（轮机工程专业论文）465q发动机增压技术的研究.pdf

摘要 目前，废气涡轮增压技术已经成为提高发动机输出功率、扭 矩以及降低油耗的主要方法之一。和柴油机相比，汽油机涡轮增 压技术发展较晚，仍然存在着不少问题和障碍有待解决。 在本文中，将4 6 5 q 汽油机由自然吸气式改装成涡轮增压式， 搭建了试验台架，分析了试验中出现的问题。借助于计算机模拟 仿真的方法进行解决。 建立了4 6 5 q 增压发动机的仿真模型，并进行了模拟计算，与 试验数据进行了对比，计算结果与试验数据吻合较好。针对试验 中出现的排温过高问题，利用所建的模型对发动机各个工况的点 火提前角进行了优化计算，降低了排温；针对爆发压力过高的问 题，对发动机进行了压缩比的优化计算，降低了缸内的爆压；对 发动机的配气机构优化设计，利用软件编程计算配气凸轮升程、 速度以及加速度曲线，将所设计的配气凸轮应用到仿真模型中计 算，降低了油耗；建立了4 6 5 q 增压发动机冷却系统的计算模型， 改进了冷却水泵，降低了发动机主要受热零部件的温度；针对发 动机废气利用率不高的问题，对排气管的结构进行了重新设计， 建立模型并进行了计算，有效地改善了废气能量的利用率。 关键词：增压发动机；优化；工作过程；冷却系统；排气管 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ee x h a u s t - g a st u r h o c h a r g i n gt e c h n o l o g yh a sb e e n o n eo ft h em a i nm e t h o d sw h i c hc a n i m p r o v ep o w e r ，t o r q u ea n d r e d u c eo i l c o n s u m p t i o n t h ed e v e l o p m e n t o f e x h a u s t - g a s t u r b o c h a r g i n gt e c h n o l o g yo ng a s o l i n ee n g i n ew a sl a t e rt h a nt h a to f d i e s e le n g i n e ，s ot h e r ei ss t i l lm u c hp r o b l e mt ob er e s o l v e d i nt h i sp a p e r ，t h en a t u r a l l ya s p i r a t e d4 6 5 qg a s o l i n ee n g i n ew a s r e d e s i g n e dt ob eat u r b o c h a r g e dg a s o l i n ee n g i n e t h ep r o b l e mi n e x p e r i m e n t a t i o nw a sa n a l y z e da n dr e s o l v e db yc o m p u t e ra n a l o g s i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e4 6 5 qw a sb u i l ta n dt h es i m u l a t i o u c a l c u l a t i o nw a sd o n e t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw e r ei na g r e e m e n tw i t h t h ee x p e r i m e n t a lo n e s t h et e m p e r a t u r ei ne x p e r i m e n t a t i o nw a st o o h i g h ，s oo p t i m a l i t yc a l c u l a t i o no ft h ec o m b u s t i o na d v a n c e da n g l e si n e v e r yo p e r a t i n gc o n d i t i o nw a sd o n e ，a n dt h ee x h a u s tt e m p e r a t u r ew a s r e d u c e d b yt h eo p t i m a l i t yc a l c u l a t i o no ft h ec o m p r e s s i o nr a t i o 。t h e m a x i m u mp r e s s u r ew a sr e d u c e d b a s e do nt h e s o f t w a r e ，t h ea u t h o r c a l c u l a t e dv a l v et r a i nc a mp r o f i l ea n da p p l i e di tt ot h em o d e lo f 4 6 5 qg a s o l i n e i tm a d et h eo i lc o n s u m p t i o nd o w n ，b u i l tu pt h em o d e l o ft h ec o o l i n gs y s t e m ，i m p r o v e dt h ew a t e rp u m p ，a n dt h e nr e d u c e d t h e t e m p e r a t u r eo ft h e h e a t e da c c e s s o r y i no r d e rt o i m p r o v et h e u t i l i z a t i o nr a t i oo ft h ee x h a u s t g a se n e r g y ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h e e x h a u s tp i p es y s t e mw a sr e d e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，b u i l tu pt h e m o d eso fe x h a u s ts y s t e ma n dd i dt h ec a l c u l a t i o no ni t t h er e s u l tw a s s a t i s f i e d k e yw o r d s ：t u r b o c h a r g e dg a s o l i n ee n g i n e ；o p t i m i z a t i o n ；w o r k i n g p r o c e s s ；c o o l i n gs y s t e m ；e x h a u s tp i p e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：垒墨望 日期：川年j 月，8 日 第1 章绪论 1 1 前言 影响发动机功率大小的因素有很多，具体可由下式表示- ，： 111 卫* f f 域二屯仇二仉“儿 ( 1 一1 ) 1 0r a 式中：只一一有效功率； l 一一气缸数； 矿一一气缸工作容积； 风一一燃料低热值； 一一燃烧l k g 燃料所需的理论空气量； 7 - 一一冲程数，四冲程r = 4 ，二冲程r = 2 i 以一一冲量系数； 仇一一指示热效率； a 一一过量空气系数； 一一机械效率； h 一一发动机转速 以一一发动机进气管的空气密度。 由式( 1 一1 ) 可知，在发动机排量不变的前提下，通常可以采 取以下三个方面的措施来提高发动机的功率： ( 1 ) 增加单位时问内的工作循环数。提高发动机转速或采用 二冲程工作过程都可以增加单位时间内的工作循环数。但过高的 转速不仅给改善工作过程带来困难，增加摩擦损失，而且运动件 由此产生较大的惯性力，使发动机的工作可靠性、使用寿命受到 影响。采用二冲程则因降低换气质量而影响熟效率的提高。 ( 2 ) 提高机械效率。通过减少摩擦副的摩擦损失，降低水泵、 油泵等附属机械的消耗功率，改善润滑、冷却等措施可以提高发 动机的机械效率，但其效果有限。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 ( 3 ) 提高平均有效压力。可以采取提高冲量系数，改善燃烧 过程，优化空燃比等方法来提高平均有效压力。由于公式( 1 1 ) 11 中只、仇、二、屯等项的变化范围比较窄，故对平均有效压 j o 口 力最主要的影响因素是空气密度几，二者呈线性关系。 增加单位时间内的工作循环数和提高机械效率这两种方法对 提高发动机有效功率有着重要作用，但是提高程度非常有限，目 前采用增压技术来提高冲量密度从而提高平均有效压力，已经成 为提高发动机单机功率的最有效的强化措施。发动机采用废气涡 轮增压和中冷技术可提高进气压力和降低进气温度，并使发动机 的平均有效压力成倍地增加。同时，还可以改善热效率，提高经 济性，减少捧气中的有害成分，降低噪声等。整机结构尺寸和重 量增加不多，其比重量和相对尺寸等指标也随之获得改善。 汽油机增压有着其自身的特点。相对于柴油机而言，汽油机 在小j | 量，尤其是轿车发动机领域。有其独特的应用优势及地位， 所以汽油机的增压研究对于节约能源及提高汽车性能都具有重要 意义。 汽油机增压可带来以下几方面的收益： ( 1 ) 使发动机尺寸更加紧凑，比功率增加，比重量降低，从 而减小其尺寸及重量，尤其是对小排量车用发动机功率的提高具 有决定性的意义。 ( 2 ) 可提高发动机的动力性能及燃油经济性，提高总体效率， 节约能源消耗。 ( 3 ) 可一定程度上降低排气噪声，减少废气中有害成份的含 量。 ( 4 ) 与电子控制技术相结合，可全面提高发动机性能并改善 汽车驾驶性。 汽油机增压存在的主要问题： ( 1 ) 由于汽油机工况变化频繁，转速和功率范围宽广，而涡 轮增压器的工作特性不同于容积式机械，故二者在发动机整个运 行范围内的良好匹配困难。 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 ( 2 ) 涡轮增压的汽油机油门响应慢，加速性能变差。 ( 3 ) 汽油机采用涡轮增压后扭矩特性普遍变差，即低速扭矩 下降，且最大扭矩点向高速方向移动。 ( 4 ) 增压器与化油器匹配困难，采用燃油喷射技术则不存在 此问题。 ( 5 ) 增压导致发动机更易产生爆燃。 ( 6 ) 增压导致发动机热负荷严重增加。 以上有些属于增压器的问题，而有些则属于整个系统匹配的 问题。 1 2 汽油机增压国内外发展状况 早在2 0 年代赛车就开始采用机械增压，后来逐渐过渡到涡轮 增压，从1 9 6 8 年以来几乎所有的赛车都安装了涡轮增压器。7 0 年代以来，世界上许多大公司和研究机构开展了车用汽油机增压 的研究工作，使汽油机增压技术不仅仅局限于赛车和高原功率的 恢复等特殊领域。特别是随着排放法规日益严格，为满足排放的 要求，不得不在性能上做出妥协，使得发动机的功率下降。如采 用废气再循环( e g r ) 技术、三元催化装置后，满足了排放法规的 要求，但发动机的功率会下降2 0 左右，而采用涡轮增压可以弥补 这一损失“一。采用e g r 和三元催化并增压的发动机和相同功率的非 增压发动机相比，增压汽油机的排放得到了改善n 一。自8 0 年代中 期以来，国外汽油机增压技术发展迅猛，随着中冷器技术、多气 门技术、复合增压技术、稀薄燃烧技术、可变气门征时技术的发 展、电子控制技术和增压技术在发动机上共同的应用，使汽油机 正日益获得新生。如日本三菱公司采用缸内直喷稀薄燃烧技术、 汽油机的增压技术和复合动力系统将汽油发动机改进为低压缩高 膨胀循环，使汽油机的热效率大大提高。尾气排放也大大降低， 达到部分零排放的要求。 增压技术首先在柴油机领域得到发展，目前工业发达国家大， 哈尔滨t 捍大学硕七学位论文 中功率柴油机已全部采用增压技术，中小型车用柴油机增压也达 7 0 。汽油机增压的发展相对较晚，技术水平也落后于柴油机， 七十年代末国外汽油机开始逐渐采用增压技术，并得到了迅速的 发展和完善，1 9 9 0 年美国生产的汽油机已有1 4 采用了增压技术， 1 9 9 2 年国际市场上出售的汽油机有1 5 采用增压技术。目前国外 的汽油机增压正处于完善和推广应用阶段，内燃机增压的先进技 术主要集中于美国，德国和日本。 目前我国大中型柴油机多数都已采用增压技术，小功率柴油 机及运输式车用汽油机也开始尝试涡轮增压，而轿车汽油机涡轮 增压技术还比较落后国产高档轿车中采用这一技术的几乎清一 色地是合资品牌，如奥迪、帕萨特、宝来的1 8 t 发动机等。近年 来，这一技术国产品牌的轿车也有所突破，华晨汽车联手世界三 大权威内燃机研发机构之一一一德国f e v 发动机公司历时三年， 已经成功研制了华晨1 8 t 系列发动机，并于2 0 0 6 年6 月2 6 日在 沈阳正式批量生产，它的最大功率为1 2 5 k w 5 5 0 0 ( r m i n ) ，在转 速2 0 0 0 5 0 0 0 r m i n 的范围内保持发动机的最大扭矩2 3 5 n m ，发 动机最低油耗率小于2 4 5 9 k w h ，功率接近7 0 k w ，各项动力、经济 性指标良好。 1 3 内燃机模拟计算的作用和发展 1 3 1 模拟计算在内燃机发展中的作用 内燃机模拟计算对内燃机的研究和发展有三大贡献：一是更 全面深入地理解构成模裂的物理过程；二是找出关键的控制变量 以拟定更节省、更合理的实验方案；三是可以很方便的进行内燃 机优化设计。 在电子计算机用于内燃机的研究之前，为了能够从定性上对 内燃机的性能做出估计，并进行有限的定量计算，不得不对内燃 机的实际工作过程作出大量的简化与假设。而在内燃机设计中， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 则需要根据经验和类比，在大量选取参数的基础上，对工作循环 中的几个特征点进行热力计算，以便做出数量上的估计。这种简 单的热力计算虽然能够得到比较直观和可做定性分析的数据，但 是却十分粗略，不能够全面地反映内燃机燃烧过程、缸内工质的 流动及传热过程、进排气系统中的热力学和气体动力学过程以及 内燃机与涡轮增压器的匹配性能等，更不能对变工况性能进行计 算与分析。 随着内燃机性能的不断提高，产品更新的周期不断缩短，采 用常规热力计算进行这种经验设计，已经远远满足不了现代高性 能内燃机研制工作的需要。随着快速、大容量电子计算机和数据 处理系统在内燃机研究中的应用，加上实验技术和测量仪器以及 测试设备的改进，使得内燃机在实验和理论研究上有了较大的发 展，同时也使得内燃机工作过程的计算机模拟不仅成为可能，而 且取得了不少令人耳目一新的进展w 。具体表现在：描述内燃机内 部过程和与涡轮增压器匹配的一系列不受简化条件限制的微分方 程组，现在已有可能进行数值求解，从而得出定量描述的结果； 而那些由内燃机运行状态所决定的内部过程：如燃烧过程、气体 流动过程、热交换过程以及进排气系统与涡轮增压器匹配的气动 过程等，也都有可能在计算中予以考虑；能够建立比较符合实际 的物理模型，通过数学模拟予以表达，以求得各热力参数随时间 变化的规律，用以分析内燃机的性能及其影响因素；能够系统地 模拟结构参数、燃烧规律、配气相位、进排气系统中的流动阻力、 中冷器特性以及涡轮增压器特性等与内燃机性能间的相互关系， 并进行参数优化，寻求最佳的组合方案，为内燃机的设计、试验 和性能改进提供了理论依据。这样，就使得现代内燃机的理论研 究建立在了一个全新的基础上“- 。 内燃机工作过程的模拟，不仅可以计算设计工况点，而且也 可以计算变工况点，并可估计环境参数变化对内燃机性能的影响； 不仅可以计算内燃机的稳态过程，而且也可以计算瞬态过程，以 研究各结构参数及性能参数与内燃机瞬态特性的关系，探求改善 内燃机瞬态特性的技术措施；不仅可以在内燃机设计阶段通过计 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 算模拟进行多方案的比较，且可以在内燃机调试阶段与测试技术 相结合，指明调整的参数及其取值的大小i 同时，在工作过程模 拟的基础上，还可以进行工作过程的模拟优化，使内燃机工作过 程模拟研究向优化设计推进一步。如此种种，是内燃机常规热力 计算所无法比拟的“， 1 3 ，2 内燃机模拟计算的现状及发展 内燃机缸内燃烧过程的研究是数值模拟的关键，燃烧过程数 值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4 个阶段。燃烧模型的不同主要表现在 对燃烧室内温度场、压力场、组分浓度场和流场的不同处理方法 上。 零维燃烧模型假设燃烧室内压力、温度、组分浓度瞬时均匀， 并且认为系统边界所有各点参量完全相同，以时b j 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。对质量燃烧率 的处理采用半经验的方法，即给定质量燃烧率的函数关系，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 中温度、压力等值。典型的质量燃烧率函数有余弦函数和韦柏函 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模型的基础上发展而成的，它通过对 空间进行分区处理，并假定在各自分区内为均匀场，各区之间参 数互不相同。该模型不需要预先给定燃烧放热率，而是从更加基 本的物理量( 如火焰传播速度等) 出发，导出质量燃烧率，间接反 映结构参数、运转参数以及紊流对燃烧的影响，而对于其它过程， 仍按零维处理。准维燃烧模型能提供有关燃烧过程的细节信息， 如着火延迟期、燃烧持续期和废气再循环等的预测，由于进行了 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 分区处理。还能在一定程度上预测排放，虽然是近似的，但计算 比较容易，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零维模型更深入的结果。 多维燃烧模型是对描述燃烧过程的质量、动量，能量和化学 组分等各控制性偏微分方程与描述湍流过程、化学过程、边界层 过程等相应的子模型一起，针对适当的边界条件用数值方法求解， 它不仅能够反映燃烧过程随时问的变化，而且能提供气流速度、 湍流特性、温度和组分浓度在燃烧室空间分布的详细信息。多维 燃烧模型较零维和准维模型复杂得多。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”。 从内燃机工作过程循环模拟计算的发展来看，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u m i s t 大学、b a t h 大学，德国的r u h r 大学、美国 的g d i 公司和奥地利的a v l 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g d i 公司开发的g t s u i t e 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( 例如：冷却系统、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”。 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。铁科院、北大、中科院计算所等单位开始进行这方面 的研究工作，到八十年代，武汉水运大学、天津大学、北京理工 大学、西安交大、上海交大、大连理工大学、华中理工大学和哈 尔滨船舶工程学院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比较迅速。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 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 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。总之，内燃机循环模拟的实用化还比较差。 1 4 本文的主要内容 本文是以4 6 5 q 发动机为研究对象，将自然吸气式发动机改造 成了废气涡轮增压式发动机。目前所作的改动和工作主要有：增 加了空冷器和机油冷却器；活塞顶部加了特殊防热涂层；曲轴箱 加了一个通风阀，进行了部分工况的试验等。搭建的发动机试验 台架如图1 1 所示。 l 墨| 1 1 增压发动机试验台架 本文的内容主要有： ( 1 ) 建立了4 6 5 q 发动机增压后的仿真模型，进行了计算和 分析，并与非增压发动机进行了对比。 ( 2 ) 针对计算和试验中发现的排温高等问题，对点火提前角 进行了优化。 ( 3 ) 针对增压后爆压增加超过限制的问题，计算了各工况的 最佳压缩比，并确定了增压发动机的最佳压缩比。 ( 4 ) 根据增压发动机进气量加大等特点，对配气凸轮进行了 改进设计。 ( 5 ) 建立了4 6 5 q 发动机冷却系统的仿真模型，进行了计算 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 和分析，对冷却水泵进行了改进设计。 ( 6 ) 针对涡轮前废气能量利用率不高的问题，对排气管的结 构进行了改进设计。 9 第2 章发动机工作过程计算模型 2 1 缸内热力过程模型 气缸内的热力过程包括进气、压缩、燃烧、膨胀和摊气等。 其中燃烧过程最为复杂，其各种场函数( 压力、温度、产物浓度 等) 是随时间和空间变化的，这里采用零维模型，即假设场函数 和空间无关，并作如下简化假设； ( 1 ) 气缸内的状态是均匀的，也就是不考虑缸内各点的压力、 温度和浓度的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空气与缸 内的残余废气实现瞬时的完全混合； ( 2 ) 工质为理想气体，其比热、绝热指数仅为温度和气体成 分的函数； ( 3 ) 微小的时间问隔( 时间步长) 内气体流动为稳定流动， 气体流入和流出气缸为准稳定流动； ( 4 ) 进、出口的动能忽略不计。 2 1 ，1 缸内基本微分方程 汽油机零维燃烧模型的基本微分方程包括：能量守恒方程、 质量守恒方程和状态方程。考虑到汽油机工作过程的特点，这些 微分方程分别表达为： 能量守恒方程： 百d ( m u ) = 等+ 吃等+ 嚏等+ 等+ p 考( 2 - 1 ) d pd 妒 3 d 妒d 妒d 妒 1 d 妒 将式( 2 1 ) 整理后得： 普=嘉謦十等十p面dv+面dmmc以叫+ 誓( 嚏叫】( 2 - 2 )d 妒，d 妒d 妒1d _ pd 妒、 d 妒、。 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 质量守恒方程：罂：皇坠+ 盟( 2 - 3 ) d wd 9 d 理想气体状态方程：p v = m r t ( 2 - 4 ) 式中：m 一一气缸内工质质量； m 。一一流入气缸的质量； 巩一一流出气缸的质量： 蜴一一燃料在气缸内燃烧放出的热量； g 一一通过气缸诸壁面传入或传出的热： p 一一气缸内工质压力； y 一一气缸工作容积： r 一气缸内工质温度； 吃一进气门处工质的比焓； 趣一一排气门处工质的比焓； “一一工质的比内能； 氏一定容过程比热容； r 一一气体常数。 上述各式中，规定进入气缸的质量、热量和功为正值，反之 从气缸排出的为负值。 2 1 2 气缸工作容积 内燃机工作过程计算中，发动机的主要结构参数，如气缸直 径d 、活塞行程s 、连杆曲柄比a 、压缩余隙容积砭、压缩比等 均作为已知数据输入，根据这些数据即可算得气缸工作容积及容 积变化率。 根据活塞曲柄连杆机构运动学可求得活塞位移为： 聃扣s 酬廿网】c z - s ， 活塞瞬时速度为： 剁2 卫1 8 0 忙1 8 0 小 如l 【。j 瞬时气缸工作客积为： 矿= 丝4 阻 e - 1 诽+ 爿一引一i 1 式中：曲轴转角( p ( 。c a ) 。 气缸容积随曲轴转角的变化率： d v7 r 2 d 2 s 出8 1 8 0 s i 。f 三l p l + 查 【1 8 0 j 2 式中：一一压缩比； 一一曲柄连杆比； s 一一活塞行程； y 一一气缸工作容积。 2 1 3 燃烧放热率计算 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 汽油机的零维模型中，通常仍采用韦柏函数模拟燃烧放热率 燃料燃烧百分数x 为： 乜= i - e x p 一6 9 0 8 ( 竺煎) ”l 】 ( 2 - 9 ) 忱 式中：仇一一燃烧起始角； 妒，一一燃烧持续角； m 一一燃烧品质指数。 对于2 气门汽油机，如果没有实测值，m 、螺的选取可 参考表2 1 及有关文献一”。表2 1 中数据是油门全开时的经验 值。 1 2 表2 12 气门普通燃烧汽油机 工况燃烧持续期燃烧品质 1 5 0 0 r m i n6 0 度曲轴转角2 3 5 0 0 0 r m in6 5 度曲轴转角 1 9 2 1 4 气缸周壁的传热计算 汽油机气缸周壁，包括气缸盖燃烧室表面、活塞顶及气缸套 表面。它们是通过冷却水及润滑油( 油冷活塞) 进行冷却。缸内 的工质从进入气缸到排出缸外的这段期闻内不时地与气缸周壁进 行热量传递。根据工质与气缸周壁的瞬时平均换热系数8 。和壁面 的平均温度已，可以计算出换热量瓯，则单位曲轴转角的换热量 可以写成u ”： 等= 去喜州( r 也) ( 2 - 1 0 ， 式中：月一一汽油机转速，r m i n ； 0 。一一瞬时平均换热系数，k j ( n 1 2 s k ) ； 一一一换热面积m 。； r 一一缸内工质的瞬时温度，k ； 乙一一壁面的平均温度，k ； f = l 一一气缸盖； i = 2 一一气缸套； i = 3 一一活塞。 对于瞬时换热系数钆采用w o s c h n i 的修正公式： 铲s z 一r “卜崦爱卜p 矿( 2 - l i ) 式中：d 一一气缸直径，m 5 p 一一瞬时缸内压力，m p a l r 一一瞬时缸内温度，k ； 哈尔滨下程人学硕十学位论文 一一活塞平均速度，m s ： 以l 屹一一压缩始点时的气缸内工质的压力( m p a ) 温度 ( k ) 、气缸容积( 1 1 1 3 ) ； q 一一气体速度系数：c l = 6 1 8 + o 4 1 7 y 生“( 进、排气阶段) ； q = 2 2 8 + 0 3 0 sc u ( 压缩、膨胀阶段) 。其中三t 一一进气涡流比；q c _c m 一一稳流吹风试验时，风速计叶片的切向速度，m s ； “一一燃烧室形状系数，岛= 3 2 4 1 0 - 3 ； 0 、k 、五一一压缩始点时的缸内工质压力、气缸容积、温 度： 矿一一气缸工作容积，m ； j p 一一汽油机倒拖时的气缸压力，m p a 。 汽油机进气道、排气道中的换热系数可按z a p f 公式计算： 对于进气道； a ，- = 0 0 0 2 1 5 c 1 - 0 7 6 5 妒筹( 2 - 1 2 ) 对于排气道： a w = 0 0 0 1 7 9 ( 1 - 0 7 9 7 等川杀( 2 - 1 3 ) 式中；k 、钆一进、排气阀的升程； t 、t 一一进、排气阀阀盘直径： 丸、如一一进、排气道的平均直径； m 。、犯一一通过进、排气道的质量流量。 2 1 5 变工况时的燃烧放热率计算 应用韦伯函数式( 2 - g ) 模拟汽油机燃料燃烧百分数时，主要 取决于燃烧起始角、燃烧持续角忱和燃烧品质系数m ，当这三 个参数确定以后，韦伯函数也就确定了。在进行汽油机变工况计 算时，由于、忱和m 值将随发动机工况而变化，故此，先需对 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 某一基准工况( 例如标定工况) 通过试验得到准确的。、。和 值。然后从基准工况出发求出其它任意工况时的m 值，从而可 以进行变工况的性能预测。c s a l l n e r 根据试验研究结果，提出关 于韦柏函数的修正算法，用于汽油机变工况计算”。这种算法的 要点是从基准工况出发，引入三个影响因子对基准工况的燃烧参 数进行修正，从而得到其他任意工况的燃烧参数。这三个影响因 子是： 着火延迟影响因子： 厂= 粤 ( 21 4 ) z - k 峨。 燃烧持续影响因子： g = 且 ( 2 1 5 ) 燃烧品质指数影响因子： h ：旦 ( 2 1 6 ) c s a l lf i e f 根据试验结果整理出的各影响因子计算公式为： ( 】) 过量空气系数a 的影响 ，：2 2 a 2 - 3 7 4 a + 2 5 4 “2 2 a 0 2 3 7 4 a o + 2 2 5 2 a 2 3 4 0 e + 2 4 。2 a ；- - 3 4 c + 2 4 瓦= 1 ( 2 ) 点火时刻的影响 ，：4 3 0 - - 。4 3 0 一o g 一1 = 1 ( 3 ) 计算始点温度的影响 胁，当气体自a 、五状态流经截流面f 后，其 状态变成p 2 、五。 栅| 缶界流动时鲁高2r ，因此可有： 妒= 虬= b 尸属( 2 - 4 0 ) 栅临界流批斧喃尸，因此可有=al 五十ij 妒= 辱胁州 ( 2 4 1 ) 式中：以一一下游的静压，k p a o k 一一气体的绝热指数。 在计算进排气流量时，除了p 、t 等热力参数外，还需要确定 气门的几何流通截面积和流量系数。 气门几何流通截面积的计算是当气门的结构参数确定之后， 进排气门的流通截面积随着凸轮升程的变化而变化，故计算时需 要把预先算好的发动机凸轮升程曲线输入。用差值法计算各曲轴 2 d 转角下的凸轮升程。 单气阀的瞬时几何流通截面积； f = _ ，r 以凡c o s 舟 式中：矗一一平均直径。 矗= 以+ 氐s i n 口- c o s f l 气门瞬时几何流通截面积f 的计算公式为： f = z 7 r 一s 卢他+ 吃s i n 9 c o s p ) ( 2 - 4 4 ) 式中：z 一一每缸的进气阀( 或排气阀) 数； 睫一一进、排气阀的瞬时升程，可按配气凸轮升程曲线计 算，计算时一般用样条函数插值； 口一一气阀座锥角； 正一一气阀座喉口直径。 许多类型的发动机，流量系数肛值主要取决于气阀升程并将 “表达为气阀升程的函数： 肛= ，( ( 妒) ) ( 2 - 4 5 ) 由于结构不同的发动机的流量系数差别很大，通常“值由试验 确定。用实物或模型的静吹风试验测得瞬时p 值，以此实测的p 值 作为已知数据输入进行计算。本文由于没有试验数据，值参照类 似机型或母型机适当选取。一般采用经验公式： 铲s 叫射( 2 - 4 6 ) 2 5 发动机性能参数的计算 内燃机性能参数主要有指示功、平均指示压力、机械效率、 平均有效压力、指示油耗率、有效油耗率等。 ( 1 ) 单缸每循环的指示功彬 ) ) 北 拈 p 扣 ( ( 彤。p 面d v 却 ( 2 _ 4 7 ) ( 2 ) 平均指示压力 ， 5 互嚣 4 ( 3 ) 机械效率 = 姓 p m 。 式中：以一一平均机械损失压力 ( 4 ) 平均有效压力 p 憎= p 帷q * ( 5 ) 指示油耗率抚 a ：3 6 1 0 6 土 也r 形 式中：g ，一一循环供油量； 鼠一一燃油低发热值。 ( 6 ) 有效油耗率阢 也：鱼 7 k ( 7 ) 指示效率叩f 3 6 x1 0 3 p 研2 耐 ( 8 ) 有效效率 ( 9 ) 有效功率见 见：挚 ( 1 0 ) 充量系数”， ( 2 - 4 8 ) ( 2 4 9 ) ( 2 - 5 0 ) ( 2 5 1 ) ( 2 5 2 ) ( 2 5 3 ) ( 2 5 4 ) ( 2 - 5 5 ) 哈尔滨_ 程大学硕士学位论文 仇：上上三笠 ( 2 - 5 6 ) 驴丽青毒蓄 。 式中：以一一残余废气系数； e 一一几何压缩比； i 一进气管内的气体温度，k ； 疋一一环境温度，k ； p j 一进气管内的气体压力，k p a ； 见一一环境压力，k p a 。 ( 1 1 ) 扫气系数屯 屯：土 ( 2 - 5 7 ) ，+ 式中：一一残留气缸内新鲜空气冲量的质量，k g ； m 。一一残余废气质量，k g 。 ( 1 2 ) 平均摩擦压力 ：罢净 ( 2 - 5 8 ) ( 1 3 ) 气缸中壁面平均传热系数n ， 瓦2 击点a w 扣) 却( 2 - 5 9 ) 式中：o 。) 一一随曲轴转角变化的壁面传热系数，k j ( m 2 h k ) ； c d 一一循环周期，。c a 。 通过上述计算公式，可以计算出发动机的各项性能参数，从 而得到发动机的性能指标。 2 6 本章小结 采用模块化建模的思想，对发动机进行了系统建模划分；采 用零维模型建立了缸内的工作过程数值计算模型，详细地对缸内 模型进行了说明；阐述了增压器和中冷器的计算模型以及进排气 流量和发动机性能参数的计算方法。 第3 章增压发动机仿真模型的建立 3 1 g t - p o w e r 仿真软件简介 g t - p o w e r 软件是美国的g t i ( 6 a m m at e c h n o l o g i e si n c ) 公司用现代计算机技术和数值计算方法开发的发动机性能模拟与 仿真软件。以一维的c f d 计算为基础，采用有限容积法对热流体 进行模拟计算。它把发动机的各系统分为不同的功能模块进行面 向对象的编程，然后将这些通用的功能以模块的形式存储起来形 成模板库。软件的基本思想是将发动机各系统进行模块化，将整 体问题分散化处理，有针对性的对具体问题进行集中建模，这样 既能考虑模型的多样性，又能提高模型的精度。 g t p o w e r 软件通过采用模块结构的方式建立内燃机工作过程 计算模型。内燃机的元件( 如气缸、空气滤清器、催化器、管接 头和管道等) 模块用方形框图表示，而元件之间用圆形图框的连 接件相连接。内燃机的所有结构参数和运行参数在相应的元件模 块和连接件模块中进行定义。连接件可以有具体的物理意义( 如 气阀连接件和喷嘴连接件等) ，也可以只具有象征意义( 如内燃机 与气缸连接件、管道之间的连接件等) “1 。 3 2 仿真计算初始数据 4 6 5 q 发动机主要用于轿车和微型车上，其主要性能指标和结 构参数如表3 1 所示。 表3 14 6 5 q 发动机主要性能指标和结构参数 参数名称参数描述 四缸、四冲程、直列斜置、 型式凸轮轴项置、电子控制点火、电 控燃油喷射式活塞汽油机 缸径 6 5 5 m m 行程7 2 m m 压缩比 8 8 ：1 排量 9 7 0 m 1 额定转速5 0 0 0 r m i n 怠速8 5 0 5 0 r m i n 点火顺序 1 3 4 2 轮廓尺寸1 0 5 2 6 8 4 4 4 6 m m ( 配五速箱) 净重9 8 k g ( 不含变速器、离合器) 进气阀开：上止点前1 4 。c a ； 进气阀闭：下止点后5 0 。c a ； 配气相位排气阀开：下止点前5 2 。c a ； 排气阀闭：上止点后1 2 。c a ； 气门重叠度：2 6 。c a 3 3 增压发动机仿真模型的建立 ( 1 ) 进排气系统的设置 4 6 5 q 发动机进气系统主要由空气滤清器、稳压谐振腔和进气 岐管等模块组成。由于g t p o w e r 软件中并役有现成的空气滤清器 模型，所以需要利用其它模块来进行构造。本文将空气滤清器当 作一个管道来处理，管道的当量长度根据实际试验台架空气滤清 器的阻力进行确定。 ( 2 ) 气缸相关参数的设置 气缸参数的设置主要包括气缸基本尺寸参数的设置气缸边 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 界条件的设置、缸内燃烧模型的设置以及喷油器参数的设置等几 个部分。 ( 3 ) 中冷器参数的设置 根据发动机按标定工况时所需的流量，对中冷器模块按标定 工况运行时进行调试。 ( 4 ) 涡轮增压器的调试 主要通过压气机和涡轮的脉谱图( m a p ) 、流量因子( m a s s m u l t i p l i e r ) 和效率因子( e f f i c i e n c ym u l t i p l i e r ( 主要用于修 正模型的误差) ) 等参数对涡轮增压器进行设置。 将各个部分和组件按照表3 1 所示的发动机主要参数设置完 成之后，搭建并连接模型，得到如图3 1 所示的4 6 5 q 增压发动机仿 真模型。 图3 t4 6 5 q 增压发动机仿真模型 2 7 3 4 增压发动机计算结果及分析 采用所建立增压发动机的仿真模型，对该机按外特性运行的 1 5 0 0 、2 6 0 0 5 0 0 0 r m i n 等8 个工况进行了模拟计算，得到了8 个 工况下发动机的功率、扭矩和油耗，分别与增压前的发动机性能 对比，如图3 2 图3 4 所示。 6 0 5 0 4 0 v3 0 静 器2 0 1 0 0 手 z 一 艘 眉 j 一- ，j 一 。 _ 1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 转速( r m i n ) 图3 2 增压前后功率的对比 矿一i 一、 、l - - ， 一 1 0 0 0 2 0 0 03 0 0 04 0 0 0 6 0 0 0 转速( r m i n ) 图3 3 增压前后扭矩的对比 蚰蚰o 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 f 蕾 3 楗 茬 月 | i k i ， x ， ，一 。， 1 ， 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 转速( r m i n ) 图3 4 增压前后油耗的对比 从图3 2 图3 4 中可以看出，增压后，发动机的油耗下降了， 在工况4 0 0 0 r m i n 时下降得最多，达到了2 2 ；功率和扭矩大部 分工作范围内得到了提商，在转速比较高的工况下，提高的幅度 更大，尤其是在工况4 0 0 0 r m i n 下，分别提高了1 7 7 k w 和 4 3 5 n i n 。由此可见，增压后，发动机的性能得到了显著提升。 但发动机在低转速1 5 0 0 r m i n 2 0 0 0 r m i n 工作时，功率和扭矩相 比增压前反而有了一些下降，这主要是因为汽油机转速和功率范 围宽广，涡轮增压器和汽油机很难在整个运行范围内匹配良好， 在低转速时，发动机的废气能量不足，涡轮增压器的效率较低。 总体来说，发动机增压后各方面性能都有一定程度的提高。 在得到上面数据的同时，还得到了压气机出口压力、压气机 出口温度、涡轮出口压力和涡轮进口温度等参数，并将其与试验 数据进行了对比，结果如表3 2 所示。从表3 2 中可以看出计算结 果与试验数据基本吻合。 季|躺啪|詈姗嘶踟董写卿。 哈尔滨t 程丈学项七学位论文 表3 2 增压发动机外特性试验与计算结果对比 转速 压气机出压气机出涡轮进 口压力口温度 涡轮出口压 口温度 ( r m i n )力( - l p a ) ( m p a ) ( k )( k ) 实验值 0 1 0 1 3 3 2 3 90 1 4 8 97 9 0 5 1 5 0 0 计算值 0 1 0 6 93 2 9 0 1 5 3 0 7 9 4 1 实验值 0 。1 1 3 23 3 1 4o 1 5 7 58 2 0 3 2 0 0 0 计算值0 1 1 7 83 3 00 1 5 8 38 1 6 6 实验值 0 1 2 6 43 3 5 70 1 4 5 l8 6 1 2 2 5 0 0 计算值 0 1 2 7 l3 3 10 1 4 4 78 6 4 7 实验值 0 1 5 5 7 3 3 l0 1 5 8 79 4 1 3 3 0 0 0 计算值 0 15 6 03 3 2o 1 5 9 09 3 3 7 实验值 0 1 6 6 43 3 2 50 1 6 7 l9 4 9 2 3 5 0 0 计算值 0 1 6 6 23 3 40 1 6 6 79 5 3 实验值 0 1 6 8 73 5 0 1o 1 7 5 89 1 3 4 0 0 0 计算值 0 1 6 8 53 4 9o 17 4 49 l3 实验值 0 17 4 63 6 5 30 1 7 2 l10 6 04 4 5 0 0 计算值 0 17 5 23 6 30 1 7 1 01 0 5 8 实验值 0 1 7 8 63 7 3 20 1 7 1 31 1 6 8 1 5 0 0 0 计算值 0 1 7 8 73 7 70 ，1 7 0 81 1 7 4 从对4 6 5 q 发动机的计算和试验中发现：发动机的排气温度与 增压前相比较高，分析其原因是因为增压后点火提前角不合理， 在一些工况下过小，导致了一定程度的后燃；由于增压后进气量 等的改变，原发动机的结构参数存在着不合理，如压缩比的大小 和配气机构的结构等，导致了发动机不能最大程度的输出功率和 扭矩；发动机冷却程度不够，主要受热零部件温度过高；排气管 的结构不够合理，导致了废气能量利用的不够等等，这些问题将 在下面的章节中逐一解决。 哈尔滨1 。程大学硕十学位论文 3 5 本章小结 ( 1 ) 建立了增压发动机的仿真模型，包括对进排气系统、气缸相 关参数、中冷器和涡轮增压器的设置等。 ( 2 ) 按外特性的i 5 0 0 r m i n 、2 0 0 0 r m i n 5 0 0 0 r m i l 2 等8 个工 况点对增压发动机进行模拟计算，得到了各工况下的功率、 扭矩和油耗情况并与增压前的试验数据进行了对比。还得 到了增压后各工况下的压气机出口压力、压气机出口温度、 涡轮出口压力和涡轮进口温度等参数，与试验数据进行了比 较，结果吻合较好。 ( 3 ) 针对