基于一维模型的高速汽油发动机充气效率的多参数分析

基于一维模型的高速汽油发动机充气效率的多参数分析
韦思航; 张袁元
【期刊名称】《《机电工程技术》》
【年(卷),期】2019(048)011
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】汽油机; 一维仿真; 进气谐振器; 充气效率
【作者】韦思航; 张袁元
【作者单位】南京工程学院汽车与轨道交通学院江苏南京 211167
【正文语种】中文
【中图分类】TK412+.3
0 引言
随着汽车产业的发展与完善、日趋严格的排放标准和紧张的能源储备量，消费者对内燃机的动力性能、排放性能、经济效益要求越来越高，越来越多的厂家和研究机构注重内燃机的性能研究。

而影响发动机性能的最主要因素就是发动机的换气过程[1]，因此通过合理设计进气系统，利用气体的动态效应可以有效提高发动机充气
效率，改善发动机的性能。

一般车用发动机采用可变长度进气歧管[2-4]、串联式谐振器[5-6]、可变进气相位[7-8]以改善发动机的动力性能。

而使用并联式谐振器大都是基于二冲程的发动机，对于使用并联式谐振器的四冲程的高速汽油发动机有待于进一步研究[9]。

本文对某款高速汽油发动机建立性能仿真一维GT-POWER模型，并利用发动机台架实验获得的数据进行对比、校正。

在确保发动机仿真模型准确之后，以发动机的充气效率为主要衡量指标，结合内燃机中流体运动理论、发动机工作过程模拟、实验测试测量等技术手段，在保持发动机尺寸和产品成本的情况下，深入分析发动机并联谐振进气系统的结构参数，寻找其中的变化规律和匹配关系，为合理设计进气谐振器提供理论依据。

1 发动机性能仿真模型的建立和验证
1.1 发动机参数
在本研究中，研究对象是某台排量为125 cc的小型高速汽油发动机。

具体参数如表1所示。

表1 发动机性能参数表性能项目发动机形式排量缸径行程最大功率参数单缸四冲
程124 cm3 56.5 mm 49.5 mm 7.5/9 000 kW/(r·min-1)性能项目最大扭矩进气
门迟闭角排气门提前角压缩比最大转速参数8.6/7 000(N·m)/(r·min-1)30°CA BTDC 30°CAABDC 9.2：1 10 000 r/min
1.2 建立计算模型
随着现代内燃机更新换代速度的大幅提升，传统的发动机台架实验耗时、耗力、周期长且成本高昂，常规的数学模型和计算已经远远不能满足现代内燃机研究和研发的需求，从而带动了发动机燃烧工作过程的模拟软件的发展。

图1 125cc高速汽油机GT-POWER仿真模型
利用GT-POWER建立单缸发动机仿真模型如图1所示。

模型采用物理模块化结构，包括系统边界，进气模块，排气模块，气缸模块，曲轴箱模块，空气滤清器，喷油器模块等。

本研究中气缸模块的燃烧模型采用的是点燃式韦伯燃烧模型，韦伯公式是从化学反应动力学的观点推导出来的半经验燃烧函数公式。

设定燃烧持续期终止时，已燃烧
的燃油的百分数为99.9%，则：
式中：φ为瞬时曲轴转角；φ0为燃烧起始角；φz为燃烧持续角；m为燃料品质系数。

若适当的选择m、φ0、φz，则可确定由韦伯公式表示的放热率。

传热模型采用woschni与1987年提出的模型。

其周壁传热系数公式为：
式中：C=2.28+0.308；对于本研究中的非直喷发动机c2=0.006 22；D为气缸直径，mm； p为气缸内工质压力，MPa；C2为燃烧室现状系数；T为气缸内工质温度，K；cm为活塞平均速度，m/s；cu为气涡流速度，m/s；PCO为发动机启动时缸内压力，MPa；Pc1为进气门关闭时缸内压力，MPa；Tc1为进气门关闭时缸内温度，K。

1.3 模型与实验结果的对比验证
利用GT-POWER模拟发动机工作过程中，需要验证模型的可靠性。

选取发动机全负荷工况下转速为4 000～9 000 r/min均匀分布的11个常用转速范围内的工况点，根据实验中进气温度、平均有效压力、点火提前角等数据校正模型后，通过仿真计算出发动机的外特性数据，并与发动机台架实验获取的外特性实验数据进行比较，如图2所示。

通过曲线对比可以看出，仿真模型的外特性曲线和实验吻合度较高，最高误差不超过3%。

燃油消耗率计算值和实验数据对比，如图3所示，通过比较可知仿真计算结果和实验数据吻合度高，最大误差不超过4%。

因此该模型是可靠的，能够较为准确的模拟发动机的工作过程，可以该模型为发动机动力性能优化的基础。

图2 发动机功率扭矩对比图
图3 发动机油耗对比图
图4 进气谐振器示意图
2 发动机谐振进气系统仿真结果分析
2.1 进气谐振器原理
谐振器是谐振进气系统中重要的部分之一，如图4所示。

谐振进气系统影响谐振
转速的参数主要包括谐振管长度、谐振腔容积和谐振管半径。

赫姆霍兹（Helmholtz）共振器的共振频率计算：
式中：c为当地声速，m/s；R为谐振管半径，mm；L为谐振管长度，mm；V为谐振腔空腔体积，L。

如图5所示为不同共振频率的V、L、R三维函数图。

非增压四冲程发动机进气系统谐振频率的计算：
式中：n为发动机转速；i为与谐振腔相连的汽缸数；τ为冲程系数，在发动机是
四冲程时取2；k为谐波次数，一般当k＞3时，频率成分可以忽略不计。

由公式（4）、（5）可知，对于发动机的每一个转速，谐振器参数的设置不仅影响进气
系统的谐振转速，还影响进气系统的谐振强度，对于谐振进气有不同的效果，且可以合理设计不同参数的进气谐振器在相同对应转速下产生最优进气谐振作用。

图5 不同共振频率的三维图
在本实验中R的选取范围为8～20 mm，L的选取范围为10～60 mm。

谐振腔的体积为：0.063～1.41 L。

实验中充气效率变化率定义为：，η为带谐振器时充气r 效率，η0为原机充气效率。

2.2 谐振管长度对充气效率的影响
谐振腔容积和谐振管的管径保持不变，谐振转速随谐振管的长度增加而降低。

如图6所示，谐振波各波峰相位提前，最大充气效率转速点向低转速方向移动，在谐振转速区域能够有效提高谐振进气强度、充气效率。

若需要改善高转速区的动力性能，可以通过选用更短的谐振管长度来提高谐振强度和充气效率；而对于低转速区域，
则可以选用更长的谐振管。

但是谐振管过长都会使充气效率明显下降。

当谐振管长度为500 mm时，虽然谐
振转速附近充气效率得到改善，但是在转速达到8 000 r/min之后充气效率下降
明显，在4 000 r/min以下低转速区间内相比较于其他长度的谐振管，充气效率
改善效果有限，原因是谐振管长度过长，摩擦损失和沿程能量损失增加，导致谐振幅度下降，压力波动较为平缓，谐振进气效果减弱。

图6 谐振器长度对充气效率影响
2.3 谐振管直径对充气效率的影响
如图7所示，在谐振腔系统其他参数都保持不变时，增大谐振管直径会使最大充
气效率点向高转速区移动。

在5 000 r/min以下转速区间内，4组不同宽度谐振管都可以有效改善原机的充气效率、谐振强度；在5 000～8 000 r/min转速范围内，充气效率随着谐振管的直径减小而提高。

直径为15 mm和20 mm的谐振管会使充气效率下降，不利于进气谐振效果；而在9 000 r/min以上转速区间内，只有
管径为20 mm的谐振管能够改善原机的动力性能，其余管径的谐振管的充气效率下降明显。

所以对于谐振管的管径的选择则需要综合考虑摩擦、气流流速、实际安装预留空间综合考虑。

管径既不能无限制的增加，否则进气流速会降低，无法满足进气系统的进气量的设计要求；管径也不能过小，否则气流受到的摩擦力大幅度增加，甚至大大降低谐振进气效果。

图7 谐振器管径对充气效率的影响
2.4 谐振腔体积对充气效率的影响
根据上述公式（4）和（5）可知，在发动机谐振管直径和长度都确定的情况下，
谐振箱的容积和发动机的谐振转速呈反比的关系，即发动机谐振腔容积减小，发动机的谐振转速升高，进气谐振强度显著提高。

谐振腔容积过小，则对应的谐振转速
越高，气体流速快，气流阻力增加，压力损失也相应变大；谐振腔容积过大，则对应的谐振转速越低，气缸中活塞运动缓慢，进气气流流速缓慢，此时过大的谐振腔容积会导致压力波振幅降低，很难产生谐振。

实验结果如图8所示，当保持其他条件不变，仅谐振腔的容积发生变化时；在发
动机的中低转速区3 000～6 500 r/min，一定范围内安装不同容积的谐振腔都能
改善原机动力性能。

不同容积的谐振腔的充气效率、谐振强度变化不大，容积变化对谐振进气效果影响较小。

由图可知此时容积为0.125 L的谐振腔的谐振效果最优，且在4 000 r/min时存在一个谐振波峰值。

当发动机转速超过7 500 r/min时，
谐振腔的优化效果很难体现，充气效率得到改善的转速范围都很小，充气效率基本都低于原机的水平。

图8 谐振腔容积对充气效率影响
2.5 谐振腔参数灵敏度分析
灵敏度分析是一种度量因设计变量或参数的改变而引起结构响应特性变化快慢的方法。

灵敏度分析有直接求导法、差分法和摄动法等几种方法[10]。

根据发动机台架实验的结果，对谐振器的参数进行优化设计。

通过灵敏度分析可以确定对模型中动力性能影响最大的谐振腔参数，为结构优化提供理论依据。

分别选取谐振管径为10.5 mm、14 mm，谐振管长度为60 mm、20 mm，谐振腔容积为0.375 L、0.625 L的两组不同结构参数的进气谐振器对比，进一步分析谐振器
参数变化对充气效率的影响。

在本研究中，发动机的充气效率与设计变量即谐振腔结构参数之间很难获得具体的响应显示函数表达式，因此直接求导法不适用，进而采用差分法进行灵敏度分析。

具体方法为：使设计变量产生微小摄动Δxj（本文取设计变量增加10%），用差分格式来计算输出对设计变量的近似导数，其中比较
常用的是向前差分格式[10]：
如图9和图10所示为两种参数结构的谐振器在不同转速下的灵敏度。

其中，SD
为进气系统充气效率相对于谐振器直径的灵度，SL为充气效率相对于谐振器长度
的灵敏度，SV为充气效率相对于谐振腔体积的灵度；灵敏度的正负表示充气效率
变化的方向，参数对充气效率的影响程度体现为灵敏度的大小。

图9 D=14 mm，L=20 mm，V=0.625 L谐振器灵敏度
图10 D=10.5 mm，L=60 mm，V=0.375 L谐振器灵敏度
从图中可以看出，在不同转速下，每个参数的灵敏度都发生相应变化且不尽相同。

在绝大部分转速下，谐振器灵敏度SV＞SD＞SL，SV较大的转速情况对进气系统
的充气效率影响较大。

在增加相同充气效率的条件下需要增加的谐振腔体积量越小，因此可以优先选择谐振腔体积变量来提高进气系统的进气效率。

此外，在本研究中大部分转速情况下SV和SD正负相反，表明在一定转速下，要想提高进气系统的充气效率，谐振器的直径和谐振腔体积的变化方向应该相反。

3 结束语
本文采用GT-POWER模拟计算的方式，对一款高速汽油机建立了仿真模型，并以此为基础，对发动机的进气谐振腔系统、进气歧管长度、进气歧管直径进行了分析。

并得到了如下结论。

（1）对于发动机不同的谐振转速点，可以通过谐振进气系统的不同参数的配合使发动机的充气效率、谐振强度得到提高。

发动机的不同工况下的谐振进气的要求也不一样，因此，对于发动机谐振进气系统布置和参数的确定都需要结合发动机进气设计要求综合考虑。

（2）在不同转速下，谐振器不同参数灵敏度随转速的变化而发生变化，其中谐振腔体积参数对进气系统的充气效率影响较大。

进气系统谐振器灵敏度SV＞SD＞SL。

在一定转速下，要想提高进气系统的充气效率，谐振器的直径和谐振腔体积的变化方向应该相反。

参考文献：
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