【《基于过GT-Power的柴油机仿真模型的建立和验证分析案例》3600字】

PAGE63基于过GT-Power的柴油机仿真模型的建立和验证分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u791基于过GT-Power的柴油机仿真模型的建立和验证分析案例 162201.1GT-Power仿真软件简介 112421.2仿真模型的建立 259171.1.1基本假设及原理 28351.1.2仿真模型的建立 356191.1.3仿真模型的参数设置 4226991.3仿真模型的验证 7244731.4小结 9本章根据某型号柴油机的结构参数和技术参数，通过GT-Power仿真计算软件，建立了数值计算模型，并对模型中的进出口边界条件、进排气管路、进排气门模块、气缸及曲轴箱模块等子系统模块的参数进行了设置，最后结合试验得到的数据，完成模型的准确性验证。1.1GT-Power仿真软件简介GT-Power是由GammaTechnologies公司开发的集成了发动机的性能、排放、噪声计算、控制功能设计等多种功能的模拟软件[68]。GT-Power是交互式仿真环境，在GT-ISE中完成模型搭建、相应参数设置、工况和条件确定、计算等工作，在GT-POST中完成图形及数据的输出，操作简便且通俗易懂。并且建立完成的模型还可以运用到GT-Suite中的整车分析模块，进行燃油供给系统设计、发动机热管理、动力系统仿真计算、曲轴的动力学分析、配气机构动力学分析等开发设计工作[69]。GT-Power中根据数据库不同的功能分成了不同的模块，并设置了每个模块通用的参数，只需定义元件独特的几何元素便能进行建模，最大限度地减少了所需的数据输入。根据模型的特点，主要分为General、Flow、Acoustics、Thermal、Mechanical、Electromagnetic、Control七个大类[70]。General是通用模块，主要包括自带的一些数据参考，如燃油性质数据，喷油时刻变化曲线、滤波函数等；Flow是与流体的流动相关的模块，主要包括不同形状的管道、不同功能的阀门等；Acoustics是与声学相关的模块，主要包括消音元件、麦克风、噪声分析部件等；Thermal是与传热相关的模块，主要包括壁面散热、传热公式等；Mechanical是与机械结构相关的模块，主要包括发动机机体、变速器、气门驱动机构等；Electromagnetic是与电器元件和磁场相关的模块，主要包括电磁阀、电池等；Control是与执行及控制相关的模块，主要包括各种控制器、执行器等。GT-Power中管道和发动机系统其他部件中的流动和传热是基于一维气体动力学计算的，适用于所有类型的内燃机，并为用户提供许多组件来模拟先进的想法，可以用于多种形式（点燃和压燃、直列和V型等）内燃机的性能分析、排放及后处理分析、进排气管路设计优化、凸轮型线设计、EGR阀开度分析、排气消声器的设计、不同增压（涡轮增压、机械增压、多级增压等）的匹配计算，并输出多个变量（通道中的流速和流量，系统中的温度，系统中的压力，管道、分流器和其他部件的温度，容积效率、功率和扭矩，点燃和压燃的燃烧速率，氮氧化物和爆震，催化剂化学，热传递，噪声频带等）随时间变化的规律[71]。其计算流程如图2-1所示。图2-1GT-Power仿真流程1.2仿真模型的建立1.1.1基本假设及原理为了研究缸内工质的变化情况，将活塞顶面、缸壁和缸盖底面所包围的空间看作一个热力学系统，该系统通过缸壁和外界交换热量，通过进排气门和外界交换物质及能量[72]。为了将复杂的热力过程简化，在计算过程中，对缸内的工质作出如下假设：（1）缸内的工质是理想气体，满足理想气体状态方程。（2）缸内的工质在缸内各点的状态是相同的，不存在空间分布问题。（3）不考虑缸内的工质在进入和排出气缸过程中的内部压力波动和温度变化的影响。（4）气门关闭状态下缸内工质无泄漏。（5）忽略缸内的工质在进口和出口处的动能。通过上述假设，每个时刻都可以通过质量、压力、温度三个基本参数来确定缸内工质状态，燃烧过程也可以通过理想气体状态方程、质量及能量守恒方程串联起来。软件在计算过程中采用的是“交错网格”进行离散化，可以通过输入离散长度将管路离散成一个或多个流动单元，其中的每个单元都可以由单个小体积表示，每个体积又由边界相互串联在一块。标量变量在每个体积上是一致的，因此计算过程中只需要在体积中心处求解即可，例如温度、密度及压力等；速度等矢量变量需要在每个体积的边界计算。1.1.2仿真模型的建立搭建模型时，需要根据目标试验样机的实际机械结构及子系统模块划分，在不同的子系统模块窗口中输入试验样机的相关参数，其主要的技术和结构参数如表2-1所示。表2-1试验样机主要技术和结构参数项目参数种类直列六缸、四冲程每缸气门数量4进气形式增压中冷排量/L9.5缸径/mm116行程/mm150额定转速/（r/min）1900最大输出功率/kW276最大扭矩/N·m1800最大扭矩转速/（r/min）1000~1400发火顺序1-5-3-6-2-4压缩比17.5根据柴油机的布置以及管路的连接情况，建立了如图2-2所示的六缸增压中冷柴油机仿真模型。外界空气由边界入口进入到进气管中，经过压气机压缩后压力和温度升高，然后进入到中冷器降温，冷空气依次通过进气管路后进入到气缸中，与喷油器喷入到气缸内的燃油混合燃烧后，产生的废气依次经过排气管路后，最后由出口边界排到外界当中。图2-2GT-Power仿真模型1.1.3仿真模型的参数设置在对仿真模型进行参数设置时，可以根据试验数据直接输入相应的参数，也可以使用GT-Power软件推荐的经验值，对于一些不影响计算结果的参数，还可以进行忽略。下面对模型中的部分参数设置进行简要说明：（1）进出口边界条件进口边界是指外界气体进入到进气系统的入口，出口边界是指排气系统的气体排出到外界的出口。进出口边界的压力为1.01bar，温度为298K，组分为空气，其中空气的成分为氮气占76.7%，氧气占23.3%。（2）进排气管路进排气系统管路参数主要包括管道进出口直径、弯管角度、管长、壁面温度、离散化长度等。GT-Power软件中有一些推荐值可以用来确定离散化长度：在研究发动机指标的变化趋势时，由于进排气管的温度不同，故离散化长度也不同；对于发动机转速超过6000r/min的性能分析，管路的离散化长度应该适当减小；对于典型的声学分析，建议离散化长度约为一般性能分析的一半。由于本文主要对柴油机的缸内制动性能进行仿真研究，因此进排气管的离散化长度分别采用推荐的46.4mm（0.4倍缸径）和63.8mm（0.55倍缸径）。（3）进排气门模块进排气门模块主要是对进排气门的相位、升程等进行设置，主要的参数设置如表2-2所示。表2-2进排气门参数设置参数名称进气门排气门凸轮正时参考点压缩上止点压缩上止点最大升程角度/°CA453255气门参考直径/mm38.835.8设置好基本参数后，输入进排气门的凸轮升程表或气门升程表，便可以得到进排气门的气门运动规律。另外，还需要在相对应的窗口利用试验测量到的数据对进排气门的流量系数进行计算，计算公式如（2-1）所示。(2-1)式中：——质量流量；——流量系数；——参考流通面积；——上游滞止密度；——气体常数；——上游滞止温度；——绝对压力比；——绝热指数。根据公式（2-4）计算得到的流量系数随气门升程变化的曲线如图2-3所示。图2-3进排气门流量系数（4）气缸模块气缸模块主要是对燃烧室壁面的温度、活塞顶面凹坑的形状、燃烧模型、气缸壁面的传热等参数进行设置。GT-Power软件中推荐的发动机工作时的温度范围为：缸盖底部温度通常在500~600K之间，活塞顶部温度一般不超过600K，缸壁温度通常在400K附近。活塞顶面凹坑的形状需要根据活塞顶部实际的几何参数进行设置。燃烧模型选用三韦伯函数燃烧模型，可以根据试验数据计算出预燃期、主燃期、后燃期相对应的参数值。气缸壁面的传热主要根据Annand公式、Sitkei公式及Woschni公式等一些经验和半经验公式进行求解，GT-Power中应用的是WoschniGT公式。（5）曲轴箱模块曲轴箱模块主要是对发动机类型、曲柄连杆机构的尺寸参数、发火顺序等参数进行设置，其主要的参数设置如表2-3所示。表2-3曲轴箱参数设置项目设置种类四冲程气缸直径/mm116活塞行程/mm150连杆长/mm201压缩比17.5上止点间隙高度/mm0.8发火顺序1-5-3-6-2-4发火间隔角度/°CA1201.3仿真模型的验证仿真模型建立后，需要与试验数据进行对比，以验证仿真模型的准确性。图2-4和图2-5为发动机转速1200r/min时在不同的扭矩T下，燃油消耗量B以及过量空气系数的试验测量值和仿真计算值对比。由图中可以看出，不同扭矩T下燃油消耗量B相对误差绝对值的最大值为3.75%，过量空气系数相对误差绝对值的最大值为1.82%，均小于5%。图2-4转速1200r/min时油耗量B试验测量值和仿真计算值对比图2-5转速1200r/min时过量空气系数试验测量值和仿真计算值对比图2-6和图2-7分别为发动机转速1900r/min时在不同的扭矩T下，燃油消耗量B以及过量空气系数的试验测量值和仿真计算值对比。由图中可以看出不同扭矩T下燃油消耗量B相对误差绝对值的最大值为3.85%，过量空气系数相对误差绝对值的最大值为4.62%，均小于5%。由试验测量值和仿真计算值对比可以得到，建立的计算模型满足标定的要求，可以用于缸内制动性能的仿真计算。图2-6转速1900r/min时油耗量B试验测量值和仿真计算值对比图2-7转速1900r/min时过量空气系数试验测量值和仿真计算值对比1.4小结本章主要对目标柴油机模型的搭建过程、参数设置以及准确性验证过程进行了说明，主要内容如下：（1）搭建了