，恢复大发动机的澎湃动力。试验结果表明， 采用停缸技术措施后，可减小发动机的机械损失约 44%，而热效率提高 17%左右。克莱 斯勒与戴姆勒合作开发的 5.7l hemi 发动机即采用该项技术，在必要时通过停缸机构 关闭相应的进 、排气门，同时对应的喷油系统也被关闭。 10）发动机冲程切换技术（2/4sight） 发动机冲程切换技术（2/4sight）是里卡多公司最新研发的技术，它将两冲程和 四冲程发动机的优势结合在一起， 在保持动力输出不变得情况下， 将排量降低了一半。 相比传统发动机技术可以节省 27%的燃油2。 5 13 本课题主要的工作 13 本课题主要的工作 近年来，各国对环境污染和能源过度消耗的日益关注，各大汽车公司都在着重提 升发动机性能，对于汽油发动机采用节能新技术（vvt、塑料进气歧管、紧耦合排气歧 管、降摩擦等） ，缸内直喷技术、增压技术及可变气门技术，改善汽车发动机尾气排放 污染、提高发动机的动力性、降低燃油消耗。 从 08 年起国家全面提高汽车排放标准，09 年调整汽车消费税政策，降低小排量 乘用车的消费税率、2010 年 6 月 1 日倡导的“节能产品惠民工程”的政策、第三阶段 的油耗实施方案可以看出我国在节能环保方面实施的力度和决心，各汽车企业为了不 至于使自己在竞争的市场上被淘汰，提升发动机的性能、降低发动机燃油消耗已迫在 眉睫。本课题从气道优化（fire 计算） 、塑料进气歧管、紧耦合排气歧管、降摩擦以 及 avl boost 发动机性能计算等方面入手，对发动机本体结构与外围附件进行设计优 化与计算，主要进行了如下工作： 1、 了解行业汽油发动机发展现状及其趋势， 了解节能新技术应用现状以及优化思 路，采用 boost 与 fire 工程开发软件。 2、采用内燃机学与流体力学理论知识。利用 avl boost 软件对发动机建立 1d 热 力学分析模型、利用 avl fire 软件对发动机进气歧管、气道建立 cfd 分析模型进行流 体分析、对缸内燃烧参数、发动机机械损失、泵气损失等数据进行处理。 3、研究了活塞环弹力优化对发动机性能的影响。 3、 了解发动机热力学开发试验规范。 应用相关电喷标定软件对发动机试验参数进 行控制，考察发动机全负荷特性、部分负荷油耗状态以及机械负荷特性等，并对试验 数据进行分析对比。 6 第二章 372w 发动机热力学模型搭建与校正 第二章 372w 发动机热力学模型搭建与校正 21 cae 应用软件 avl boost 与 fire 的软件介绍 211 热力学分析 avl boost 软件介绍 21 cae 应用软件 avl boost 与 fire 的软件介绍 211 热力学分析 avl boost 软件介绍 avl boost 软件是一个为建立整台发动机的试验模型而开发的一套模拟程序软件。 在发动机概念设计和产品实施设计过程中，使用该软件不仅可以计算出样机处于初步 设计阶段发动机的稳态性能，而且还可以分析模型样机的热力学试验过程。 具体功能如下： 1）各种发动机方案的对比，选出比较优的设计方案； 2） 针对发动机输出功率， 扭矩和燃油消耗的要求进行发动机零部件及系统的设计 优化，例如进排气系统，燃烧系统，进排气歧管，压缩比等； 3）优化凸轮相位、包角； 4）增压系统的设计； 5）消音器的设计； 6）声学； 7） 可考虑整车和驾驶员状况对发动机瞬态性能进行评价 （加速/加载， 减速/卸载） 8）燃烧分析工具(rohr 计算)。 以上可以看出 boost 软件可以模拟计算不同方案发动机的稳态和动态性能，给发 动机开发设计人员快速提供正确的方向，对设计过程进行控制、指导，经过综合评价， 优选设计方案，同时缩短开发周期、降低重复试验成本、提高工作效率。该软件不仅 可以对发动机进行一维模型工作过程模拟（包括实际循环模拟、换气过程模拟）计算， 建立完整的发动机模型（包括各种附件，例如空气滤清器、egr 系统等） ，还可以进行 发动机稳态及瞬态性能方面计算，从而对影响发动机性能的主要零部件设计提供改进 和优化的方向。 综上，avl boost 应用范围极广，是发动机设计与改进中的重要工具。目前在行 业内，cae 的计算分析工作已越来越普及，几乎已成为开发人员的必备工具和必要手 段。 212 发动机三维流动分析 avl fire 软件介绍 212 发动机三维流动分析 avl fire 软件介绍 发动机三维流动分析软件可以求解最复杂的进排气道流动、内燃机缸内流动和详 细的喷雾燃烧现象等。从而指导优化进排气道形状、燃烧室结构、喷射参数和排放物 生成的降低等。该软件是集前处理， 求解器和后处理于一体的软件包，在同一界面能 实现三维流动分析的全过程, 有非常友好的用户界面. 具体功能如下： 7 1）发动机进排气系统 cfd 分析： 由于采用先进的网格生成技术，静态进气系统的建模过程可在一小时内完成。排 气管内除一般的流动传热分析外，fire 还有专门的尾气处理模块对三元催化转化器内 的流动，传热及排放物的转化进行模拟计算。 2）对冷却水套的优化分析包括： a）如何分区生成网格以便于调整气缸垫孔径大小，快速实现流量分布的优化； b）近壁网格层数的选取； c）fire 中有预设的针对水套的计算参数模板文件； d）在准确预测热传导方面，除有对流换热模型，还考虑某些局部的沸腾换热，同 时与通用有限元软件可直接耦合以计算出准确的传热和温度场； e） 先进的多相流模块使准确计算冷却水灌注的瞬态过程成为可能， 这类模拟分析 有助于预测水套中残存气泡的部位，以修改结构排除局部过热的隐患。 3)参数化的燃烧室优化工具： 带有多个参数化的燃烧室结构供我们选择， 自动进行移动网格的生成,缸内瞬态 流动喷雾燃烧的计算并自动生成对结果的分析报告，可直接在界面内改变燃烧室结构 参数重新计算，以实现对燃烧室形状的优化。 22 sqr372w 发动机计算模型建立 22 sqr372w 发动机计算模型建立 avl boost 软件是模块化建模，大部分发动机元件（如汽缸、空气滤清器、三元 催化剂、管接头、容积腔等）都有现成的模块，根据真实整车进排气系统与发动机的 参数搭建热力学仿真模型（如图 2-2-1） ，建模时主要选取的参数：整车进气和排气系 统、发动机本体结构（表 1）与几何参数、台架试验测得发动机数据、紊流试验台所 测得的气道流量系数数据等等，搭建模型中摩擦功数据来源于台架试验数据，但实测 的数据包含一定的泵气损失，与实际结果有一定的误差，在 boost 模型中，可以设置 倒拖模式（motored） ，计算给定转速下的泵气损失。将实测得到的倒拖功减去模拟计 算的泵气损失，即为摩擦损失（机械损失）fmep（图 2-2-2、单位：bar）3。图 2-2-1 是最初建立的模型，这个模型需要经过与实际的试验结果比较和调试，才能成为可用 的模拟模型。 另外在校正模型的过程中，采用的是 vibe 放热模型，气缸内的燃烧模型采用较 为简单的单区韦伯函数,换热系数选用沃西尼 1978 年提出的经验公式4，缸内压力曲 线来自 avl 燃烧分析仪在台架试验时实测的数据 （图 2-2-3） ， 利用 boost 软件里 burn utility 工具，输入某转速下的缸内示功图而计算该工况下放热速率曲线，以获得不 同转速下的 vibe 参数（表 2）5。 8 表 1 发动机基本结构参数 发动机型式/engine style 直列/in line 缸径/cylinder boremm 72 行程/cylinder strokemm 80 排量/displacementml 997 连杆长度/con_rod_lengthmm 130 汽缸数/number of cylinder 3 点火顺序/fire order 1-2-3 压缩比/compressor ratio 10.2 进气门当量直径/inner valve seat diameter -intakemm2x25mm 排气门当量直径/inner valve seat diameter- exhaustmm2x20mm 燃油/fuel 汽油/gasoline(ron 93) 低热值/lower heating valve 41800kj/kg 图 2-2-1 1-d 热力学仿真模型 372w model 9 转速 speed 燃烧起始角度 start of combustion m 燃烧持续期 combustion duration 2000 -6.77 2.35 31.8 2500 -7.09 2.27 33.2 3000 -7.93 2.22 36.6 3500 -8.25 2.08 35.6 3800 -7.97 2.07 37.9 4000 -8.05 2.15 39.3 4500 -9.76 1.95 41.9 4800 -9.63 2.06 41.6 5000 -8.24 2.19 42.9 5500 -12.2 2.03 43.8 6000 -12.2 2.22 45.2 表 2 缸内燃烧韦伯（vibe）参数 图 2-2-2 发动机机械损失 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 平均摩擦压力bar 200025003000350040004500500055006000 发动机转速rpm 平均摩擦压力 图 2-2-3 实测各转速点缸内压力曲线 0 10 20 30 40 50 60 70 缸内压力(bar) 090180270360450540630720 曲轴转角(deg) 2000rpm 2500rpm 3000rpm 3500rpm 3800rpm 4000rpm 4500rpm 4800rpm 5000rpm 5500rpm 6000rpm 10 23 模拟结果分析 23 模拟结果分析 根据试验结果校正发动机热力学模型得到功率、扭矩、排气背压、进气量与燃油 消耗率随转速变化的曲线与试验数据对比： 如图 2-3-1，模拟模型计算出功率、扭矩与排气背压较好反映了实际发动机的变 化规律：在整个转速区域，趋势基本一致，因此该模拟模型可以精确的模拟原发动机 的性能。 图 2-3-1 仿真模型校正结果（1） 74 76 78 80 82 84 86 88 90 校正扭矩(n.m) 15 20 25 30 35 40 45 50 校正功率(kw) simulation test 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 排气背压(bar) 200025003000350040004500500055006000 发动机转速(rpm) 11 如图 2-3-2，模拟的进气量与燃油消耗率与原发动机试验数据趋势完全一致。其 中，模拟的进气量与试验数据的进气量相比（图 2-3-3） ，偏差控制 3%以内；这说明模 拟中管路结构参数输入数据与试验时的状态基本一致，因此搭建的热力学模型可以被 用来作为进一步优化设计的工具6。 图 2-3-2 仿真模型校正结果（2） -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 200025003000350040004500500055006000 d( ) (-) 图 2-3-3 进气量偏差分析 进气量偏差 发动机转速rpm 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 进气质量流量(g/cycle) simulation test 260 265 270 275 280 285 290 295 300 305 310 315 燃油消耗率(g/(kw.h) 200025003000350040004500500055006000 发动机转速(rpm) 12 24 本章小结 24 本章小结 本章首先对 avl_boost 软件的使用功能做了简要的介绍，该软件可以对各种发动 机方案进行对比，选出比较优的设计方案、针对发动机输出功率，扭矩和燃油消耗的 要求进行发动机零部件及系统的设计优化，例如进排气系统，燃烧系统，进排气歧管， 压缩比等、该软件可以对配气机构进行优化，比如：优化凸轮相位、包角等。 本章是针对一款小排量 1.0l 发动机进行性能提升而搭建的热力学模型， 论述了模 型搭建的思路、所需要的参数、以及相关参数的来源、摩擦功的处理思路、缸压曲线 的模拟分析等等。最后，对发动机的模拟结果与试验做了对比分析，模拟值与试验值 的误差控制在 3%误差之内，因此该计算模型是精准的，可以精确的反映出实际发动机 的状态，下一步可以使用这个热力学模型进行发动机性能优化分析。 13 第三章 sqr372w 发动机主要优化方案及计算分析 第三章 sqr372w 发动机主要优化方案及计算分析 31 进气系统进气软管优化计算分析 31 进气系统进气软管优化计算分析 311 进气软管内径的优化 发动机进气软管是连接空滤与发动机节流阀体的部件， 其功能是传递空气的作用； 其结构对发动机性能有一定的影响。下面从发动机功率、扭矩与充气效率等方面考虑 进气软管结构对性能的影响。 从模拟计算分析（图 3-1-1） ，减小进气软管内径，有利于提高高速段功率，但中 速功率有明显下降的趋势；增大软管内径，虽然在中速能达到最大扭矩点，但在低速、 高速扭矩和充气效率都有下降的趋势； 因此折衷考虑， 采用软管内径 60mm 的较为合理。 74 76 78 80 82 84 86 88 90 校正扭矩(n.m) 50mm2 55mm2 base-60mm2 70mm2 15 20 25 30 35 40 45 50 校正功率(kw) 50mm2 55mm2 base-60mm2 70mm2 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 充气效率(-) 200025003000350040004500500055006000 发动机转速(rpm) 50mm2 55mm2 base-60mm2 70mm2 图 3-1-2 进气软管长度模拟计算结果 14 312 进气软管长度的优化 利用 avl boost 软件优化计算进气软管对发动机功率、扭矩与充气效率的影响， 如图 3-1-2 所示： 74 78 82 86 90 校正扭矩(n.m) ph=+100mm ph=+50mm ph=-30mm basemm 15 20 25 30 35 40 45 50 校正功率(kw) ph=+100mm ph=+50mm ph=-30mm basemm 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 充气效率(-) 200025003000350040004500500055006000 发动机转速(rpm) ph=+100mm ph=+50mm ph=-30mm basemm 对模拟计算结果分析（图 3-1-2） ，该款发动机的进气软管长度对性能的影响不明 显；另外进气歧管实际长度应根据整车的布置情况来决定。 图 3-1-2 进气软管长度模拟计算结果 15 32 发动机节流阀体喉口口径优化计算分析 32 发动机节流阀体喉口口径优化计算分析 节流阀体是发动机上非常重要的部件，其结构决定了进气流量与流速，以及其进 气谐振效果，其节流阀体单片门体的开度决定了发动机负荷的大小。下面从发动机功 率、扭矩与燃油消耗率等方面对节流阀体喉口口径的大小与发动机性能的影响进行优 化计算分析。 74 76 78 80 82 84 86 88 90 校正扭矩(n.m) 38mm base-44mm 46mm 15 20 25 30 35 40 45 50 校正功率(kw) 265 270 275 280 285 290 295 300 305 310 燃油消耗率(g/(kw.h) 200025003000350040004500500055006000 发动机转速(rpm) 对模拟计算结果分析得出，增大节流阀体口径有利于提高中速段的扭矩值，但阀 体口径增大到一定程度，性能效果不明显，采用46mm 口径的阀体，性能反而稍有下 降的趋势；采用口径38mm 的阀体，不能最大限度发挥发动机性能。综合以上分析， 采用口径为44mm 的阀体较优。 图 3-2-1 节流阀体喉口口径模拟计算结果 16 33 发动机进、排气歧管优化计算分析 33 发动机进、排气歧管优化计算分析 331 进气歧管长度的优化 针对自然吸气的发动机，其扭矩特性受进气系统进气谐振影响较为明显；进气总 管相当于一个共振腔，其长度和直径决定这一共振腔的容积。针对某一转速，进气产 生共振则v 即产生峰值；随着管长增加，v 峰值增大，且向低速方向移动；当管 长足够时，将产生双峰值v-n 趋向；总管内的动力效应主要是脉动效应。进气歧管 长度是影响动力效应的一个主要参数，选用合适的歧管长度增加充量的实质，就是利 用其惯性效应来提高v7。下面采用 boost 一维模拟主要分析进气岐管支管长度、直 径及谐振腔容积对发动机性能的影响8： 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 校正扭矩(n.m) 15 20 25 30 35 40 45 50 校正功率(kw) 464mm 414mm 314mm