汽車技師論文汽車技師論文范文基于GT-POWER的混合動(dòng)力汽

1、 汽車技師論文汽車技師論文范文：基于GT-POWER的混合動(dòng)力汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值研究摘 要： 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能好壞直接影響到混合動(dòng)力汽車整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，基于此，本文在Atkinson循環(huán)的理論指導(dǎo)下，運(yùn)用GT-POWER仿真軟件對(duì)國內(nèi)某混合動(dòng)力汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值研究，研究了壓縮比與進(jìn)氣門關(guān)閉角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，并提出了改善經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。仿真結(jié)果表明，采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案以后，發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速時(shí)的有效燃油消耗率得到很大改善。本文的研究成果可為混合動(dòng)力汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論和實(shí)際參考價(jià)值。關(guān)鍵詞： Atkinson循環(huán) GT-POWER軟件 混合動(dòng)力隨著能源短缺問題的日益加

2、劇，采用傳統(tǒng)的Otto循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)不能滿足混合動(dòng)力汽車的需要了，開發(fā)更低的燃油消耗率的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有高效率的優(yōu)點(diǎn)，但存在著低速低負(fù)荷下功率偏低的缺點(diǎn)，因?yàn)橐恢币詠淼貌坏街匾?。隨著混合動(dòng)力汽車成為行業(yè)的重要研究對(duì)象，國外又重新開始了對(duì)Atkinson循環(huán)的研究。Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與混合動(dòng)力汽車的結(jié)合，不僅能夠充分利用Atkinson循環(huán)高效率的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到降低整車燃油消耗的目的，同時(shí)不會(huì)影響整車的動(dòng)力性能。國外在這方面已經(jīng)做了不少的研究。日本豐田公司研發(fā)出了應(yīng)用于Prius混合動(dòng)力汽車的1.5LAtkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)在9.5kW

3、功率輸出時(shí)效率高達(dá)34%1-3。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及預(yù)測(cè)模型的不斷完善，數(shù)值模擬方法在發(fā)動(dòng)機(jī)研制和開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用，并大幅度縮短了研制周期4。本文在Atkinson循環(huán)的理論指導(dǎo)下，運(yùn)用GT-POWER仿真軟件對(duì)國內(nèi)某混合動(dòng)力汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，研究了壓縮比與進(jìn)氣門關(guān)閉角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，并提出了改善經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)方案,為混合動(dòng)力汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和實(shí)際參考。1模型的建立1.1發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)所研究的樣機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。1.2計(jì)算機(jī)模型建立計(jì)算模型的建立依據(jù)廠家提供的相關(guān)圖紙及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程仿真模型。GT-POWER整機(jī)分析仿真模型主要由

4、進(jìn)氣系統(tǒng)、噴油組件、氣缸、曲軸箱和排氣系統(tǒng)組成，如圖1所示。在保證數(shù)值計(jì)算精度不產(chǎn)生很大影響的前提下，對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些等效簡化處理，這樣節(jié)約了大量的計(jì)算時(shí)間。1.3模型驗(yàn)證為了驗(yàn)證所建立的GT-POWER模型的準(zhǔn)確性，將模型從1000r/min到5500 r/min，每隔500轉(zhuǎn)為間隔（另外加上4300 r/min），進(jìn)行11個(gè)轉(zhuǎn)速下的仿真運(yùn)算，得到模型的全負(fù)荷速度特性曲線，并將該曲線與試驗(yàn)所得的全負(fù)荷速度特性曲線進(jìn)行了對(duì)比。圖2列出部分校準(zhǔn)后的模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，由對(duì)比結(jié)果知，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差不超過5%，誤差在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型的可靠性。計(jì)算模型可作為后續(xù)優(yōu)化工作的依據(jù)

5、。2優(yōu)化結(jié)果與分析2.1壓縮比與進(jìn)氣關(guān)閉角對(duì)壓縮壓力的影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸純壓縮過程的壓縮上止點(diǎn)壓力是影響發(fā)動(dòng)機(jī)的最大爆發(fā)壓力和功率的主要因素之一。壓縮上止點(diǎn)壓力過高會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的最大爆發(fā)壓力過高；壓縮上止點(diǎn)壓力過低會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的功率的降低。由于采用Atkinson循環(huán)需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比以及改變進(jìn)氣門關(guān)閉角，會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮上止點(diǎn)壓力。為了避免引起發(fā)動(dòng)機(jī)爆震或者發(fā)動(dòng)機(jī)功率的過多降低，需要選擇一個(gè)合適的壓縮比與進(jìn)氣門關(guān)閉角的搭配關(guān)系。以壓縮比與進(jìn)氣門關(guān)閉角（IVC）為變量，計(jì)算2500r/min轉(zhuǎn)速下的壓縮上止點(diǎn)壓力。其中壓縮比以0.5為間隔從11取到14，進(jìn)氣門關(guān)閉角以10°CA為

6、間隔從下止點(diǎn)后50°CA（在GT-POWER中對(duì)應(yīng)為590°CA）取到下止點(diǎn)160°CA（在GT-POWER中對(duì)應(yīng)為700°CA）。圖3、圖4為2500r/min轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比與進(jìn)氣門關(guān)閉角對(duì)壓縮壓力的影響。由圖3可知在進(jìn)氣門關(guān)閉角不變的情況下，氣缸的壓縮上止點(diǎn)壓力隨著壓縮比的增大而增加，并且增加速率逐漸增大。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比增大，壓縮上止點(diǎn)時(shí)氣缸的剩余容積減小，在混合氣量相同的情況下氣缸壓縮上止點(diǎn)的壓力就會(huì)增大。并且由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓縮過程為絕熱過程，壓縮過程壓力P與V滿足：PVn=常數(shù)關(guān)系，其中n為多變指數(shù)，一般大于1。使得壓縮上止點(diǎn)壓力P與

7、壓縮比的呈指數(shù)變化關(guān)系。因此壓縮比越大，壓縮上止點(diǎn)壓力的增加越來越快。由圖4可知在壓縮比不變的情況下，氣缸的壓縮上止點(diǎn)壓力隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的推遲而降低。這是因?yàn)殡S著進(jìn)氣門關(guān)閉角推遲，氣缸內(nèi)混合氣回流至進(jìn)氣道的量增加，使得缸內(nèi)剩余的混合氣量減小從而使得壓縮上止點(diǎn)壓力降低。并且隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的逐漸推遲，混合氣回流至進(jìn)氣道的量增加越來越快，缸內(nèi)剩余混合氣量的減小越來越快，使得壓縮上止點(diǎn)壓力降低越來越快。一般條件下，汽油機(jī)的最高壓縮上止點(diǎn)壓力大概在2.2MPa3MPa之間，該汽油機(jī)原機(jī)的最高壓縮上止點(diǎn)壓力為2.5MPa。因此以2.5MPa為壓縮上止點(diǎn)壓力的限制條件，確定了壓縮比與進(jìn)氣門關(guān)閉角的對(duì)應(yīng)關(guān)

8、系如表2所示。由于壓縮比與進(jìn)氣門關(guān)閉角綁定，以下研究中均只提壓縮比。2.2壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響在確定了壓縮比與進(jìn)氣門關(guān)閉角的對(duì)應(yīng)關(guān)系以后，研究各轉(zhuǎn)速下不同的壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，可得到圖5圖7。由圖5可知隨著壓縮比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率呈下降趨勢(shì)。這是由于壓縮比的增加，提高了工質(zhì)的燃燒溫度，擴(kuò)大了循環(huán)溫度梯度，使得循環(huán)熱效率升高，油耗降低。5000r/min時(shí)，當(dāng)壓縮比從10變化到13時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗有5%左右的降低5。從圖6中可知發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩隨著壓縮比的增加而降低。這是因?yàn)殡S著壓縮比的增加伴隨著進(jìn)氣關(guān)閉角的延遲，使得混合氣回流至進(jìn)氣道，進(jìn)入氣缸的實(shí)際混合氣量減小，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)扭

9、矩下降。扭矩低速降低較明顯，高速降低略小。2000r/min時(shí)當(dāng)壓縮比從10變化到13，扭矩從108N.m降低至，降低幅度接近10%。從圖7可以得知，隨著壓縮比的增加最高爆發(fā)壓力呈升高的趨勢(shì)。這是因?yàn)閴嚎s比的增加，提高了高轉(zhuǎn)速下的壓縮起始點(diǎn)壓力，因而使得高轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力提高。壓縮比大于12以后發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力過高，尤其是在壓縮比取13以后，發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力已經(jīng)明顯高于7.6MPa，而壓縮比取12時(shí)，各轉(zhuǎn)速最大爆發(fā)壓力均低于7.3 MPa。通過以上的分析，本文以最高壓縮壓力7.5MPa作為限制條件，確定最佳壓縮比確定為12，進(jìn)氣門關(guān)閉角為618°CA，即下止點(diǎn)后78°

10、;CA為Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。2.3綜合評(píng)價(jià)采用經(jīng)過優(yōu)化后的壓縮比與進(jìn)氣門關(guān)閉角后，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)各性能參數(shù)并與原機(jī)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8圖9所示。從圖89可知，壓縮比取12時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩在中低轉(zhuǎn)速降低較明顯，但在30004500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩仍高于110N.m。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率在20005500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)降低效果比較明顯，而且轉(zhuǎn)速越高降低效果越明顯。在5500r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率有將近20g（/kW.h）的油耗降低。3結(jié)論本文運(yùn)用GT-POWER仿真軟件對(duì)國內(nèi)某混合動(dòng)力汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值研究，得到如下結(jié)論：（1）氣缸的壓縮上止點(diǎn)壓力隨

11、著進(jìn)氣門關(guān)閉角的推遲而降低，并且降低速率逐漸增大；氣缸的壓縮上止點(diǎn)壓力隨著壓縮比的增大而增加，并且增加速率逐漸增大。在確定的壓縮比與進(jìn)氣門關(guān)閉角對(duì)應(yīng)關(guān)系情況下，隨著壓縮比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩下降比較明顯，功率呈稍微下降趨勢(shì)，而發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率則隨著壓縮比的增加而減小。壓縮比大于12.5以后，發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力已經(jīng)高于7.5MPa。壓縮比取12以后，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩在中低轉(zhuǎn)速降低較明顯，但在30004500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩仍高于110N.m。中高轉(zhuǎn)速下燃油消耗率得到很大改善。參考文獻(xiàn)1田永祥,杜愛民,陳禮璠.混合動(dòng)力汽車用Atkinson循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的探討J.汽車科技,2007,7（4）.2Hongwei Gao,Yimin Gao,Mehrdad Ehsani.Design Issues of theSwitched Reluctance Motor Drive for Propulsion and RegenerativeBraking in EV and HEVJ.SAE paper:2001-01-2526.3Yingru Zhao,Jincan Chen.Performance anal-