某发动机性能提升仿真研究

周涛，张雪林，雷蕾

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某发动机性能提升仿真研究

周涛，张雪林，雷蕾

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

针对某款自然吸气汽油发动机的变型产品开发，文章运用AVL-Boost软件搭建发动机热力学仿真分析模型，精标定基本型发动机模型，通过尝试改变进排气凸轮型线和气门正时、进气歧管结构参数、进气损失以及排气背压等手段，预测以上各方案下的发动机性能及潜力，研究提升发动机外特性性能的方法和路径，为发动机开发性能提供一定的思路和指导。

发动机；性能；热力学

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-105-03

引言

随着发动机技术发展，如何提高发动机性能（动力性、经济性）已经成为众多工程师共同研究的课题[1]。提升发动机性能可以从提高缸内燃烧效率、提高充气效率、减少附件传动损失等途径[2]。本文运用AVL-Boost软件对某款汽油发动机进行热力学仿真，精标定基本型发动机模型,尝试通过改变进排气凸轮型线和气门正时、进气歧管结构参数、进气损失以及排气背压等手段提升发动机性能。

1、模型搭建

Boost作为发动机热力学一维分析软件，具有较高的工程应用价值。首先建立该汽油机的原机热力学模拟模型，应用原机的试验数据对仿真模型进行标定。然后在原机模型基础上，针对进排气凸轮型线、进气歧管结构参数、进排气压力损失建立分析方案，修改相关模型设置及输入边界，进行热力学分析[3]。

2、仿真分析

发动机热力学仿真是对整个进排气过程进行准确还原，通过赋予其准确的边界条件，建立准确的燃烧模型描述气体在气缸中的燃烧放热过程，建立准确的发动机模型，计算得到与发动机性能相关的所有结果及进排气通道中每一点的温度压力流量等参数，了解发动机运行过程，以便后期的优化工作。

图1 BOOST仿真模型

图1是发动机的BOOST的计算模型。环境气体从边界SB1吸入，通过管25到稳压腔PL3再经管1到空滤器CL1，再通过管2进入节气门R1，出来再通过管3接入进气歧管的谐振腔，进气歧管的谐振腔用PL1代替。管子5—12代表进气歧管和气道，通过气道将气引到气缸C1—C4。考虑排气歧管较短，将排气歧管和排气道简化成13-20，交汇处通过接头J1连接，通过J1经管子26连接到三元催化器Cat1，再通过管道21连到谐振腔PL2，出来经管22再连接到PL4，最后由管23和24通向大气边界SB2。

2.1 仿真模型标定

任何一个热力学仿真分析之前，均需要对分析模型进行标定，以确认该模型是否能满足工程应用要求。在对比大量试验结果与分析结果后得出：对于汽油机BOOST模型，仿真分析结果与试验结果差值在4%、关键点在2%以内是合格的。一般认为，对于汽油机BOOST模型，分析结果与试验结果差值在4%、关键点在2%以内是合格的。调校后的模型计算值曲线与试验值曲线吻合度较高、趋势一致，各关键工况点（最低转速、最大扭矩转速、额定功率转速工况）中各项参数对比差值均在2%以内，判断该模型满足工程应用要求，可用于后续的优化设计分析。目标发动机性能主要参数即扭矩、功率和比油耗与试验数据对比如图2所示。

图2 发动机扭矩、功率、比油耗、进气量、排气背压、排气温度对比

2.2 凸轮型线优化

以扭矩最大、比油耗最低为限制条件，运用DOE软件对凸轮型线进行修改，得到如图3所示三个最优方案。

图3 发动机进排气凸轮型线优化方案

三种型线方案对高转速和低转速动力性有明显改善效果。但在1600rpm～4800rpm范围内，动力性较原方案恶化较多。

图3 各凸轮型线方案发动机仿真预测结果

2.3 进气损失研究

自然吸气发动机由于进气压力无法像增压型发动机实现可控，因此进气损失直接影响到发动机进气量，进而影响性能。仿真结果如图4所示，降低进气损失后，全转速范围内进气量增加，功率、扭矩均有所提升，比油耗有所降低。其中，当进气损失减小1KPa时， 6000rpm进气量增加1.15%、功率提升1.2kW、比油耗降低约0.33%。

图4 进气损失方案比较

2.4 排气背压研究

图5 排气背压方案比较

针对不同排气背压进行整机性能仿真，结果显示：当排气背压降低5kPa，全转速动力性提升、经济性改善，其中6000rpm扭矩和功率增加0.71%、比油耗降低0.79%；当排气背压降低10kPa，整机动力性、经济性进一步提升，其中6000rpm扭矩和功率增加1.4%、比油耗降低0.79%。具体结果见图5。

2.5 进气歧管研究

针对进气歧管不同长度分析，结果表明：短管有利于高转速性能，但中等转速区域会出现扭矩掉坑现象，见图6。

Improving engine performance simulation research based on Boost

Zhou Tao, Zhang Xue Lin, Lei Lei
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to investigation gasoline engine, this paper uses AVL- Boost software to build thermodynamic analysis model, calibrate the boost model of engine. Predict and contrast engine performance by modifying cam、intake manifold and air pressure loss. This paper researchs that how these cases infect engine performance to supply method of engine development.

engine; economy; thermodynamic

U462.1

A

1671-7988 (2017)02-105-03

周涛，(1983-)，男，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。主要从事发动机设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.035