基于g-power的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油管流仿真分析

基于g-power的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油管流仿真分析

近年來，隨著計(jì)算水平的提高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬和數(shù)值模擬取得了很大進(jìn)展。模擬仿真軟件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛,如應(yīng)用GT-Power、BOOST軟件對(duì)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng);AVL-Fire模擬內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣體的混合狀況等?？傊?計(jì)算機(jī)模擬軟件現(xiàn)已成為汽車企業(yè)和科研院所主要的研發(fā)方式。1模型的建立及假設(shè)在GT-Power軟件平臺(tái)上建立某發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型,參數(shù)如表1所示。模型采用的模塊化結(jié)構(gòu),包括系統(tǒng)邊界、進(jìn)氣和排氣道、進(jìn)排氣門、氣缸、缸體、空氣濾清器、噴油器等。此外,在各管道上定義了一定數(shù)量的測量點(diǎn)監(jiān)測溫度、壓力等參數(shù)。由GT-Power所建立的模型為一維簡化模型,包括進(jìn)、排氣系統(tǒng)、燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)模型、熱傳導(dǎo)模型、燃燒模型等。在簡化的同時(shí)做出了以下假設(shè):(1)假定進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體為理想氣體,滿足理想氣體狀態(tài)方程;(2)發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境恒溫(300K)恒壓(0.1MPa);(3)每次循環(huán)初始條件相同(調(diào)整參數(shù)除外,如噴油提前角、轉(zhuǎn)速等);(4)燃?xì)鉄o需過濾,且符合要求;(5)各連接管路、閥門等部件無彈性變形,且無泄漏現(xiàn)象。2計(jì)算與分析2.1進(jìn)氣管系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性壓力和速度是流體的基本參數(shù),故模擬了進(jìn)排氣管內(nèi)流體的壓力和速度變化情況。在應(yīng)用有限體積法存在的最大不足是在于處理不連續(xù)問題時(shí),局部會(huì)出現(xiàn)較大的非物理振蕩。特別是在對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí),這種不足更加明顯。為了解決這一問題,采用了總變差減少的有限體積法(FVM-TVD)。其差分格式使得總變差隨著時(shí)間的推進(jìn)而不斷下降,最后達(dá)到可能的最小值。這樣振蕩將變得最小或消失,并且符合參數(shù)變化的物理過程。如圖1所示,整個(gè)工作過程中壓力是波動(dòng)變化的。在進(jìn)氣行程中,活塞的抽吸作用使得缸內(nèi)壓力迅速降低,在進(jìn)氣管氣門端產(chǎn)生負(fù)壓,形成的負(fù)壓力波在管內(nèi)傳播并產(chǎn)生慣性效應(yīng)直接影響著整個(gè)進(jìn)氣行程,使得壓力呈波動(dòng)狀;當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉后,進(jìn)氣管內(nèi)殘留的壓力波動(dòng)會(huì)對(duì)下一個(gè)循環(huán)產(chǎn)生脈動(dòng)效應(yīng),繼續(xù)影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。圖2為進(jìn)氣管流體流速變化圖。流體通過進(jìn)氣管時(shí),流速變化在壓力波的慣性效應(yīng)作用下亦呈波動(dòng)狀。流速的波頻和波幅的大小與進(jìn)氣管的長度和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。進(jìn)氣門打開時(shí)(690℃A),缸內(nèi)流體產(chǎn)生“倒流”現(xiàn)象,流速降低為負(fù)值,之后在進(jìn)氣壓力的作用下流速迅速提高并達(dá)到峰值(86m/s);隨著進(jìn)氣門開始關(guān)閉(90℃A),流體在進(jìn)氣閥回程的反作用下,流速迅速下降并減為負(fù)值,氣門接近完全關(guān)閉時(shí),流速降到最低的-24.5m/s。進(jìn)氣門關(guān)閉后,管內(nèi)流體在殘留壓力波的脈動(dòng)效應(yīng)作用下在管內(nèi)波動(dòng)。由于排氣能量大、廢氣溫度高,與進(jìn)氣壓力波相比,排氣管內(nèi)壓力波的振幅大、傳播速度快。自由排氣開始后,缸內(nèi)高溫高壓氣體流入排氣管,排氣管壓力迅速升高達(dá)到最大值,約17.2MPa。在排氣管進(jìn)口處產(chǎn)生的壓力波使得管內(nèi)壓力快速升高。進(jìn)入強(qiáng)制排氣階段后,排出的廢氣較超臨界狀態(tài)下大幅減少,使得管內(nèi)壓力下降。進(jìn)氣門打開后,新鮮工質(zhì)進(jìn)入氣缸,增加了殘余廢氣的排出量,管內(nèi)壓力有所提高,如圖3所示。在排氣過程后期,特別是氣門疊開期,在排氣管氣門端形成穩(wěn)定的負(fù)壓減少了缸內(nèi)的殘余廢氣和泵氣損失,增加了新鮮混合氣的進(jìn)入量。在圖4中可以看出,在排氣管壓力波動(dòng)等多重因素作用下,管內(nèi)流體的流速變化也是呈波動(dòng)狀的。排氣門打開時(shí),處于超臨界排氣狀態(tài),廢氣大量涌入排氣管,流體流速急劇升高到峰值(456m/s)。隨著大量廢氣的排出,排氣壓力驟降使得管內(nèi)流體流速降低。在排氣門出口端負(fù)壓波的作用下,流速達(dá)到了負(fù)極值。分析表明,在進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中,數(shù)值模擬方法同傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究相比,能降低成本,提高研發(fā)效率和進(jìn)度。同時(shí),FVM-TVD方法有效地解決了模擬進(jìn)排氣系統(tǒng)時(shí)不連續(xù)的問題。2.2氣體溫度變化內(nèi)燃機(jī)的燃燒效率和污染物的產(chǎn)生均與氣缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的情況緊密相關(guān)。圖5為氣缸內(nèi)壓力變化曲線圖。初始?jí)毫Χ?.098MPa,在壓縮行程開始升高,在上止點(diǎn)后(380℃A)達(dá)到最高值,約5.3MPa,隨后在氣體作功行程中壓力快速下降,在排氣過程中降至最低值。圖6是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)氣體溫度變化曲線。初始溫度設(shè)定為350K,在壓縮過程中溫度逐漸升高,在點(diǎn)火提前角時(shí)氣缸溫度急劇上升,在上止點(diǎn)附近達(dá)最高值2450K,隨后在氣體作功行程中溫度下降,當(dāng)接近排氣時(shí),由于活塞上移接近上止點(diǎn),流體再次被壓縮而出現(xiàn)短時(shí)的回溫現(xiàn)象。溫度和壓力是反應(yīng)氣缸內(nèi)工作過程最重要的參數(shù),從溫度和壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化可以做出對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的功率和效率的有效判斷。在工程中,要利用缸內(nèi)氣體的流動(dòng),實(shí)現(xiàn)燃料和空氣的充分混合,以提高燃燒效率。2.3轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和消耗率的影響扭矩和功率是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作動(dòng)力性能的重要參數(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和輸出功率與發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)參數(shù)有關(guān),如進(jìn)氣效率、燃燒情況、排氣效率、配氣相位、化油器尺寸等。而這些參數(shù)大都與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān),不同轉(zhuǎn)速下,發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩功率不同。圖7為發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)氣缸的指示扭矩圖。可知該發(fā)動(dòng)機(jī)在4300r/min時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)扭矩達(dá)到最大值116Nm,此后隨著轉(zhuǎn)速的增加,扭矩逐漸下降,但較低轉(zhuǎn)速時(shí)為高。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率同轉(zhuǎn)速關(guān)系很大,隨著轉(zhuǎn)速增加,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率相應(yīng)提高,轉(zhuǎn)速增到一定值后,功率呈下降趨勢。試驗(yàn)條件下獲得相關(guān)轉(zhuǎn)速下功率的精確值比較困難,而通過模擬軟件分析可以迅速而準(zhǔn)確得出數(shù)據(jù),為下一步研究提供參考和依據(jù)。圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)氣缸的指示功率隨轉(zhuǎn)速的變化情況,模擬所用發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為6000r/min,由結(jié)果可知,該發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速6000r/min時(shí)刻附近,故圖中顯示隨著轉(zhuǎn)速的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率相應(yīng)提高。燃油消耗率為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性的重要參數(shù),是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)。在曲線上當(dāng)燃油消耗率越小時(shí),經(jīng)濟(jì)性就越好。從圖9可知,在發(fā)動(dòng)機(jī)5000r/min時(shí),燃油消耗率最低,同時(shí)在其附近曲線趨于平穩(wěn)并保持較低值,說明該發(fā)動(dòng)機(jī)在此區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)性較好,這對(duì)于負(fù)荷變化較大的發(fā)動(dòng)機(jī)來說十分重要。低于4500r/min時(shí),燃油消耗率相對(duì)較高充分說明發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)等低速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油的利用率相對(duì)較低,燃油在氣缸中容易出現(xiàn)部分燃燒和燃燒不完全等現(xiàn)象。3發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模擬應(yīng)用GT-Power軟件,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本性能參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,從流體在進(jìn)排氣管道中的壓力、流速到氣缸中壓力、溫度、扭矩、功率、燃油消耗率等,并進(jìn)行了分析。在