基于g-power的发动机进油管流仿真分析

基于g-power的发动机进油管流仿真分析

近年来，随着计算水平的提高，对发动机的模拟和数值模拟取得了很大进展。模拟仿真软件在产品设计中的应用越来越广泛,如应用GT-Power、BOOST软件对设计发动机的进气系统;AVL-Fire模拟内燃机缸内气体的混合状况等。总之,计算机模拟软件现已成为汽车企业和科研院所主要的研发方式。1模型的建立及假设在GT-Power软件平台上建立某发动机仿真模型,参数如表1所示。模型采用的模块化结构,包括系统边界、进气和排气道、进排气门、气缸、缸体、空气滤清器、喷油器等。此外,在各管道上定义了一定数量的测量点监测温度、压力等参数。由GT-Power所建立的模型为一维简化模型,包括进、排气系统、燃气供给系统、发动机流动模型、热传导模型、燃烧模型等。在简化的同时做出了以下假设:(1)假定进入气缸内的气体为理想气体,满足理想气体状态方程;(2)发动机工作环境恒温(300K)恒压(0.1MPa);(3)每次循环初始条件相同(调整参数除外,如喷油提前角、转速等);(4)燃气无需过滤,且符合要求;(5)各连接管路、阀门等部件无弹性变形,且无泄漏现象。2计算与分析2.1进气管系统的动态特性压力和速度是流体的基本参数,故模拟了进排气管内流体的压力和速度变化情况。在应用有限体积法存在的最大不足是在于处理不连续问题时,局部会出现较大的非物理振荡。特别是在对排气系统进行模拟计算时,这种不足更加明显。为了解决这一问题,采用了总变差减少的有限体积法(FVM-TVD)。其差分格式使得总变差随着时间的推进而不断下降,最后达到可能的最小值。这样振荡将变得最小或消失,并且符合参数变化的物理过程。如图1所示,整个工作过程中压力是波动变化的。在进气行程中,活塞的抽吸作用使得缸内压力迅速降低,在进气管气门端产生负压,形成的负压力波在管内传播并产生惯性效应直接影响着整个进气行程,使得压力呈波动状;当进气门关闭后,进气管内残留的压力波动会对下一个循环产生脉动效应,继续影响着发动机的充气效率。图2为进气管流体流速变化图。流体通过进气管时,流速变化在压力波的惯性效应作用下亦呈波动状。流速的波频和波幅的大小与进气管的长度和发动机的转速有关。进气门打开时(690℃A),缸内流体产生“倒流”现象,流速降低为负值,之后在进气压力的作用下流速迅速提高并达到峰值(86m/s);随着进气门开始关闭(90℃A),流体在进气阀回程的反作用下,流速迅速下降并减为负值,气门接近完全关闭时,流速降到最低的-24.5m/s。进气门关闭后,管内流体在残留压力波的脉动效应作用下在管内波动。由于排气能量大、废气温度高,与进气压力波相比,排气管内压力波的振幅大、传播速度快。自由排气开始后,缸内高温高压气体流入排气管,排气管压力迅速升高达到最大值,约17.2MPa。在排气管进口处产生的压力波使得管内压力快速升高。进入强制排气阶段后,排出的废气较超临界状态下大幅减少,使得管内压力下降。进气门打开后,新鲜工质进入气缸,增加了残余废气的排出量,管内压力有所提高,如图3所示。在排气过程后期,特别是气门叠开期,在排气管气门端形成稳定的负压减少了缸内的残余废气和泵气损失,增加了新鲜混合气的进入量。在图4中可以看出,在排气管压力波动等多重因素作用下,管内流体的流速变化也是呈波动状的。排气门打开时,处于超临界排气状态,废气大量涌入排气管,流体流速急剧升高到峰值(456m/s)。随着大量废气的排出,排气压力骤降使得管内流体流速降低。在排气门出口端负压波的作用下,流速达到了负极值。分析表明,在进排气系统设计优化过程中,数值模拟方法同传统的试验研究相比,能降低成本,提高研发效率和进度。同时,FVM-TVD方法有效地解决了模拟进排气系统时不连续的问题。2.2气体温度变化内燃机的燃烧效率和污染物的产生均与气缸内气流运动的情况紧密相关。图5为气缸内压力变化曲线图。初始压力定为0.098MPa,在压缩行程开始升高,在上止点后(380℃A)达到最高值,约5.3MPa,随后在气体作功行程中压力快速下降,在排气过程中降至最低值。图6是发动机燃烧室内气体温度变化曲线。初始温度设定为350K,在压缩过程中温度逐渐升高,在点火提前角时气缸温度急剧上升,在上止点附近达最高值2450K,随后在气体作功行程中温度下降,当接近排气时,由于活塞上移接近上止点,流体再次被压缩而出现短时的回温现象。温度和压力是反应气缸内工作过程最重要的参数,从温度和压力随曲轴转角的变化可以做出对发动机性能的功率和效率的有效判断。在工程中,要利用缸内气体的流动,实现燃料和空气的充分混合,以提高燃烧效率。2.3转速对发动机功率和消耗率的影响扭矩和功率是衡量发动机工作动力性能的重要参数。在发动机运行过程中,发动机输出扭矩和输出功率与发动机多个参数有关,如进气效率、燃烧情况、排气效率、配气相位、化油器尺寸等。而这些参数大都与发动机的转速有关,不同转速下,发动机产生的扭矩功率不同。图7为发动机单个气缸的指示扭矩图。可知该发动机在4300r/min时,发动机制动扭矩达到最大值116Nm,此后随着转速的增加,扭矩逐渐下降,但较低转速时为高。发动机的输出功率同转速关系很大,随着转速增加,发动机的功率相应提高,转速增到一定值后,功率呈下降趋势。试验条件下获得相关转速下功率的精确值比较困难,而通过模拟软件分析可以迅速而准确得出数据,为下一步研究提供参考和依据。图8为发动机单个气缸的指示功率随转速的变化情况,模拟所用发动机的最高转速为6000r/min,由结果可知,该发动机最大功率出现在转速6000r/min时刻附近,故图中显示随着转速的增加,发动机的功率相应提高。燃油消耗率为发动机负荷特性的重要参数,是衡量发动机经济性能的重要指标。在曲线上当燃油消耗率越小时,经济性就越好。从图9可知,在发动机5000r/min时,燃油消耗率最低,同时在其附近曲线趋于平稳并保持较低值,说明该发动机在此区域内经济性较好,这对于负荷变化较大的发动机来说十分重要。低于4500r/min时,燃油消耗率相对较高充分说明发动机在启动等低速工况下发动机对燃油的利用率相对较低,燃油在气缸中容易出现部分燃烧和燃烧不完全等现象。3发动机工作过程模拟应用GT-Power软件,结合试验数据,对发动机的基本性能参数进行了计算,从流体在进排气管道中的压力、流速到气缸中压力、温度、扭矩、功率、燃油消耗率等,并进行了分析。在