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1、目 录第一章 绪论21.1引言21.2数值模拟31.3模拟计算在内燃机发展中的作用41.4内燃机模拟计算的现状及发展51.5 GT-POWER软件介绍61.6本文主要内容及研究意义8第二章 流体流动模型基本原理92.1软件的基本原理92.1.1 管路（PIPE）模块基本原理112.1.2 接头（FLOWSPLIT）模块基本原理122.2缸内流动仿真原理132.3燃油喷射模块基本原理142.4燃烧模型基本原理142.5发动机摩擦及驱动附件损失模块基本原理15第三章 XD479Q发动机模拟平台搭建163.1 XD479Q发动机参数163.2整机模型的搭建173.3定义外部环境参数183.4定义空气
2、滤清器193.5 定义节气门203.6定义连接管件及孔实体213.7进气系统的创建及定义223.8定义进、排气门253.6气缸参数设定313.7燃油喷射模块设定353.9排气系统的创建及定义373.9发动机曲轴箱设定403.10原机外特性仿真结果及模型验证42第四章 配气相位对发动机性能影响464.1进气门处压力分析计算464.2配气相位对性能的影响474.3 XD479Q发动机配气相位的优化484.3.1 进气凸轮正时494.3.2 排气凸轮正时524.3.3配气相位角的正交试验554.4 优化后配气相位的验证58第五章 新凸轮型线设计605.1缓冲段曲线的设计605.2 工作段运动曲线设计
3、62第六章 总结65参考文献66附录I 气门升程随曲轴转角变化关系表68附录 进气凸轮升程曲线MATLAB源程序70附录 排气凸轮升程曲线MATLAB源程序73致 谢7627第一章 绪论1.1引言随着国家对汽车油耗、排放等法规要求越来越严格，汽车企业生产的产品也不得不采取各种办法对产品进行技术升级和改造，以适应国家法规的要求。09年1月1日，燃油税开始实施。燃油税是指政府对燃油在零售环节征收的专项性质的税收。通过征税的办法从油价中提取一定比例作为养路等费用。其基本原理是：车辆类型及行驶里程长短，载货量大小是与耗油量的多少紧密相连的，耗油越多证明其享有使用公路的权力越多，因此，包含在油价中上交的
4、燃油税就随之增多，对公路养护所尽的义务也就越多。燃油税简而言之，就是将现有的养路费转换成燃油税，实行捆绑收费。由于现行的养路费一般是按吨位和运营收入两种计费方法收取，实际上形成了一种定额费。而对于用油大户尤其是汽车来说，道路使用率存在较大差距。“因为无法测算每台车的道路使用率，”长沙理工大学经济学教授朱锡庆表示，“燃油税通过将养路费捆绑进油价，将每辆汽车要交的养路费转换成税费，在道路等公共设施日益成为一种稀缺资源的大背景下，更多地体现了多用多缴，少用少缴的公平原则。”2009年6月，国家出台了鼓励新能源车消费的政策汽车产业振兴规划细则。国家将拿出200亿元补贴投向新能源汽车，支持大中城市推广混
5、合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等新能源汽车。优先在城市公交、出租、公务、环卫、邮政、机场等领域推广使用新能源汽车。2009年至2011年，提升新能源汽车销量占乘用车销售总量至5%左右。 汽车在我国能源消耗和在大气污染排放中的分担率上占有很大比例，目前汽车每年消耗掉国产85%左右的汽油和23%左右的柴油，而汽车尾气排放带来的环境污染更是日趋严重。按照近年来的增长速度，有专家预计到2020年，我国道路上行驶的汽车数量将突破1.5亿大关。随着我国汽车保有量的迅速增加，汽车增长带来的能源和环保问题日益突出。一方面汽车进入普通家庭提高了老百姓的生活水平，但汽车大量增加带来了能源大量消耗和环境污染。
6、在节能减排大背景下，如何促进汽车产业与社会经济协调发展，促进人与大自然的和谐发展，成为我国汽车工业可持续发展的重大课题。XD479Q型汽油机结构先进、新颖、合理,升功率、升扭矩和比质量指标先进,耐久可靠,适用范围广,既适用于轻型客车,也适合于微型货车和家用轿车。本论文根据提供的数据在gt-power平台上搭建XD479Q的仿真模型，改变配气相位，模拟各条件下的动力性、经济性、排放质量等性能指标。对不同配气定时模拟出来的结果进行对比分析，选择最佳方案并设计出对应的凸轮。1.2数值模拟数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类
7、问题研究的目的1。在计算机上实现一个特定的计算，非常类似于履行一个物理实验。这时分析人员已跳出了数学方程的圈子来对待物理现象的发生，就像做一次物理实验。数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。比如某一特定机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场的各种细节：如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚地看到激波的运动、涡的生成与传播。总之数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。从上面的例子可以看到，数值模拟包含以下几个步骤：首先要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。具体说就
8、是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。牛顿型流体流动的数学模型就是著名的纳维斯托克斯方程及其相应的定解条件。数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。由于人们的努力，目前巳发展了许多数值计算方法。计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这些过去被人们忽略或回避的问题，现在受到越来越多的重视和研究。在确定了计算方法和坐标系后，就可以开始编制程序和进行计算。实践表明这一部分工作是整个工作的主体，占绝大部分时间。由于求解的问题比较复杂，比如 方程就是
9、一个非线性的十分复杂的方程，它的数值求解方法在理论上不够完善，所以需要通过实验来加以验证。正是在这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。在计算工作完成后，大量数据只能通过图像形象地显示出来。因此数值的图像显示也是一项十分重要的工作。目前人们已能把图作得像相片一样逼真。利用录像机或电影放映机可以显示动态过程，模拟的水平越来越高，越来越逼真。1.3模拟计算在内燃机发展中的作用大约在上世纪60年代中期以前，内燃机工作过程的计算基本上还是建立在理论循环的基础之上，对实际的工作过程作了很大的简化，例如用闭口循环来模拟开口循环；用等熵或多变指数来计算压缩和膨胀过程，用定容放热代替排气过程等。由于不考虑实际的换
10、气过程、燃烧过程、传热过程，所以只能作粗略的估算，计算结果的精确性在很大程度上依赖于经验数据的选取。因此长期以来，内燃机的设计、制造和调试主要依靠经验。直到60年代中期，由于计算机的应用才有可能对内燃机的实际工作过程进行接近实际的模拟计算，从而使内燃机的理论建立在一个新的基础之上。目前，内燃机实际工作过程的数值模拟已成为研究和开发内燃机的一种有效方法。所谓内燃机实际工作过程的数值计算（或称循环模拟计算），就是从内燃机各系统的物理模型出发，用微分方程对各系统的实际工作过程进行数学描述，然后编制计算程序，用电子计算机数值求解微分方程，以求得气缸内的热力过程、传热过程、燃气性质、气体流动、充量更换过
11、程、废气涡轮增压的特性及其与发动机的配合等问题，所以计算结果比较符合实际情况。目前，应用工作过程数值模拟大致可进行以下工作。(1) 预测发动机的性能，性能预测的内容很多，如预测发动机的标定工况性能，部分工况的运行特性，增压发动机的瞬态特性（变负荷时的响应特性），大气状况改变时的发动机性能，以及有害排放物（NOx,HC,CO）的预测等。（2）设计参数的优化 通过模拟计算可以研究各种结构参数（如增压压力、中冷器出口的空气、温度、排气背压等）以及运转参数（如发动机转速、负荷、冷却水温、活塞冷却油温等）对发动机性能的影响，并寻求最佳值。（3）在发动机调试阶段，利用实际工作过程的数值计算，可以揭示试验中
12、没有测量或不可测量的参数大小，指明参数的调整方向，从而减少试验工作量，缩短调试周期。(4)多维数值模拟能够提供空间任意位置和任意时刻的速度、压力、温度和组分浓度分布，在此基础上进行理论分析，可以为改进发动机结构提供预见性的指导。汽车工业的飞速发展，对汽车的环保、安全、经济性能等方面都提出了越来越高的要求，促使我们对发动机的研究越来越深入，涉及的范围越来越广泛。借助于数值模拟技术对发动机的工作过程进行模拟计算，对于缩短产品研发周期、提高产品设计质量、降低产品的研发成本等起到事半功倍的效果2。1.4内燃机模拟计算的现状及发展内燃机模拟计算对内燃机的研究和发展有三大贡献:一是更全面深入地理解构成模型
13、的物理过程;二是找出关键的控制变量以拟定更节省、更合理的实验方案;三是可以很方便的进行内燃机优化设计。在电子计算机用于内燃机的研究之前，为了能够从定性上对内燃机的性能做出估计，并进行有限的定量计算，不得不对内燃机的实际工作过程作出大量的简化与假设。而在内燃机设计中，则需要根据经验和类比，在大量选取参数的基础上，对工作循环中的几个特征点进行热力计算，以便做出数量上的估计。这种简单的热力计算虽然能够得到比较直观和可做定性分析的数据，但是却十分粗略，不能够全面地反映内燃机燃烧过程、缸内工质的流动及传热过程、进排气系统中的热力学和气体动力学过程以及内燃机与涡轮增压器的匹配性能等，更不能对变工况性能进行
14、计算与分析。随着内燃机性能的不断提高，产品更新的周期不断缩短，采用常规热力计算进行这种经验设计，己经远远满足不了现代高性能内燃机研制工作的需要。随着快速、大容量电子计算机和数据处理系统在内燃机研究中的应用，加上实验技术和测量仪器以及测试设备的改进，使得内燃机在实验和理论研究上有了较大的发展，同时也使得内燃机工作过程的计算机模拟不仅成为可能，而且取得了不少令人耳目一新的进展3。具体表现在:描述内燃机内部过程和与涡轮增压器匹配的一系列不受简化条件限制的微分方程组，现在己有可能进行数值求解，从而得出定量描述的结果;而那些由内燃机运行状态所决定的内部过程:如燃烧过程、气体流动过程、热交换过程以及进排气
15、系统与涡轮增压器匹配的气动过程等，也都有可能在计算中予以考虑;能够建立比较符合实际的物理模型，通过数学模拟予以表达，以求得各热力参数随时间变化的规律，用以分析内燃机的性能及其影响因素;能够系统地模拟结构参数、燃烧规律、配气相位、进排气系统中的流动阻力、中冷器特性以及涡轮增压器特性等与内燃机性能间的相互关系，并进行参数优化，寻求最佳的组合方案，为内燃机的设计、试验和性能改进提供了理论依据。这样，就使得现代内燃机的理论研究建立在了一个全新的基础上4。内燃机工作过程的模拟，不仅可以计算设计工况点，而且也可以计算变工况点，并可估计环境参数变化对内燃机性能的影响;不仅可以计算内燃机的稳态过程，而且也可以计算瞬态过程，以研究各结构参数及性能参数与内燃机瞬态特性的关系，探求改善内燃机瞬态特性的技术措施;不仅可以在内燃机设计阶段通过计算模拟进行多方案的比较，且可以在内燃机调试阶段与测试技术相结合，指明调整的参数及其取值的大小;同时，在工作过程模拟的基础上，还可以进行工作过程的模拟优化，使内燃机工作过程模拟研究向优化设计推进一步。如此种种，是内燃机常规热力计算所无法比拟的5。1.5 GT-POWER软件介绍GT-POWER是包含在GT-suit中的一个CAE应用程序，GammaTechnofogies，Inc开发，
