采用GT-POWER仿真的發動機進氣性能優化

王若平,余云飛,洪 森

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

采用GT-POWER仿真的發動機進氣性能優化

王若平,余云飛,洪 森

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

進氣系統是發動機的重要組成部分，進氣性能嚴重影響了發動機和整車的性能，因此設計充氣效率高的進氣系統是汽車工程和學術界長期以來追求的目標。利用GT-power建立了某4缸汽油發動機的工作過程模型,在驗證了該模型的準確性后,通過對進氣系統管道長度與直徑的改變，找出了充氣效率的影響規律，對進氣系統進行了優化，并驗證了該優化方案的準確性。

GT-power；充氣效率；進氣系統

發動機的進氣過程是一種脈動與諧振共存的過程。進氣性能與進氣結構中管道的長度、直徑有著直接的關系。近年來，國內外許多研究者對此進行了大量的研究[1-10],結果表明:進氣系統管道長度影響進氣管道內壓力波諧振頻率；直徑影響進氣管道內壓力波幅值。在發動機的設計過程中，由于受到經濟成本、實驗條件等的限制，多采用理論加經驗的估算方法來設計發動機[1-2]。該方法雖然能節約時間，但存在精度低的缺點，無法保證設計出來的進氣系統具有最優的性能。本文利用GT-power軟件搭建了與某汽油發動機相匹配的進氣系統,研究了進氣系統長度與直徑改變對發動機進氣性能的影響規律，對進氣系統進行了優化，并驗證了優化方案的正確性。

1 進氣系統的理論分析與組成

在發動機的進氣過程中，當進氣系統管道長度適當時,進氣后期進氣閥處的壓力波為增壓波,新鮮工質(空氣)將被壓縮進入氣缸,產生諧振增壓的效果,增加進入氣缸內新鮮工質的質量,從而提高發動機的動力性能[3-4]。大量的文獻資料[5-6]顯示：管道長度與諧振頻率成反比關系,縮短管道長度使得諧振頻率增大,進氣諧振點向高轉速移動,反之則向低轉速移動。因而可以利用這一特性來提高發動機特定轉速下氣缸的充氣效率,改善發動機動力性能。

1.1 進氣系統的組成

如圖1所示，進氣系統一般由進氣導流管、空氣濾清器、赫姆霍茲消聲器、四分之一波長管、進氣總管、進氣歧管、進氣控制閥等組成。從結構形式考慮，影響進氣阻力的因素主要有進氣系統中的管道結構和空氣濾清器等。改善進氣過程中的管道結構能很好地降低進氣阻力，從而提高進氣效率[5-6]。

圖1 進氣系統組成圖

1.2 進氣性能評價指標

發動機的進氣性能直接影響著內燃機的動力性能和經濟性能指標。

(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為進氣系統壓力；TS為進氣系統的溫度；ηv為充氣效率。

平均指示壓力是指發動機單位汽缸工作容積一個循環能發出的有效功，是衡量發動機動力性能的重要指標。因此，提高內燃機的充氣效率對提高內燃機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，采用有限容積法對熱流體進行模擬計算的軟件，在計算進氣系統流體狀態時應用的基本控制方程如下：

連續方程：

動量方程：

能量方程：

發動機的基本參數如表1所示。

根據樣車的以上參數建立如圖2所示的GT-power模型。

表1 發動機主要技術性能參數

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

圖2 發動機GT-power模型

圖3 實驗數據與仿真數據相比較

3 整改方案

根據管道長度與直徑對進氣壓力的影響，設置了以下3種方案對樣車的充氣效率進行改進：

1) 調整進氣總管長度，調整范圍：±40%、±20%、+60%；

2) 調整進氣總管直徑，調整范圍：±40%、±20%、+60%；

3) 調整進氣歧管長度，調整范圍：±40%、±20%、+60%。

3.1方案1：進氣總管長度調節對充氣效率的影響

進氣總管的長度主要影響進氣系統中的波動效應。由圖4可知：當進氣總管長度增加時，在低轉速下，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，且峰值會向低轉速轉移；在3 400 r/min以后充氣效率會減少。

當進氣總管長度減少時，在3 400 r/min之前，改進前后整體保持一致；在3 400～4 000 r/min，整體充氣效率提高。

綜合以上的數據分析可知：對進氣總管長度的變化范圍應控制在-20%～+20%。

圖4 進氣總管長度改變對充氣效率的影響

3.2方案2：進氣總管直徑的調節對充氣效率的影響

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

當進氣總管直徑減少時，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：對進氣總管直徑的變化應控制在+20%～+40%。

圖5 進氣總管直徑變化對充氣效率的影響

3.3方案3：進氣歧管長度變化對充氣效率的影響

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

綜合以上分析可知，進氣歧管長度的增加范圍應控制在+40%～+60%。

4 針對4 000 r/min下充氣效率達到峰值的時間分析

該發動機的常用轉速在4 000 r/min左右，該轉速下達到充氣效率峰值的時間越短，對整個發動機的動力性能和燃油經濟性提高越明顯。針對以上方案，對充氣效率峰值時間進行分析。

4.1進氣總管長度變化對充氣效率峰值時間的影響

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

圖7 進氣總管長度對充氣效率峰值時間的影響

4.2進氣總管直徑的變化對充氣峰值時間的影響

由圖8可知：當進氣總管直徑增加時，達到峰值的時間基本不變，整體充氣效率會有增加；當進氣總管直徑減少時，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：進氣總管直徑控制范圍應在+20%～+40%。

圖8 進氣總管直徑對充氣峰值時間的影響

4.3進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；當進氣歧管長度減少時，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：進氣歧管長度的變化范圍應在-20%左右。

圖9 進氣歧管長度變化對充氣效率峰值時間的影響

4.4方案總結與優化

綜合以上的數據分析，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：對進氣總管長度的變化范圍控制在-20%～+20%；進氣總管直徑變化范圍為+20%～+40%；犧牲充氣效率峰值時間，進氣歧管長度的范圍應控制在+40%左右。

表2 各方案對比

5 結論

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

2) 基于已有的理論，對樣車從管道長度和直徑兩方面進行優化，從中找出了相應的變化規律。

3) 綜合兩個參數的影響，對所提的優化方案做了進一步的篩選，極大地提高了優化方案的準確性。

4) 采用CFD與實驗相結合的方法，縮短了進氣系統開發的時間，優化了進氣系統的性能。

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

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[4] 顧宏中.內燃機中的氣體流動及數值分析[M].北京：國防工業出版社,1985.

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(責任編輯陳 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，碩士生導師，主要從事現代汽車設計理論與方法研究，E-mail：1104816058@qq.com。

王若平,余云飛,洪森.采用GT-POWER仿真的發動機進氣性能優化[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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