完整版基于GTPOWERD的单缸发动机的配气相位的优化与研究毕业论文.docx

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完整版基于GTPOWERD的单缸发动机的配气相位的优化与研究毕业论文

****大学

JIANGXIAGRICULTURALUNIVERSITY

本科毕业论文（设计）

题目：

基于GT-POWERD的单缸发动机的配气相位的优化与研究

学院：

工学院

姓名：

****

学号：

********

专业：

交通运输

年级：

*******

指导教师：

****职称：

***

二0一三年五月

摘要

本论文主要在GT-POWER仿真软件平台下，建立了发动机配气相位优化仿真分析模型。

通过对发动机的转速、空燃比、进气门提前角和排气门提前角的变化来对某一款单缸发动机的动力性及经济性的简单研究。

计算出不同工况下最优的配气正时角，简要分析优化配气相位对发动机动力性和经济性影响的机理。

使用配气相位优化后,在发动机转速1000rmin--6000rmin范围内发动机功率提高了，同时经济性得到了改善。

关键词：

可变气门正时技术;配气相位;优化;GT-POWER;

Abstract

ThisthesismainlyinGT-POWERsimulationsoftwareplatform,enginevalvephaseoptimizationsimulationmodelisestablished.Throughtotheenginerotationspeed,airfuelratio,inletAngleandexhaustdooraheadofadvanceAnglechangetosinglecylinderengineperformanceandfueleconomyforaparticularmodelofsimpleresearch.Underdifferentworkingconditions,calculatedtheoptimaldistributionofthetimingAngle,thebriefanalysisofoptimizationwithgasphasemechanismoftheinfluenceonengineperformanceandfueleconomy.Usewithgasphaseafteroptimizationinenginespeed1000rmin,6000rminrangeenginepowerraised,efficiencyisimprovedatthesametime.

Keywords:

variablevalvetimingtechnology;withgasphaseoptimization;GT-POWER;

目录

1.绪论1

1.1可变配气相位技术的分类2

1.1.1凸轮轴驱动的可变配气相位机构2

1.1.2无凸轮轴驱动的可变气门机构2

1.2国内外对当缸发动机的研究现状及发展3

1.2.1目前的现状3

1.2.2可变气门正时的应用4

2.仿真模型的建立5

2.1仿真模型的建立5

2.2相关变量参数的设定6

3.配气相位的仿真优化分析7

3.1转速为1000rmin的进气门提前角分析7

3.2转速为2000rmin的进气门提前角优化分析8

3.3转速为3000rmin的进气门提前角优化分析9

3.4转速为4000rmin的进气门提前角优化分析10

3.5转速为5000rmin的进气门提前角优化分析11

3.6转速为6000rmin的进气门提前角优化分析12

3.7转速为1000rmin的排气门提前角优化分析13

3.8转速为2000rmin的排气门提前角优化分析14

3.9转速为3000rmin的排气门提前角优化分析15

3.10转速为4000rmin的排气门提前角优化分析16

3.11转速为5000rmin的排气门提前角优化分析17

3.12转速为6000rmin的排气门提前角优化分析18

4.总结与展望19

4.1总结19

4.2本文的局限于不足及未来展望20

参考文献21

致谢22

1.绪论

内燃机的换气过程是内燃机工作循环周而复始不断进行的保证，内燃机性能很大程度上是依赖换气过程。

为了提高发动机的动力性和经济性，需要研究减少进、排气流动损失和提高充量系数的措施和方法，以及如何为燃烧提供一个合适的缸内气体成分，并保证多缸机各缸均匀性。

因此，发动机换气效率的研究是内燃机行业一个非常重要的课题。

随着科学技术的发展，人们对发动机进、排气系统方面的研究也在不断深入，并涌现出了许多的新技术。

其中可变配气相位技术（VVT）是改善发动机性能的一种有效途径，现在已经成为发动机行业新的发展方向之一。

可变配气相位技术是指发动机进排气门开闭的时刻和升程相对于曲轴转角能够做一定范围内改变的技术。

配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用对应的上下止点曲轴转角来表示。

配气相位对于换气品质、泵气损失、充气系数、扭矩外特性、怠速稳定性及有害气体排放的控制等方面都有很大影响。

其中进气相位，尤其是进气门关闭角对发动机性能影响最大。

比较理想的配气机构应当满足以下要求：

（1）低速时，采用较小的气门叠开角和较小的气门升程，防止缸内新鲜的空汽混合物向进气系统倒流，进而增加扭矩，提高燃油经济性；

（2）高速时，应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充气系数，以满足动力性要求；

（3）能够对进气门从开启到关闭的持续期进行调整，以实现最佳的进气正时。

传统的配气机构只能提供单一的配气正时，而发动机各转速下的最佳配气正时是随发动机转速、负荷变化而有所不同的，发动机的充气效率和进排气门相对于曲轴转角的开闭时间密切相关，在不同的工况下，发动机进排气门开闭时刻和升程对发动机的充气效率的影响是不同，如果气门正时是固定不变的，那么发动机只有在某个工况下进气效率才能达到最优，在其他工况下进气效率则会不够理想。

只有采用可变配气正时技术才有可能在任何进气工况下发动机的进气效率都达到最优。

采用VVT技术，可在很大程度上弥补传统配气正时机构的不足，能为发动机各个工况点提供最佳的配气正时，从而改善发动机的性能。

因此研究分析配气正时对发动机性能的影响，无论是在理论上还是在实践中都是很有必要。

对于进气门，采用可变进气技术之后就能改善发动机的燃油经济性、碳氢化合物和氮氧化物、中低转速发动机的扭矩输出、怠速稳定性和全负荷特性；对排气门而言，采用可变配气技术之后就可以改善发动机的燃油经济性、怠速状态下的碳氢化合物排放和冷启动时催化器的快速加热。

采用可变配气相位技术之后，发动机的动力性、经济性以及排放行都可以获得明显的改善在VVT技术中应用较为成熟的是叶片式凸轮轴相位器技术，此结构可以改变凸轮轴相对于曲轴的转角。

而在设计VVT机构之前，必须要先明确不同工况下对配气正时的需求。

本文利用GT-POWER软件建立了单缸汽油机模型，并得到不同工况下最优的配气相位值。

1.1可变配气相位技术的分类

1.1.1凸轮轴驱动的可变配气相位机构

凸轮调相机构：

该类机构利用的是凸轮轴调相原理凸轮型线是固定的，而凸轮轴相对曲轴的转角时可变的，通过调整凸轮轴和曲轴之间的相位关系，就可以对进排气门的工作相位进行调整。

这类机构虽然不能改变气门升程和持续期，但他的机构原理简单，可以保持原来发动机气门系不变，只用一套额外的机构来改变凸轮轴相位，对原来的机构改动较小，方便采用，应用比较广泛。

变换凸轮型线机构：

这种机构可以提供两种以上凸轮型线，可以在在不同的的转速和负荷下，采用不同的凸轮型线驱动气门。

改变凸轮与气门之间联接的机构：

这种机构主要是通过改变凸轮和气门之间的联接机构。

1.1.2无凸轮轴驱动的可变气门机构

电磁铁驱动的可变气门机构：

这种系统由电磁线圈直接驱动气门，通过改变线圈的通电和断电时刻来控制气门的开始和开启持续期。

气门的动作调节灵活、响应迅速、调节能力强，许多专利都述及电子控制系统。

电机直接驱动可变气门机构：

在电机直接控制凸轮的可变气门驱动机构中，每个气门都由一套永磁无刷直流电机通过凸轮驱动，并通过增加或者减少电机的角速度、改变电机的旋转方向来改变气门的开启以及关闭相位和升程。

电控液压驱动可变气门机构：

这个机构是将气门与一个液压活塞相连，通过电磁阀控制液压缸内高低压液体的流入和流出来控制气门的运动。

在未来的发动机开发过程中，无凸轮轴可变气门正时技术将会成为应用的主流，该技术突破有凸轮轴可变气门正时技术的局限性，能快速的跟踪输出转矩的变化。

在充分考虑到计算机硬件和机械结构的前提下，需要精心设计控制模型。

他将集成在CPU中，高效率、可靠的发挥提高发动机输出功率和扭矩、降低排放和燃油效率的双城作用。

1.2国内外对当缸发动机的研究现状及发展

1.2.1目前的现状

近年来，提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污已经是许多国家和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力，并进行新技术的研究与开发。

目前，这些新技术和新方法，有的已在内燃机上得到了应用，有的正处于发展和完善中，有的可能会成为未来内燃机技术发展的主要方向。

发动机可变气门正时技术（VVT,VariableValveTiming）是近些年来已经被逐渐应用于现代轿车上的一种新技术中，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，进而提高发动机的扭矩和功率。

　　合理的选择配气正时，最好的充气效率，是改善发动机性能极为重要的技术问题。

通过内燃机的工作原理可以得出：

在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变对充气效率影响最大。

进气门迟闭角改变对充气效率和发动机功率的影响关系可以通过图1进一步给以说明。

图1所示为BJ212汽油机改变进气凸轮在不同进气门迟闭角时，充气效率随转速变化的曲线。

每条充气效率曲线体现了在一定的配气正时下，充气效率随转速变化的关系。

如迟闭角为40°时，充气效率是在约1800rmin的转速下达到最高值，说明在这个转速下工作能最好地利用气流的惯性充气。

当转速高于此转速时，气流惯性增加，就使一部分本来可以利用气流惯性进入汽缸的气体被关在汽缸之外，加之转速上升，流动阻力增加，所以使充气效率下降。

当转速低于此转速时，气流惯性减小，压缩行程初始时就可能使一部分新鲜气体被推回进气管，充气效率也下降。

图1中在不同充气效率曲线之间，表现了在不同的配气正时下，充气效率随转速变化的关系。

不同的进气迟闭角与充气效率曲线最大值相当的转速不同，一般迟闭角增大，与充气效率曲线最大值相当的转速也增加。

迟闭角为40°与迟闭角为60°的充气效率曲线相比，曲线最大值相当的转速分别为1800rmin和2200rmin。

由于转速增加，气流速度加大，大的迟闭角可充分利用高速的气流惯性来增加充气。

上述结论可用来调整内燃机转矩特性。

如加大进气迟闭角，高转速时充气效率增加，有利于提高最大功率，但对中低速性能不利；减小进气迟闭角，虽然可提高在低速范围内的动力性，但会使高速时的动力性变坏。

一般高速内燃机进气迟闭角较大，以保证高速时的充气效率值增加。

因此，理想的气门正时应当是根据发动机的工作情况及时做出调整，应具有一定程度的灵活性。

显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构来说，由于在工作中无法做出相应的调整，也就难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高【1】。

1.2.2可变气门正时的应用

1P39QMB发动机是国内摩托车发动机的基本机型，目前在国内具有较高的市场，在1P39QMB发动机结构的基础上，对这类中小型排量的摩托车发动机，以实验数据为依据，建立了VVT系统的内燃机GT-POWER仿真模型，主要是对配气相位参数的变化与计算，研究其对单缸发动机动力性和经济性的影响。

1P39QMB发动机配气系统如右图所示，相位器直接与凸轮轴相连，相位器可通过链条、齿轮或齿形带与曲轴相连。

由于为单凸轮轴，相位器能实现相位重叠角的提前或者滞后，并且对原发动机的改动较小，可以大幅节约成本【2-6】。

图1.1

2.仿真模型的建立

2.1仿真模型的建立

GT-POWER软件通过采用模块化结构的方式建立内燃机工作过程的计算模型。

内燃机的元件（如进排气管、进排气道、进排气门、喷油器、气缸、曲柄连杆机构等）模块用方形框图表示，而元件之间用圆形图框的连接件相连接。

内燃机的所有结构参数和运行参数在相应的元件模块和连接件中进行定义。

连接件可以有具体的物理意义（如气门连接件和喷油器连接件等），也可以只具有象征意义（如内燃机与气缸间的连接件及管道之间的连接件等），在每个模块中均设有相应发动机及相关机构的结构参数和性能参数。

本论文以奥拓发动机368Q汽油机的一些主要参数为例，因该发动机不是单缸汽油机，所以将其简化为单缸汽油机，进一步进行计算和研究。

把汽油机简化成由进气系统、排气系统、燃烧系统（气缸）、喷油系统以及环境边界及相应连接的管路等模型组成的计算模型。

表一中所列出的是模型建立所需要输入的部分参数。

把对应的参数输入到各模块，将各模块和部件连接起来，就得到本文研究所用的汽油机仿真模。

模型在此基础上研究配气相位对发动机性能的影响，并进行配气相位的优化。

对此发动机模型进行计算，得到总功率和燃油消耗率。

表一奥拓发动机368Q汽油机主要结构参数

型式

直列三缸、四冲程、水冷、单顶置凸轮轴

缸径X行程

68.5mmX72mm

总排量

0.796L

压缩比

8.7

点火顺序

1-3-2

气门数

2

燃烧室形状

多球型

通过GT-POWER建立起来的仿真模型如下图所示，这个模型主要由外界环境、进排气管道、进排气门、喷油器、气缸和曲柄连杆机构组成。

图2.1GT-POWER软件得出来的单缸发动机模型

2.2相关变量参数的设定

模型建立之后，通过对配气相位参数的变化，针对模型进行的计算，找到在某一转速和空燃比（即负荷）下，在特定的配气相位下，使此单缸汽油机取得最好的的动力性和经济性。

现在汽车的发动机转速一般在700rmin左右到7000rmin左右，本论文在进行研究和计算时，发动机的转速分别固定在1000rmin、2000rmin、3000rmin、4000rmin、5000rmin、6000rmin.

空燃比是混合气中空气与燃料之间的质量的比例。

发动机工作时，燃料必须和吸进的空气成适当的比例，才能形成可以燃烧的混合气，每克燃料完全燃烧所需的最少的空气克数，叫做理论空燃比，汽油发动机的理论空燃比为14.7。

空燃比小于理论空燃比时，混合气中的汽油含量高，称作过浓；空燃比大于理论空燃比时，混合气中的空气含量高，称为过稀。

混合气略微过浓时，即空燃比为13.5-14时汽油的燃烧最好，火焰温度也最高。

因为燃料多一些可使空气中的氧气全部燃烧。

而从经济性的角度来讲，混合气稀一些时，即空燃比为16时油耗最小。

因为这时空气较多，燃料可以充分燃烧。

从发动机功率上讲，混合气较浓时，火焰温度高，燃烧速度快，当空燃比界于12-13之间时，发动机功率最大。

本论文所选取的空燃比分别为12、13、14、15。

发动机在工作时，负荷越大，每次喷入气缸的汽油越多，空燃比越小；负荷越小，每次喷入气缸的汽油越少，空燃比越大。

所以可以用空燃比的大小来表示汽油发动机的负荷大小。

为了保证发动机气缸的进气充分、排气彻底，要求气门具有尽可能大的通过能力，因此发动机的进、排气门实际开启和关闭并不恰好在活塞的上、下止点，而是适当的提前和迟后。

进气门提前开启的目的是：

为了保证新鲜气体或可燃混合气能顺利、充分地进入气缸；进气门晚关的目的是：

为了在压缩行程开始时，利用气缸内的压力暂低于大气或环境压力，靠进气气流的惯性使新鲜气体或可燃混合气仍可能继续进入气缸。

这样，进气门开启持续时间内的曲轴转角实际上就大于了180º。

排气门早开的目的是：

当活塞作功行程接近下止点时，可燃混合气的燃烧膨胀已基本结束，但气缸内的气体压力仍然较高，利用此压力可使气缸内的废气迅速地排出；排气门迟关的目的是：

由于活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，利用排气流的惯性可使废气继续排出。

这样，排气门开启持续时间内的曲轴转角实际上也就大于了180º。

发动机的结构不同、转速不同，配气相位也就不同。

3.配气相位的仿真优化分析

3.1转速为1000rmin的进气门提前角分析

在发动机的转速为1000rmin,空燃比为12:

1、13:

1、14:

1、15:

1时，排气门提前角固定不变，只改变进气角时可得到发动机的动力性和经济性的图形如图3.1。

（a）空燃比为12（b）空燃比为13

（c）空燃比为14（d）空燃比为15

图3.1转速为1000rmin的进气门提前角优化分析结果

由图3.1可以看出，在1000rmin时，不同的空燃比下，在进气门提前角为-9度附近时发动机的功率达到最大，大于-9度时，发动机功率迅速减小，小于-9度时，发动机功率缓慢下降；在进气门提前角为-9度附近时，燃油消耗率达到最低，大于-9度时，燃油消耗率迅速增加，小于-9度时，燃油消耗率缓慢增加。

因此，进气门提前角在-9度附近时，此发动机的功率最大，而燃油消耗率最低，从而得出，此发动机的进气门提前角设为-9度时，此发动机才可获得较大的功率和较小的燃油消耗率。

3.2转速为2000rmin的进气门提前角优化分析

在发动机的转速为2000rmin,空燃比为12:

1、13:

1、14:

1、15:

1时，排气门提前角固定不变，只改变进气角时可得到发动机的动力性和经济性的图形如图3.2。

（a）空燃比为12（b）空燃比为13

（c）空燃比为14（d）空燃比为15

图3.2转速为2000rmin的进气门提前角优化分析结果

由图3.2可以看出，在2000rmin时，不同的空燃比下，在进气门提前角为-9度附近时发动机的功率达到最大，大于-9度时，发动机功率迅速减小，小于-9度时，发动机功率缓慢下降；在进气门提前角为-9度附近时，燃油消耗率达到最低，大于-9度时，燃油消耗率迅速增加，小于-9度时，燃油消耗率缓慢增加。

因此，进气门提前角在-9度附近时，此发动机的功率最大，而燃油消耗率最低，从而得出，此发动机的进气门提前角设为-9度时，此发动机才可获得较大的功率和较小的燃油消耗率。

3.3转速为3000rmin的进气门提前角优化分析

在发动机的转速为3000rmin,空燃比为12:

1、13:

1、14:

1、15:

1时，排气门提前角固定不变，只改变进气角时可得到发动机的动力性和经济性的图形如图3.3。

（a）空燃比为12（b）空燃比为13

（c）空燃比为14（d）空燃比为15

图3.3转速为3000rmin的进气门提前角优化分析结果

由图3.3可以看出，在3000rmin时，不同的空燃比下，在进气门提前角为-9度附近时发动机的功率达到最大，大于-9度时，发动机功率迅速减小，小于-9度时，发动机功率缓慢下降；在进气门提前角为-9度附近时，燃油消耗率达到最低，大于-9度时，燃油消耗率迅速增加，小于-9度时，燃油消耗率缓慢增加。

因此，进气门提前角在-9度附近时，此发动机的功率最大，而燃油消耗率最低，从而得出，此发动机的进气门提前角设为-9度时，此发动机才可获得较大的功率和较小的燃油消耗率。

3.4转速为4000rmin的进气门提前角优化分析

在发动机的转速为4000rmin,空燃比为12:

1、13:

1、14:

1、15:

1时，排气门提前角固定不变，只改变进气角时可得到发动机的动力性和经济性的图形如图3.4。

（a）空燃比为12（b）空燃比为13

（c）空燃比为14（d）空燃比为15

图3.4转速为4000rmin的进气门提前角优化分析结果

由图3.4可以看出，在4000rmin时，不同的空燃比下，在进气门提前角为-9度附近时发动机的功率达到最大，大于-9度时，发动机功率迅速减小，小于-9度时，发动机功率缓慢下降；在进气门提前角为-9度附近时，燃油消耗率达到最低，大于-9度时，燃油消耗率迅速增加，小于-9度时，燃油消耗率缓慢增加。

因此，进气门提前角在-9度附近时，此发动机的功率最大，而燃油消耗率最低，从而得出，此发动机的进气门提前角设为-9度时，此发动机才可获得较大的功率和较小的燃油消耗率。

3.5转速为5000rmin的进气门提前角优化分析

在发动机的转速为5000rmin,空燃比为12:

1、13:

1、14:

1、15:

1时，排气门提前角固定不变，只改变进气角时可得到发动机的动力性和经济性的图形如图3.5。

（a）空燃比为12（b）空燃比为13

（c）空燃比为14（d）空燃比为15

图3.5转速为5000rmin的进气门提前角优化分析结果

由图3.5可以看出，在5000rmin时，不同的空燃比下，在进气门提前角为3度附近时发动机的功率达到最大，大于3度或者小于3度时，发动机功率迅速减小；在进气门提前角为-3度附近时，燃油消耗率达到最小，大于或小于-3度时，燃油消耗率迅速增大。

因此，进气门提前角在3度附近时，此发动机的功率最大，进气门提前角在-3度附近时燃油消耗率最小，从而得出，此发动机的进气门提前角设在-3到3度时，此发动机才可获得较大的功率和较小的燃油消耗率。

3.6转速为6000rmin的进气门提前角优化分析

在发动机的转速为6000rmin,空燃比为12:

1、13:

1、14:

1、15:

1时，排气门提前角固定不变，只改变进气角时可得到发动机的动力性和经济性的图形如图3.6。

（a）空燃比为12（b）空燃比为13

（c）空燃比为14（d）空燃比为15

图3.6转速为6000rmin的进气门提前角优化分析结果

由上面四图可以看出，在6000rmin时，不同的空燃比下，在进气门提前角为3度附近时发动机的功率达到最大，大于3度或者小于3度时，发动机功率迅速减小；在进气门提前角为0度附近时，燃油消耗率达到最低，大于或小于0度时，燃油消耗率均迅速增加。

因此，进气门提前角在3度附近时，此发动机的功率最大，在提前0度时燃油消耗率最小，从而得出，此发动机的进气门提前角设为-3到0度时，此发动机才可获得较大的功率和较小的燃油消耗率。

3.7转速为1000rmin的排气门提前角优化分析

在发动机的转速为1000rmin,空燃比为12:

1、13:

1、14:

1、15:

1时，进气门提前角固定不变，只改变排气角时可得到发动机的动力性和经济性的图形如图3.7。

（a）空燃比为12（b）空燃比为13

（c）空燃比为14（d）空燃比为15

图3.7转速为1000rmin的排气门提前角优化分析结果

由图3.7可以看出，在1000rmin时，不同的空燃比下，在排气门提前角为-9度附近时发动机的功率达到最大，大于-9度时，发动机功率缓慢减小，小于-9度时，发动机功率迅速下降；在进气门提前角为-9度附近时，燃油消耗率达到最低，大于-9度时，燃油消耗率迅速增加，小于-9度时，燃油消耗率缓慢增加。

因此，进气门提前角在-9度附近时，此发动机的功率最大，而燃油消耗率最低，从而得出，此发动机的进气门提前角设为-9度时，此发动机才可获得较大的功率和较小的燃油消耗率。

3.8转速为2000rmin的排气门提前角优化分析

在发动机的转速为2000rmin,空燃比为12:

1、13:

1、14:

1、15:

1时，进气门提前角固定不变，只改变排气角时可得到发动机的动力性和经济性的图形如图3.8。

（a）空燃比为12（