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1、第7期(总第437期)内燃机车2010年7月计算·分析基于GT-Power模型的发动机进气系统优化12石来华,冯仁华(1.国家客车质量监督检验中心,重庆401122;2.湖南大学先进动力总成技术研究中心,湖南长沙410082)摘要:利用GT-Power软件建立了某4缸汽油发动机工作过程仿真模型,在验证了该仿真模型的准确性后,分析计算了进气系统管道长度变化对发动机动力性能的影响,从中找出了其影响的规律,并在该规律的指导下对发动机的进气系统管道长度进行了优化。试验结果表明,进气系统管道长度优化的发动机动力性能达到了厂家的要求。关键词:汽油机;进气系统;
2、性能优化+中图分类号:TK413.44文献标识码:A文章编号:1003-1820(2010)07-0028-04发动机的进气过程是一个复杂的脉动和谐振1发动机进气特性分析过程,该过程与进气系统的结构形式,进气系统管发动机的进气过程是一个复杂的脉动和谐振道的长度、直径等有着直接的关系。近年来国内外过程,该过程与进气系统的管道长度有着直接的关许多研究者对此进行过大量的研究,其研究结果表系。当进气系统管道长度适当时,在进气后期进气明:进气系统管道长度影响进气管道内压力波谐振阀处的压力波为增压波(压缩波,幅值大于平均进[1-5]频率;直径影响进气管道内压力
3、波幅值。但由气压力),新鲜工质(空气)将被压缩进入气缸,产于受发动机试验条件、研发成本等诸多因素的限生谐振增压(RAM)的效果,增加进入气缸内新鲜制,在发动机设计时,多采用理论估值加经验设计工质的质量,从而提高发动机的动力性能。大量的的方法,这无法保证所设计的进气系统为最优的方文献资料显示管道长度与谐振频率成反比关系,缩案。随着计算机硬、软件技术的迅猛发展及其在工短管道长度谐振频率增大,使得进气谐振点向高转程中的广泛应用,发动机性能仿真技术也得到了快[2,6]速移动,反之则向低转速移动。因而可以利用速发展并日渐成熟,逐渐成为现代发动机设计研究这一特
4、性来提高发动机特定转速下气缸的充气效的主要辅助手段。GT-Power软件就是其中较优秀率,改善发动机动力性能。的软件之一,本文利用GT-Power软件完成了与某汽油发动机相匹配的进气系统管道长度对发动机2仿真模型的建立动力性能影响的计算分析及管道长度的优化改进。2.1发动机的基本参数与进气系统本优化改进的原型机为一台自然吸气、气道多点喷射的4缸汽油发动机,发动机的进气系统如图收修回稿日期:2010-04-011所示,其基本参数及优化后的性能指标如表1所作者简介:石来华(1980—),男,湖北恩施人,助理工程列。师,硕士研究生。第7期(总第437期)
5、石来华等:基于GT-Power模型的发动机进气系统优化29表1发动机基本参数及优化后的性能指标式中:c为气体流速;ρ为气体密度;p为气体压参数原机优化后力;F为管道截面积;f为管壁摩擦阻力。气缸数442.3发动机工作过程模拟计算结果缸径×行程/mm80.6×8880.6×88排量/L1.7941.794利用仿真模型对发动机全负荷时几个工况点压缩比10.1310.13的动力性能进行了计算,得到了如图3所示的速度进气方式自然吸气自然吸气标定功率/kW87.1≥90.0特性曲线。由图可见,在4800r/min时,最大扭矩标定转速/r·min-15750≤
6、6000为154.8N·m;在5750r/min时的功率为87.6最大扭矩/N·m158.2≥158.2-1kW;而实测在4800r/min时,最大扭矩为158.2最大扭矩转速/r·min4800-注:改进后发动机全负荷各工况点的动力性能应优于原机。N·m;在5750r/min时的功率为87.1kW,两者最大扭矩误差为2.19%,最大功率误差为0.57%,均小于5%。说明对该发动机工作过程的模拟较准确,所建立的发动机工作过程模型可用于进气系统管道长度变化对发动机动力性能影响的计算分析。3优化方案的计算与分析图1进气系统示意图为了降低改进设计的难度及
7、模具等的开发成本,根据厂家要求只对进气系统的管道长度进行适2.2发动机工作过程仿真模型当的优化。结合发动机在车上的布置形式,确定了利用GT-Power软件建立的汽油机工作过程仿进气总管、进气歧管分别加长20%、10%和缩短真模型包括进气系统、排气系统、喷油部件、气缸和20%、10%4个方案。曲轴箱等(见图2)。GT-Power是以一维CFD为基3.1进气总管长度变化对动力性能的影响础,采用有限容积法对热流体进行模拟计算的软图4为不同进气总管长度计算得到的扭矩转件,在计算进、排气管内流体状态时应用的基本控速曲线。由图可知,当其他结构参数不变时,进气制
8、方程有:总管长度的改变在中、高转速区对发动机动力性能ρcρρcdF连续方程:+ρ+c+=0的影响不大,但在低转速区(160
