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从工业革命之后，人们的生活发生巨变。
汽车做为工业革命的产物，更是飞速发展。
这一百多年以来内燃机由于结构紧凑、动力足、效率高等特点在交通运输方面有广泛的应用，比如在车辆、船舶、飞机等领域。
内燃机已延伸出一个基本成熟的机械体系。
1950年左右在内燃机产品中大量使用了增压技术。
1970年之后在内燃机研究生产中采用了电子技术和计算机技术。
这两个方面的发展，巩固了内燃机在现代科技发展史上的地位。
在这数百年来，内燃机始终是现代交通工具的主要动力。
可伴随着汽车工业的飞快发展，问题也随之产生。
环境污染和石油资源匮乏问题日益突出。
据有关数据显示，地球上大约有1/3的能源是应用在交通方面，尤其是汽车能源消耗的最多。
从中国石油经济技术研究院发布的相关资料显示2000年我国石油消耗量23300万吨，2005年我国石油消耗量32700万吨，2010年石油消耗量42900万吨，2015年石油消耗量53367万吨，预计到2017年中国表观石油消耗量5.68亿吨，同比增长百分之2.1，而国内原油产量仍低于2亿吨，我国对进口石油量的依存度将升至为百分之65.1。
这巨大的石油需求消耗量下隐藏着汽车人均保有量的飞速增长。
经报告显示，地球每年出产的石油总量中约有百分之46是汽车消耗的，其中我国机动车油耗占比最广[1]。
从2000年我国汽车保有量为1609万辆，2005年我国汽车保有量为3160万辆，2010年我国汽车保有量为9086万辆，2015年汽车保有量为1亿7200万辆，预估计2017年我国汽车保有量将冲破2亿万辆。
如此多的汽车，排放出的尾气对环境产生了不可估量的后果。
按照1970年对美国和日本这两个城市中的大气环境影响因素调查发现，汽车尾气一氧化碳的排放量占空气中一氧化碳的90%，碳氢化合物的排放占空气中总碳氢化合物的60%，氮氧化物的排放量占空气中氮氧化物的30%。
此外汽车尾气排放中产生的二氧化碳所造成的温室效应，已让海平面越来越高，长此以往会造成无法估量的损失。
因此汽车排放所产生的气体已经对人类的生活和发展产生了危害。
1.2发动机研究现状
随着科技不断进步，发动机研究模式也不断改变。
以前发动机研究模式是依靠设计绘制出图纸，再根据绘制出的图纸制造出相应的发动机，之后利用试验台对发动机不同系统结构进行相应的参数分析，得出相应的实验结果，并将实验得到的结果进行对比，选择较优的方案进行改进。
通过不断重复的试验最终得到可以投入市场的机型[2]。
因此这个传统的研究方法不仅需要投入公司巨大的精力，而且完成这个实验至少需要浪费几个月甚至半年，一年的时间。
这早已不能适应现代技术快速前进的脚步。
进入21世纪，发动机主要在二次喷射、可变气门、可变进气管、人工智能控制、新型燃烧方式、发动机轻量化等方面进行研究。
虽然这些方面都使发动机提高动力，降低排放，但是开发成本和开发周期大大增加。
随着计算机应用技术的飞速发展，加上互联网科技应用普及以及国家教育机构对流体力学、材料化学、工程学等相应学科的重视。
越来越多的科学研究人员采用计算机数值模拟的方式来解决发动机在工程应用技术上产生的问题。
在发动机研究和开发的过程中，汽车制造商们和各研究机构都在计算机数值模拟仿真技术这一方面加大研究和开发的力度。
如今计算机仿真技术已经能够完全模拟发动机运转过程，给设计优化节省了大量成本。
现在大量科研人员通过结合实验法和计算机数值模拟法进行科研上的研究和讨论。
实验法是依靠相应的实验方法在试验台上得出数据，做出相应分析，仿真则可以缩小实验范围并且估计结果[2]。
1.3本文研究内容与方法
本文主要利用GT-Power软件设计出相应模型，运行程序，通过计算分析出改变进排气管长度，直径和压缩比之后对发动机燃油消耗量、充气效率、扭矩的影响，获得最优的方案。
仿真内容：
1）利用GT-Power建立汽油机模型。
2）通过改变进气管直径和长度得到发动机在相应转速时燃油消耗量、充气效率、扭矩的数值，并进行分析，实现优化。
3）通过改变压缩比得到发动机在相应转速时燃油消耗量、充气效率、扭矩的数值，并进行分析，实现优化。
4）通过改变排气管直径和长度得到发动机在相应转速时燃油消耗量、充气效率、扭矩的数值，并进行分析，实现优化。
5）确定最优方案。
图1.1为本文仿真研究的流程图
图1.1GT-Power流程图
2发动机仿真软件介绍与应用
2.1发动机仿真软件研究模式
内燃机发明以来，科研人员就不断对内燃机进行改正与优化。
从1970年代英国的曼切斯特理工大学用MK-14对发动机进行仿真模拟，到1980年各大商业公司对发动机模拟仿真软件进行开发，如最常用的奥地利AVL公司旗下的BOOST软件，美国Gamma公司的GT-Power.而在我国各大高校和科研机构也应用仿真软件进行模拟实验。
如北京理工大学开发的三维内燃机采用通用程序RES3C-2，吉林工业大学开发的微机版内燃机缸内多维气流运动模拟程序SUN-1[19]等。
2.2计算机仿真技术的应用和优点
计算机仿真技术（computersimulationtechnology）是一门全新综合性现代化信息技术，指实体尚不存在或者不易在实体上进行实验的情况下，先通过对考察对象进行建模，用数学方程式表达出其物理特性，然后出编制计算机程序，并通过计算机运算出考察对象在系统参数或内外环境条件改变的情况下，其主要参数如何变化，从而达到全面了解和掌握考察对象特性的目的。
计算机仿真技术作为分析和研究系统运行的软件，是揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法[3]。
仿真技术分为3个步骤。
第一步是建模又叫做从物理到数学的步骤，根据现实所存在的物理信息，按照其物理变化规律对事物外界的影响，进行简化，把物体从物理的运动状态转变到数学的模型方程式中。
第二步是建立系统仿真模型，用数学计算方法，进行计算，得出物体在运动中各个变化参数的关系，整体分析完模型后编写仿真程序。
第三步，运行这个程序，看实验结果是否合理，若合理则继续分析，若不合理实时进行更正。
与传统设计分析不同，通过计算机模拟技术进行发动机模拟时主要有以下几个优点：
1）模拟时间的可伸缩性。
因为计算机仿真受人模拟操作的影响，整个流程可以更好的控制，仿真时间可以人为调整，所以时间上有着很强的操作性，同时也能节省实验的时间，提高实验的效率。
2）模拟运行的可控性。
因为计算机仿真以计算机为基础，整个实验进程由计算机控制来进行，因此可以手动操作，所以模拟操作时有很强的可控性。
3）模拟试验的优化性。
因为计算机仿真能进行无数次的模拟实验。
是以能得出不一样的结果，种种结果互相对比，从中找出一个更优异的解决问题方法。
4）模拟实验的可运行性。
现实生活中的很多问题是没有办法通过具体实验来运行的，有的采用理论分析和数学计算方法很难准确求解，但计算机仿真模拟可以通过“数值实验”方法，来解决实际运行无法解决的问题。
2.3发动机常用仿真软件
仿真软件从50年代中期开始仿真软件发展起来的。
1984年以数据库为核心的仿真软件系统的诞生，以及后来人工智能技术的仿真软件系统的出现。
这个发展趋势决定了仿真软件将具有更广阔的应用。
科研人员通过仿真软件对汽车进排气系统设计研究。
比如谈海涛和左承基利用MATLAB/SIMULINK软件对发动机进排气系统进行建模与仿真[4]。
谷芳等基于CFD数值模拟汽车排气结构系统进行分析[5]，吴春玲等基于STARCCM+对排气系统进行参数设计和优化[6]，倪计民等基于WAVE模型进行汽油机进气系统优化设计[7]，叶明辉等基于一维，三维及耦合模型的汽油机进气系统优化[8]，丁维新等应用AVL-BOOST软件对发动机排气系统设计优化[9]。
2.3.1MATLAB/SIMULINK
MATLAB是MathWorks公司研发出的产品，随着该公司不断的优化改进，MATLAB早已是大部分科研人员首选的应用型软件。
MATLAB在以下几个方面进行应用。
例如在金融方面可进行相应的数据分析，财务建模，在工程方面可进行相应制图，运算，在通信方面可进行相应的信号以及图像的处理，还有通讯系统的设置等等。
SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的软件，与MATLAB不同的是客户通过Windows的模型化图形输入进行联系交接，这让使用者可全身心的对模型进行设计。
谈海涛[4]等利用MATLAB/SIMULINK软件，通过仿真技术对进排气系统进行研究，建立了进排气系统的热动力学模型。
不仅节约了大量的时间而且还节省了大量的人力，财力，物力。
在该模型基础上，把进排气管长度和直径设置成变量，得到相应数据，再根据数据得到进排气管出口压力和温度变化的关系，并画出图形。
之后输入油门阶跃信号，得出在相同的油门开度下进排气管出口压力和温度随时间变化关系。
2.3.2RicardoWAVE
RicardoWAVE是Ricardo公司开发的仿真模拟软件。
在发动机研究设计的全部阶段都可以应用RicardoWAVE软件，不管是在研发设计前的模型阶段还是在研发完成后的优化设计阶段，都可用于汽油机各种性能的模拟。
因此，在各种科技方面都可以看到它的身影，如汽车、电力、轮船、飞机等。
RicardoWAVE一般用于汽车发动机的动态仿真、性能分析和结构力学等方面。
1）发动机性能：
主要通过影响进排气系统从而对整个发动机的性能进行检测和优化。
2）声学特性分析：
通过对进排气系统的研究从而减少噪音。
3）燃烧与排放：
对排放气体进行分析。
4）热分析：
可以预想到气缸内和整个排气系统相应的温度。
5）动态系统控制：
通过仿真技术把发动机控制和传动系统一起结合起来。
倪计民[7]等基于发动机整机性能分析软件RicardoWAVE，建立了发动机流动过程模型，分析了进气歧管管径和管长对充气性能的影响。
2.3.3AVL-BOOST
AVL-BOOST是由AVL公司开发的仿真软件。
AVL-BOOST是对发动机的性能提供预想的数据，减少进排气噪声和改善尾气净化装置。
AVL-BOOST也是一款能够贯穿于发动机和动力总成开发项目从概念性设计到ECU标定过程的发动机仿真工具。
其多样的建模深度既满足了单独部件开发也同样适用于整体系统仿真的需求。
它可以很方便的与三维CFD仿真软件FIRE耦合做详细的结构优化，也可以与整车系统仿真软件CRUISE耦合进行整车热管理系统的设计优化。
丁维新[9]等应用AVL-BOOST软件通过对进排气管路尺寸、气门正时、流量系数等参数的设置，来对发动机排气系统进行设计优化。
付友[10]等通过AVL-BOOST软件建立整机一维热力学分析模型，研究受到不同外界压力时，发动机性能受某增压发动机进排气系统的影响。
2.3.4GT-Power
GT-Power是GammaTechnologies公司研发和制造的内燃机模拟仿真软件，已经广泛在市场上进行普及与使用。
在发动机模拟过程中，GT-Power不仅提供了多种多样的发动机燃烧模型，而且提供了CAD，Simulink/MATLAB的耦合接口。
GT-Power在设计时主要用于一维的气体流动计算。
GT-Power最大的优势是能对发动机的每个模块单独优化设置，在模拟试验运行的过程中，通过将预先设定的循环次数或者在运行稳定时输出的压力、转速、温度、油耗、功率等参数传递到相应的控制单元中，再经过软件相应的计算机程序计算后，输出给执行部件，从而实现对发动机喷油压力、点火提前角、喷油量等一系列参数的控制。
现在国家政策对发动机尾气排放要求越来越高，国内外的各大汽车厂商以及各大科研机构都希望制造出更舒适，更省油，更环保的发动机。
GT-Power软件作为发动机设计优化的工具，根据上述所说的优势以及它强大的功能，越来越受各大汽车厂商和各大汽车科研机构的青睐。
目前GT-Power软件在国内主要应用在以下几个方面。
1）在不同的工况下对发动机的燃油消耗量、功率、扭矩进行计算，进行参数优化设计。
2）发动机电子控制系统进行优化设计。
3）通过仿真软件对进排气系统进行噪声实验分析，得出相应计算结果，进行优化设计。
4）按照实际应用中的情况，在不同技术方案中，得出最实际，最适合生产，成本最小的方案。
5）通过对发动机热负荷进行研究，在某些研究领域提供热边界条件。
6）对发动机排气系统的废气进行优化设计，减少废气。
GT-Power可以优化曲轴平衡；
GT-Power可在发动机不同工况下对排气内含量成分的分析；
GT-Power可对EGR管路系统的设计；
GT-Power能以曲线或三维动态图的方式呈现热力和热流的变化；
GT-Power可用于废气旁通阀的设计以及进排气系统的噪声分析。
3基于GT-Power发动机仿真模型建立
3.1建立GT-Power模型
本文通过建立GT-Power仿真分析软件模型对汽油机进排气系统进行优化。
本文GT-Power模型的建立采用一维模块。
图3.1为建立模型采用的模块图。
图3.1GT-Power模块图
如图3.1所示，GT-Power主要由数据库、导航图、模型管理、模型区域四个模块组成。
其中数据库模块是用户建立模型的基础，如下所示数据库由八大部分组成。
Flow：
这一模块主要是与流动类相关的部件，比如进排气管、进排气阀以及气体的成分，温度和燃油的成分数据等。
Mechanical：
这一模块主要是机械部件，比如发动机体、曲轴以及一些金属特性的数据等。
Thermal：
额外的热计算模块。
如有限元热计算模块等。
Electrical：
与电、磁有关的模块。
如电动机、电池、电磁阀等。
Control：
与控制系统有关的模块。
如传感器等。
Analysis：
与数据分析有关的模块。
如监视器等。
General：
通用的模块。
如在不同环境下发动机的速度曲线以及一些相应的数据。
Compound：
用于用户定义属于自己的复合模块[17]。
本文主要用到Flow，Mechanical，Control，General这几个数据库模块。
对发动机最基本的结构进行相应参数设置时，都必须要在相应的数据库模块中进行设置。
发动机元件模块用方块形的图框表示，然后将相应的元件模块依照发动机的内部结构用线段进行相连，使发动机可以正常的运行，再将软件所设计好的程序进行仿真计算就可以在GT-POST中得到相应的图形数据。
3.1.1发动机进排气管模型
进排气系统是影响发动机性能的关键因素。
进排气管结构与充气效率紧密相关。
汽油机的动力性与进气量有关，进气量的多少则与进排气管结构有很大的关系。
本文依次改变汽油机进排气管的直径和长度，利用GT-Power软件得出相应的数值。
为了降低噪音，增加发动机的回压力，增强扭矩输出，排气管与进气管稍微有点不同，排气管是由弯曲管道和垂直管道两个部分组成。
因此将排气管分成4个部分，在进行模型建立时也将排气管分成了4个管道元件来设计，把这4个部分依次进行研究。
图3.2和图3.3所示。
图3.2排气管
图3.3排气管结构
在对进排气管进行设置时，需要对相应的一些参数进行设置，如进排气管入口直径、进排气管出口直径、长度、离散长度、所处环境的大气压力、温度、进入管内的气体成分、进排气管的表面粗糙度以及壁面温度等。
3.1.2空气滤清器模型
空气滤清器的建模方法有很多。
第一种方法，可以直接通过对客观物体的观察，利用CAD软件绘制出3D模型，再通过CAD软件将模型另存为STL文件，再用GT-Suite软件将该STL文件打开，并对这个图形进行相应的离散，生成.dat的文件。
把该空气滤清器的模型转换成GT-Power中的元件模块，再将该元件模块用线段与相邻的元件模块进行连接。
第二种方法，直接利用GT软件。
GT软件中有GT-Muffler模块，在这个模块中直接引用空气滤清器的模型。
为了使科研人员在使用时可以针对不同空气滤清器进行研究，在该模块中加入了实验常用的一些组件，如直管、弯管、同心管、打孔管、挡板等。
然后将该模型的计算部件离散成小块体积，并另存为.dat文件[11]。
仿真研究时科研人员大多采用直管或三通管来代替空气滤清器。
本文采用直管来代替空气滤清器。
这种方法较简单，且对结果影响不大。
3.1.3喷油器模型
喷油器对于整个发动机而言，具有至关重要的作用。
汽油机喷射分为两种一种是缸外喷射，一种是缸内喷射。
这两者的主要区别是，缸外喷射主要是喷油器把汽油喷射在进气管上，之后进气管上的汽油受到高温的影响，气化，和新鲜空气混合，成为可燃混合气，之后混合气进入气缸进行燃烧。
缸内喷射主要是喷油器把汽油直接喷射在气缸内部，之后气缸内的汽油受到高温的影响，雾化，和新鲜空气混合后，成为可燃混合气，之后火花塞点燃气体剧烈膨胀，推动活塞做功。
汽油机缸外喷射又可分为进气管喷射和进气道喷射两种。
本文采用的汽油机喷射方式为进气道喷射，选择GT-Power喷油器模型中的InjAFSeqConn模型。
这个模型可用于所有汽油发动机。
在这个模型中，需要输入空燃比、喷油速率、供给气缸、喷油正时、燃油种类以及喷油温度等。
3.1.4气缸模型
气缸是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。
可将内能转换为机械能，并驱动机构做相应的机械运动。
本文中气缸传热模型采用Woschni模型，燃烧模型采用EngCylCombSIWiebe模型。
这两个模型是汽油机气缸模型中使用最频繁的模型。
在该模型中主要设置的参数有活塞顶温度、活塞温度、气缸温度、缸径面积比等。
3.1.5曲轴箱模型
曲轴箱是动力输出装置，把活塞的往复运动转换为自身的转动，驱动车辆。
本文研究对象为单缸，四冲程，直列式发动机。
在该模型中主要设置的参数有发动机的类型、实验模式、转速、摩擦损失功、缸径、连杆长度、压缩比、曲轴销间隙等。
本文采用最常用的韦伯燃烧模型，整机模型如图3.4所示。
图3.4整机模型图
3.2发动机模型验证
为了验证整机模型的正确性，对文中建立的模型进行验证。
由于实验条件的限制，没办法通过具体实验进行对比。
只能通过仿真软件进行模拟得到数值与原发动机型号上的额定功率，额定转速进行对比。
如图3.5所示，当转速为7750r/min时，汽油机功率为6.3kW左右，在误差允许10%内，与原发动机符合。
图3.5发动机功率
图3.6发动机充气效率
图3.7发动机扭矩
图3.8发动机油耗
4进气系统优化
发动机进气系统，是指大气中的新鲜空气进入到气缸中这整个过程中所涉及的所有部件。
进气系统的性能直接影响了整个发动机的性能，甚至影响整辆汽车的性能。
进气系统主要的作用是为汽油机燃烧提供足量新鲜的空气，提高充气效率，提高汽油机动力性和经济性[12]。
汽油机的进气过程是一个十分繁杂的脉动和谐振动过程，这个过程与汽油机进气系统内部结构有十分密切的联系。
4.1进气管长度优化
进气管结构与汽油机充气效率紧密相关，对汽油机性能也十分重要。
近年来，世界上很多科研人员进行过不计其数的实验，发现进气系统中管道长度与其管内压力波有关。
由于汽油机进气流动是一种不稳定流动，因此进气门处压力以及
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