采用GT-POWER仿真的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣性能優(yōu)化

王若平,余云飛,洪 森

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

采用GT-POWER仿真的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣性能優(yōu)化

王若平,余云飛,洪 森

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

進(jìn)氣系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，進(jìn)氣性能嚴(yán)重影響了發(fā)動機(jī)和整車的性能，因此設(shè)計充氣效率高的進(jìn)氣系統(tǒng)是汽車工程和學(xué)術(shù)界長期以來追求的目標(biāo)。利用GT-power建立了某4缸汽油發(fā)動機(jī)的工作過程模型,在驗證了該模型的準(zhǔn)確性后,通過對進(jìn)氣系統(tǒng)管道長度與直徑的改變，找出了充氣效率的影響規(guī)律，對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并驗證了該優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。

GT-power；充氣效率；進(jìn)氣系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣過程是一種脈動與諧振共存的過程。進(jìn)氣性能與進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中管道的長度、直徑有著直接的關(guān)系。近年來，國內(nèi)外許多研究者對此進(jìn)行了大量的研究[1-10],結(jié)果表明:進(jìn)氣系統(tǒng)管道長度影響進(jìn)氣管道內(nèi)壓力波諧振頻率；直徑影響進(jìn)氣管道內(nèi)壓力波幅值。在發(fā)動機(jī)的設(shè)計過程中，由于受到經(jīng)濟(jì)成本、實驗條件等的限制，多采用理論加經(jīng)驗的估算方法來設(shè)計發(fā)動機(jī)[1-2]。該方法雖然能節(jié)約時間，但存在精度低的缺點，無法保證設(shè)計出來的進(jìn)氣系統(tǒng)具有最優(yōu)的性能。本文利用GT-power軟件搭建了與某汽油發(fā)動機(jī)相匹配的進(jìn)氣系統(tǒng),研究了進(jìn)氣系統(tǒng)長度與直徑改變對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣性能的影響規(guī)律，對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并驗證了優(yōu)化方案的正確性。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)的理論分析與組成

在發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣過程中，當(dāng)進(jìn)氣系統(tǒng)管道長度適當(dāng)時,進(jìn)氣后期進(jìn)氣閥處的壓力波為增壓波,新鮮工質(zhì)(空氣)將被壓縮進(jìn)入氣缸,產(chǎn)生諧振增壓的效果,增加進(jìn)入氣缸內(nèi)新鮮工質(zhì)的質(zhì)量,從而提高發(fā)動機(jī)的動力性能[3-4]。大量的文獻(xiàn)資料[5-6]顯示：管道長度與諧振頻率成反比關(guān)系,縮短管道長度使得諧振頻率增大,進(jìn)氣諧振點向高轉(zhuǎn)速移動,反之則向低轉(zhuǎn)速移動。因而可以利用這一特性來提高發(fā)動機(jī)特定轉(zhuǎn)速下氣缸的充氣效率,改善發(fā)動機(jī)動力性能。

1.1 進(jìn)氣系統(tǒng)的組成

如圖1所示，進(jìn)氣系統(tǒng)一般由進(jìn)氣導(dǎo)流管、空氣濾清器、赫姆霍茲消聲器、四分之一波長管、進(jìn)氣總管、進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣控制閥等組成。從結(jié)構(gòu)形式考慮，影響進(jìn)氣阻力的因素主要有進(jìn)氣系統(tǒng)中的管道結(jié)構(gòu)和空氣濾清器等。改善進(jìn)氣過程中的管道結(jié)構(gòu)能很好地降低進(jìn)氣阻力，從而提高進(jìn)氣效率[5-6]。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)組成圖

1.2 進(jìn)氣性能評價指標(biāo)

發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣性能直接影響著內(nèi)燃機(jī)的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

(1)

其中：pi為平均指示壓力；ηi為指示效率；Hu為燃燒低熱值；Lo為燃燒1 kg燃料理論上所需的空氣量；Ps為進(jìn)氣系統(tǒng)壓力；TS為進(jìn)氣系統(tǒng)的溫度；ηv為充氣效率。

平均指示壓力是指發(fā)動機(jī)單位汽缸工作容積一個循環(huán)能發(fā)出的有效功，是衡量發(fā)動機(jī)動力性能的重要指標(biāo)。因此，提高內(nèi)燃機(jī)的充氣效率對提高內(nèi)燃機(jī)的綜合性能有重要意義。

(2)

由式(2)可知：提高充氣效率主要從提高吸氣終了壓力和降低殘余廢氣壓力著手。本研究主要通過改變吸氣的壓力來提高充氣效率。

2 GT-power模型的搭建

GT-power是以一維CFD為基礎(chǔ)，采用有限容積法對熱流體進(jìn)行模擬計算的軟件，在計算進(jìn)氣系統(tǒng)流體狀態(tài)時應(yīng)用的基本控制方程如下：

連續(xù)方程：

動量方程：

能量方程：

發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

根據(jù)樣車的以上參數(shù)建立如圖2所示的GT-power模型。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)性能參數(shù)

由圖3可知：仿真模型與實驗測得的數(shù)據(jù)整體趨勢一致并且在數(shù)值上差距較小，可以判斷搭建的模型基本與該款樣車的進(jìn)氣特性相吻合。

圖2 發(fā)動機(jī)GT-power模型

圖3 實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相比較

3 整改方案

根據(jù)管道長度與直徑對進(jìn)氣壓力的影響，設(shè)置了以下3種方案對樣車的充氣效率進(jìn)行改進(jìn)：

1) 調(diào)整進(jìn)氣總管長度，調(diào)整范圍：±40%、±20%、+60%；

2) 調(diào)整進(jìn)氣總管直徑，調(diào)整范圍：±40%、±20%、+60%；

3) 調(diào)整進(jìn)氣歧管長度，調(diào)整范圍：±40%、±20%、+60%。

3.1方案1：進(jìn)氣總管長度調(diào)節(jié)對充氣效率的影響

進(jìn)氣總管的長度主要影響進(jìn)氣系統(tǒng)中的波動效應(yīng)。由圖4可知：當(dāng)進(jìn)氣總管長度增加時，在低轉(zhuǎn)速下，充氣效率略有波動，整體趨勢一致；在3 000～3 400 r/min時，充氣效率會有提高，且峰值會向低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)移；在3 400 r/min以后充氣效率會減少。

當(dāng)進(jìn)氣總管長度減少時，在3 400 r/min之前，改進(jìn)前后整體保持一致；在3 400～4 000 r/min，整體充氣效率提高。

綜合以上的數(shù)據(jù)分析可知：對進(jìn)氣總管長度的變化范圍應(yīng)控制在-20%～+20%。

圖4 進(jìn)氣總管長度改變對充氣效率的影響

3.2方案2：進(jìn)氣總管直徑的調(diào)節(jié)對充氣效率的影響

進(jìn)氣總管直徑主要影響進(jìn)氣管道內(nèi)壓力波幅值。由圖5可知：當(dāng)進(jìn)氣總管直徑增加時，在低轉(zhuǎn)速下，充氣效率略有波動，但改進(jìn)前后整體趨勢一致；在3 000～3 400 r/min時，充氣效率基本不變，且在3 400 r/min左右充氣效率達(dá)到峰值；在 3 400～4 000 r/min，充氣效率整體增加。

當(dāng)進(jìn)氣總管直徑減少時，整體充氣效率減少，在3 000～4 000 r/min,充氣效率降低較多，峰值也有所下降。這是由于減小管道直徑會增加系統(tǒng)的沿程阻力和局部損失，從而減少充氣效率。

綜合以上分析可知：對進(jìn)氣總管直徑的變化應(yīng)控制在+20%～+40%。

圖5 進(jìn)氣總管直徑變化對充氣效率的影響

3.3方案3：進(jìn)氣歧管長度變化對充氣效率的影響

由圖6可知：當(dāng)進(jìn)氣歧管長度增加時，在低轉(zhuǎn)速充氣效率略有波動；在2 500～3 000 r/min，進(jìn)氣歧管長度增加，充氣效率會有所增加；在高轉(zhuǎn)速時，充氣效率會有所減少；當(dāng)進(jìn)氣歧管長度減少時，整體充氣效率會減少。

綜合以上分析可知，進(jìn)氣歧管長度的增加范圍應(yīng)控制在+40%～+60%。

4 針對4 000 r/min下充氣效率達(dá)到峰值的時間分析

該發(fā)動機(jī)的常用轉(zhuǎn)速在4 000 r/min左右，該轉(zhuǎn)速下達(dá)到充氣效率峰值的時間越短，對整個發(fā)動機(jī)的動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性提高越明顯。針對以上方案，對充氣效率峰值時間進(jìn)行分析。

4.1進(jìn)氣總管長度變化對充氣效率峰值時間的影響

由圖7可知:當(dāng)進(jìn)氣總管長度增加時，充氣效率達(dá)到峰值的時間會提前，但充氣效率會略有降低；當(dāng)進(jìn)氣總管長度減少時，充氣效率達(dá)到峰值時間與峰值的大小基本不變。綜合以上分析可知：進(jìn)氣總管長度應(yīng)控制在-20%～+40%。

圖7 進(jìn)氣總管長度對充氣效率峰值時間的影響

4.2進(jìn)氣總管直徑的變化對充氣峰值時間的影響

由圖8可知：當(dāng)進(jìn)氣總管直徑增加時，達(dá)到峰值的時間基本不變，整體充氣效率會有增加；當(dāng)進(jìn)氣總管直徑減少時，峰值時間略有延后，并且整體充氣效率會大幅減少。綜合以上分析可知：進(jìn)氣總管直徑控制范圍應(yīng)在+20%～+40%。

圖8 進(jìn)氣總管直徑對充氣峰值時間的影響

4.3進(jìn)氣歧管長度對充氣效率峰值時間的影響

由圖9可知：隨著進(jìn)氣歧管長度增加，充氣效率峰值時間會有所提前，但峰值會減少；當(dāng)進(jìn)氣歧管長度減少時，充氣峰值時間基本不變，峰值會有較大幅度的減少，在減少20%時，充氣效率峰值時間基本不變，且整體充氣效率有所增加。綜合以上分析可知：進(jìn)氣歧管長度的變化范圍應(yīng)在-20%左右。

圖9 進(jìn)氣歧管長度變化對充氣效率峰值時間的影響

4.4方案總結(jié)與優(yōu)化

綜合以上的數(shù)據(jù)分析，考慮到各個因素對充氣峰值和峰值時間的影響，最終采取的控制方案是：對進(jìn)氣總管長度的變化范圍控制在-20%～+20%；進(jìn)氣總管直徑變化范圍為+20%～+40%；犧牲充氣效率峰值時間，進(jìn)氣歧管長度的范圍應(yīng)控制在+40%左右。

表2 各方案對比

5 結(jié)論

1) 本文在充足的參數(shù)基礎(chǔ)上利用GT-power搭建模型，保證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

2) 基于已有的理論，對樣車從管道長度和直徑兩方面進(jìn)行優(yōu)化，從中找出了相應(yīng)的變化規(guī)律。

3) 綜合兩個參數(shù)的影響，對所提的優(yōu)化方案做了進(jìn)一步的篩選，極大地提高了優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。

4) 采用CFD與實驗相結(jié)合的方法，縮短了進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)的時間，優(yōu)化了進(jìn)氣系統(tǒng)的性能。

5) 由于受到條件的限制，沒有對改進(jìn)方案進(jìn)行實車驗證，因而與實際工況會存在一定的偏差。

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(責(zé)任編輯陳 艷)

OptimizationofEngineIntakePerformanceBasedontheSimulationofGT-Power

WANG Ruoping, YU Yunfei, HONG Sen

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013， China)

Intake system is an important part of the engine, and the performance of the engine and the performance of the vehicle is seriously affected by the intake system. The design of the intake system with high efficiency is the goal which the automobile engineering and the academic circles have been pursuing. This paper establishes a simulation model of a 4 cylinder gasoline engine working process by using GT-power software to verify the accuracy of the simulation model, to accelerate the charging efficiency condition and speed of the engine by changing the length and diameter of pipeline simulation of intake system, and it finds out the influence of the optimized intake system and verifies the accuracy of this optimized system.

GT-power; gas charging efficiency; air intake system

2016-12-18

王若平(1960—)，女，黑龍江哈爾濱人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代汽車設(shè)計理論與方法研究，E-mail：1104816058@qq.com。

王若平,余云飛,洪森.采用GT-POWER仿真的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣性能優(yōu)化[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(10):1-5.

formatWANG Ruoping, YU Yunfei, HONG Sen.Optimization of Engine Intake Performance Based on the Simulation of GT-Power[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):1-5.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.001

TK411.6

A

1674-8425(2017)10-0001-05