高速汽油发动机性能优化的模拟计算及试验研究（可编辑）

高速汽油发动机性能优化的模拟计算及试验研究（可编辑） 高速汽油发动机性能优化的模拟计算及 试验研究Simulation And Experimental Study on The Optimization of Performance For The High-speed Gasoline Engine学科专业:动力工程 研 究 生:张 巍 指导教师:毕凤荣 副教授 天津大学机械工程学院 二零一三年六月独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天 津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日 摘要 随着科学技术的不断发展和进步,当今内燃机技术水平已经日新月异,达到 了前所未有的高度,但是消费者对内燃机的性能水平始终没有满足,作为内燃机 行业的从业者,以提高发动机性能水平为目标,开展本文所述工作。 本文利用一款高速汽油发动机开展研究工作,用仿真计算的方法建立原机模 型并对性能进行预测,提出发动机进排气道优化,利用进气谐振原理,对发 动机匹配合适的进气谐振器,通过台架试验进行验证,从而达到性能提升的目的。 首先,搭建发动机台架测试系统,包括测功系统、空燃比测试系 统、燃烧分 析系统和气道稳流测控系统。其次,利用 AVL 公司的 Boost 软件建立了原机模 型,分析了模型中各模块参数的确定及输入准则,包括:进排气系统的结构参数、 缸头的结构参数、进排气门升程曲线及流量系数、燃烧模型、传热模型以及机械 损失等。通过发动机台架试验验证了模型的可靠性。以仿真模型为基础,对发动 机的进排气系统进行了变参数优化计算与分析,提出了发动机进排气系统的优化 途径和方案,通过对发动机的工作过程进行变参数模拟计算,预测改变参数对发 动机性能的影响方向。利用 AVL 公司的 Fire 软件对发动机进排气道及气缸内的 气体运动状态进行研究分析,根据计算结果,依据实际要求对原机进排气道进行 了修整,优化后的进排气道流量系数都有一定的提高,通过对改进后的发动机进 行台架试验,发动机的功率和扭矩都有 3%以上的增加。最后,利用仿真计算的 方法,对并联进气谐振器的容积、连接管长度和管径等参数对发 动机性能的影响 进行了研究,通过发动机台架试验可知,在化油器后端采用可变 容积谐振器,在 谐振器连接管长度 200mm、管径 24mm 条件下,与原机相比,最大 输出功率和最 大输出扭矩分别提升了 3%和 2%以上。 关键词: 高速汽油机 模拟仿真 性能提升 进排气道优化 谐振 器 ABSTRACT With the development of science and technology,internal combustion engine technical level has changed rapidly, reached a very high level, but the level of performance of the engine has not still satisfied the consumers, as an engine engineer, to improve engine performance as the goal where to start the workIn this paper, a high speed gasoline engine as the research object, the method of simulation calculation and bench test combination, optimization of the engine inlet and exhaust ports, utilizing resonance of air intake principle, to match engine intake resonator being suitable, in order to achieve the purpose of improving performance. In this paper, the main work is as follows: Building engine bench test system, including power measuring system, the air-fuel ratio test system, combustion system and analysis of flow measurement and control system.The original engine model was established by AVL Boost, analyzed and input the parameters in the model, including: the parameters of intake and exhaust system structure parameters, the structure parameters of the cylinder head, combustion modelBased on the simulation model, calculating and simulating working process of the engine, predicted influence direction on engine performance by changing parametersUsing AVL Fire to analysis engine intake and exhaust gas motion state of airway and the cylinder, according to the calculation results, on the basis of the actual requirements to modify the intake and exhaust ports, the optimized intake and exhaust flow coefficient are improved, through bench test on the modified engine, engine power and torque has increased by more than 3%.Using simulation method to analysis intake resonator , through engine bench test, using the variable volume resonator compared with the original engine, engine power and torque has increased by 2%- 3% KEY WORDS: High speed gasoline engine Simulation Performance improvement Optimization of inlet and exhaust ports The intake resonator 目 录 第一章 绪论.1 1.1 概述 1 1.2 进气系统及其谐振作用对性能的影响. 3 1.3 排气系统对发动机性能的影响. 5 1.4 国内外研究现状和发展. 7 1.4.1 进排气系统研究现状和发展. 7 1.4.2 模拟计算的研究现状和发展. 8 1.5 本课的主要工作内容. 8 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台10 2.1 高速汽油发动机台架试验平台10 2.1.1交流电力测功机11 2.1.2线性空燃比分析系统 12 2.2 燃烧分析系统 13 2.2.1燃烧分析系统硬件. 13 2.2.2燃烧分析系统软件. 16 2.3 双特征角气道稳流测试系统 18 2.3.1气道稳流试验台18 2.3.2测试评价方法 19 2.3.3 测试方法及步骤. 21 2.4 本章22 第三章 高速汽油发动机热力学模型的建立及性能预测..23 3.1 BOOST 软件简介. 23 3.2 模型的建立与验证. 24 3.2.1计算模型和基本假设 24 3.2.2 BOOST模型的建立31 3.2.3参数输入32 3.3 基于BOOST 模型的发动机性能预测 38 3.4 本章小结42 - i -第四章 高速汽油发动机进排气道 CFD 分析及优化43 4.1 CFD 计算理论与应用. 43 4.2 几何模型建立及网格划分. 46 4.2.1几何模型建立 46 4.2.2网格划分47 4.3 计算初始条件和边界条件. 48 4.3.1 初始条件. 48 4.3.2 边界条件. 49 4.4 计算结果分析 49 4.4.1原机进气道及缸内气流运动分析. 50 4.4.2原机进气道气流运动特性分析53 4.4.3原机排气道气流运动特性分析54 4.5 高速汽油机进、排气道优化设计与分析. 57 4.5.1进气道的优化设计. 57 4.5.2排气道的优化设计. 57 4.5.3进气道优化前、后比较分析 58 4.5.4 排气道优化前、后比较分析63 4.6 气道优化前、后发动机试验性能对比66 4.6.1气道优化前、后流量系数对比66 4.6.2 气道优化前、后外特性对比67 4.7 本章小结68 第五章 进气谐振器对高速汽油发动机性能影响的研究..69 5.1 发动机进气的动态特性69 5.2 进气谐振器的原理. 71 5.3 进气谐振器对高速汽油机性能影响的 仿真研究. 73 5.3.1 带有并联式进气谐振器发动机 BOOST 模型的建立73 5.3.2 后端布置进气谐振器结构参数对发动机性能的影响. 74 5.4 进气谐振器对高速汽油机性能影响的实验研究. 76 5.4.1 后端布置进气谐振器发动机试验设备. 76 5.4.2 后端布置进气谐振器发动机试验结果. 76 5.5 本章小结77 第六章 总结和展望78 6.1 总结. 78 6.2 展望. 79 参考文献80 致谢.83第一章 绪论第一章 绪论 1.1 概述 高速汽油机具有升功率高、体积小、质量轻、制造成本低、振动噪声小、尾 气易处理等诸多优点,广泛应用于汽车、摩托车领域。随着石油资源的日益匮乏 和大气污染的日益加重,导致能源和环境问题日渐突显,但是与之形成鲜明对比 的是汽车驾驶人对驾驶性和动力性的追求越来越高,在过去的几十年中,汽油机 技术在电子控制技术快速发展的基础上也得到了迅猛发展,可变进气管长度、可 变气门正时和升程、缸内直喷、涡轮增压、停缸等先进技术广泛应用于各类发动 机。尽管如此,面对当今不断恶化的能源和环境形势,发动机仍然面临着严峻的 挑战,要求新一代发动机具有更高的动力性、经济性和环保性。 [1][2] 目前,提升发动机性能的途径主要有以下几个方面 : (1)采用增压技术 在空燃比一定的条件下,提高发动机进气密度可以使发动机的功率成比例增 大。目前在柴油机上已经广泛采用涡轮增压技术,该技术可以大幅度提高柴油机 的功率。汽油机由于受到爆燃的限制,增压的压力不能太高,采用增压技术后, 可以使功率提高 30%-40%左右。 (2)改善燃烧过程 通过增大流量系数,改善油气的混合过程来改善燃烧过程,通过增大气道的 空气流量系数可以显著提高其流通能力,可以达到提高发动机的充气效率和热效 率的目的。对于汽油机来说,在气缸内合理有效的组织大尺度的滚流运动,可以 加快汽油和空气的混合速度,混合气在气缸内得以充分燃烧,缩小了爆震的区域, 气缸内合理的滚流运动为进一步提高压缩比提供了条件;对于柴油机来说,气缸 内需要组织较强的涡流运动,涡流可以起到热混合的作用,有助于空气与未燃燃 料的混合过程,提高燃烧效率,合理优化缸内气流运动可以提高发动机的性能指 标。 (3)优化配气方案 优化配气方案主要包括优化配气机构和进排气系统。内燃机配气机构是在保 证发动机平稳可靠运行的前提下,确保发动机较好的换气效果。改善配气机构主 要包括改善凸轮型线和配气正时两个方面,凸轮型线对整个配气机构有非常重要 - 1 - 第一章 绪论 的影响,通过改善配气凸轮型线可以改进进排气门的运动过程,可以提高气门的 通透能力,从而提高发动机的充气效率,配气凸轮的通透能力通常取决于丰满系 数和时面值两个参数;根据发动机工况,选择最佳的进排气门的 开启关闭时刻, 增加发动机的空气流量系数和降低泵气损失,通过合理优化配气机构可以较大的 提高发动机的性能指标。进气系统优化主要包括对空气滤清器、进气管和进气道 的优化,空气滤清器的作用是过滤吸入发动机的新鲜空气,合理匹配空气滤清器 的结构和容积,使其与进气(歧)管连接处合理过渡,从而降低进气阻力,提高 进气量;利用进气谐振的作用,通过匹配进气管的直径和长度来优化进气管,达 到降低进气阻力、减少泵气损失,从而增加进气量的目的;通过优化配置进气道 和燃烧室的参数可以起到合理组织混合气在缸内运动的作用,混合气运动强度增 加,缩短了燃烧的时间,通过优化进气系统,对性能有较大的提高。优化排气系 统主要从排气(歧)管和排气道两个方面开展。优化设计排气管的结构参数,利 用排气谐振作用和降低排气阻力,提高排气效率;通过优化排气道可以增大排气 道的通过能力,提高废气流量系数,在较短的时间内有更多的废 气排出,从而降 低了缸内残留的废气量,优化排气系统后发动机性能有一定的提高,但不及进气 系统优化后所带来的性能提升。 (4)提高机械效率 提高发动机的机械效率主要从改善发动机的润滑特性和减轻运动部件的质 量着手。改善润滑特性可以降低活塞和连杆在往复运动时产生的摩擦力,减轻运 动部件的质量,可以降低运动部件的往复惯性力,降低运动件和传动件间的摩擦 功,提高机械效率可使功率提高约 1%。 发动机换气效率的高低直接影响着发动机的各项性能指标,在相同的进气条 件下,如果可以吸入更多的新鲜空气进入气缸中,那么就可以将更多的燃料喷入 气缸,产生更多的有用功,因此,合理组织进排气气流运动,优化进排气系统, 对于提高发动机充气效率进而提高发动机各项性能指标就显得尤为重要。目前, [3] 提高发动机换气效率的措施有 : (1)降低进气系统流通阻力 进气流通阻力包括管道摩擦阻力和局部阻力。摩擦阻力主要与管道长度和粗 糙度有关,发动机中由于管道不长,壁面较光滑,摩擦阻力不大,而局部阻力是 管道中的主要损失,它是由一系列局部损失叠加而成,特别是气门开启界面处、 空气滤清器和管道转弯处的局部阻力更为明显。增大进气门处流通面积,改善气 道、气门和气门座处的气体流动特性用来降低进气门处的流动损失。 (2)降低排气系统流通阻力 降低排气系统流通阻力,可减少换气损失,使缸内残余燃气压力下降,这不 - 2 - 第一章 绪论 仅有利于排除残余燃气,提高充气系数,而且有利于排气能量的利用。在排气系 统中,最小截面位于气道的首端,与进气道相比流动过程相反。排气道应避免气 道内截面突变和急转弯,这有利于降低流通阻力。 (3)合理利用换气过程中的动态效应 在进气过程中,进气门打开活塞快速下行,缸内压力下降产生负 压,负压力 波开始在进气道和进气管内传播。在自由排气阶段,在排气管进口处会产生很大 的正压力波,该波在管端变成负压力波并被反射回来,产生正负压力波合成的压 力波动。合理利用换气过程中的动态效应可有效提高发动机换气效率。 本文基于一款小型高速汽油发动机,借助于专业的发动机模拟仿真计算软件, 通过试验研究分析和优化发动机进排气系统,提高发动机的动力性能,最终达到 预期目标的要求。 1.2 进气系统 及其谐 振 作用对性 能的影 响 发动机的进气系统主要由空气滤清器、进气稳压腔、进气支管和进气道组成。 通过合理设计进气系统,可以高效的供给燃烧需要的新鲜空气,并可以合理组织 气流运动情况,包括涡流、滚流等。一般用空气流量来评价新鲜空气的提供能力, 用缸内气流运动强度来评价气流运动,通过各种评价方法来计算涡流比、滚流比 来实现,这些参数对发动机性能的影响很大,所以说进气系统设 计的是否合理是 能否提高发动机性能的关键所在。 [1] 局部阻力和沿程阻力是导致发动机进气损失的两个主要原因 。局部阻力是 指流体的边界在局部地区发生急剧变化时,主流被迫脱离边壁生成了漩涡,流体 中各个质点之间剧烈的碰撞所形成的阻力。一般情况下,最容易形成局部阻力的 地方出现在气道的弯管处,所以在进气系统设计的过程中应该在空气滤清器和进 气管之间以及进气管与进气道之间有圆滑的过渡,而不要有截面突变的情况,尽 量使进气道转弯处过渡平缓,避免小弧度的弯角的出现,局部阻力如 1-1所 [4] 示 。沿程阻力指在均匀流段上流体所产生的流动阻力h ,也叫做摩擦阻力,发 f 动机的进排气道在加工过程中都进行过特殊的工艺处理,气道壁面比较均匀,所 [5] 以沿程阻力并不是很大。沿程阻力如式 1-2所示 。 2 v h(1-1) j 2g 2 l v h (1-2) f d 2g 其中, ?:局部阻力系数 - 3 - 第一章 绪论 :沿程阻力系数(主要与管径和表面光滑度有关) l: 管道长度 ( mm) d mm :管道内径( ) m /s v: 流速( ) 2 g:重力加速度( ) m/s [6] 发动机的性能指标很大程度上取决于发动机进气系统的结构特 点 ,发动机 吸气过程中,在进气系统中产生周期性变化的压力波,新鲜空气经过空滤器进气 管进气道,最后进入气缸内。在活塞下行进气门突然打开时,缸内压力下降产生 负压,负的压力波形成膨胀波,膨胀波经过进气门进气道流回进气管内,当膨胀 波传递过程中遇到管道截面突变的时候,膨胀波将会再次反射,二次反射波会和 下一循环产生的膨胀波叠加在一起,如此反复,进气管内的压力会随着发动机的 运转不断的变化,进气管内压力波形式如图 1.1和图 1.2所示。 图 1.1 进气管内的压力波 图 1.2 进气管内压力波形成机理 按照上述理论知识可知,在初始进气的过程中,进气管内的压力不能太低, 如果太低的话,在进气门提前开启的时候,由于缸内的残余废气压力较高,将会 导致废气被压回到进气管内。进气冲程末期,进气管内的压力在压力波峰和波谷 叠加的作用下进一步降低,于是有更多的新鲜空气进入了气缸,使得进气流量系 数得以增加。发动机转速和活塞在缸内运行的速度决定了进气管 内的压力的分布 情况,所以要优化设计进气管与进气道的结构,选择一组和发动机燃烧室匹配较 好的进气系统,包括较好的流量系数和流场强度,同时还应保证有效的的利用进 气管内的谐振效应,降低发动机的泵气损失,提高充气效率,改善缸内混合气的 [7] 燃烧情况 。 - 4 - 第一章 绪论 1.3 排气系统 对发动 机 性能的影 响 排气系统是指从发动机排气道出口到排气管末端的整个废气通道,主要由排 气道、排气管、消声器和催化转化器组成。在四冲程内燃机中,排气门刚打开时, 废气流速很快可以达到声速,所以废气在排气管中会产生很大的压力波,所以排 气系统内的不稳定流动对发动机性能也有很大的影响。排气系统中的动态效应分 为波动效应和惯性效应,若能对排气道和排气管的结构进行合理的匹配,借助排 气压力波在排气管内的波动效应来降低排气背压提高排气效率, 那么就可以将充 气效率进一步提高。 在排气冲程中,排气门突然打开活塞向上止点运动,气缸内出现膨胀波,膨 胀波在排气道内传播,并在排气道尾端产生反向的压力波。图 1.3为压力波在排 气管内的传递过程,由图可见反射波 C1 受限于管道 1-1 的截面大小,使其只能 向截面 2-2处传播,只有在到达截面 2-2时反射波才能向其他方向继续传播,并 且在该处反射波的振幅增大,燃烧废气在惯性的作用下继续向前流向截面 3-3, 在截面 2-2 和截面 3-3 之间将产生一个稀薄压降区 R,由于压力降低,反射波开 始向反方向传播。在反射波向回传播到排气道时,从气缸内刚好排出下一循环的 膨胀波,按照上述方式传播并反射回来,如此反复传播,反射波振幅会随着反射 次数的增多而逐步减小,所以设计排气管时,充分利用排气管内的谐振效应,尽 量减小在排气初期时排气管内的压力,使废气排出更顺畅,同时保证在排气冲程 [8] 末期在排气管内形成适当的压力,减少新鲜混合气从缸内流出 。 图 1.3 压力波在排气管内的传递过程 发动机在实际运转过程中存在由于排气门早开造成的膨胀损失、流动阻力造 成的活塞强制排气的推出损失和吸气过程的吸气损失等,这些在实际循环中所产 生的损失叫做换气损失。排气损失指的是从排气门提前开直到下止点这一过程, 因为排气门提前开启造成缸内压力下降,使得有效的膨胀功减少,膨胀损失。活 - 5 - 第一章 绪论 塞从下止点向上止点运动的强制排气时所消耗的功称之为推出损失,推出损失随 着发动机转速的增加而不断的增大,发动机泵气损失如图 1.4所示。W:膨胀损失;X:推出损失;Y:吸气损失 X+Y-u:泵气损失;X+Y+W:换气损失 图 1.4 发动机换气损失示意图 与进气系统一样,排气系统内同样会由于压力波的作用产生谐振作用,排气 系统内的谐振效应与排气背压和排气管内的压力波密切相关。由于发动机排气门 早开迟闭,所以在做功冲程的末期,排气门提前开启,高温、高压的燃烧废气不 断进入排气道、排气管内,排气门开启和关闭状态是随着发动机的运转实时变化 的,所以排出的废气将会以脉冲波的形式在排气管内振荡传播,使排气管内的压 力升高从而增大了推出损失。与此同时,排气系统中的高温、高压的废气迅速膨 胀,前面循环产生的废气不断被挤到排气管外,所以膨胀波后的废气浓度在逐步 降低,气体压力也随之降低。排气压力脉冲波的传播速度要远远大于废气的流速, 所以在活塞运动到排气上止点时,压缩波恰好到达排气管末端。废气在排气管内 [8] 的流动平均速度如式1-3所示 : Sn D 2 v (1-3) g 30000 d m /s 其中,: v 废气平均速度( ) g S :活塞行程(mm) :曲轴转速(r / min ) n D:活塞直径( ) mm d :排气管直径(mm) - 6 - 第一章 绪论 压力波在废气中的声速表示为:p (1-4) c? 其中, :废气声速(m /s) c? :摩尔比热容(空气为 1.4) 2 p:废气压力(N / m ) 3? :废气密度(kg/m ) 1.4 国内外研 究现状 和 发展 1.4.1 进排气系 统 研究 现 状和 发展 通过优化发动机进排气系统来提升其性能,可以最小程度的降低 发动机成本 的增幅。进排气系统的优劣决定了发动机充气效率的高低,最终 决定了发动机的 [9] [10] [11] [12] [13] 性能指标。所以,进排气系统的优化显得尤为重要 ,是提升发动机 性能的常用方法。通过合理匹配进排气道与进气管等结构部件,选择科学的方法 提出优化方案,设计出最优的进排气系统。刘敬平等用试验和模拟计算相结合的 方法分析了几种不同形式的进气系统,并得出了进气系统结构对发动机性能的影 [14] 响程度 。余国核、阎祥安等人利用通过优化进气管参数,配置谐振器来提高发 [15] 动机充气效率,提高发动机性能水平 。马捷、顾宏中利用可变容差法来设计谐 振系统的结构尺寸,采用特征线和容积法相结合的计算方法,优化设计不同谐振 [16] 容积、不同谐振管长和管径的谐振系统 。马志豪、杨宏强等人对发动机进气道 进行了优化,减少了进气道横截面积的突起,降低了进气阻力,结合调整优化的 [17] 化油器提升了发动机性能 。钱耀义等利用数学的方法,将进气系统用数学模型 进行表达,将发动机进气管、进气道按当量长度简化为直管,把进气管长度、直 [18] 径作为可变参数,进气惯性效应被设置为发动机约束条件 。但由于进行计算的 时间过长,在优化过程中完全的一维不稳定流动模型还没有被采用。上海交通大 学的李明等利用发动机一维模拟软件GT-Power分析了进气歧管形式、配气相位 以及点火相位方案对发动机性能的影响,通过优化进气歧管长度、配气相位、稳 [19] 压腔容积和点火角来提升发动机性能 。清华大学的王建听等人同样采用 GT-Power建立了EQ491发动机工作过程计算模型,通过试验验证了模型的准确性, [20] 在原机数据的基础上对发动机的配气系统进行了优化设计 。 - 7 - 第一章 绪论 1.4.2 模拟计算 的研究 现 状和发展 随着计算机技术的飞速发展,利用计算机数值模拟技术来仿真发动机的工作 过程,拉近了发动机理论和实践的距离,改变了传统的开发手段,由过去的经验 [21] 设计向预测和优化转变 。发动机运转时复杂的内部过程,如燃烧过程、进排气 过程都可以进行数值解析,得出定量的描述结果,许多过程的物理模型都可以通 过数学模型予以表达。数值模拟技术逐渐成为内燃机开发过程中的一项关键技术, 其优势日益凸显,实际应用范围日益扩大。内燃机工作过程数值模拟的主要内容 之一就是对气体流动的综合模拟,主要包括进气系统、排气系统和缸内工作过程 的数值模拟。数值模拟仿真与试验的综合应用,已经成为现代内燃机设计与研究 [22] [23] 发展的主流方向 。 20 世纪 80 年代,在世界范围内,各高校都开展了发动机数值模拟程序的 研发工作,如英国曼彻斯特大学开发的 MK-14。1985 年,清华大 学引进了英国 曼彻斯特大学 MK-14 程序,对其进行简化处理后应用在了小型计算机上。随后 的十年中,这些程序在一汽、二汽等大型国有汽车制造企业中得到了广泛的应用。 20 世纪 90 年代,一系列的发动机循环模拟软件逐步进入商业领域,标志 [24] 着发动机模拟仿真技术达到实用化工程化的程度 ,AVL公司的 Boost、Gamma 公司的 GT-Power 以及美国西南研究院 VIPRE 等,都是非常成熟的商业化模拟 软件。每一款软件在各自的领域都有自己的优势,他们之间的差异主要来自基础 模型的描述不同和模型的循环方法不同。 在现代发动机设计和研发过程中,模拟仿真软件已经在世界范围内得到了广 [25] 泛的应用 ,如 AVL公司的 BOOST、Gamma 公司的 GT-Power 等,通过对发 动机各种结构参数、热力参数以及运动参数的不同设置来分别分析其对发动机的 性能不同影响,并能预测除了性能以外的其他参数,比如排放污染物等,通过在 计算机上匹配不同参数优化发动机的设计。在发动机调试阶段,模拟计算值可以 作为对实际试验测量值的补充,并提出指导方向,从而能够缩短开发周期减少试 验费用,大大的提高了研发效率和准确度。 1.5 本课题的 主要工 作 内容 本文以一款 223mL的高速汽油发动机为样机来开展研究工作,用仿真计算 的方法建立原机模型并对性能进行预测,提出发动机进排气道优化方案,利用进 气谐振原理,对发动机匹配合适的进气谐振器,通过台架试验进行验证,从而达 到性能提升的目的。主要从以下几个方面开展工作: - 8 - 第一章 绪论 (1)利用 AVL公司的 BOOST 软件建立发动机原机一维模型,根据发动机相 关参数和台架试验数据对发动机模型进行标定,提出技术方案,并对发动机性能 进行预测。 (2)以 AVL公司的 FIRE 为平台,对小型高速汽油机的进、排气 道及气缸内 的气体运动状态的计算结果进行研究分析,提出进排气道优化方案,对优化后的 进排气道进行评价,并对优化进排气道后的发动机进行台架试验,测得性能参数。 (3)利用可调谐振器,匹配发动机进排气系统,通过模拟计算对谐振器对发 动机的影响进行研究,调整谐振器各参数以及安装位置和连接状态,对发动机性 能的影响规律进行了研究。- 9 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台 第二章 高 速汽 油 发 动机 综合 试验 测试 平台 本章介绍了高速汽油发动机综合试验测试平台,包括:台架试验平台、自主 研发的燃烧分析系统和自主研发的双特征角气道稳流测试系统。在上述试验测试 平台上,可以对高速汽油发动机的性能进行较为全面的测试和分析,为发动机的 开发与性能提升提供基础。 2.1 高速汽油 发动机 台 架试验平 台 发动机台架试验是发动机工作过程和性能分析、研究的基本条件,如图 2.1a所示,为本研究中所采用的发动机测试台架和测控仪器,主 要包括测功机、 空燃比分析仪和燃烧分析系统,如图2.1b所示。 图 2.1a 发动机试验台架 台架试验平台 测功机 线性空燃比分析仪 燃烧分析系统 图 2.1b 发动机试验台架主要部分- 10 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台 2.1.1 交流电 力测功 机 交流电力测功机是随着变频技术的发展而产生的较为先进的加载测功设备, 在中小功率发动机加载测功试验中,可同时兼顾低速及高速试验。相对于其他类 型测功加载设备,在性能、可靠性、可操作性以及维护难易程度等方面都具有明 显的优势。首先,在节能方面电力测功机可以把原动机产生的机械能转换为电能 回馈到内部电网,供其他设备使用;第二,可实现双向加载,电力测功机既可以 作为动力机械倒拖原动机,也可以作为机械效率试验的动力和发动机启动动力使 用;第三,在瞬态加载特性方面,电力测功机的加载反应主时间为毫秒级,远低 于水利测功机;第四,相对于直流电力测功机,交流电力测功机还 具有结构简单 便于维护,转速调节范围宽,动态响应特性好等优势。 如图 2.2 所示,本试验采用的测功机是天津大学科达测控技术公司生产的 30KW 交流电力测功机系统。该系统采用交流电机和变频控制技术,程控接口以 及计算机技术和试验软件。试验时,测功机可以根据指令倒拖发动机至需要的稳 定转速,并能在各工况下保持发动机运行转速稳定,满足台架试验的测试要求。 电力测功机系统主要由以下几部分组成: (1)主机:ACD-30交流电力测功机; (2)测功机控制:SIEMENS 直流调速装置; (3)油门执行机构及其控制:直流力矩电机,手动按钮位置控制; (4)检测及数据处理部分:采用工控计算机,检测、显示各种检测参数,进行 [25] 数据管理,打印试验报告,绘制发动机特性曲线 。 [26] 图 2.2为 30kW 交流电力测控系统的控制界面,技术规格如表 2.1所示 : 表 2.1 交流电力测功机系统参数 最大吸收功率(KW) 30 转速范围(r/min) 3000~8000 最大扭矩(Nm) 95 油门执行器行程mm 30 电源 AC380V 主轴转向 双向- 11 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台图 2.2 发动机台架测控系统界面 2.1.2 线性空 燃比分 析系统 在发动机的燃烧中,混合气成分对燃烧过程影响很大,需要实时、快速、准 确地测量燃烧的空燃比参数。由于开关型氧传感器只能检测混合气的浓、稀状态, 不能实时输出发动机空燃比的大小,因此本文采用宽域氧传感器。如图 2.3所示, 分析系统选用 ETAS 公司的 Lambda LA4 宽域线性空燃比测量系统。该空燃比测 量系统通过 RS232串行接口跟上位机通讯,可以测量范围为 0.7~32.7的参数, 并可以用来作为空燃比实时闭环控制。图 2.3 线性空燃比分析系统 - 12 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台 2.2 燃烧分 析系统 自主研发的燃烧分析系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统主要 包括:数据采集卡、光电编码器、缸压传感器、进气压力传感器、电荷放大器、 工控机等;软件系统包括:数据采集、数据分析、数据处理及数据存储等几个部 分。系统以工控机为核心,通过高速数据采集卡采集发动机的状态参数,利用多 线程、多级缓存、显示缓存等软件技术完成数据处理工作,根据处理后的数据, 进行数据保存、回放、显示、绘图及燃烧数据分析等。图2.4为燃烧分析系统结 构简图。 图 2.4 燃烧分析系统结构简图 2.2.1 燃烧分 析系统 硬件 燃烧分析系统的硬件以工控机为计算核心,通过高速数据采集卡采集缸压传 感器和进气压力传感器的压力信号,高速数据采集卡以光电编码器产生的脉冲信 号为时钟基准,按时钟基准信号进行数据采集,光电编码器通过发动机曲轴直接 驱动,建立并确定采集的压力信号和曲轴转角之间的对应关系。 [27] (1)缸压传感器 如图 2.5 所示,本系统采用瑞士 KISTLER 公司生产的 6117B 型火花塞式气 缸压力传感器,它是将缸压传感器集成到火花塞上,因无需在缸盖或缸体上打孔, 目前被广泛采用。该传感器的特点为信号与地绝缘,干扰少,载荷变化漂移小, 工俸寿命长;传感器的前端面与火花塞的底部近乎齐平,测量时不会产生任何通 道效应;固有频率高130 kHz,适于爆震检测,也适合高转速发动机的压力测量 和探测爆震。表 2.2为 6117B型气缸压力传感器主要技术参数。 表 2.2 6117B 型火花塞式气缸压力传感器主要技术参数 型号 量程 灵敏度 线性 工作温度热冲击误差 6117B 0-150 bar -16.61pC/bar ?? 0.22% -50~350 ? C ? 0.8 bar - 13 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台 图 2.5 6117B型测量火花塞式缸压传感器 图 2.6 5011B 型电荷放大器 [28] (2)电荷放大器 本系统选用与缸压传感器配套的 KISTLER5011B型电荷放大器,如图 2.6所 示,它的测量范围从?10 到?999,000pc 可连续调节。前面板上的液晶屏显示 了传感器灵敏度和增益系数,使参数设置十分方便。参数设置后即使在突然断电 情况下仍能保持设置的参数不丢失。 KISTLER5011B 型电荷放大器特点是:?测量量程大;?工作频率范围宽; ?零点自动校正;?低通滤波和时间常数可选择;?可选配 IEEE-488 并行接 口或 RS-232 串行接口进行通信;?符合欧共体电磁干扰;?兼容性强; [29] (3)光电编码器 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移转换成脉冲或 数字量的传感器,它是目前应用较为普遍的曲轴转角传感器。如图2.7所示,本 系统选用长春禹衡光学有限公司生产的增量型光电编码器。它由光栅、指示光栅、 发光元件、光敏元件、整形电路等部分组成。当曲轴驱动编码盘 旋转时,编码盘 会产生光信号脉冲,通过光栅接收系统,将光脉冲信号转换为电脉冲信号,通过 比较放大电路将电脉冲信号转换为TTL方波信号,数据采集卡据此信号在方波的 下降沿触发,完成数据采集。为了确定曲轴转角的基准点,光电编码器会输出一 个零位信号,以便与发动机的上止点相对应。由于光电编码器安装时其位置是随 机的,无法将零位信号直接作为相对基准。一般采用倒拖法或灭缸法先测取缸压 曲线,然后将压力最高点相对于零位信号的位置作为压缩上止点。 光电编码器输出信号分为A、B、Z三种,其相位关系如图2.8所示,其中,A、 B为编码器每转一周会产生1500个方波信号,一般作为采集卡的时钟输入信号。Z 信号也为方波信号,编码器旋转一周只产生一次固定位置的Z脉冲,因此Z信号 用于标定上止点称为曲轴同步信号,即上止点信号。光电编码器与发动机通过高 - 14 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台 精度弹性连轴节连接,以保证光电编码器与曲轴严格同步运转。 图 2.8 光电编码器输出信号波型 图 2.7 光电编码器 [30] (4)高速数据采集卡 高速数据采集卡是硬件系统设计中的关键部件,它决定了采集系统的最高采 样频率、转换精度等。如图 2.9所示,根据实验要求,本系统采用阿尔泰科贸有 限公司生产的 USB2815 型 USB总线的数据采集卡,并使用触发外时钟方式采集 气缸压力。图 2.9 USB2815 数据采集卡 USB2815卡的具体功能如下: (1) AD模拟量输入:16通道(单端 SE ),8通道(双端 DI );8K字(点)FIFO 存储器;AD 芯片转换时间 1.25μs;模拟输入阻抗 10MΩ;程控增益:1、 2、5、10或 1、2、4、8倍;工作温度范围 0?~+50?。 (2) DA 模拟量输出:输出量程 0~5V、0~10V、?5V、?10V ;转换精度 12位;输出通道数 4路;工作温度范围 0?~+50?。 - 15 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台 (3) DI数字量输入:8路通道,CMOS 兼容,高电平最低电压 4.45V,低电平 最高电压 1.5V。 (4) DO数字量输出:8路通道,CMOS 兼容,高电平最低电压 3.5V,低电平 最高电压 0.5V。 2.2.2 燃烧分 析系统 软件 燃烧分析系统软件基于 LABVIEW 软件平台编写。 LABVIEW 由美国国家仪 器公司National Instruments在 1986 年推出,是一种图形化的编程语言,它广泛 地被工业界、学术界和研究实验室所接受,被视为一个标准的数据采集和仪器控 制软件。Labview 类似于 C 语言和 BASIC 语言开发环境,但同其他的计算机语 言又有明显的区别。Labview使用的是图形化的 G语言编写程序,是一种直觉式 的图形程序语言。开发人员以直觉方法建立前面板人机界面和方块图程序便可完 成程序编写过程。LabVIEW 现成的人机界面工具可帮助用户很快地构成所需的 图形化人机界面,包括趋势图、按钮、LED指示灯和图标等,也可 利用 LabVIEW 的工具箱或其他绘图软件,可以定制具有个性的人机界面元件。LabVIEW 的模 块化结构,可使每一个 LabVIEW 程序单独运行或被其他程序当成子程序调用。 LabVIEW 拥有功能强大且庞大的分析函数库,足以与专业的数学分析软件媲美。 LABVIEW 最初是为测试测量而设计的,因此测试测量成为现在 LABVIEW 最广泛的应用领域。目前,大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的 LabVIEW 驱动程序,使用 LabVIEW 可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时, 用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的 LabVIEW 工具包,这些 [31] 工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能 。 - 16 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台 初始化 发动机参数设置发动机上止点标定 实时监测 多循环采集 数据回放 燃 爆 压 放 信 爆 实 平 示 CA10 烧 震 力 热 号 震 时 均 CA50 功 质 监升 率 积 比 曲 曲 量 CA90 图 测 高 曲 分 例 分 曲 线 线 COV imep 率 线 数 线 率 图谱 表数据保存 打印报表停止程序图 2.10 燃烧分析软件结构框图 图 2.10 为软件的结构框图,燃烧分析系统上位机软件通过数据采集卡读取 发动机缸压信号,对压力信号存贮和处理,将处理后的压力信号曲线和各燃烧参 数直接显示到软件界面上。能实时的监测数据的变化,通过对气缸压力数据的分 析,可实时获得发动机缸内燃烧参数,如燃烧放热率、压力升高率、燃烧相位(CA10、 CA50、CA90)、燃烧循环波动率等燃烧参数。数据存储和回放功能能够方便地对 历史数据进行查询、分析和回放。数据显示窗口能够按照数据的类型不同显示二 维曲线或三维的曲面。图2.11为软件的主窗口。- 17 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台 图 2.11 燃烧分析软件主窗口 2.3 双特征角 气道稳 流 测试系统 [32] 2.3.1 气道稳 流试验 台 本文采用的气道试验台为自主研发的双特征角气道稳流测试系统。与传统气 道稳流试验台相比较,双特征角气道稳流测试系统除了能够实现传统气道试验台 的功能,即测出发动机缸内气流运动的涡流比、滚流比等常规数值之外,还能够 实现缸内任意平面的气流运动测量,将缸内气流三维运动状况呈现出来,从而能 够更全面、准确的反映缸内气流运动的真实情况。双特征角气道稳流试验台的系 统结构如图 2.12所示,双特征角气道稳流试验台如图 2.13所示。 双特征角气道稳流试验台包括硬件系统和软件系统两部分。系统通过对步进 电机、风机变频器的控制和对叶轮转速、气门升程、进气流量、气道压差等信号 的采集,通过对采集到的数据的处理,确定发动机缸内气体的运动特征,并将结 果进行显示或存储。系统硬件部分主要由数据采集设备、执行设备和传感器三个 部分组成,包括多功能数据采集卡、控制气门升程和特征角 α 的步进电机、运动 控制卡、风机变频器等、热式气体流量计、特征角传感器、气门升程传感器、叶 轮转速传感器以及气道压力传感器等。系统软件基于 LabVIEW 平台开发的,主 要功能包括:控制指令设定、通讯和传感器参数设定、信号采集、数据分析与计 算、数据存储和管理等。 - 18 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台 1 风机 2 空气流量计 3 模拟气缸 4 叶轮 5 叶轮支承轴 6 支承板 7)待测缸头 图 2.12 气道稳流试验台结构示意图图 2.13 双特征角气道稳流试验台 2.3.2 测试评 价方法 用稳态流动试验法检测内燃机的进、排气道的流量系数、涡流比、滚流比等 流动特性参数是目前国内外广泛采用的方法。到目前为止,国际上还没有一致认 可的统一的评价方法,因此形成了不同的气道评价体系。目前国内外比较常用的 有英国 Ricardo 评价方法、奥地利的 AVL评价方法、FEV或西南研究院的 SwRI [11] 评价方法 。本文采用Ricardo 评价方法进行气道评价。 Ricardo 评价方法采用无量纲流量系数 C(流过气门阀座的实际 空气流率与 F 理论空气流率之比)和无因次涡流强度 Nr 分别表示气道的流体 通过能力和涡流 (滚流)强度以对气道进行评价。 - 19 - 第二章 高速汽油发动机综合试验测试平台 Q C (2-1) F nAV 0B R N(2-2) r V 0 3 式中,Q:流经气道气体的流量(m /s) 2 A:气门座圈内径的面积(m ) n:进气门数目 V