某發動機性能提升仿真研究

周濤，張雪林，雷蕾

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某發動機性能提升仿真研究

周濤，張雪林，雷蕾

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對某款自然吸氣汽油發動機的變型產品開發，文章運用AVL-Boost軟件搭建發動機熱力學仿真分析模型，精標定基本型發動機模型，通過嘗試改變進排氣凸輪型線和氣門正時、進氣歧管結構參數、進氣損失以及排氣背壓等手段，預測以上各方案下的發動機性能及潛力，研究提升發動機外特性性能的方法和路徑，為發動機開發性能提供一定的思路和指導。

發動機；性能；熱力學

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-105-03

引言

隨著發動機技術發展，如何提高發動機性能（動力性、經濟性）已經成為眾多工程師共同研究的課題[1]。提升發動機性能可以從提高缸內燃燒效率、提高充氣效率、減少附件傳動損失等途徑[2]。本文運用AVL-Boost軟件對某款汽油發動機進行熱力學仿真，精標定基本型發動機模型,嘗試通過改變進排氣凸輪型線和氣門正時、進氣歧管結構參數、進氣損失以及排氣背壓等手段提升發動機性能。

1、模型搭建

Boost作為發動機熱力學一維分析軟件，具有較高的工程應用價值。首先建立該汽油機的原機熱力學模擬模型，應用原機的試驗數據對仿真模型進行標定。然后在原機模型基礎上，針對進排氣凸輪型線、進氣歧管結構參數、進排氣壓力損失建立分析方案，修改相關模型設置及輸入邊界，進行熱力學分析[3]。

2、仿真分析

發動機熱力學仿真是對整個進排氣過程進行準確還原，通過賦予其準確的邊界條件，建立準確的燃燒模型描述氣體在氣缸中的燃燒放熱過程，建立準確的發動機模型，計算得到與發動機性能相關的所有結果及進排氣通道中每一點的溫度壓力流量等參數，了解發動機運行過程，以便后期的優化工作。

圖1 BOOST仿真模型

圖1是發動機的BOOST的計算模型。環境氣體從邊界SB1吸入，通過管25到穩壓腔PL3再經管1到空濾器CL1，再通過管2進入節氣門R1，出來再通過管3接入進氣歧管的諧振腔，進氣歧管的諧振腔用PL1代替。管子5—12代表進氣歧管和氣道，通過氣道將氣引到氣缸C1—C4。考慮排氣歧管較短，將排氣歧管和排氣道簡化成13-20，交匯處通過接頭J1連接，通過J1經管子26連接到三元催化器Cat1，再通過管道21連到諧振腔PL2，出來經管22再連接到PL4，最后由管23和24通向大氣邊界SB2。

2.1 仿真模型標定

任何一個熱力學仿真分析之前，均需要對分析模型進行標定，以確認該模型是否能滿足工程應用要求。在對比大量試驗結果與分析結果后得出：對于汽油機BOOST模型，仿真分析結果與試驗結果差值在4%、關鍵點在2%以內是合格的。一般認為，對于汽油機BOOST模型，分析結果與試驗結果差值在4%、關鍵點在2%以內是合格的。調校后的模型計算值曲線與試驗值曲線吻合度較高、趨勢一致，各關鍵工況點（最低轉速、最大扭矩轉速、額定功率轉速工況）中各項參數對比差值均在2%以內，判斷該模型滿足工程應用要求，可用于后續的優化設計分析。目標發動機性能主要參數即扭矩、功率和比油耗與試驗數據對比如圖2所示。

圖2 發動機扭矩、功率、比油耗、進氣量、排氣背壓、排氣溫度對比

2.2 凸輪型線優化

以扭矩最大、比油耗最低為限制條件，運用DOE軟件對凸輪型線進行修改，得到如圖3所示三個最優方案。

圖3 發動機進排氣凸輪型線優化方案

三種型線方案對高轉速和低轉速動力性有明顯改善效果。但在1600rpm～4800rpm范圍內，動力性較原方案惡化較多。

圖3 各凸輪型線方案發動機仿真預測結果

2.3 進氣損失研究

自然吸氣發動機由于進氣壓力無法像增壓型發動機實現可控，因此進氣損失直接影響到發動機進氣量，進而影響性能。仿真結果如圖4所示，降低進氣損失后，全轉速范圍內進氣量增加，功率、扭矩均有所提升，比油耗有所降低。其中，當進氣損失減小1KPa時， 6000rpm進氣量增加1.15%、功率提升1.2kW、比油耗降低約0.33%。

圖4 進氣損失方案比較

2.4 排氣背壓研究

圖5 排氣背壓方案比較

針對不同排氣背壓進行整機性能仿真，結果顯示：當排氣背壓降低5kPa，全轉速動力性提升、經濟性改善，其中6000rpm扭矩和功率增加0.71%、比油耗降低0.79%；當排氣背壓降低10kPa，整機動力性、經濟性進一步提升，其中6000rpm扭矩和功率增加1.4%、比油耗降低0.79%。具體結果見圖5。

2.5 進氣歧管研究

針對進氣歧管不同長度分析，結果表明：短管有利于高轉速性能，但中等轉速區域會出現扭矩掉坑現象，見圖6。

Improving engine performance simulation research based on Boost

Zhou Tao, Zhang Xue Lin, Lei Lei
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to investigation gasoline engine, this paper uses AVL- Boost software to build thermodynamic analysis model, calibrate the boost model of engine. Predict and contrast engine performance by modifying cam、intake manifold and air pressure loss. This paper researchs that how these cases infect engine performance to supply method of engine development.

engine; economy; thermodynamic

U462.1

A

1671-7988 (2017)02-105-03

周濤，(1983-)，男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。主要從事發動機設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.035