南昌大學(xué)本科生畢業(yè)論文—變排量發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬研究—斷油和向不工作氣缸通廢氣

1、 密級(jí)： NANCHANG UNIVERSITY 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 THESIS OF BACHELOR（20102014年） 題 目 變排量發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬研究-斷油&向不工作氣缸通廢氣 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 系 機(jī)械系 專業(yè)班級(jí)： 車輛工程10級(jí) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 張庭芳 職稱： 教授 起訖日期： 2014.22014.6 摘要變排量發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬研究- 斷油&向不工作氣缸通廢氣 專 業(yè)：車輛工程 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師：張庭芳 摘要當(dāng)今社會(huì)汽車已成為人們一種重要的代步工具，然而大多數(shù)車主感覺他們的車輛所具有的功率在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需要的

2、功率，車輛的常規(guī)行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)基本上處于部分負(fù)荷的工作狀態(tài)，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率就降低了，相應(yīng)地燃油經(jīng)濟(jì)性也變差，達(dá)不到發(fā)動(dòng)機(jī)最佳的燃油消耗水平，那么是不是可以在不需要那么大功率的情況下根據(jù)需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)的排量呢？可變排量技術(shù)就是在這種思想基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，在低負(fù)荷時(shí)關(guān)閉部分氣缸工作，在高負(fù)荷時(shí)全缸工作，有效降低燃油消耗。本文運(yùn)用GT-Power軟件針對(duì)某V型6缸汽油機(jī)建立了計(jì)算機(jī)仿真模型，并驗(yàn)證了該仿真模型的計(jì)算結(jié)果與原機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較高的一致性。在此計(jì)算機(jī)仿真模型的基礎(chǔ)上采用斷油&向不工作氣缸通廢氣策略建立了停缸發(fā)動(dòng)機(jī)模型，并通過對(duì)該模型的模擬和分析研究，計(jì)算了停缸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，并

3、對(duì)停缸的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)鍵詞：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)；可變排量；性能仿真；停缸策略 AbstractAbstract Cars have become an important means of transport in society today, however, most vehicle owners feel that their vehiclespower is much larger than the required power at the most of the time, the engine is basically in a partial load operating state

4、 in the process of vehicles regular traveling, so the efficiency of the engine is lower, and accordingly the fuel economy is also worse, cant reach the best level of fuel consumption of the engine, so if we can change the engines displacement without the need for a case that power? Variable displace

5、ment technology that is generated on the basis of this idea, closing some of the cylinders at low load work, all cylinders working at high loads, effectively reduce fuel consumption. In this paper,the simulation model is established for a V6 cylinder gasoline engine by using GT-Power software,the re

6、sults of the simulation model are in good agreement with the original engine test data. Based on the simulation model with shutting off fuel&recirculating exhaust gas to not working cylinder method to establish the model of cylinder deactivation engine, and through the simulation and analysis of

7、 the model, calculated the effect of cylinder deactivation of engine fuel economy, selected and optimized the area of the cylinder deactivation.Keywords: Engine;Variable displacement;Computer Simulation 目錄目錄摘要.Abstract.第1章 緒論.11.1 選題的依據(jù)及意義.11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì).11.3 本課題研究的內(nèi)容.31.4 本課題研究的方案.31.5 本課題所用的軟件

8、的介紹.31.6 本章總結(jié).4第2章 V6型發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立與驗(yàn)證.52.1 V6型發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立步驟.52.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的模擬及驗(yàn)證.92.3 本章總結(jié).10第3章 發(fā)動(dòng)機(jī)停缸技術(shù)模擬.123.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的停缸策略.123.2 斷油&向不工作氣缸通廢氣策略的發(fā)動(dòng)機(jī)建模.123.3 停缸發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)的性能對(duì)比.133.4 本章小結(jié).14第4章 停缸區(qū)域的選擇與進(jìn)氣歧管參數(shù)優(yōu)化.154.1 停缸區(qū)域的選擇.154.2 進(jìn)氣歧管參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.15 4.2.1 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.15 4.2.2 進(jìn)氣歧管內(nèi)徑對(duì)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.164.3 本章總結(jié).18第

9、5章 全文總結(jié).19參考文獻(xiàn).20 第一章 緒論 2 第一章 緒論 第一章 緒論1.1 選題的依據(jù)及意義 當(dāng)今社會(huì)汽車已成為人們一種重要的代步工具，然而大多數(shù)車主感覺他們的車輛所具有的功率在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需要的功率，車輛的常規(guī)行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)基本上處于部分負(fù)荷的工作狀態(tài)，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率就降低了，相應(yīng)地燃油經(jīng)濟(jì)性也變差，達(dá)不到發(fā)動(dòng)機(jī)最佳的燃油消耗水平，那么是不是可以在不需要那么大功率的情況下根據(jù)需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)的排量呢？可變排量技術(shù)就是在這種思想基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，在低負(fù)荷時(shí)關(guān)閉部分氣缸工作，在高負(fù)荷時(shí)全缸工作，有效降低燃油消耗。所謂排量就是指內(nèi)燃機(jī)所有氣缸工作容積之和，可變排量就是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作

10、時(shí)改變所有氣缸工作容積之和以適應(yīng)不同的工況。在部分負(fù)荷時(shí)關(guān)閉部分氣缸，就必須供給工作氣缸更多的可燃混合氣達(dá)到停缸前發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，就這樣可以增加工作缸的負(fù)荷率，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)的機(jī)械效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失功和機(jī)械摩擦損失功，可明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。20世紀(jì)70年代，由于第二次石油危機(jī)的影響，發(fā)達(dá)國(guó)家更加重視能源的重要性。石油的短缺將直接影響汽車業(yè)的發(fā)展，因此世界各大汽車廠商紛紛在節(jié)油方面投入研究，停缸技術(shù)也是在這種背景下產(chǎn)生的。20世紀(jì)后期控制電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，也為發(fā)動(dòng)機(jī)停缸技術(shù)的進(jìn)步提供了有利條件。停缸技術(shù)除節(jié)省燃油外，還可以有效減少污染物的排放。由于發(fā)動(dòng)機(jī)停缸技術(shù)

11、在節(jié)省燃油和改善尾氣排放方面具有雙重效果，因此開展停缸技術(shù)的研究具有直接現(xiàn)實(shí)意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì) 戴姆勒汽車的主動(dòng)歇缸技術(shù)ACC是戴姆勒汽車公司開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)變排量系統(tǒng)，它最先運(yùn)用于V12和V8發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過關(guān)閉一側(cè)氣缸，實(shí)現(xiàn)12缸到6缸，8缸到4缸的切換。歇缸后，為了防止空氣和燃料進(jìn)入燃燒室，ACC系統(tǒng)通過使用雙搖臂來取代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輥型擺臂來確保每個(gè)氣缸氣門保持關(guān)閉，其中一個(gè)擺臂與凸輪輪廓相接觸，而另一個(gè)則與氣門相連。發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)作時(shí)，兩個(gè)擺臂通過鎖銷連接；當(dāng)氣門被切斷時(shí)，電磁閥控制油壓推動(dòng)鎖銷是兩個(gè)擺臂脫離，氣門彈簧推動(dòng)氣門使其處于關(guān)閉狀態(tài)。日產(chǎn)汽車公司的“EDF”系統(tǒng)

12、，日產(chǎn)汽車開發(fā)的工作氣缸數(shù)可變的發(fā)動(dòng)機(jī)，被安裝在采用電子燃油噴射的小轎車上，只有在減速時(shí)才可以從四個(gè)氣缸改為兩個(gè)氣缸工作。汽缸數(shù)變換機(jī)構(gòu)的變換工作分為兩個(gè)階段，從高轉(zhuǎn)速開始減速時(shí)，在18001100r/min范圍內(nèi)全部四個(gè)氣缸切斷燃料供給，稍次，降低1100900r/min時(shí)，重新只向兩個(gè)氣缸供給燃料，使兩個(gè)氣缸運(yùn)轉(zhuǎn)，而實(shí)現(xiàn)氣缸數(shù)的改變。另外，從低轉(zhuǎn)速行駛中減速時(shí)，到950r/min時(shí)，是兩個(gè)氣缸運(yùn)轉(zhuǎn)，降到這個(gè)轉(zhuǎn)速以下時(shí)，有自動(dòng)的返回到四個(gè)氣缸運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，三菱、奔馳以及福特等汽車公司也研制出了自己的變排量系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)的名字千差萬別，但最終實(shí)現(xiàn)目的相同?？v觀國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)變排量的系統(tǒng)，它們大多采用

13、機(jī)械式裝置控制氣門的開啟和閉合，機(jī)構(gòu)復(fù)雜而且龐大，費(fèi)用也比較高。另外，由于采用的是固定式停缸，這使得有一部分氣缸長(zhǎng)期處于冷態(tài)和熱態(tài)的交變狀態(tài)，加劇了氣缸的偏磨，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。國(guó)外雖然對(duì)停缸技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并生產(chǎn)出停缸發(fā)動(dòng)機(jī)裝配到汽車上。但是出于技術(shù)保密，幾乎沒有公開出版的文獻(xiàn)資料介紹其核心技術(shù)，更未具體涉及到控制策略。在國(guó)內(nèi)，自上世紀(jì)80年代以來，很少見到專門研究停缸控制技術(shù)的報(bào)道和技術(shù)文獻(xiàn)，只有以下課題組做過相關(guān)方面的研究。吉林大學(xué)張海濤及其導(dǎo)師錢耀義教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)停缸控制及其標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了深入研究。在CA488-Q發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了電控發(fā)動(dòng)機(jī)變排量的設(shè)計(jì)與研究，并

14、開發(fā)了相應(yīng)的標(biāo)定系統(tǒng)。主要的研究成果如下：（1）獲得了研究用CA488-Q發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)，并在深入研究其系統(tǒng)構(gòu)成、控制策略及其標(biāo)定過程的基礎(chǔ)上，掌控了運(yùn)行機(jī)理，了解發(fā)動(dòng)機(jī)電控裝置開發(fā)的普遍規(guī)律；（2）分析了停缸工作前后，發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失及其充氣效率的變化；（3）在保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性的前提下，兼顧動(dòng)力總成的搖震控制，分析了停缸工作的范圍，并確定了優(yōu)化控制的方法。提出停缸區(qū)域必須避開容易產(chǎn)生低頻搖震的低轉(zhuǎn)速段，并在保證動(dòng)力性的前提下，根據(jù)經(jīng)濟(jì)、排放指標(biāo)通過脫機(jī)優(yōu)化控制方法確定；（4）進(jìn)行了停缸前后的負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，汽油機(jī)采用變排量技術(shù)后，在保持原有動(dòng)力性的前提下，

15、經(jīng)濟(jì)性得到了一定的改善。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)若采用變排量技術(shù)后，能進(jìn)一步減少燃油消耗。錢耀義教授首先在小排量的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了變排量控制技術(shù)，并做了變排量前后油耗對(duì)比試驗(yàn)，但并沒有具體給出節(jié)油效果和排放改善效果。東風(fēng)汽車公司徐兀課題組在上世紀(jì)80年代開始研究閉缸節(jié)油技術(shù)。課題組對(duì)東風(fēng)牌5噸卡車的EQ6100Q發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行閉缸控制。當(dāng)時(shí)的思路是空車行駛時(shí)僅用1、2、3缸工作，停止向4、5、6缸供混合氣；半載或滿載時(shí)恢復(fù)所有氣缸工作?？刂品椒ㄊ窃谶@3個(gè)氣缸的進(jìn)氣歧管上安裝蝶形閥，蝶形閥由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，蝶形閥由安裝在駕駛室里的氣閥控制。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)是化油器式的，安裝蝶形閥和由蝶形閥徹底切斷進(jìn)入氣缸的混合氣都異

16、常困難，項(xiàng)目沒有取得成功。燕山大學(xué)韓宗奇教授課題組提供了一種電噴發(fā)動(dòng)機(jī)變工作排量控制技術(shù)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車相關(guān)傳感器輸出的信號(hào)，判斷出汽車的行駛工況和駕駛員的意圖，自動(dòng)判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)的行駛阻功率和負(fù)荷率大小，并通過控制器對(duì)各缸的噴油器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使得各噴油器正常噴油或者暫停。該控制裝置包括控制模式和控制策略的設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)達(dá)到所要控制的效果。課題組把控制器安裝在捷達(dá)轎車上，并進(jìn)行了實(shí)車道路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，安裝變排量控制器之后的捷達(dá)轎車節(jié)油效果良好，尾氣排放也有較大的改善。但試驗(yàn)中還未能解決低速小排量抖動(dòng)現(xiàn)象，此外變排量的設(shè)計(jì)模式和不同輸入?yún)?shù)下的控制策略還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。1.3 本課題

17、研究的內(nèi)容 運(yùn)用GT-Power軟件研究發(fā)動(dòng)機(jī)在變排量發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬研究-斷油&向不工作氣缸通廢氣變排量技術(shù)方案下的燃油經(jīng)濟(jì)性能，并對(duì)停缸區(qū)域進(jìn)行選擇與優(yōu)化。具體研究?jī)?nèi)容如下：(1) 變排量技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研與分析；(2) 變排量技術(shù)的節(jié)油原理、發(fā)動(dòng)機(jī)性能以及數(shù)據(jù)處理相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)；(3) GT-POWER軟件的學(xué)習(xí)與發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立；(4) 運(yùn)用變排量技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型的模擬和分析研究；(5) 考察在變排量發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬研究-斷油&向不工作氣缸通廢氣變排量技術(shù)方案下：1、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性能的影響；2、對(duì)停缸區(qū)域進(jìn)行選擇和優(yōu)化研究；(6) 本項(xiàng)目研究的進(jìn)一步工作的建議1.

18、4 本課題的研究方案首先學(xué)習(xí)GT-Power軟件，建立V6發(fā)動(dòng)機(jī)模型并驗(yàn)證與原機(jī)的一致性；然后在該模型上采用斷油&向不工作氣缸排廢氣策略建立停缸發(fā)動(dòng)機(jī)模型，并對(duì)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行分析和研究，考察停缸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，并對(duì)停缸區(qū)域進(jìn)行選擇和優(yōu)化。1.5 本課題所用軟件的介紹GT-SUITE是由GAMMA公司開發(fā)的高度集成的發(fā)動(dòng)機(jī)+動(dòng)力系統(tǒng)+車輛仿真平臺(tái)，它的所有模塊都共享相同的前后處理界面。其操作簡(jiǎn)單、界面易懂易用、實(shí)機(jī)裝配式建模理念、多層級(jí)模型管理。GT-SUITE自帶的模板庫(kù)十分豐富，涵蓋機(jī)械、流體、控制和電、磁、熱等各類部件。針對(duì)同一個(gè)物理現(xiàn)象，GT-SUITE通常提供了不

19、同層次的物理模型，用戶可以根據(jù)需要構(gòu)建不同復(fù)雜程度的模型。GT-POWER是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的計(jì)算軟件，是一款由Gamma Technologies公司開發(fā)的具有發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬仿真工具，世界上大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車的制造廠家及供應(yīng)商都在使用這一軟件。GT-Power是GT-Suite系列軟件中的一部分，涵蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、曲軸機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)六個(gè)方面。該款軟件采用有限體積法對(duì)流體進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的步長(zhǎng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)其自帶有豐富的燃燒模型，具有強(qiáng)大的輔助建模前處理工具，具有豐富的控制功能，能與SIMULINK進(jìn)行耦合求解，能與三維的CFD軟件進(jìn)行耦合計(jì)算，并且自

20、帶有優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，能進(jìn)行直接優(yōu)化、DOE設(shè)計(jì)/優(yōu)化，能進(jìn)行進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲分析，能對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)的消音元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。GT-POST是一個(gè)強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)分析工具，它能通過GT-SUITE模擬或外部資源來繪制圖表，通過視圖操作產(chǎn)生數(shù)據(jù)，而且它還提供了一個(gè)比標(biāo)準(zhǔn)的空白表格程序軟件更有效的數(shù)據(jù)分析方法。當(dāng)一個(gè)模型改變時(shí)，GT-POST能通過數(shù)據(jù)指針自動(dòng)及時(shí)的修改結(jié)果，而且GT-POST提供了很好的便攜式的用戶自定義模型，以控制結(jié)果輸出。1.6 本章總結(jié)本章主要介紹了選題的依據(jù)和意義，并且闡述了停缸技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并說明了本課題的研究?jī)?nèi)容和研究方案，最后介紹了本課題研究所必須的建模軟件G

21、T-Power。22 第二章 V6型發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立與驗(yàn)證第二章 V6型發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立于驗(yàn)證2.1 V6型發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立步驟整個(gè)V6型發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，利用GT-Power軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型的時(shí)候，需將復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)劃分成若干個(gè)簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)。因此可將發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)抽象地分為缸體、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)3大部分，如圖2-1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)工質(zhì)按圖中箭頭所示方向完成工作循環(huán)：新鮮的外部環(huán)境氣體經(jīng)過進(jìn)氣門進(jìn)入進(jìn)氣總管，再通過進(jìn)氣歧管，在進(jìn)氣道入口處與噴油嘴噴入的燃料混合，形成可燃混合氣進(jìn)入氣缸；可燃混合氣在缸內(nèi)燃燒，完成做工循環(huán)后產(chǎn)生廢氣，廢氣經(jīng)過排氣門、排氣道、排氣歧管，最后由排氣總管排出到外

22、部環(huán)境中，這樣就完成了一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)。 外部環(huán)境 氣管 節(jié)氣門 系統(tǒng)邊界進(jìn)氣總管 曲軸箱 排氣總管進(jìn)氣歧管 進(jìn)氣道 氣缸 排氣道 排氣歧管 圖2-1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型機(jī)構(gòu)框圖汽油機(jī)模型的建立包括6個(gè)主要部分：環(huán)境子系統(tǒng)、進(jìn)氣子系統(tǒng)、排氣子系統(tǒng)、噴油子系統(tǒng)、曲軸箱子系統(tǒng)、氣缸子系統(tǒng)。下面具體介紹汽油機(jī)這幾個(gè)關(guān)鍵模型的搭建。（1）環(huán)境邊界設(shè)置對(duì)于汽油機(jī)而言，系統(tǒng)邊界主要設(shè)定溫度、壓力、流量系數(shù)等參數(shù)。其中溫度和壓力是汽油機(jī)工作時(shí)的環(huán)境溫度和壓力。進(jìn)排氣系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置如表2-1所示。 表2-1 進(jìn)氣系統(tǒng)環(huán)境邊界條件輸入?yún)?shù) 參數(shù) 單位 參數(shù)值 Pressure 壓力 bar 1 Temperature

23、溫度 K 300 表2-2 排氣系統(tǒng)環(huán)境邊界條件輸入?yún)?shù) 參數(shù) 單位 參數(shù)值 Pressure 壓力 bar 1 Temperature 溫度 K 800（2） 進(jìn)排氣系統(tǒng)的搭建進(jìn)排氣系統(tǒng)是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素，進(jìn)氣量決定了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，而排氣量的大小與進(jìn)、排氣管結(jié)構(gòu)幾何形狀有著密切的關(guān)系。建立進(jìn)氣系統(tǒng)首先要建立進(jìn)氣歧管，由于進(jìn)氣歧管的幾何形狀可以簡(jiǎn)化，因此只需要一個(gè)溢流口實(shí)體和一個(gè)管件實(shí)體來完成歧管模型，之和還需要一個(gè)孔實(shí)體。只要溢流管和管件連接到一起，就會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)“def”孔，缺省孔定義模塊實(shí)體之間的連接時(shí)，GT-Power將計(jì)算前面和返回分散率。但使用缺省孔將為系統(tǒng)增加一

24、個(gè)并不真實(shí)的額外的損失。因此需要使用未缺省孔。最后需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)連接空氣濾清器和歧管的管件，所有模塊建立之后放入工程圖中，并連接起來就形成了進(jìn)氣系統(tǒng)，如圖2-2所示。 圖2-2 進(jìn)氣系統(tǒng)模型同理，排氣系統(tǒng)的搭建方法也跟進(jìn)氣系統(tǒng)差不多，但是排氣系統(tǒng)中增加了一個(gè)新的模塊“PipeRoundBend”。這個(gè)模塊是為普通的管件添加諸如彎曲半徑和彎曲角度等屬性。所有模塊都搭建好了移入工程圖中并連接起來就形成了排氣系統(tǒng)，如圖2-3所示。 圖2-3 排氣系統(tǒng)模型（3） 噴油系統(tǒng)的設(shè)置噴油器模塊的主要作用是將燃油定時(shí)定量的噴入進(jìn)氣道，需要輸入的主要參數(shù)有噴油時(shí)刻、輸油率、空燃比等，參數(shù)設(shè)置如圖2-4所示。 圖2

25、-4 噴油器參數(shù)設(shè)置（4） 進(jìn)排氣閥門的設(shè)置進(jìn)排氣閥門模塊主要描述進(jìn)排氣閥門的升程及氣門正時(shí)，需要輸入的參數(shù)有：氣門的升程規(guī)律、氣門間隙、氣門流量系數(shù)、氣門正時(shí)等，參數(shù)設(shè)置如表2-3、表2-4所示。 表2-3 進(jìn)氣閥門主要參數(shù) 參數(shù)單位參數(shù)值Valve Number 進(jìn)氣門數(shù)量個(gè)12Valve Diameter 閥門直徑Mm27.5Lift Profile 氣門升程-數(shù)據(jù)圖Valve Lash 閥門間隙Mm0Valve Open Angle 氣門開啟角°CA362Valve Close Angle 氣門關(guān)閉角°CA598Cam Timing Angle 進(jìn)氣門正時(shí)角

26、6;CA239 表2-4 排氣閥門主要參數(shù) 參數(shù)單位參數(shù)值Valve Number 進(jìn)氣門數(shù)量個(gè)12Valve Diameter 閥門直徑Mm23.8Lift Profile 氣門升程-數(shù)據(jù)圖Valve Lash 閥門間隙Mm0Valve Open Angle 氣門開啟角°CA134Valve Close Angle 氣門關(guān)閉角°CA378Cam Timing Angle 進(jìn)氣門正時(shí)角°CA127 （5） 曲軸箱的設(shè)置曲軸箱模塊連接著各個(gè)氣缸，通過該模塊來設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)目、氣缸排列方式、V型排列角度、點(diǎn)火順序、點(diǎn)火間隔等。曲軸箱模塊的參數(shù)設(shè)置如表2-5所示。

27、表2-5 曲軸箱模塊主要輸入?yún)?shù)參數(shù)單位參數(shù)值Cylinder Numbers 缸數(shù)個(gè)6Cylinder Configuration 排列順序-V型V-Angle V型角°90Firing Order 點(diǎn)火順序-1-6-5-4-3-2Firing Interval 點(diǎn)火間隔°CA120（6） 氣缸的設(shè)置氣缸模塊是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的核心部分，包括燃燒模型、幾何模型、傳熱模型、壁面溫度模型等。氣缸模塊的參數(shù)設(shè)置如表2-6所示。 表2-6 氣缸模塊主要輸入?yún)?shù)參數(shù)單位參數(shù)值Bore 缸徑Mm80Stroke 活塞行程Mm82.8Connecting Rod Length 連桿長(zhǎng)度M

28、m151.4Pin Offset 活塞銷偏置Mm0Compressor Ratio 壓縮比-10.25Piston TDC clearance height 活塞余隙高度Mm1Head Temperature 缸壁溫度K575Piston Temperature 活塞頂壁面溫度K575Cylinder Temperature 缸套壁面溫度K400Head/Bore Area Ratio 活塞頂表/氣缸截面積-1.3Piston/Bore Area Ratio 缸蓋表/氣缸截面積-1.03 至此，發(fā)動(dòng)機(jī)的所有模塊都設(shè)置完成，把各個(gè)模塊拖入工程圖中，并按發(fā)動(dòng)機(jī)工作順序連接起來，整個(gè)V6型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)

29、的GT-Power模型就搭建完成了，如圖2-5所示。 圖2-5 GT-PowerV6型發(fā)動(dòng)機(jī)模型2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的模擬及驗(yàn)證建立完GT-Power的數(shù)學(xué)模型后，需要評(píng)價(jià)該模型的可行性和合理性，故要對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算來驗(yàn)證與原機(jī)模型的相似性。圖2-6與圖2-7為該發(fā)動(dòng)機(jī)模型的指示功率、指示轉(zhuǎn)矩與原機(jī)模型的對(duì)比曲線。 圖2-6 指示功率驗(yàn)證曲線 圖2-7 指示扭矩驗(yàn)證曲線 通過以上對(duì)比曲線可知，該發(fā)動(dòng)機(jī)模型的扭矩和功率與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)基本吻合，最大誤差出現(xiàn)在3000r/min處?？梢娯?fù)荷工況下模型的計(jì)算值與原機(jī)的實(shí)驗(yàn)值具有良好的一致性。驗(yàn)證表明，所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型良好的模擬了原機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)

30、確率較高，能夠用來進(jìn)行后續(xù)的停缸模擬研究。2.3 本章小結(jié) 本章介紹了根據(jù)所掌握的某V型6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用GT-Power軟件進(jìn)行V6型發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建模過程，并對(duì)該模型進(jìn)行了模擬計(jì)算及驗(yàn)證。通過計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，指示功率和指示轉(zhuǎn)矩的最大誤差均在工程計(jì)算允許的5%的范圍內(nèi)，曲線變化規(guī)律也基本一致，這表明所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型的可靠性較高，可以用來進(jìn)行后續(xù)的斷油&向不工作氣缸通廢氣的研究。 第三章 發(fā)動(dòng)機(jī)停缸技術(shù)的模擬 第三章 發(fā)動(dòng)機(jī)停缸技術(shù)的模擬3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的停缸策略停缸的方法是將發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸分為常工作和間歇工作兩部分，低負(fù)荷時(shí)讓間歇工作的一組氣缸停止工作，開大節(jié)氣門

31、，加大常工作氣缸的負(fù)荷率，使之經(jīng)常保持在中大負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到節(jié)油的目的。從目前的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r來看，實(shí)現(xiàn)停缸的策略有三種：(1) 僅停止部分氣缸的供油；（2）斷油的同時(shí)停止不工作氣缸的氣門運(yùn)動(dòng)；（3）斷油的同時(shí)引入工作缸的廢氣到不工作的氣缸內(nèi)。本章只研究第3種停缸策略，即斷油的同時(shí)引入工作的廢氣到不工作的氣缸內(nèi)，這種方法節(jié)油效果較好，結(jié)構(gòu)也不是很復(fù)雜，不需要改動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)，只需要通過單獨(dú)的管路與控制閥組成的系統(tǒng)把工作氣缸的廢氣引入到不做功的氣缸內(nèi)，這樣能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)停缸的氣缸保持在一定的溫度下，熱負(fù)荷也基本保持平衡，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速恢復(fù)到全部氣缸大負(fù)荷做功的工況。3.2 斷油&

32、amp;向不工作氣缸通廢氣策略的發(fā)動(dòng)機(jī)建模第二章利用GT-Power軟件建立了某V6型的發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型并得到了驗(yàn)證，現(xiàn)只需在原模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。要使發(fā)動(dòng)機(jī)斷油并向不工作氣缸通廢氣需要在原機(jī)模型上進(jìn)行以下幾處修改：（1）刪除噴油模型，停止不工作氣缸的燃油供應(yīng)；（2）刪除燃燒模型，停止缸內(nèi)點(diǎn)火燃燒；（3）從排氣總管中引出一根旁路管，并分出3條排氣支管通入到已經(jīng)關(guān)閉了的進(jìn)氣歧管中，將廢氣引入不工作氣缸。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的第2、4、6缸進(jìn)行以上3處修改，這就實(shí)現(xiàn)了斷油的同時(shí)引入廢氣到不工作氣缸的停缸策略在GT-Power模型上的應(yīng)用，修改后的停缸模型如圖3-1所示。圖3-1 斷油&向不工作氣缸

33、通廢氣策略的停缸模型3.3 停缸發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)性能模擬的對(duì)比圖3-2、圖3-3分別為斷油&向不工作氣缸通廢氣的停缸策略與原機(jī)在相同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的泵氣損失、有效壓力的對(duì)比圖。 圖3-2 停缸發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)的泵氣損失對(duì)比 圖3-3 停缸發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)的平均有效壓力對(duì)比 從圖3-2可知，該停缸策略與原發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在圖示轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，泵氣損失有所減小，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，節(jié)氣門開度較小，由于進(jìn)氣節(jié)流作用，進(jìn)氣道內(nèi)壓力大幅降低，氣缸的壓力也由于氣閥口的節(jié)流作用進(jìn)一步降低，低于曲軸箱內(nèi)的大氣壓力，而活塞下行時(shí)需要做功來克服兩端的壓力差，由此造成發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失；采用停缸策略之后，發(fā)動(dòng)機(jī)的3

34、個(gè)氣缸停止工作，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)有與停缸前相同的功率輸出，就會(huì)增大節(jié)氣門開度，減少了節(jié)氣門節(jié)流作用，從而降低了泵氣損失。從圖3-3可知，該停缸策略與原發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在圖示轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，平均有效壓力大幅提高。這是因?yàn)橥８装l(fā)動(dòng)機(jī)為保證一定的功率輸出，其余3個(gè)工作缸必須提高負(fù)荷率，同時(shí)由于燃燒條件有所改善，燃燒過程的壓力也會(huì)有所增加，所以停缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力比原機(jī)高。3.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了在原機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)模型上通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)第2、4、6氣缸進(jìn)行一系列的更改，從而建立了斷油&向不工作氣缸通廢氣策略的停缸發(fā)動(dòng)機(jī)模型，并進(jìn)行了模擬計(jì)算。由分析結(jié)果可知，停缸發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失有所減少，提高了發(fā)動(dòng)

35、機(jī)的機(jī)械效率，同時(shí)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力高于原機(jī)。第四章 停缸區(qū)域的選擇與進(jìn)氣歧管參數(shù)優(yōu)化第四章 停缸區(qū)域的選擇與進(jìn)氣歧管參數(shù)優(yōu)化4.1 停缸區(qū)域的選擇成功應(yīng)用停缸技術(shù)的首要前提是選擇好合適的停缸區(qū)域，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。（1）從動(dòng)力性角度考慮，必須保證停缸后動(dòng)力性能不變。通過停缸模擬計(jì)算，分別獲得正常運(yùn)行模式下和停缸模式下轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定各個(gè)轉(zhuǎn)速下可能的最大停缸轉(zhuǎn)矩，保證在相同轉(zhuǎn)速下停缸輸出的轉(zhuǎn)矩不能下降，滿足車輛對(duì)動(dòng)力性能的要求。（2）從經(jīng)濟(jì)性能考慮，選擇節(jié)油區(qū)域。通過軟件模擬計(jì)算，獲得相同工況下正常運(yùn)行模式和停缸運(yùn)行模式下的負(fù)荷特性數(shù)據(jù)，根據(jù)有效燃油消耗的對(duì)比，從以上

36、區(qū)域中選出適合停缸的經(jīng)濟(jì)區(qū)域。（3）從排放性角度考慮，在保證上述經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性基本不變的前提下，去除排放惡化的停缸區(qū)域。 本章主要從動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，選取1000rmin3000rmin作為停缸轉(zhuǎn)速范圍。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷接近全負(fù)荷時(shí)，為了增大轉(zhuǎn)矩，需使用加濃的可燃混合氣，導(dǎo)致燃料不完全燃燒，燃燒效率下降，有效消耗上升。停缸發(fā)動(dòng)機(jī)只有在接近全負(fù)荷的時(shí)候的有效油耗超過了原機(jī)全負(fù)荷時(shí)的油耗，其余的工況下的有效油耗比原機(jī)同轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)的低，在這些工況范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)停缸即能保證一定的動(dòng)力輸出，又能有效地改善燃油經(jīng)濟(jì)性，取得節(jié)油的效果。4.2 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響停缸策略能有效地改善發(fā)動(dòng)機(jī)

37、的燃油經(jīng)濟(jì)性。在保證動(dòng)力性的同時(shí)，如果能適當(dāng)擴(kuò)大停缸區(qū)域的工作范圍，就能更大程度上降低燃油消耗。由內(nèi)燃機(jī)原理可知，進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度、直徑、形狀和布置等對(duì)進(jìn)氣阻力、進(jìn)氣均勻性及充氣效率影響非常大，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性，不同使用要求的汽油機(jī)必須要有相應(yīng)的進(jìn)氣系統(tǒng)與之匹配。本章僅從進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度和直徑方面對(duì)停缸區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，擴(kuò)大停缸區(qū)域范圍，以節(jié)省更多的燃油。 4.2.1 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣諧振的一個(gè)主要參數(shù)。圖4-1、圖4-2中為進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度在原長(zhǎng)400mm的情況下，減少100mm、200mm、300mm和增加100mm、200mm、3

38、00mm共七個(gè)參數(shù)下對(duì)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率的對(duì)比圖。由圖4-1、圖4-2中可知，在各個(gè)轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)轉(zhuǎn)矩、功率的影響都比較明顯。這二者隨著轉(zhuǎn)速的增加而得到提升。由圖4-1、圖4-2可知，管長(zhǎng)加300mm時(shí)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩最大。圖4-1 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)功率的影響圖4-2 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)扭矩的影響4.2.2 進(jìn)氣歧管內(nèi)徑對(duì)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響圖4-3和圖4-4分別為進(jìn)氣歧管管徑在原管徑的基礎(chǔ)上，減少5mm、增加5mm、增加10mm共4個(gè)參數(shù)下對(duì)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩矩的影響。有圖可知，進(jìn)氣歧管管徑變化對(duì)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩影響較向大，對(duì)停缸發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也有一定的影響，但影響不大。隨著管徑的減小，扭矩和功率都有一定的提高。由圖4-3和圖4-4可知，進(jìn)氣歧管管徑減小5mm時(shí)功率和扭矩最大。圖4-3 進(jìn)氣歧管管徑對(duì)功率的影響 圖4-4 進(jìn)氣歧管管徑對(duì)扭矩的影響4.3 本章小結(jié)本章從動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的角度分析了適合發(fā)動(dòng)機(jī)停缸的工作區(qū)域。在區(qū)域內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)停缸既能保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的輸出，同時(shí)又能改善燃油消耗，取得節(jié)油的效果。并分別從進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度、進(jìn)氣歧管內(nèi)徑的參數(shù)改變來研究發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩的影響，可以發(fā)