基于g-power的發(fā)動機進油管流仿真分析

基于g-power的發(fā)動機進油管流仿真分析

近年來，隨著計算水平的提高，對發(fā)動機的模擬和數(shù)值模擬取得了很大進展。模擬仿真軟件在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛,如應(yīng)用GT-Power、BOOST軟件對設(shè)計發(fā)動機的進氣系統(tǒng);AVL-Fire模擬內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體的混合狀況等?？傊?計算機模擬軟件現(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軟件平臺上建立某發(fā)動機仿真模型,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、進氣和排氣道、進排氣門、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、排氣系統(tǒng)、燃氣供給系統(tǒng)、發(fā)動機流動模型、熱傳導(dǎo)模型、燃燒模型等。在簡化的同時做出了以下假設(shè):(1)假定進入氣缸內(nèi)的氣體為理想氣體,滿足理想氣體狀態(tài)方程;(2)發(fā)動機工作環(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)燃氣無需過濾,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計算與分析2.1進氣管系統(tǒng)的動態(tài)特性壓力和速度是流體的基本參數(shù),故模擬了進排氣管內(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,局部會出現(xiàn)較大的非物理振蕩。特別是在對排氣系統(tǒng)進行模擬計算時,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間的推進而不斷下降,最后達到可能的最小值。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,整個工作過程中壓力是波動變化的。在進氣行程中,活塞的抽吸作用使得缸內(nèi)壓力迅速降低,在進氣管氣門端產(chǎn)生負壓,形成的負壓力波在管內(nèi)傳播并產(chǎn)生慣性效應(yīng)直接影響著整個進氣行程,使得壓力呈波動狀;當進氣門關(guān)閉后,進氣管內(nèi)殘留的壓力波動會對下一個循環(huán)產(chǎn)生脈動效應(yīng),繼續(xù)影響著發(fā)動機的充氣效率。圖2為進氣管流體流速變化圖。流體通過進氣管時,流速變化在壓力波的慣性效應(yīng)作用下亦呈波動狀。流速的波頻和波幅的大小與進氣管的長度和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速有關(guān)。進氣門打開時(690℃A),缸內(nèi)流體產(chǎn)生“倒流”現(xiàn)象,流速降低為負值,之后在進氣壓力的作用下流速迅速提高并達到峰值(86m/s);隨著進氣門開始關(guān)閉(90℃A),流體在進氣閥回程的反作用下,流速迅速下降并減為負值,氣門接近完全關(guān)閉時,流速降到最低的-24.5m/s。進氣門關(guān)閉后,管內(nèi)流體在殘留壓力波的脈動效應(yīng)作用下在管內(nèi)波動。由于排氣能量大、廢氣溫度高,與進氣壓力波相比,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到最大值,約17.2MPa。在排氣管進口處產(chǎn)生的壓力波使得管內(nèi)壓力快速升高。進入強制排氣階段后,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。進氣門打開后,新鮮工質(zhì)進入氣缸,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入量。在圖4中可以看出,在排氣管壓力波動等多重因素作用下,管內(nèi)流體的流速變化也是呈波動狀的。排氣門打開時,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。在排氣門出口端負壓波的作用下,流速達到了負極值。分析表明,在進排氣系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化過程中,數(shù)值模擬方法同傳統(tǒng)的試驗研究相比,能降低成本,提高研發(fā)效率和進度。同時,FVM-TVD方法有效地解決了模擬進排氣系統(tǒng)時不連續(xù)的問題。2.2氣體溫度變化內(nèi)燃機的燃燒效率和污染物的產(chǎn)生均與氣缸內(nèi)氣流運動的情況緊密相關(guān)。圖5為氣缸內(nèi)壓力變化曲線圖。初始壓力定為0.098MPa,在壓縮行程開始升高,在上止點后(380℃A)達到最高值,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)動機燃燒室內(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,在點火提前角時氣缸溫度急劇上升,在上止點附近達最高值2450K,隨后在氣體作功行程中溫度下降,當接近排氣時,由于活塞上移接近上止點,流體再次被壓縮而出現(xiàn)短時的回溫現(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發(fā)動機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,實現(xiàn)燃料和空氣的充分混合,以提高燃燒效率。2.3轉(zhuǎn)速對發(fā)動機功率和消耗率的影響扭矩和功率是衡量發(fā)動機工作動力性能的重要參數(shù)。在發(fā)動機運行過程中,發(fā)動機輸出扭矩和輸出功率與發(fā)動機多個參數(shù)有關(guān),如進氣效率、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)動機的轉(zhuǎn)速有關(guān),不同轉(zhuǎn)速下,發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩功率不同。圖7為發(fā)動機單個氣缸的指示扭矩圖?？芍摪l(fā)動機在4300r/min時,發(fā)動機制動扭矩達到最大值116Nm,此后隨著轉(zhuǎn)速的增加,扭矩逐漸下降,但較低轉(zhuǎn)速時為高。發(fā)動機的輸出功率同轉(zhuǎn)速關(guān)系很大,隨著轉(zhuǎn)速增加,發(fā)動機的功率相應(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)動機單個氣缸的指示功率隨轉(zhuǎn)速的變化情況,模擬所用發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速為6000r/min,由結(jié)果可知,該發(fā)動機最大功率出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速6000r/min時刻附近,故圖中顯示隨著轉(zhuǎn)速的增加,發(fā)動機的功率相應(yīng)提高。燃油消耗率為發(fā)動機負荷特性的重要參數(shù),是衡量發(fā)動機經(jīng)濟性能的重要指標。在曲線上當燃油消耗率越小時,經(jīng)濟性就越好。從圖9可知,在發(fā)動機5000r/min時,燃油消耗率最低,同時在其附近曲線趨于平穩(wěn)并保持較低值,說明該發(fā)動機在此區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟性較好,這對于負荷變化較大的發(fā)動機來說十分重要。低于4500r/min時,燃油消耗率相對較高充分說明發(fā)動機在啟動等低速工況下發(fā)動機對燃油的利用率相對較低,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)動機工作過程模擬應(yīng)用GT-Power軟件,結(jié)合試驗數(shù)據(jù),對發(fā)動機的基本性能參數(shù)進行了計算,從流體在進排氣管道中的壓力、流速到氣缸中壓力、溫度、扭矩、功率、燃油消耗率等,并進行了分析。在