xd479q发动机模拟平台搭建

目录第一章绪论211引言212数值模拟313模拟计算在内燃机发展中的作用414内燃机模拟计算的现状及发展515GTPOWER软件介绍616本文主要内容及研究意义8第二章流体流动模型基本原理921软件的基本原理9211管路（PIPE）模块基本原理11212接头（FLOWSPLIT）模块基本原理1222缸内流动仿真原理1323燃油喷射模块基本原理1424燃烧模型基本原理1425发动机摩擦及驱动附件损失模块基本原理15第三章XD479Q发动机模拟平台搭建1631XD479Q发动机参数1632整机模型的搭建1733定义外部环境参数1834定义空气滤清器1935定义节气门2036定义连接管件及孔实体2137进气系统的创建及定义2238定义进、排气门2536气缸参数设定3137燃油喷射模块设定3539排气系统的创建及定义3739发动机曲轴箱设定40310原机外特性仿真结果及模型验证42第四章配气相位对发动机性能影响4641进气门处压力分析计算4642配气相位对性能的影响4743XD479Q发动机配气相位的优化48431进气凸轮正时49432排气凸轮正时52433配气相位角的正交试验5544优化后配气相位的验证58第五章新凸轮型线设计6051缓冲段曲线的设计6052工作段运动曲线设计62第六章总结65参考文献66附录I气门升程随曲轴转角变化关系表68附录进气凸轮升程曲线MATLAB源程序70附录排气凸轮升程曲线MATLAB源程序73致谢76第一章绪论11引言随着国家对汽车油耗、排放等法规要求越来越严格，汽车企业生产的产品也不得不采取各种办法对产品进行技术升级和改造，以适应国家法规的要求。09年1月1日，燃油税开始实施。燃油税是指政府对燃油在零售环节征收的专项性质的税收。通过征税的办法从油价中提取一定比例作为养路等费用。其基本原理是车辆类型及行驶里程长短，载货量大小是与耗油量的多少紧密相连的，耗油越多证明其享有使用公路的权力越多，因此，包含在油价中上交的燃油税就随之增多，对公路养护所尽的义务也就越多。燃油税简而言之，就是将现有的养路费转换成燃油税，实行捆绑收费。由于现行的养路费一般是按吨位和运营收入两种计费方法收取，实际上形成了一种定额费。而对于用油大户尤其是汽车来说，道路使用率存在较大差距。“因为无法测算每台车的道路使用率，”长沙理工大学经济学教授朱锡庆表示，“燃油税通过将养路费捆绑进油价，将每辆汽车要交的养路费转换成税费，在道路等公共设施日益成为一种稀缺资源的大背景下，更多地体现了多用多缴，少用少缴的公平原则。”2009年6月，国家出台了鼓励新能源车消费的政策汽车产业振兴规划细则。国家将拿出200亿元补贴投向新能源汽车，支持大中城市推广混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等新能源汽车。优先在城市公交、出租、公务、环卫、邮政、机场等领域推广使用新能源汽车。2009年至2011年，提升新能源汽车销量占乘用车销售总量至5左右。汽车在我国能源消耗和在大气污染排放中的分担率上占有很大比例，目前汽车每年消耗掉国产85左右的汽油和23左右的柴油，而汽车尾气排放带来的环境污染更是日趋严重。按照近年来的增长速度，有专家预计到2020年，我国道路上行驶的汽车数量将突破15亿大关。随着我国汽车保有量的迅速增加，汽车增长带来的能源和环保问题日益突出。一方面汽车进入普通家庭提高了老百姓的生活水平，但汽车大量增加带来了能源大量消耗和环境污染。在节能减排大背景下，如何促进汽车产业与社会经济协调发展，促进人与大自然的和谐发展，成为我国汽车工业可持续发展的重大课题。XD479Q型汽油机结构先进、新颖、合理,升功率、升扭矩和比质量指标先进,耐久可靠,适用范围广,既适用于轻型客车,也适合于微型货车和家用轿车。本论文根据提供的数据在GTPOWER平台上搭建XD479Q的仿真模型，改变配气相位，模拟各条件下的动力性、经济性、排放质量等性能指标。对不同配气定时模拟出来的结果进行对比分析，选择最佳方案并设计出对应的凸轮。12数值模拟数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的1。在计算机上实现一个特定的计算，非常类似于履行一个物理实验。这时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。数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。比如某一特定机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场的各种细节如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚地看到激波的运动、涡的生成与传播。总之数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。从上面的例子可以看到，数值模拟包含以下几个步骤首先要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。牛顿型流体流动的数学模型就是著名的纳维斯托克斯方程及其相应的定解条件。数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。由于人们的努力，目前巳发展了许多数值计算方法。计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这些过去被人们忽略或回避的问题，现在受到越来越多的重视和研究。在确定了计算方法和坐标系后，就可以开始编制程序和进行计算。实践表明这一部分工作是整个工作的主体，占绝大部分时间。由于求解的问题比较复杂，比如方程就是一个非线性的十分复杂的方程，它的数值求解方法在理论上不够完善，所以需要通过实验来加以验证。正是在这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。在计算工作完成后，大量数据只能通过图像形象地显示出来。因此数值的图像显示也是一项十分重要的工作。目前人们已能把图作得像相片一样逼真。利用录像机或电影放映机可以显示动态过程，模拟的水平越来越高，越来越逼真。13模拟计算在内燃机发展中的作用大约在上世纪60年代中期以前，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，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。直到60年代中期，由于计算机的应用才有可能对内燃机的实际工作过程进行接近实际的模拟计算，从而使内燃机的理论建立在一个新的基础之上。目前，内燃机实际工作过程的数值模拟已成为研究和开发内燃机的一种有效方法。所谓内燃机实际工作过程的数值计算（或称循环模拟计算），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，然后编制计算程序，用电子计算机数值求解微分方程，以求得气缸内的热力过程、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。目前，应用工作过程数值模拟大致可进行以下工作。1预测发动机的性能，性能预测的内容很多，如预测发动机的标定工况性能，部分工况的运行特性，增压发动机的瞬态特性（变负荷时的响应特性），大气状况改变时的发动机性能，以及有害排放物（NOX,HC,CO）的预测等。（2）设计参数的优化通过模拟计算可以研究各种结构参数（如增压压力、中冷器出口的空气、温度、排气背压等）以及运转参数（如发动机转速、负荷、冷却水温、活塞冷却油温等）对发动机性能的影响，并寻求最佳值。（3）在发动机调试阶段，利用实际工作过程的数值计算，可以揭示试验中没有测量或不可测量的参数大小，指明参数的调整方向，从而减少试验工作量，缩短调试周期。4多维数值模拟能够提供空间任意位置和任意时刻的速度、压力、温度和组分浓度分布，在此基础上进行理论分析，可以为改进发动机结构提供预见性的指导。汽车工业的飞速发展，对汽车的环保、安全、经济性能等方面都提出了越来越高的要求，促使我们对发动机的研究越来越深入，涉及的范围越来越广泛。借助于数值模拟技术对发动机的工作过程进行模拟计算，对于缩短产品研发周期、提高产品设计质量、降低产品的研发成本等起到事半功倍的效果2。14内燃机模拟计算的现状及发展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型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，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，己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3。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，现在己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4。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5。15GTPOWER软件介绍GTPOWER是包含在GTSUIT中的一个CAE应用程序，GAMMATECHNOFOGIES，INC开发，具有强大的分析计算和设计功能，可以用于发动机稳态和瞬态的仿真计算，也可以用于发动机/动力系统的控制分析。它适用于几乎所有形式的发动机，同时用它的部件可以搭建出用户设计的各种新型发动机，被发动机/汽车制造商和开发者广泛应用于发动机模拟和分析。GTPOWER以一维流体动力学为基础来描述发动机模型中的流动和热传递特性，它基于有限体积法，流体求解的基本观点是通过网格将系统离散为许多小的体积。在这个系统中，管子PIPE根据其离散长度被分割成许多小体积，而流体分叉FLOWSPLIT只能用一个体积来描述，它们通过边界彼此相连。连续方程、动量方程和能量方程同时进行一维求解，因此流体流动方向上所有截面的值都是平均值。标量如密度、压力等在单元中心计算矢量如速度等在单元表面边界计算。在计算过程中充分考虑了因可然混合气的组份不同导致其热力学性质的差异，而且能用于研究一些进、排气系统结构因素如分流、合流和弯曲等部分对流动的影响。此外，它应用数学优化方法进行参数寻优，使得对发动机进行不需要人为经验控制的优化设计成为可能。GTPOWER包括用于建立发动机整机工作模型的前处理平台、GTPOWER解算器以及浏览和显示计算结果的后处理平台GTPOST。由于GTPOWER用的是面向对象的可视化建模方法，在系统建模的前期并不涉及到发动机各部件的几何结构尺寸，只是在利用GTP0WER的模型库TEMPLATCLIBRARY中各部件的模板TEMPLATE创建相应的对象OBJECT和部件PART，井将各部件连接LINK起来组装ASSEMBLY成系统的图形化模型MAP之后，再通过输入和编辑各部件的属性PROPERTY确定他们的几何结构和尺寸，因而能显著减少前处理的工作量。模型库中每个模型都有自己用来描述各种输入参数的属性，许多属性值可以是随时间变化的变量，模型的大多数属性值要由用户自己定义。GTPOWER采用模块结构建立发动机工作过程的计算模型。发动机的元件如气缸、空滤器、催化器、管接头和管道等模块用方形图框表示，而元件之间必须用圆形图框的连接件连接。发动机的所有结构参数和特性参数在相应的元件模块和连接件模块中定义，连接件可以有具体的物理定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发动机各部件及管道之间的连接件等。建立了发动机系统模型之后，需要设置运行时间、解的收敛标准等解算器运行的控制条件。在指定了运算最长持续时间的前提下，可以将解算器运行特性设置成连续运行或者周期性运行，如果在达到最长持续时间之前数值模拟的结果已经满足了收敛标准，则模拟过程将会自行提前结束，用户定义一个最大时间步长，解算器也会根据数值稳定性标准计算出一个时间步长，实际采用的时间步长取这两个步长中的较小值。GTPOWER支持多算例，用户可以设置数值模拟的收敛标准和其他多算例中的变参数，可以选择自己感兴趣的运行结果，用图表显示出来。GTPOWER还有许多有重要实践意义的特点变量参数化、多算例模拟、局部装配模型SUBASSEMBY、系统优化、用户子程序、计算结果动画演示、程序中断的断点保存和恢复运行、在线帮助、多种单位支持、PC/UNIX平台、模拟计算批处理。此外GTPOWER还可以和一些三维CFD软件STARCD、FLUENT或控制模拟软件包如SIMULINK结合起来进行祸合模拟，以使模拟的结果更准确16本文主要内容及研究意义配气相位对发动机的动力性能有很大影响。如果配气相位不准确，会导致进气不充分，排气不顺畅，影响混合气的形成品质，造成燃烧不完全，使发动机的动力下降。由于废气和新鲜空气在运动中的惯性，使进排气有一定的迟滞期。为了使气缸内的废气排除得更干净，新鲜空气进入更充分，需要进排气门有一个同时开启的时刻，即气门重叠角6。发动机低速时使用较小的气门重叠角，反之则使用较大的气门重叠角，这样就可以提高进排气效率，提高发动机的动力性。配气机构是内燃机的重要组成部分，它直接关系到内燃机运转的可靠性、振动和噪声，并影响内燃机的动力性和经济性等基本性能。它必须根据发动机工作循环及工作顺序的要求，按规律开启、关闭进、排气门，保证正确的配气相位。合理的配气相位是提高功率、降低油耗的一种有效方法，对改善发动机状况、节约能源、提高经济效益，降低排放有十分重要的现实意义。GTPOWER是一款包括高级发动机设计概念在内的发动机仿真分析软件，可用于发动机性能模拟，以及气门升程曲线和气门正时的优化。本文利用GTPOWER，搭建了XD479Q汽油机仿真平台，然后，基于该平台计算研究配气定时对XD479Q汽油机充气效率和性能参数的影响规律，最后，重新设计了凸轮型线，研究配气定时变化对汽油机的充气效率、功率、扭矩和油耗，排放等参数的影响，从而找出最优的凸轮型线和配气定时，为实验研究提供参考。具体任务内容1、GTPOWER上搭建XD479Q发动机原机模拟平台。2、优化配气定时，对比分析配气定时对发动机充量系数和性能的影响。3、设计新的凸轮形线，将数据导入模型，模拟计算。4、分析总结，对比结果，选择最佳方案。第二章流体流动模型基本原理21软件的基本原理GTPOWER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。在对流体的处理上采用容积法将进排气管和气缸等串联起来的容积离散成小的单元，单元之间由边界相连，这样不仅能考虑流体的非稳态性，而且计算收敛快，精度高。其燃烧模型包括直喷柴油机的多区模型、基于韦伯函数放热率的汽油机模型和柴油机模型等多种型式。除了对热流体进行计算外，它还能充分地考虑曲轴、连杆、飞轮乃至于整车等机械部件对发动机性能的影响。最后集成的模型成为一个有机的整体，因而它可以对发动机的非稳定工况进行动态模拟。GTPOWER软件所应用的是一维流体假设的动力学模型，它综合了发动机性能的分析代码，并几乎包含了发动机所有关键工况的细节模型，可以较完整地模拟发动机不同工况的性能变化。整个系统被划分为许多小的控制单元体，单元体上又划分许多相互交错的网格，网格是系统进行运算估值的基本单元。也就是说所有的标量（压力、温度等）都以本单元体的边缘为计算标准，系统内部划分的单元体也是如此。形状各异的气体通道都可转化为功能相当的标准管件，最后形成发动机的管网化模型，用于对发动机进行仿真。GTPOWER软件采用一维交错网络，基于一维气体动力学原理，在管路和其相关模块中以流动和传热理论为基础，在特殊模块中应用液体流动和传热能力分析理论。流动模型同时包括连续方程、动量方程和能量方程。作为一维算法，设定所有的流体质量是均匀流动的。主要的变量参数是质量流量，密度和内能总和。这个系统被离散为多段网格，其中接头处被离散为一段网格，管路可被离散为一段或多段网格，这些网格通中心标量在计算中视为定值，主要的标量是密度和内能总和；辅助标量是压力，温度，焓值，组分浓度，质量分数流量等，如图22相关原理方程如下连续性方程DMFLXT能量方程GASWLEDVFLHPHATTT焓方程EFLDVPUTT动量方程22PFDXA1PAMFLX4CUFLXDDTMFLX边界处的质量流量，是边界处有效面积，密度和速度的乘积M单位体积的质量V体积P压力密度A流通面积E总内能。等于内能加动能H焓值，P传热系数GHU边界处的速度表面摩擦系数FC压力损失系数PD当量直径DX边界处沿流动方向流体流过的厚度距离DP经过DX距离的压力差离散化是将大部件分割成小总分以提高计算精度，有两种方法进行流动系统离散化。一种是将系统离散成多个管理（PIPE）和接头（FLOWSPLIT）,另一种是将长管路离散成多个短管路（离散长度应小于管路的总长度），后者相当于用多个短管代替相同长度的长管的作用。离散长度的选择规律发动机性能分析时，进行系统离散长度大约是缸径的04倍，排气系统离散长度大约是缸径的055倍。进、排气离散长度的不同主要是由于瀑度导致声速变化引起的。噪声分析或转速超过6000RPM时，离散长度应选择较小，为上述推荐值的一半左右。在一定的范围内，网格越粗，那么时间步长越大，计算速度越快，精度有一定的降低同理网格越细，那么时间步长越细，计算速度越慢，精度有一定的提高。所以，在仿真中应该尽量使用网格的精细趋于均匀，这有利于提高计算精度和减少计算时间。211管路（PIPE）模块基本原理管路（PIPE）模块设定为截面为圆形或方形的直管路，可通过设定不同的摩擦系数，传热系数，压力损失系数实现模拟不同几何形状的管路。对于锥度较小的圆锥管可采用改变压力损失系数的方法用直管代替，对于锥度大于30度或圆锥管长度小于离散长度的锥管需用直径突变的两段管路实现孔（ORIFICE）的结构，代替圆锥管。管路的流动损失主要源自沿壁的摩擦损失，计算时考虑雷诺数和表面粗糙度。当管壁光滑时（层流区，4000）0258REFDCRED当管壁粗糙且不是层流时212LOG74FH雷诺数REDD管路直径H粗糙度管路的压力损失取决于其锥度，弯曲度，不规则接头等。而管径突变带来的压力损失不能单纯靠设定压力损失系数，需要考虑孔（ORIFICE）和膨胀直径（EXPANSIONDIAMETER）7。212接头（FLOWSPLIT）模块基本原理虽然GTPOWER是一维计算软件，但是接头模块（FLOWSPLIT）的设计主要考虑三维因素对流动的影响。在管路计算中，标量（如质量，能量等）位于有限容积的中心，而矢量（如质量流量等）位于边界处。若管路（PIPE）中存在开口（PORT），就变成了接头（FLOWSPLIT）。接头（FLOWSPLIT）的计算原理与管路（PIPE）类似，标量仍位于有限容积的中心，而矢量方程在每个开口（PORT）处独立计算。接头几何形状由膨胀直径（EXPANSIONDIAMETER流体进入管接头后能够达到的直径，主要用于计算流量系数和能量损失），特征长度（CHARACTERISTICLENGTH流体进入管接头达到管壁或边界的长度，主要用于计算压力波的传递和反射）和管接头各开口的空间角度这三个因素决定。单纯的一维算法无法精确计算流体流出任意方向开口处的动量，接头（FLOWSPLIT）模块则是专门计算此种情况的，流出出口的流体动量由按其出口方向特征速度矢量计算得出。图21为简单“三通”接头属性编辑界面，“1、2、3”代表三通的三个开口（PORT），膨胀直径（EXPANSIONDIAMETER）如图中紫色标注所示，特征长度（CHARACTERISTICLENGTH）如图中黑色标注所示，管接头各开口的空间角度为开口中心线与X、Y、Z轴的夹角，接头的容积可手动输入也可由GTPOWER软件的DISCRETIZER功能自动生成。图21摩擦，传热，壁温等计算原理与管路模块（PIPE）相同，不同处在于摩擦系数和传热系数计算中的速度值为接头开口处的速度。当接头（FLOWSPLIT）的几何形状不规则时，要精确确定其容积，通过适当调节摩擦系数、传热系数和压力损失系数来实现不规则形状对流体流动带来的影响。22缸内流动仿真原理进、排气道建模原理与管路（PIPE）基本相同。气门处流量系数计算来自于与定压差质量流量的测量，这种测量通常是在气门安装在发动机以前进行的。气道的不规则形状（弯曲、直径变化），表面粗糙等均造成压力损失。气门流量系数的计算已经包含了气道压力损失的影响。为了防止计算过程中气道的损失被计算两次，因此在气道设定中摩擦系数和压力下降系数应设为“0”。气道的温度设定主要是由于发动机冷却系统决定的，流体流动对壁面温度的影响较小。此时的传热系数设定值高于正常值“1”，这主要用来体现气道弯度，喷油嘴和气门杆的多余面积，气门和气门杆形成的紊流的影响。ENGCYLWALL模块推荐设定进气道温度450K，排气道温度550K，高温主要是来自于气门的传热。气缸内被分割成很多部分，中间区、挤流区、头部区和活塞凹槽区，在每个时间步长内，每个区域的轴向速度、径向速度和涡流速度都被应用到燃烧室几何形状，活塞位置，进排气门处流量/涡流/滚流等的计算。23燃油喷射模块基本原理在燃油喷射模块中，用“燃油雾化率”来定义燃油经喷嘴喷射瞬时雾化的比例。由于蒸发吸收热量改变了燃油的焓值，导致空气、雾化燃油和液体燃油三者的混合物冷却。此外雾化的燃油在气道内要另外多占一部分体积。进气道喷射模型设定燃油喷入气道后，没有雾化的部分将一直以液体的形态存在，直到燃烧开始。燃烧计算过程中，雾化和液体的燃油始终按瞬态固定的比例燃烧。对于典型的进气道喷射模块，燃油雾化率初设为03（即燃油喷射瞬间30的燃油气化）。燃油雾化蒸发体积膨胀对充气效率的影响不显著，主要因为雾化吸热对混合气的冷却抵消了液体蒸发膨胀的体积。这种特性对于气化潜热很大的醇类燃料更为重要，喷口布置的离进气门越远，雾化的时间越长。对于顺序喷射的汽油机，需要知道燃油喷射率，空燃比和喷油脉宽。24燃烧模型基本原理虽然点燃式发动机和压燃式发动机燃烧模型建模原理均利用缸压计算放热率预测发动机性能8，但由于点火方式不同给燃烧带来影响，GTPOWER软针对点燃式发动机和压燃式发动机分别设定缸内燃烧分析模块。本论文仅应用“ENGCYLCOMBSIWIEBE”单维韦伯燃烧模块对点燃式发动机进行整机性能模拟计算。主韦伯常数MME11/E1/DWCBS燃烧始点/1COABMCLN1BM燃烧中点常数，燃烧率设定为50BSCLN1BS燃烧始点常数，燃烧率设定为10BECLN1BE燃烧终点常数，燃烧率设定为90AA上止点到韦伯曲线燃烧50之间的曲轴转角D韦伯曲线上燃烧1090之间的曲轴转角燃烧率计算E1WCSOECOMBUSTIN瞬时曲轴转角925发动机摩擦及驱动附件损失模块基本原理GTPOWER软件用“ENGFRICTIONCF”模块设定发动机的摩擦损失功，驱动附件（如水泵、散热器风扇等）的损失功也可连接到此模块里。计算公式如下2MPMPMAXFEPCPSFEDMPSFEDC摩擦损失功的常数部分RECOMMENDEDVALUES0305BARPF缸内最大压力系数RECOMMENDEDVALUES000400006缸内最大压力MAXMPSF活塞平均速度系数RECOMMENDEDVALUES008010BAR/M/SECMPSSF活塞平均速度平方系数RECOMMENDEDVALUES0000600012BAR/M/SEC2活塞平均速度MPSED此公式是在未知摩擦损失功情况下预测整个发动机摩擦损失功的经验公式，摩擦损失功与缸内最大压力和活塞平均速度有关。第三章XD479Q发动机模拟平台搭建31XD479Q发动机参数XD479Q型汽油机主要用作轻型客车、轻型载货车的前驱动力，也可以作为同类型汽车和其它机械配套动力使用。浙江吉利汽车公司的JL479Q具体相同的设计要求及研发目的，因此建模过程中XD479Q主要性能指标和结构参数可参照JL479Q设置，具体数据如表31所示表31XD479Q型汽油机主要参数10冷却方式水冷缸数和布置直列4缸冲程数4燃烧室型式对向斜顶面气门机构4气门、顶置、双凸轮轴缸套型式无缸径行程78969总排量，L1349压缩比935最大输出功率,KW/RMIN163/6000最大扭矩,NM/RMIN1110/5200全负荷最低油耗率,G/KWH279怠速稳定转速,R/MIN700润滑油容量,L35进气门开,CA16上止点前进气门关,CA56下止点后排气门开,CA48下止点前排气门关,CA17上止点后气门间隙冷态,进气门,MM020气门间隙冷态,排气门,MM030点火提前角,CA上止点前10700800R/MIN外形尺寸,长宽高,MM668592648干质量不带离合器,KG10332整机模型的搭建几何结构的精确描述是准确实现数值模拟的重要前提，但汽油机模型涉及到的实体很多，而且结构极其复杂，如按真实实体结构建立计算几何模型需要花费大量时间且难以实现，也没有必要。因此根据计算经验，在保证对数值计算精度不产生很大影响的前提条件下，对实体结构进行一些等效简化处理。由于对整机进行分析涉及到的工作过程太多，同时也受到计算速度的影响，因此将进排气管路简化成一维的模型，将缸内工作过程简化成零维和准维模型，这样既能保证计算的精度，又可以节省大量的时间。流程图如图31所示，模型图如图32所示。32XD479QGTPOWER模型示意图33定义外部环境参数这个模块主要确定压强、温度、气体成份等描述外部边界环境状况的参数，参数如图33所示图33指针变量AIR的设定如图34所示图3434定义空气滤清器创建空气滤清器管件，为了计算方便，将空气滤清器模拟成一维管道，通过设置压力损失系数实现它原有得功能。参数设置如下图3535定义节气门模板“ENDENVIRONMENT”用来描述上游边界条件（UPSTREAMBOUNDARYCONDITION）。将由一个进气管来连接ENVIRONMENT到空气滤清器，一个管件（PIPE）连接空气滤清器到进气歧管，歧管与空气滤清器之间连接了一个节气门。参数设置如下图36图3736定义连接管件及孔实体在模型的离散化过程中，经常需要一些管件及孔实体作为连接件。只要溢流口和管件连接到一起，就会自动创建一个“DEF”孔。缺省孔（DEFAULTORIFICE）定义模块实体之间的连接时，GTPOWER将计算前向和返回的分散率（FORWARDANDREVERSEDISCHARGECOEFFICIENTS）。尽管如此，在多数歧管中，从歧管到管道的转变都是非常平滑的（SMOOTH）。使用缺省孔将为系统增加一个并不真实的额外的损失。因此，需要使用未缺省（NONDEFAULT）孔，这里，分散率将是1。从环境未端到进气歧管未端之间的连接管件均按如下参数进行设置图38孔实体设置参数如下图3937进气系统的创建及定义建立进气系统，首先要建立进气歧管。绘制进气歧管以及离散歧管的方法（THEMETHODUSEDTODISCRETIZETHEINTAKEMANIFOLD）如下图所示。图310图311传统的分析中，离散化长度（DISCRETIZATIONLENGTH）规定进气系统中，一般是孔径的4倍；排气系统中，是孔径的55倍。离散歧管的一般步骤如下1、确定目标离散长度；2、从歧管到管道的溢流口的尺寸和位置。溢流口的尺寸和位置必须首先定义，因为它们通常包含一个容积，并且不能再次做离散。3、利用总体尺寸（OVERALLDIMENSIONS）来计算管到溢流口的长度。利用进气系统管件的目标离散化长度。如果某些管件太短（小于5倍离散化长度），它们应该与相邻的合成一体离散。上面提到的歧管几何形状已经简化了，因此只需一个溢流口实体（FLOWSPLITTRIGHTOBJECT）和一个管件实体（PIPEOBJECT）来完成歧管模型。下面列出进气管道中溢流口实体和管件实体的参数设置图312图31338定义进、排气门XD479Q汽油机采用四气门结构，2个进气门和进气道,2个排气门与排气道均成错流分别布置在气缸盖两侧，排气凸轮轴通过齿型皮带由曲轴正时齿轮驱动，进气凸轮轴借助一对齿轮与排气凸轮轴同步反向旋转。进气或排气系统结构相同,其运动规律各自独立地受制于凸轮型线,同一缸两个进气门或两个排气门的关闭规律自然保持同步。进气门气门升程曲线影响到发动机曲轴每个角度处的气门开启程度，进而影响到进气压力特性的仿真结果。GTPOWER与之相关的边界条件包括了VALVECAMPRCONN模块的LIFTARRAYS、ANGLEMULTIPLIER和CAMTIMINGANGLE。LIFTARRAYS是气门升程LIFTARRAY与曲轴转角THETAARRAY的对应关系，其输入采取THETAARRAY为0时，LIFTARRAY为最大值的形式。ANGLEMULTIPLIER是对气门从开启到关闭的角度差进行调节的参数，通过对THETAARRAY乘上ANGLEMULTIPLIER可以将LIFTARRAYS中输入的气门从开启到关闭的角度差调节至与真实情况相同的值。CAMTIMINGANGLE是气门升程达到最大值点（即THETAARRAY取0点）与压缩上止点间的曲轴角度差。由于无法获知测试车辆的真实气门升程曲线，而只清楚其气门升程最大值为8163MM，为了简化问题，LIFTARRAYS中THETAARRAY使用GTPOWER设置的默认值，但对每点的LIFTARRAY乘上8163MM与默认LIFTARRAY最大值10204MM的比值08，得到的THETAARRAY与LIFTARRAY对应关系如附录表1所示。LIFTARRAYS中填入的气门从开启到关闭的角度差（即THETAARRAY值的跨度）为156度曲轴转角，而测试车辆的角度差为252度。按照比例关系，调整后的气门开启点与升程最大点间的曲轴角度差为11797316580本机的气门开启提前角为16度曲轴转角，与压缩上止点成344度曲轴转角轴角度差，因此CAMTIMINGANGLE值取344度与1179度之和，即4619度，约为462度。取值时取凸轮转角，因此为231。调整LIFTARRAYS、ANGLEMULTIPLIER和CAMTIMINGANGLE值后得到的GTPOWER输出进气门升程曲线如图314所示图314排气门在计算CAMTIMINGANGLE的时候用的是凸轮转角，即为曲轴转角的一半，通过上述方法计算结果为257度曲轴转角，取一半值即为124度。调整参数后排气门的升程曲线如图315所示。图315进气门的具体参数设定如下图316图317图318排气门的具体参数设定如下图319图320图321图32236气缸参数设定气缸模型建立得过程中，需要确定的是燃烧室的具体结构尺寸；确定气缸壁温度；热量在气缸内传递的方式及燃烧模型等。根据原机具体参数和GTPOWER推荐参数值建立燃烧室模型如下图323图324图325指针CYLG1的设定本论文应用“ENGCYLCOMBSIWIEBE”单维韦伯燃烧模型对点燃式发动机进行整机性能模拟计算。主要需要输入得数据是由燃烧050，以及1090所对应的曲轴转角，软件自动调用计算程序，计算所需要的点火提前角，再调入燃烧模型计算公式计算。图326韦伯放热率和实验放热率对比图327图328图32937燃油喷射模块设定XD479Q具有完善的机内措施,如燃烧系统、电控喷油和电控点火定时系统、配气系统,配合机外措施的三元触媒催化系统,排放指标可达到欧洲一号标准HC500106,CO15。XD479Q为电控燃油喷射，对喷射燃油量可以通过传感器，ECU，喷油器等联合作用，进行精确控制。这里主要通过控制空燃比来实现对喷油量的控制。图330图331图332空燃比随转速变化图333燃油物化特性39排气系统的创建及定义图341是用于4缸火花塞点燃式发动机的基本排气系统。这里将有一个孔单元（ORIFICE）用来提供合理的背压。从图中可以看到，排气管1和4连接在一起，2和3连接在一起，最终又汇聚于溢出口。在排气系统模型的每个管件（PIPE）和溢出口（FLOWSPLIT）都有一个用于计算排气系统壁温的实体，称为“HEATCONDUCTIONOBJECT”。可以通过操作“EDIT/DELTTEUNUSEDOBJECTSOROBJECTANDTEMPLATES”来清除工程库。每个当前未被使用和关联的实体（或者实体和模板）都将被从工程库中删除。使用这个特性，将会发现柴油的气态和液态特性（THEVAPORANDLIQUIDPROPERTIESOFDIESEL）将会从工程图中消失。图334前面两个溢流口的参数设置如下图335图336总溢流口参数设置如下图337图33839发动机曲轴箱设定曲轴箱中，设定的是发动机冲程，气缸数，气缸排列形式，发火顺序，转速以及计算开始点（上止点前曲轴转角）。在未知摩擦损失功情况下预测整个发动机摩擦损失功，摩擦损失功与缸内最大压力和活塞平均速度有关。如果使用测功机试验直接测量出摩擦损失功，则可将摩擦损失功的常数部分设定为试验值。参数设置如下图339图340图341图342310原机外特性仿真结果及模型验证模型设定完成后，对CASESETUP及PLOTSETUP设置好后运行，得出发动机模拟外特性与实验数据对比曲线如下图345XD479Q功率对比图图346XD479Q扭矩对比图图347XD479Q比油耗对比图分析以上数据，在GTPOST中通过VIEWDATA取得图表对应转速时的数据，计算相对误差，制做误差表如下表32转速功率误差扭矩误差油耗误差20001429427099250071018702830006893890143500401428047400005206402645004751280065000214017044550027925101960003753540066500014743002分析误差表及对比曲线可知发动机最大功率以及功率随转速的变化趋势都与实验情况接近，功率线趋于平缓，高转速下误差较小，均没有超过5扭矩线在几个低转速工况下有所差异，但差值不大，相对误差能保持在5以内，最高误差值即在最大转速处也不超过10；比油耗线正常，与实验值比较相似度较高，相对误差不超过1。实验值与GTPOWER模拟得出的数据有一定的误差是多方面因素造成的。首先，在建立GTPOWER模型时做了一定程度的简化与假设，如将进气管模拟成一维管道，边界条件参数使用了GTPOWER默认值，燃烧模型使用的是比较简单但误差较大的零维韦伯燃烧模型，以及管道，接头等部件得摩擦系数与实际值存在误差，在整个模型建立过程当中，大多数参数都是参照JL479Q设置的，许多参数无法获知，因此只能使用GTPOWER默认的边界条件参数。虽然实验值与模拟值有一定的误差，但误差不大，在误差允许范围之内。综上所述，软件和模型都具有较高的计算精度和可靠性，以其为基础进行的配气相位对XD479Q油机性能计算与分析具有可信性，同时也可以用来对汽油机进行参数优化计算，可以供下一步计算分析使用11。第四章配气相位对发动机性能影响41进气门处压力分析计算发动机进气门处压力对发动机充气效率有决定性的影响，它与气缸内的压力、进气门流通面积共同决定了发动机的充气效率。进气门关闭角与进气门处压力波形相适应，使进气门关闭时刻尽量接近压力波峰值，以得到最大的充气效率12。图41进气管压力对比图图41中可以看出，当发动机转速在低谐振转速附近（2000RPM），进气门处压力呈现为较有规律的周期波，当进气门开启后，压力波达到峰值，此后，进气门处压力下降，在进气门开启约90CA及180CA后再次达到峰值。这是由于进气门开启后，发动机处于进气冲程，活塞由上止点快速向下止点移动。此时缸内压力迅速下降，在进气门形成一较大的膨胀波。进气门压力降低，空气开始从气道经进气门流入气缸。这个膨胀波沿进气歧管、谐振腔、进气总管方向流动，在进气总管口处反射压缩波，引起谐振进气系统内的压力波动。在发动机的工作循环中，各缸在谐振中相互作用，在谐振进气系统中产生相位一致的压力波，这种压力波又反射回发动机各缸的进气门处。由于在低速区，这个过程可能会重复进行，因此在90CA时，压力波达到第一个高峰。随着发动机转速的提高，低速谐振效应对进气门处压力影响较小，表现为其振幅较低。在高速区（6000RPM），当进气门开启时，进气门处压力急剧下降，成为一个“深谷”，此后压力波开始上升,并在进气门关闭前达到峰值。这是因为在进气门开启后，发动机进入进气冲程，缸内压力下降，在进气门处形成一负压力波。在进气冲程的后半段，随着活塞下行速度的减慢，进气门开启面积的减小，缸内压力逐渐上升，在进气门关闭前达到峰值。理论上发动机转速越高，压力波动幅值越高，这是因为转速越高，气体流速越快，动能转化为压力波动的影响越显著。13当发动机转速接近高谐振转速（6000RPM）时，由进气门开启产生的膨胀波到达谐振时反射为一压缩波，压缩波又沿进气歧管返回进气门处，形成正压力波，正压力波到达时刻若进气门流通面积较大，则对发动机充气效率的提高有很大帮助。当发动机处于高转速时，推迟进气门关闭可以充分的利用进气充气的惯性增压效应，提高发动机气缸的充气效率，从而提高发动机的动力性能和经济性能，而在低速下时，由于进气充气惯性增压较弱，为保证最大有效压缩比，则不再推迟进气门关闭。42配气相位对性能的影响众所周知，汽油机是用曲轴转角来表示进、排气门的实际开闭时刻及进、排气门的持续开放角的。不同型号的汽油机，因其结构和参数不同，所以最佳气门开闭时刻也不同。气门的最佳开闭时间，是由配气凸轮的形状及配气机构各零件的正确装配予以保证的。汽油机经过长期运转后，由于配气机构的磨损、变形、装配关系和气门间隙的改变，均会使配气相位发生改变，引起气门的不正常开闭和持续角变化，进而影响进、排气效率，并直接影响柴油机的动力性、经济性和废气排放性。进、排气持续角随着柴油机使用年限的延长而逐渐减小，误差变大，功率大幅下降，油耗也随之增加。另外，配气相位的改变，将使进入气缸的空气量不足而导致气缸压力过低。可见，使用中配气相位的改变，对汽油机的主要性能指标影响很大。近十几年，汽车发动机技术发展迅速，低能耗、低污染、高性能、高寿命、免维修、多样化、新结构成为当今发动机的特点。能够代替传统的固定配气相位机构，使配气动作优化，使发动机在整个工作范围内的转速和负荷下都能提供合适的气门开启、关闭时刻和升程的可变配气相位技术VARIABLEVALVETIMING简称VVT技术在配气相位优化的研究中也开始得到了大量的应用14。为了获得较好的发动机性能，配气相位应随着转速和负荷的变化而变化。最佳的配气相位应使发动机在很短的换气时间内充入最多的新鲜空气可燃混合气，并使排气阻力最小，废气残留量最少。发动机转速变化时，由于气流的速度和进排气门早开和晚关的绝对时间都发生了变化，因此，其最佳的配气相位角也应随之改变。发动机在高速和大负荷下需要较大的气门重叠角和进气门关闭角，以便得到较高的功率输出反之，在怠速和低速小负荷下则需要较小的进气门关闭角和气门重叠角，以便得到较好的怠速平稳性和废气排放性能15。XD479Q发动机的气门开闭由凸轮驱动，其配气相位是固定不变的，对其的优化可以通过各种不同的配气相位试验，从中选取兼顾各种工况时发动机性能的一种折衷方案。拥有先进的GTPOWER数值模拟平台后，我们可以省去这些繁锁的试验，在平台上改变配气定时模拟各个工况的运行状况，通过分析比较选出最优的配气相位。不仅大大提高了效率，还节约了成本。43XD479Q发动机配气相位的优化对于点燃式内燃机，排放物主要是HC、CO及NOX、。在传统的即非分层燃烧的点燃式内燃机中，可燃混合气基本上是均匀的。在这种情况下，其CO及HC排放量几乎完全取决于混合气的空燃比或过量空气系数以及点A火定时。在本模型的设定过程中，燃空比FARATIO以及点火定时已经设定好，因此排放物主要参考NOX指标。内燃机性能参数的最优化计算的基础是工作过程的数值模拟。但对内燃机的性能的要求是多目标的（经济性、动力性、排放、噪声、振动、加速性能等等）最优，问题比较复杂，因此我们依靠GTPOWER强大的模拟及后处理技术，对变配气相位后的功率，扭矩，油耗，NOX排放浓度进行综合比较分析，判断最优。GTPOWER软件进、排气配气模块中设定“CAMTIMINGANGLE”参数，在凸轮型线和气门间隙确定的情况下，“CAMTIMINGANGLE”参数决定了排气门开启角EVO、排气门关闭角EVC、进气门开启角IVO、进气门关闭角IVC。该参数在数值等于气门最大升程时的曲轴转角。因此常规的进排气配气相位的优化在GTPOWER软件中表现为进排气“CAMTIMINGANGLE”参数值的优化。原机“CAMTIMINGANGLE”进气门设定为462度，排气门设定为248度。本文在原机配气相位的基础上，分别改变进气和排气凸轮正时，并分析这个配气相位对汽油机性能的影响。然后根据结果选出三个最佳凸轮正时。最后，再用正交试验法选出一组最佳配气相位。431进气凸轮正时进气迟闭是为了利用在吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过后充气，进气门在下止点过后的一定角度时关闭。这样，可使得进气终了时，缸内压力