排氣壓力波在GT-POWER中的仿真分析

譚世威 李光 李敏

摘要：通過GT-POWER軟件模擬了V6增壓柴油發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)的工況可以根據(jù)壓力波曲線圖進(jìn)行分析，對發(fā)動機(jī)排氣總管的長度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整得到一些壓力波曲線圖

關(guān)鍵詞：GT-POWER;排氣系統(tǒng);壓力波曲線

1、建模

在仿真軟件GT-POWER中可以簡單模擬消聲器，也可以將發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)進(jìn)行模擬分析，判斷噪聲分析壓力波的狀況。利用GT_POWER這個軟件，可以建模V型排列的六缸四沖程的柴油發(fā)動機(jī)，那樣就可以完成排氣管內(nèi)壓力波的形成，因而就可以理解它的傳播的方式，間接了解它與發(fā)動機(jī)工況兩者的關(guān)系[1]。詳細(xì)的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：由排氣歧管將氣缸L1、L2、L3和R1、R2、R3的排氣出口匯集到前排氣管，這樣的排列方式可以節(jié)約空間，并降低燃燒噪聲，并且將廢氣中的HC和CO繼續(xù)燃燒，后面連接著催化轉(zhuǎn)換器、消聲器、排氣尾管[9]，如圖1 所示。

假設(shè)V型六缸四行程的點(diǎn)火順序為1-6-5-4-3-2，V型六缸四行程的點(diǎn)火間隔角為120度，三個曲拐互成120度，這順序是按照人在駕駛室內(nèi)的位置，以右邊為基準(zhǔn)的點(diǎn)火順序為這個，如果換成左邊點(diǎn)火順序為1-4-5-2-3-6。發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)的行程。由表1可以清楚地了解到這六個氣缸按照特定的順序輪流進(jìn)行四個沖程。在進(jìn)行排氣行程后期，進(jìn)氣閥門開啟，氣缸本身和氣缸之間形成進(jìn)排氣重疊，這樣在排氣管內(nèi)就存在壓力波造成了疊加與干涉[2]。

2、改變發(fā)動機(jī)參數(shù)

只改變轉(zhuǎn)速和排氣總管道，其他條件不變，還有環(huán)境參數(shù)也是固定的。在仿真軟件GT-POWER環(huán)境下，將發(fā)動機(jī)大氣壓設(shè)定為0.1MPa，溫度設(shè)定為300K，這仿真軟件還具備數(shù)據(jù)打印的功能，可以應(yīng)用GT-POST模塊打印出以下各個構(gòu)件的壓力波形：順序依次為排氣尾管出口（81），氣缸排氣出口（圖的ExPort-1），排氣歧管（exh-01），消聲器前的排氣管（exh-07）。下圖所示縱坐標(biāo)是指氣體的壓力，橫坐標(biāo)是指曲軸轉(zhuǎn)角，旋轉(zhuǎn)角度從-180～540度，曲軸總共旋轉(zhuǎn)兩周，需要經(jīng)過四個行程，壓力上升表明排氣閥門逐漸打開，有壓力氣體向外排出，壓力下降表明排氣閥門逐漸關(guān)閉，排期結(jié)束。因為是在仿真軟件建模分析，不存在壓力波曲線不對稱的情況，如果對某個真實的汽車進(jìn)行壓力波實驗，波峰或者波谷不對稱，則表明排氣機(jī)構(gòu)有問題。

在仿真軟件GT-POWER模擬環(huán)境中，發(fā)動機(jī)的溫度和壓力是設(shè)定好的，排氣系統(tǒng)的構(gòu)件也不改變，選擇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1500rpm時改變氣缸R1的排氣總管末端長度，R1氣缸排氣總管的原長為100mm，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加長和縮短得到氣缸R1排氣出口處的壓力波曲線圖，將原管長縮短為50mm，接著再加長為150mm。如圖3.5所示進(jìn)行對比，不管R1的排氣總管加長還是縮短，對于壓力波的波峰和波谷的影響都不是很大，而且沒有相位延遲和增加[3]。因此，這種方法雖然可用于增加排氣管長度，但一般不考慮，這是因為它不利于保持柴油機(jī)的緊湊型和實用性。只能將排氣總管的長度進(jìn)行縮短，至于排氣總管的長度要縮成多長還需要進(jìn)一步分析。

3、結(jié)論

使用仿真軟件，建立柴油機(jī)的模型，模擬發(fā)動機(jī)進(jìn)行一個工作循環(huán)。改變已建模好的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，得到三個排氣出口處的壓力波變化曲線，分析得出壓力波的幅值和相位都隨著轉(zhuǎn)速的改變。幅值在逐漸升高，代表著進(jìn)氣量在增加。相位移動是因為轉(zhuǎn)速在改變。然而排氣總管的長度變化對于壓力波的影響很小，因為是計算機(jī)模擬，所以壓力波曲線都很對稱。如果是實體進(jìn)行實驗，出現(xiàn)不對稱的情況，則表示排氣機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了故障，需要維修，否則一個氣缸將不會工作或者油耗變大。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅馬吉.進(jìn)氣管內(nèi)三維穩(wěn)態(tài)流動特性的數(shù)值分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車， 2001（2）：1-4.

[2]陳溢文.基于排氣壓力波分析的汽車發(fā)動機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].桂林電子科技大學(xué)， 2006.