奇瑞-应用AVL软件对发动机的性能优化

　　1．前言

　　从08年起国家全面提高汽车排放标准，09年调整汽车消费税政策，降低小排量乘用车的消费税率、今年6月1日倡导的“节能产品惠民工程”的政策、第三阶段的油耗实施方案可以看出我国在节能环保方面实施的力度和决心，各汽车企业为了不至于使自己在竞争的市场上被淘汰，提升发动机的性能、降低发动机的油耗是迫在眉睫的事情。

　　AVL公司开发的BOOST与FIRE软件，是发动机性能计算和优化中重要的开发工具，本论文是借助两种软件对所改型的发动机性能进行优化计算分析，用BOOST软件对发动机的进气系统和配气相位进行优化计算，为发动机性能开发方案的选择和试验验证提供依据，用FIRE软件对BOOST确定的进气系统（主要是进气歧管）宏观参数进行流量系数、均匀性分析，确保歧管具备最佳的结构形式。因此，在产品开发和优化过程中，利用BOOST与FIRE对发动机的进、排气系统与配气相位进行优化，确保所开发的发动机具备最佳的动力性和经济性。

　　2．仿真热力学模型的搭建与校正

　　2.1 发动机参数

　　本文的研究对象是一台1.0NA 三缸四冲程发动机，其发动机参数见表1：

图1、1D 热力学仿真模型

　　2.2 热力学模型的搭建与校正

　　应用AVL BOOST软件，根据整车进排气系统与发动机的参数搭建热力学仿真模型（图1），建模时主要选取的参数：整车进气和排气系统、发动机本体结构与几何参数、台架试验测得发动机数据、紊流试验台所测得的气道流量系数数据等等，并根据台架试验数据标定模型（图2）。

　　搭建模型中摩擦功数据来源于台架试验数据，但实测的数据包含一定的泵气损失，与实际结果有一定的误差，在BOOST 模型中，可以设置倒拖模式（Motored），计算给定转速下的泵气损失，将实测得到的倒拖功减去模拟计算的泵气损失，即为摩擦损失（机械损失）FMEP（图3、单位：bar）。另外在校正模型的过程中，采用的是Vibe 放热模型，缸压曲线来自AVL 燃烧分析仪在台架试验时实测的缸压数据，利用BOOST 软件里Burn Utility工具，输入某转速下的缸内示功图而计算该工况下放热速率曲线，以获得不同转速下Vibe参数（表2）。

图2 、1D 热力学模型校正结果

图3、发动机机械损失

图 4、进气歧管长度优化

　　3．进气歧管的性能优化

　　3.1 BOOST 对进气歧管的优化

　　3.1.1 进气管歧管长度的优化

　　图4 是进气歧管长度改变后，运用BOOST软件进行模拟计算外特性，并与校正模型（base）的外特性进行比较，从图上可以看出，歧管长度增加后有利于提升中低速（3000rpm~5000rpm）扭矩并出现双峰效果，发动机的中低速动力性得到了提升。

　　3.1.2 进气管岐管内径的优化

图5、进气管歧管内径性能对比

　　图5是对进气管歧管与谐振腔交接处内径大小进行优化，并对内径优化前后的外特性与基础模型的外特性进行对比分析，从图5可以看出，歧管内径增大有利于提升高速功率，但中低速扭矩会降低，反之亦然。从分析结果折衷考虑，歧管进口当量内径为φ28mm时最优。

　　3.2 FIRE对进气歧管的CFD分析

　　高流量系数和进气均匀性好的进气歧管，可以较大限度地提高发动机动力性；针对上面计算结果最优的进气歧管（支管长度424mm、歧管内径φ28mm），采用AVL FIRE软件进行CFD分析。

　　3.2.1 边界条件设置

　　进气歧管CFD边界条件设置：

　　湍流模型：k-zate-f

　　计算流体：空气

　　进出口条件：

　　进口总压：100000Pa

　　出口静压：97500Pa

　　壁面：Hybrid Wall Treatment

　　平均流量系数：每根岐管的流量系数和的平均值均匀性系数：（每根岐管的流量系数－平均流量系数）/平均流量系数x100%。

　　计算的Case设置：一次计算只给定一个出口，共计算三次。即outlet1为出口时，其他两个为壁面，依此类推。

图6、进气歧管结构图

　　3.2.2 进气歧管CFD 分析结果

　　进气歧管总压分布图：

　　进气歧管速度矢量图：

　　计算结果数据处理：

　　通过分析结果（表3）得知，该进气歧管各工况平均流量系数为0.795，满足经验值0.75~0.83 之间的要求；各工况流量系数与平均值之间的偏差均小于1%，进气均匀性较好。

表3 各工况计算结果

　　4．凸轮相位与型线的优化

　　4.1 原始相位整体平移对性能的影响

图7、相位整体平移性能对比

图8、进气门关闭IVC时刻性能对比

　　图7是将原始配气相位整体平移（ph=－a，表示配气相位相对曲轴转角整体向前平移a度）的功率和扭矩曲线图，配气相位提前可以提升低速扭矩，但高速功率降低了；主要原因与两个，一是与进气流速有关，高速时，进气流速高，惯性大，所以需要进气门迟关，低速时，进气流速高的作用表现不明显，低速进气门需要早关闭；二是与膨胀比、活塞排气强制做功泵气损失有关。因此配气相位整体优化时需折衷考虑，做出合理地选择，本计算中建议选用原始相位，下面单独对IVC（进气门关闭）时刻对性能的影响进行分析。

　　4.2 原始相位IVC对性能的影响

　　从图8来看，进气门关闭时刻（IVO、EVO 与EVC保持不变）对发动机性能影响比较大，当活塞上行时，即使缸内气体压力与大气压力相同，但进气系统向缸内充气的气流速度依然很高，进气迟闭正是利用了在进气过程中形成的气流惯性，因此增加了缸内进气量，所以发动机高速段的进气流速相对低速段时要大一些，进气门关闭时刻延迟，进气量多，功率会上升。从分析结果来看，原始IVC相位比较合理，同时兼顾了高低速的性能。

　　4.3 凸轮型线优化分析

　　利用AVL EXCITE Time Drive软件对凸轮型线进行优化分析，获得加大气门升程凸轮型线，将该型线输入BOOST计算发动机性能，从计算结果认为在保证配气相位不变的前提下，加大气门升程，可以增加缸内空气质量，提升发动机动力性。

　　4.3.1 原始相位与加大气门升程相位

图9、原始升程与加大气门升程相位对比

　　通过初步优化，进气门气门升程由7.25mm 提高到8mm；排气门气门升程由7.1mm 提高到7.3mm（图9）。

　　4.3.2 计算结果

图10、加大升程与原始升程对比

　　从计算结果（图10）来看，在配气相位保持不变的前提下，加大气门升程可以明显地提升发动机中高速性能；但发动机搭载在整车上时，整车大多数都在发动机的中低速工况下运行，因此，发动机中低速段是整车运行的常用工况；因此，我们对加大气门升程的配气相位进行优化，提升发动机的中低速扭矩，保持整车因发动机在中低速运行状况下的动力性和经济性。

图11、加大气门升程相位优化

　　对加大气门升程相位进行优化，将相位整体向前平移一个角度，提升了发动机低速段性能，向后平移一个角度，高速功率得到明显提升，对分析结果进行折衷考虑，加大气门升程的相位整体向前平移3度（图11），发动机低速扭矩得到提升，高速功率与原始气门升程的发动机基本相同，因此通过加大气门升程并合理优化配气相位，可以使发动机低速扭矩得到提升，高速功率保持不变。

　　5．总结

　　1）、利用AVL BOOST与FIRE软件对进气歧管做了详细计算和优化；首先利用BOOST 软件对进气歧管管长和歧管内径做了优化，计算出最优结构的歧管参数；然后利用AVL FIRE软件对该歧管做CFD分析计算，通过分析计算认为该歧管的流量系数和进气均匀性较好。

　　2）、利用AVL BOOST软件对配气相位做了详细分析；开始对发动机原始相位进行优化，认为原始相位较好；其次对凸轮型线做了优化，在配气相位不变的前提下，加大气门升程，可以增加缸内进气量，从软件计算结果可知，加大气门升程的方案可以明显提升中高速段性能；考虑到发动机中低速段是整车常用工况，因此对加大气门升程的相位做进一步地优化，即将配气相位整体向前平移3 度，可以提升发动机中低速段性能。

(本文不涉密)
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