GDI发动机进气系统的优化分析

Internal Combustion Engine & Parts49DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2019.05.019GDI 发动机进气系统的优化分析Optimal Analysis of GDI Engine Inlet System田智 TIAN Zhi；耿杰 GENG Jie；甄旭东 ZHEN Xu-dong；刘大明 LIU Da-ming；韩林 HAN Lin（天津职业技术师范大学，天津 300222）（Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）摘要：近来我国汽车业迅猛发展，随之而来的能源和环境问题也日益突出，如何提高发动机的动力、降低油耗和污染物排放成为 了开发或者优化发动机的首要问题。本研究针对某款直喷式汽油机进气系统，基于一维发动机仿真软件 GT-POWER，建立汽油机仿 真模型，通过仿真计算，分析在不同工况下，进气系统的结构参数变化对汽油机性能的影响。进气系统包括：进气总管、歧管以及进气 道的直径、长度和角度等。研究结果表明：在进气总管的直径为 70mm、长度为 37mm，歧管直径为 43mm，长度为 320mm 时，此汽油机 的性能相对最优。Abstract: Recently automobile industry in our country developed rapidly. At the same time the problem of energy and environment are more and more urgent. So how to improve the power of engine and reduce fuel consumption and emissions becomes the primal problem of research or optimization of engine. This study mainly studies about GDI engine intake system. Based on the software GT-POWER, the study makes simulation model to analyze the influence on engine performance from different intake system parameters under different conditions. Air intake system includes: diameter, length and angle of inlet pipe, inlet manifold and etc. The results show that when inlet pipe diameter is 70mm, and length is 37mm, manifold diameter is 43mm, and length is 320mm, the performance of gasoline engine is optimal relatively.关键词：直喷；汽油机；进气系统；仿真；GT-POWERKey words: GDI；gasoline engine；inlet system；simulation；GT-POWER0 引言进气系统结构对汽油机的充气效率有决定性的影 响，直接影响发动机的动力性、经济性和排放性能1。以往 对进气系统进行优化，需要在缸盖里重新下模，开发成本 较高，开发周期较长2，而且会浪费大量的人力和物力，结 果仍然有待进一步检验，因此有必要借助仿真软件对其 进行优化，这样可以降低成本，缩短设计周期，能够在最 短时间内得到最合适的进气系统参数，让发动机在最佳 的状态下工作。1 直喷式汽油机数学模型的建立1.1 气缸模型外界空气通过进气总管、歧管、进气道以及进气门进 入气缸内与汽油混合，燃烧产生的废气通过排气门、排气 道、排气歧管、总管以及尾气处理装置排到大气中。发动机 在运行中与外界进行一系列能量交换3。1.1.1 燃烧模型为了获得缸内压力示功图，本文采用零维模型，通常 采用韦伯函数模拟燃烧放热率：1.1.2 气缸的工作容积4 发动机瞬时气缸工作容积为：气缸瞬时容积随曲轴转角的变化率为：，式中，D-缸径，S-行程，s-曲柄连杆比；-压缩比 -工作容积。1.2 进气管内模型51.2.1 基本控制方程（2）（3）（1） 其中，u 为燃烧效率，一般取为 1。VB 为燃烧开始曲轴转角， 为燃烧持续角度。课题与基金：国家自然科学基金项目（51406135，51706155）；天津 市教委科研项目（JWK1601；2017KJ114）。作 者 简 介 ： 田 智（1993 -），在读硕士研究生 ；耿 杰（通讯作 者）（1982-），男，实验师，硕士，研究方向为内燃机燃烧 品质。在模拟发动机工作时，可认为管内气体流动是一维非定常流动6，应满足如下方程： 连续性方程： （4） 动量方程： （5） 能量方程：（6）式中，-气体密度；u-气体速度；A-管截面积；x-沿管 轴线；V-单位网格体积；F-壁面摩擦力；E-单位质量的气 体能量；qw-壁面传热。1.2.2 中冷器 中冷器出口的气体温度 Ts 为： （7） 中冷器出口冷却水温 Two 为：（8）中冷器出口空气压力 ps 为： （9）式中，下标“s”为空气，“w”为冷却水，“i”为入口，“o” 为出口。2 汽油机工作过程仿真模型的建立GT-Power 仿真软件是由美国 GTI 公司研发的，主要 用于内燃机性能模拟与仿真计算，软件操作简单，功能完 善，是国际上比较流行的仿真软件，被大多数汽车制造厂 所使用。本文主要是对某款直喷式汽油机的总体性能进行 计算与分析，发动机的结构参数如表 1 所示，利用 GT-POWER 软件建立发动机工作过程仿真计算模型。表 1 四缸汽油发动机的结构参数名称类型、参数发动机型式直列式、四缸、四冲程、水冷气缸直径（mm）86.0行程（mm）86.1排量（L）2.0点火次序1-3-4-2燃烧方式火花点燃连杆长度（mm）175.0压缩比9.50最大功率/转速（kW（/ r/min）90/6500最大扭矩/转速（Nm（/ r/min）157/5000怠速转速（r/min）800502.1 工作过程仿真模型的建立。首先将复杂的发动机 分解成若干模块，这些模块按功能归类，然后运用 GT- POWER 软件提供的汽油发动机工作过程仿真模型简化 为对应的物理模型。2.2 根据传热传质学、流体力学、热力学等方面的知 识，对简化后的物理模型进行定量描述，将收集的数据及 参数等输入对应的模块中，以此建立基本的发动机仿真 模型。2.3 首先建立单缸模型，然后将单缸模型连接起来建 立发动机模型。以某款直喷式汽油机为原型，所建立的发动机工作过 程仿真计算模型如图 1 所示。3 汽油机性能仿真分析3.1 进气总管对发动机性能的影响图 1 点燃式汽油发动机整机仿真模型3.1.1 进气总管长度对发动机性能的影响 进气总管分别采用 17mm、27mm、37mm、47mm、57mm的长度，发动机分别以 1000r/min、2500r/min 和 5000r/min 转速运行。图 2-（a）缸内压力峰值曲线可以看出：在低速 时，进气总管长度为 17mm 时，缸内压力最高。在中高速 时，进气总管长度为 27mm 时，缸内压力最高。在高速时， 进气总管长度为 57mm 时，缸内压力最高。从图 2-（b） 放热率峰值曲线可以看出：在低速运转 时，进气总管长度为 17mm 时，放热率最大。在中高速运转 时，进气总管长度为 37mm 时，放热率最大。在高速运转 时，进气总管长度为 57mm 时，放热率最大。图 2-（c）是 NOx 排放曲线，从图 2-（c）可以看出：在低 速运转时，进气总管长度为 57mm 时，排放最少。在中高速 时，进气总管长度为 57mm 时，排放最少。在高速时，进气 总管长度为 17mm 时，排放最少。从图 2-（d）燃油消耗率曲线可以看出：不论发动机转 速如何，在进气总管长度为 17mm 和 37mm 时，燃油消耗 率最小。综上所诉，为了使发动机性能较优，所以选择进气 总管长度为 37mm，此时发动机缸内压力适中。发动机中 高速运转时，放热率最优。NOx 排放虽然没有 57mm 长度 时低，但是选择 37mm 长度可以节约制造成本，并且还可 以通过后处理降低 NOx 排放量，而且动力性和经济性都能 兼顾。3.1.2 进气总管直径对发动机性能的影响 进气总管直径为 30mm、50mm、70mm、90mm、110mm，发动机转速 1000r/min、2500r/min 和 5000r/min。从图 3-（a）缸内压力峰值曲线可以看出：在发动机低速运转时，进 气总管直径为 30mm 时，缸内压力最大。在发动机中高速 和高速运行时，进气总管直径为 70mm 时，缸内压力最大。 从图 3-（b）放热率峰值曲线可以看出：在发动机低速 运行时，进气总管直径为 30mm 时，放热率最大。在发动机 中高速和高速运行时，进气总管直径为 70mm 时，放热率最 大。发动机低速运转，放热率小点对发动机性能影响较小。运转时，进气总管直径为 90mm 和 110mm 时，燃油消耗率最少。在发动 机中高速和高速运行时，进气总管 直径为 70mm 时，燃油消耗率最少。 发动机在低速运转的时间毕竟较 少，为了满足发动机在多数运转情 况下燃油消耗率最低，所以进气总 管直径选择 70mm 最佳。3.2 进气歧管对发动机性能的（a）（b）（c）（d）图 2 不同进气总管长度和转速下的压力、放热率、NOx 排放和燃油消耗率曲线影响3.2.1 进气歧管长度对发动机 性能的影响进气歧管长度分别采用 120mm、 220mm、320mm、420mm、520mm 的长 度，发动机在 1000r/min、2500r/min 和 5000r/min 的转速下运行时，发动机性 能的变化情况如图 4 所示。由图 4-（a）1 缸缸内压力峰值 曲线可以看出：在发动机低速和高 速运行时，进气歧管长度为 420mm 时，缸内压力最大。在发动机中高速从图 3-（c）NOx 排放曲线可以看出：在进气总管直径为 110mm 时，NOx 排放在所有工况下都相对较少，但是为 了满足发动机运行时缸内压力、放热率、功率、扭矩以及燃 油消耗率最佳，所以进气总管直径选择 70mm，虽然此时 排放不是最好，但是选择 70mm 直径可以节约大量制造成 本，并且 NOx 还能在尾气排放时进行后处理去减少污染物 排放。从图 2-（d）燃油消耗率曲线可以看出：发动机在低速运行时，进气歧管长度为 320mm 时，缸内压力最大。 从图 4-（b）放热率峰值曲线可以看出：在发动机低速和高速运行时，进气歧管长度为 420mm 时，放热率最 大。在中高速运行时，进气歧管长度为 320mm 时，放热率 最大。从图 4-（c）NOx 排放曲线可以看出：在发动机低速和 高速运行时，进气歧管长度为 520mm 时，NOx 排放最少。 在中高速运行时，进气歧管长度为 420mm 时，NOx 排放最少。从图 4-（d）燃油消耗率曲线可 以看出：在发动机低速运行时，进气 歧管长度为 420mm 时，燃油消耗率 最少。在中高速和高速运行时，进气 歧管长度为 320mm 时，燃油消耗率 最少。综上所述，选择进气歧管长度 为 320mm 时，缸内压力、放热率、功 率、扭矩最大，燃油消耗率最小。虽（a）（b）（c）（d）图 3 不同进气总管直径和转速下的压力、放热率、NOx 排放和燃油消耗率曲线然 NOx 排放没有在进气歧管长度为 420mm 时低，但是选择 320mm 长 度可以节约制造成本，降低发动机 质量和体积，从而降低发动机油耗， 降低使用成本，NOx 排放还可以选 择进行尾气后处理。所以考虑到现 实使用情况，家用轿车发动机在中 低速运行的情况偏多，为了兼顾发 动机能的动力性、经济性和排放，研 究认为，选择 320mm 为宜。3.2.2 进气歧管直径对发动机 性能的影响（a）（b）（c）（d）图 4 不同进气歧管长度和转速下的压力、放热率、NOx 排放、燃油消耗率曲线（a）（b）（c）（d）图 5 不同进气歧管直径和转速下压力、放热率、NOx排放和燃油消耗率曲线实际情况。其余四组数据满足实际 情况，进气歧管直径为 43mm 时，发 动机在 2500r/min 和 5000r/min 运 行时缸内压力最大。从图 5-（b） 放热率峰值曲线 可以看出： 在进气歧管直 径 为 23mm 和 63mm 时 ， 发 动 机 在2500r/min 运行时的放热率比 5000r/min 运行时的放热率都大， 显然不符合实际情况。其它三组 数据满足实际情况，但是在进气 歧管直径为 43mm 时，发动机在 2500r/min 和 5000r/min 运行时放 热率最大，满足中高转速和高转 速运行时的条件。从图 5 -（c）NOx 浓度峰值曲 线可以看出：在进气歧管直径为 43mm 时，发动机在 1000r/min 运 行时排放最少，但在 2500r/min 和 5000r/min 运行时排放比较多。从图 5 -（d） 燃油消耗率曲 线可以看出：在进气歧管直径为 43mm 时，发动机在 2500r/min 和 5000r/min 运行时， 燃油消耗率 最小。综合上述考虑，进气歧管直 径选择 43mm 时，中速和高速运 行时的满足动力性较大的需求， 缸内压力最高，放热率最大，排放 在低速时最低，油耗在中速和高 速时最小，因此，进气歧管直径选 择 43mm 比较适合家用发动机实 际使用的动力性、经济性和排放 的现实需求。4 结论本文主要研究的是进气系统 对发动机工作过程的影响，通过 改变进气系统的参数来提高发动 机的性能。在对进气系统进行优 化时，采用 GT-POWER 仿真软 件进行分析研究，得到以下一些 结论： 当 进 气 总 管 的 长 度 为进气歧管直径分别采用 23mm、33mm、43mm、53mm、63mm，发动机分别以 1000r/min、2500r/min 和 5000r/min 运行，使发动机在低速、中高速和高速情况下改变进气歧 管直径，研究进气歧管直径的改变对发动机性能的影响， 如图 5 所示。从图 5-（a）缸内压力峰值曲线可以看出：在进气歧管直 径为 23mm 时，发动机 5000r/min 运行时的缸内压力比 1000r/min 和 2500r/min 运行时的缸内压力都小，显然不满足37mm 时，放热率在中高速运行时最高，缸内压力比较适 中，燃油消耗率最小；进气总管直径选择 70mm 时，发动机中高速和高速 运行时，缸内压力、放热率最大，燃油消耗率最小；进气歧管长度选择 320mm 时，发动机在中高速运 行时，缸内压力、放热率最大，燃油消耗率最小，排放适中；进气歧管直径选择 43mm，发动机在中高速和高速运行时，发动机缸内压力、放热率最大，燃油消耗率最小，现代设计方法在汽车设计中的运用李芮淙（四川城市职业学院，成都 610101）摘要：汽车设计必须符合时代的进步，满足消费者的需求。受传统设计方法的限制，我国的汽车设计工业一直无法得到良好的发 展，汽车设计仍然以经验为主，现代设计方法可以改变传统的汽车设计中必须造出实物的方式，降低设计成本，缩短汽车设计周期，对 汽车设计具有重要意义，在实际的汽车设计工作中具有重要作用，通过辅助软件和虚拟仿真技术的运用，提升汽车设计水平。关键词：汽车设计；现代设计；设计方法DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2019.05.0200 引言汽车设计对于汽车的更新换代具有决定性作用，汽车 的高性能和高性价比成为人们关注的焦点，传统的汽车设 计只能通过实际的汽车进行试验，找出设计中的不足，既 提高了成本，又拉长了设计时间，现代设计方法采用计算 机设备和技术，降低了汽车设计的难度和时间，提高了汽 车设计的水平，运用模拟、仿真等技术，降低成本，缩短设 计周期。1 现代设计方法的概念与传统的设计方法相比，现代设计方法具有更加鲜明 的特点。传统的汽车设计需要根据动力学和数学理论，经 过严谨计算，设计出理论上的汽车模型，现代设计主要应 用电子设备，对设计内容进行模拟仿真，发现设计中存在 的问题，也可以利用先进的计算机软件设计，简化设计过 程1。随着近年来汽车行业自身的发展，电子设备在汽车中 的应用越来越广泛，发动机和变速器等机器的控制，很大 程度上提高了汽车设计的难度，利用传统的设计方式显然 无法完成，设计工作只有利用计算机软件完成良好的设计 方案，比如使用 CAD 软件，根据需要选择相应的零件，缩 短设计周期，利用现代设计方法，提高设计效率，增加其经 济性，使汽车更加符合市场需求。2 现代设计方法在汽车设计中的优势2.1 更加具有创新性现代设计方法更加注重汽车创新性和汽车的整体功 能性，以计算机网络作为主要的现代设计工具，降低汽车 设计成本，提高汽车设计质量，还可以与汽车的安全性能、 经济性和适用性进行结合，设计出经济成本更低、质量更 好的新型汽车，现代汽车设计技术和方法正处于不断的更 新之中，汽车设计对现代设计方法的广泛运用，也正在不 断出现新的突破。2.2 更加具有适应性现代设计方法更加面向功能目标，综合考虑到技术、 经济、社会等因素，更加注重设计过程的模式化，充分利用 计算机技术，进行自动运算、绘图，分工协调工作，也更加 注重实用性和创造性之间的相互配合。现代设计方法贯穿 于整个汽车设计开发的全过程，利用通用化的方式，在各 种条件下，实现方案和目标的优化2。2.3 有助于汽车更新换代 汽车行业正处于不断的更新换代中，现代设计方法可以通过现代化的设计方法、先进的计算机技术以及现代应用数学理论，缩短汽车设计周期，调整汽车设计功能，使汽 车功能更加符合人们的需求。通过在设计软件中对汽车设 计的调整，提高汽车设计质量，使汽车设计成本降低，完善 汽车整体的协调配合，实现设计最优化，推动汽车行业的 不断发展，完善汽车功能，缩短了汽车更新换代的时间。3 现代设计方法在汽车设计中的应用3.1 系统工程分析法 系统工程是以系统为研究对象，将应用数学和信息技术作为主要工具，对系统的要素、结构和信息反馈进行分析 指导的学科，通过系统内部与整体的互相协调和配合，达到 系统最优化目标3。在汽车设计中应用系统工程，一般包括 信息获取、处理和整理三个阶段。