汽油机瞬态工况性能测评及数值仿真方法研究

发布时间：2017-08-13 17:07

  本文关键词：汽油机瞬态工况性能测评及数值仿真方法研究

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【摘要】：在全球能源危机与环境污染的双重压力下,人们对车用发动机的节能减排提出了越来越高的要求。汽油机作为汽车尤其是乘用车的主要动力装置,其性能的开发及运行参数的优化和标定通常是在稳态工况下完成；对其瞬态过程性能的研究还不够深入,尤其在瞬态过程参数的全面检测、评价以及瞬态过程与稳态过程的对比关系等方面,目前还鲜有研究。但是整车实际运行过程中汽油机运行状态却以瞬变工况为主,瞬态性能的好坏才是决定汽油机实际动力性、经济性与排放水平优劣的关键。因此,对汽油机瞬态工况性能的研究具有巨大的节能减排潜力。目前汽油机瞬态工况性能的全面检测与分析存在众多难点：有些参数需特定设备或标定公司的帮助才能测量,例如点火提前角、VVT位置、喷油等；有些参数的测量需对动力总成的物理搭载进行改造才能实现,例如安装扭矩仪、瞬时油耗仪等；甚至有些参数根本无法实测,例如缸内残余废气系数。为了实现对汽油机瞬变工况性能的全面检测与分析,本文首先开展了大量台架稳态试验,总结出大量汽油机运行参数和性能参数的共性规律；随后对一台增压直喷汽油机开展了台架瞬态试验,分析其瞬态运行参数和性能参数,并将汽油机瞬态性能参数和稳态参数进行了比较。在此基础上,开展了汽油机瞬态过程仿真方法研究。基于试验数据搭建并校核了四类汽油机仿真模型：神经网络模型、平均值模型、有限差分法模型以及有限容积法模型(GT-Power模型),对各类模型的特性进行了对比分析。最后开展了整车转毂试验和实际道路工况试验,采用试验与仿真技术相结合的研究方法,对整车实际道路工况汽油机性能进行了仿真,对汽油机瞬态性能关键参数进行了评价。本文的主要研究内容和结果为：(1)采用先进的AVL发动机台架测试系统,对六款先进的汽油机开展了详细的试验研究,获得了汽油机全面的运行参数和性能参数。分析、总结了不同类型的汽油机运行参数和性能参数的变化规律和关键影响因素。例如：充量系数,过量空气系数,泵气损失,平均摩擦损失压力,指示热效率等参数都表现出很好的共性规律,转速和负荷是这些参数最主要的影响因素。(2)实现了汽油机点火信号、喷油正时信号、VVT信号、过量空气系数等多参数的连续、在线检测,获得了汽油机全面的瞬态性能参数。分析了汽油机的瞬态速度特性,瞬态负荷特性和增压器瞬态响应特性等,并将瞬态工况与稳态工况下的性能进行了比较。结果表明瞬态过程越剧烈,运行参数和性能参数变化也越快,偏离稳态性能的程度也越大。(3)研究了汽油机神经网络模型、平均值模型、差分法模型和GT-Power模型的计算理论,建立了汽油机瞬态过程性能仿真模型,并根据前文试验参数对模型进行了校核。对比分析了四类模型的优缺点：神经网络模型计算速度最快,但对前期数据依赖性较高；平均值模型计算速度可以满足在线仿真要求,但不能满足汽油机瞬态性能仿真的精度要求；差分法模型有一定的预测功能,但计算速度慢,较难实现在线仿真要求；GT-Power模型能较好地预测汽油机瞬态性能,但其运算更慢,计算速度基本无望实现在线仿真功能。可见汽油机瞬态仿真模型的计算速度和精度之间存在矛盾。(4)利用瞬态测量技术和仿真技术相结合的方法,对某搭载整车状态下的汽油机进行了瞬态性能检测。获得了整车转毂试验和实际道路试验的汽油机瞬态性能参数。通过对汽油机瞬态性能的分析发现在某些突变工况下,如急加速、急减速、换挡过程和涡轮旁通阀开启过程中汽油机的性能参数存在较大波动,主要原因是试验样机在这些工况下的点火、喷油控制策略存在谬误。通过对汽油机瞬态性能和稳态性能的比较,揭示了外特性下瞬态过程性能参数与稳态过程性能参数的差异及其偏离程度,并找出了导致二者性能差异的关键影响参数。通过本文的研究,解决了汽油机瞬态工况性能检测和仿真的若干技术难题,研究得出了汽油机瞬态工况性能参数的变化规律及其影响机理,揭示了汽油机稳态与瞬态性能的差异及其控制因素,提出了一些优化汽油机瞬态性能的方法,为改善汽油机实际道路工况下的瞬态性能提供了理论指导与技术支撑。
【关键词】：汽油机 性能参数 瞬态工况 检测方法 数值仿真
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.171
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-20
• 第1章 绪论20-36
• 1.1 研究背景20-27
• 1.1.1 能源及能源危机20-22
• 1.1.2 大气污染22-24
• 1.1.3 汽车标准道路工况24-25
• 1.1.4 汽车保有量25-27
• 1.2 汽油机瞬态工况研究现状27-34
• 1.2.1 汽油机瞬态工况研究方法27-28
• 1.2.2 国外研究现状28-31
• 1.2.3 国内研究现状31-33
• 1.2.4 汽油机瞬态研究的难点33-34
• 1.3 本文研究内容和意义34-35
• 1.3.1 本文研究内容34
• 1.3.2 本文研究的意义34-35
• 1.4 课题来源35-36
• 第2章 汽油机稳态试验及性能分析36-64
• 2.1 汽油机稳态性能测量36-46
• 2.1.1 稳态性能测量设备36-40
• 2.1.2 稳态试验类型及要求40-44
• 2.1.3 本文样机介绍44-46
• 2.2 汽油机换气过程46-50
• 2.2.1 充量系数46-47
• 2.2.2 泵气损失47-50
• 2.3 汽油机燃烧过程50-54
• 2.3.1 过量空气系数50-51
• 2.3.2 燃烧特征参数51-53
• 2.3.3 燃烧效率53-54
• 2.4 汽油机热-功转换过程54-59
• 2.4.1 指示热效率54-56
• 2.4.2 摩擦损失56-58
• 2.4.3 有效燃油消耗率58-59
• 2.5 汽油机排放污染物59-62
• 2.5.1 一氧化碳59-60
• 2.5.2 碳氢化合物60-61
• 2.5.3 氮氧化合物61-62
• 2.6 本章小结62-64
• 第3章 汽油机台架瞬态试验及性能分析64-97
• 3.1 汽油机瞬态性能测量64-68
• 3.1.1 瞬态性能试验规范64-66
• 3.1.2 瞬态试验及要求66-67
• 3.1.3 瞬态测量设备67-68
• 3.2 汽油机关键瞬态参数测量68-76
• 3.2.1 进排气瞬态压力69
• 3.2.2 缸内压力69-70
• 3.2.3 关键运行参数70-76
• 3.3 汽油机瞬态速度特性76-82
• 3.3.1 瞬态速度特性试验介绍76
• 3.3.2 瞬态速度特性性能参数76-77
• 3.3.3 瞬态速度特性进气参数77-78
• 3.3.4 瞬态速度特性燃烧参数78-79
• 3.3.5 瞬态速度特性与稳态性能对比79-82
• 3.4 汽油机瞬态负荷特性82-88
• 3.4.1 瞬态负荷特性试验介绍82
• 3.4.2 瞬态负荷特性性能参数82-83
• 3.4.3 瞬态负荷特性进气参数83-85
• 3.4.4 瞬态负荷特性燃烧参数85-86
• 3.4.5 瞬态负荷特性与稳态性能对比86-88
• 3.5 汽油机增压器瞬态响应88-93
• 3.5.1 瞬态响应试验介绍88-89
• 3.5.2 汽油机瞬态响应性能分析89
• 3.5.3 增压器瞬态响应性能分析89-93
• 3.6 汽油机起动和催化器起燃试验93-95
• 3.6.1 起动试验93-94
• 3.6.2 催化器起燃试验94-95
• 3.7 本章小结95-97
• 第4章 汽油机瞬态性能仿真方法理论研究97-136
• 4.1 汽油机神经网络模型97-102
• 4.1.1 神经网络方法介绍97-98
• 4.1.2 径向基函数(RBF)神经网络模型98-101
• 4.1.3 神经网络模型101-102
• 4.2 汽油机平均值模型102-112
• 4.2.1 进气子模型102-106
• 4.2.2 喷油子模型106-107
• 4.2.3 动力输出子模型107-111
• 4.2.4 平均值模型111-112
• 4.3 汽油机有限差分模型112-125
• 4.3.1 进排气系统流动过程113-119
• 4.3.2 缸内热力过程119-121
• 4.3.3 性能参数计算121-123
• 4.3.4 有限差分法模型123-125
• 4.4 汽油机有限容积法模型125-134
• 4.4.1 有限容积法基本方程125-128
• 4.4.2 有限容积法求解过程128-130
• 4.4.3 经验模块介绍130-131
• 4.4.4 GT-Power模型131-134
• 4.5 本章小结134-136
• 第5章 汽油机瞬态性能试验和仿真计算136-173
• 5.1 整车转毂试验136-145
• 5.1.1 整车转毂试验介绍136-137
• 5.1.2 NEDC工况汽油机性能分析137-141
• 5.1.3 NEDC 工况汽油机性能和稳态试验对比141-145
• 5.2 汽油机仿真方法研究145-158
• 5.2.1 神经网络模型146-148
• 5.2.2 平均值模型稳态模型校核148-151
• 5.2.3 有限差分法模型151-154
• 5.2.4 GT-Power模型154-156
• 5.2.5 汽油机瞬态仿真方法对比分析156-158
• 5.3 整车实际道路工况试验及仿真158-166
• 5.3.1 整车路试状态试验介绍158-159
• 5.3.2 增压汽油机瞬态性能仿真及分析159-162
• 5.3.3 自然吸气汽油机瞬态性能仿真及分析162-166
• 5.4 汽油机瞬态性能分析与评价166-171
• 5.4.1 增压器响应特性166-167
• 5.4.2 瞬态进排气阀相位167-168
• 5.4.3 瞬态各缸均匀性168-170
• 5.4.4 瞬态缸内残余废气系数170-171
• 5.5 本章小结171-173
• 全文总结173-175
• 创新点说明175-176
• 工作展望176-177
• 参考文献177-188
• 附录A 攻读博士期间的科研成果188-190
• 附录B 攻读博士期间课题参与情况190-191
• 致谢191-192

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本文编号：668377