精品完整版基于GTPower汽油机进排气系统优化研究.docx
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精品完整版基于GTPower汽油机进排气系统优化研究
目录
摘要1
ABSTRACT2
1绪论3
1.1研究的背景3
1.2发动机研究现状4
1.3本文研究内容与方法4
2发动机仿真软件介绍与应用5
2.1发动机仿真软件研究模式5
2.2计算机仿真技术的应用和优点5
2.3发动机常用仿真软件6
2.3.1MATLAB/SIMULINK7
2.3.2RicardoWAVE7
2.3.3AVL-BOOST8
2.3.4GT-Power8
3基于GT-Power发动机仿真模型建立9
3.1建立GT-Power模型9
3.1.1发动机进排气管模型10
3.1.2空气滤清器模型11
3.1.3喷油器模型12
3.1.4气缸模型12
3.1.5曲轴箱模型12
3.2发动机模型验证13
4进气系统优化14
4.1进气管长度优化14
4.2进气管直径优化17
4.3压缩比优化19
4.4谐振腔容积优化21
5排气系统优化24
5.1排气管1段直径优化25
5.2排气管2段直径优化28
5.3排气管3段直径优化30
5.4排气管4段直径优化32
5.5排气管2段长度优化35
5.6排气管4段长度优化37
5.7优化结果汇
总41
6结论42
参考文献44
摘要
随着时代的发展,石油资源越来越匮乏,环境污染越来越严重,节能减排势在必行。
此外客户对汽车的性能要求也越来越高。
各大汽车厂家为了提高市场竞争力,满足客户需求,对发动机的性能、相关参数进行优化。
本文首先介绍能源消耗和环境污染目前的形势分析,以及发动机国内外研究现状。
其次通过对计算机仿真技术应用、优点的介绍,引出常用发动机仿真软件的介绍和应用,如MATLAB/SIMULINK软件、RicardoWAVE软件、AVL-BOOST软件和GT-Power软件。
然后基于GT-Power软件建立发动机仿真模型,并以此对发动机进排气管模型、空气滤清器模型、喷油器模型、气缸模型、曲轴箱模型进行介绍。
最后基于GT-Power软件对进气管长度、直径、压缩比、谐振腔容积、排气管直径以及排气管长度进行优化设计,实现汽油机进排气系统优化。
关键词:
GT-Power,汽油机,进排气系统,优化
StudyonOptimizationofInletandExhaustSystemBasedonGT-PowerGasolineEngine
ABSTRACT
Withthedevelopmentofthetimes,oilresourcesareincreasinglyscarce,environmentalpollutionismoreandmoreserious,energy-savingemissionreductionisimperative.Inadditionthecustomer'sperformancerequirementsforthecarisalsogettinghigherandhigher.Majorcarmanufacturersinordertoimprovemarketcompetitiveness,tomeetcustomerneeds,theengineperformance,therelevantparameterstooptimize.
Thispaperfirstthroughtheenergyconsumptionandenvironmentalpollutionofthecurrentsituationanalysis,leadstothestatusoftheengineresearch.Secondly,throughtheintroductionofcomputersimulationtechnology,theintroductionoftheadvantagesofcommonlyusesenginesimulationsoftwareintroductionandapplication,suchasMATLAB/SIMULINKsoftware,RicardoWAVEsoftware,AVL-BOOSTsoftwareandGT-POWERsoftware.Then,theenginesimulationmodelisestablishedbasedonGT-POWERsoftware,andthemodelofengineintakeandexhaustpipe,aircleanermodel,injectormodel,cylindermodelandcrankcasemodelareintroduced.Finally,basesontheGT-POWERsoftwaretooptimizethelength,diameter,compressionratio,cavityvolume,exhaustpipediameterandexhaustpipelengthoftheintakepipe,thegasolineengineintakeandexhaustsystemoptimizationisrealized.
Keywords:
GT-Power,gasolineengine,Intakeandexhaustsystem,optimization
基于GT-Power汽油机进排气系统优化研究
陈俐娜061613171
1绪论
1.1研究的背景
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
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