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      汽油機(jī)泵氣損失特性及其對(duì)性能的影響①

      2012-08-21 01:27:20杜愛(ài)民
      關(guān)鍵詞:進(jìn)氣門節(jié)氣門汽油機(jī)

      楊 弢, 杜愛(ài)民, 萬(wàn) 玉

      (同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海201804)

      0 引言

      傳統(tǒng)汽油機(jī)采用節(jié)氣門控制負(fù)荷,在部分負(fù)荷工況時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)氣門對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行控制,由于進(jìn)氣壓力降低,使缸內(nèi)壓力遠(yuǎn)低于大氣壓,活塞運(yùn)行過(guò)程中需要消耗較多的功來(lái)克服兩端的壓力差,形成泵氣損失,造成熱效率的降低.這是影響汽油機(jī)部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性的主要原因之一.因此,研究汽油機(jī)部分負(fù)荷工況下泵氣損失特性及其對(duì)性能的影響,分析如何降低泵氣損失,對(duì)提高汽油機(jī)部分負(fù)荷熱效率,降低燃油經(jīng)濟(jì)性有重要意義.

      本文通過(guò)對(duì)某型號(hào)1.8L汽油機(jī)工作過(guò)程的模擬,分析了其泵氣損失特性及其對(duì)汽油機(jī)性能的影響.

      1 仿真計(jì)算模型建立

      1.1 仿真模型建立

      利用GT-POWER模擬仿真軟件搭建某型號(hào)1.8L自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型.根據(jù)原機(jī)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù),包括管道長(zhǎng)度、直徑、彎曲半徑、熔劑元件體積(空氣濾清器、諧振腔、三元催化器、消聲器)等,建立如實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)較為相符的計(jì)算模型,模型的主要元件有:進(jìn)氣管道、空氣濾清器、節(jié)氣門、進(jìn)氣道、噴油器、進(jìn)氣門、排氣門、氣缸、曲軸箱、排氣道、排氣管以及傳感器和監(jiān)視器等.

      部分負(fù)荷時(shí),利用傳統(tǒng)的PID(Proportion Integration Differentiation)控制模塊的來(lái)控制計(jì)算過(guò)程中進(jìn)氣流量,以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的控制.根據(jù)試驗(yàn)確定仿真計(jì)算模型各工況邊界條件,該汽油機(jī)為進(jìn)氣門單VVT,各工況條件下排氣門正時(shí)保持不變.根據(jù)相關(guān)幾何條件及物理邊界條件,在GT-POWER平臺(tái)上建立一維仿真計(jì)算模型,如圖1所示:

      1.2 萬(wàn)有特性模擬及驗(yàn)證

      根據(jù)試驗(yàn)提供的邊界條件,從1000r/min到6000r/min,每隔500r/min取一個(gè)工況點(diǎn),共11個(gè)工況點(diǎn),建立汽油機(jī)部分負(fù)荷模型,模擬仿真汽油機(jī)負(fù)荷特性,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理,得到汽油機(jī)油耗特性Map和流量特性Map,如圖2、圖3所示:

      與汽油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比和差值計(jì)算,得到仿真模型油耗特性和流量特性的誤差Map如圖4、圖5所示:

      由圖2、圖3、圖4、圖5可以看出,仿真計(jì)算得到的油耗特性和流量特性趨勢(shì)以及變化方位與原汽油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為匹配,且油耗特性和流量特性與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差基本在±5%之間,只有流量特性在個(gè)別工況點(diǎn)出現(xiàn)了大于5%情況,這些工況點(diǎn)為低速第負(fù)荷或者為高速高負(fù)荷,是仿真計(jì)算處理較為困難的區(qū)域,而且其誤差在9%以內(nèi),不會(huì)對(duì)后期的計(jì)算產(chǎn)生太大的影響.由此可見(jiàn),根據(jù)試驗(yàn)建立的一維仿真計(jì)算模型,可以較為準(zhǔn)確模擬汽油機(jī)的工作過(guò)程,為后期的分析和改進(jìn)提供基礎(chǔ).

      圖1 1.8L自然吸氣汽油機(jī)GT-Power仿真模型

      圖2 模擬值油耗特性Map

      圖3 模擬值流量特性Map

      2 泵氣損失特性及其對(duì)性能的影響

      2.1 泵氣損失特性

      從1000r/min到6000r/min,每隔500r/min取一個(gè)工況點(diǎn),共11個(gè)工況點(diǎn),模擬仿真發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性,計(jì)算過(guò)程中排氣正時(shí)保持不變,排氣提前角為47.2deg BBDC,排氣遲閉角為 8.5deg ATDC.圖6、圖7分別為不同工況下泵氣損失(PMEP)以及泵氣損失在IMEP中所占的比例.

      圖4 模擬值油耗特性誤差Map

      圖5 模擬值流量特性誤差Map

      由模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,隨著轉(zhuǎn)速的增加,泵氣損失及其在IMEP中所占的比例增加;隨著負(fù)荷的降低,泵氣損失增加,而且泵氣損失在IMEP中所占的比例也隨著負(fù)荷的降低而增加,且這種趨勢(shì)在低速時(shí)更加明顯.以2000r/min為例,IMEP從8bar降低到2bar,泵氣損失從0.35bar增加到0.62bar,其在 IMEP中所占比例也由4.2%上升到31.4%.

      圖6 泵氣損失特性

      圖7 IMEP中泵氣損失比例

      圖8 熱效率與IMEP關(guān)系特性曲線

      2.2 泵氣損失對(duì)指示熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

      隨著負(fù)荷的降低,泵氣損失及其在IMEP中的比例增加;負(fù)荷降低,可燃混合氣充量降低,缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度降低,燃燒效率降低,對(duì)指示熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響.

      圖8、圖9、圖10、圖11是指示熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性隨著IMEP和泵氣損失的變化趨勢(shì).

      圖9 熱效率與PMEP關(guān)系特性曲線

      圖10 BSFC與IMEP關(guān)系特性曲線

      圖11 BSFC與PMEP關(guān)系特性曲線

      由模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),相同負(fù)荷,隨著轉(zhuǎn)速的增加,熱效率降低,比油耗增加;相同轉(zhuǎn)速下,隨著負(fù)荷的降低,熱效率降低,比油耗增加;相同轉(zhuǎn)速下,隨著泵氣損失的增加,熱效率降低,比油耗增加.

      以2000r/min為例,IMEP從8bar降低到2bar,熱效率從36.75%降低到29.71%,比油耗從增加到.可見(jiàn),隨著負(fù)荷的降低,泵氣損失增加,造成熱效率降低,燃油經(jīng)濟(jì)性惡化.而且在低速的時(shí)候,隨著負(fù)荷的降低,泵氣損失的增加,熱效率降低和比油耗增加的趨勢(shì)要明顯比高速時(shí)快.

      圖12 2000r/min時(shí)不同負(fù)荷示功圖

      圖13 進(jìn)氣壓力與IMEP變化關(guān)系

      圖14 節(jié)氣門處壓力降與IMEP變化關(guān)系

      2.3 泵氣損失產(chǎn)生的原因分析

      通過(guò)示功圖分析汽油機(jī)工作過(guò)程中泵氣損失產(chǎn)生的原因.以2000r/min為例,圖12為2000r/min不同負(fù)荷時(shí)仿真得到的示功圖.

      圖16 進(jìn)氣門壓力與IMEP變化關(guān)系

      圖17 進(jìn)氣門壓力降與IMEP變化關(guān)系

      可見(jiàn),隨著負(fù)荷的降低,進(jìn)氣過(guò)程中缸內(nèi)壓力降低,而排氣壓力基本保持不變,換氣過(guò)程中做功面積增加,泵氣損失增加.

      模擬結(jié)果如圖13、圖14、圖15、圖16、圖17所示:

      可以發(fā)現(xiàn),隨著轉(zhuǎn)速的變化,進(jìn)氣壓力變化不大,且在節(jié)氣門處的壓力降也變化不大,進(jìn)氣門壓力變化不大,進(jìn)氣門壓力損失隨著速度的增加有略微增加,說(shuō)明相同負(fù)荷下隨著速度增加,進(jìn)氣泵氣損失增加量較小,結(jié)合前面關(guān)于相同負(fù)荷下泵氣損失隨著速度的增加而增加的結(jié)論,可以得出:相同負(fù)荷下,隨著速度的增加,進(jìn)氣泵氣損失略微增加,排氣泵氣損失的增加是整體泵氣損失增加的主要部分.

      隨著負(fù)荷的降低,進(jìn)氣過(guò)程中節(jié)氣門和進(jìn)氣門處的進(jìn)氣壓力也隨之降低,流經(jīng)節(jié)氣門和進(jìn)氣門處產(chǎn)生的壓力損失越大,對(duì)應(yīng)的泵氣損失也越大.由圖12可以看出,低速小負(fù)荷下,節(jié)氣門處的泵氣損失是整體泵氣損失的主要部分.泵氣損失大小與節(jié)氣門處壓力降和氣門處壓力降基本成正比,但是進(jìn)氣門隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后就無(wú)法改變了.這樣,實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中,泵氣損失是隨著節(jié)氣門處壓力損失的增大而增大,節(jié)氣門開(kāi)度越小,節(jié)流作用越強(qiáng),節(jié)氣門處壓力損失越大,進(jìn)氣壓力越低,泵氣損失越大[1].隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加,排氣壓力增加,這造成在高速高負(fù)荷時(shí)泵氣壓力增加.

      進(jìn)一步分析節(jié)氣門控制模式對(duì)進(jìn)氣量的影響可知,傳統(tǒng)汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣相位一定,進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻不變,進(jìn)而進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的缸內(nèi)容積基本一致.這樣,在均質(zhì)混合氣情況下,如果要調(diào)整負(fù)荷,就必須控制進(jìn)氣量.而在缸內(nèi)容積一定的情況下,進(jìn)氣量的控制只能通過(guò)降低混合氣的密度來(lái)實(shí)現(xiàn),這就需要降低進(jìn)氣壓力.在傳統(tǒng)汽油機(jī)中主要通過(guò)控制節(jié)氣門的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的控制.然而,在這種負(fù)荷控制模式中,進(jìn)氣壓力隨負(fù)荷降低而降低,這必然導(dǎo)致泵氣損失的增大[1].

      由以上的計(jì)算分析可以看出,部分負(fù)荷時(shí)控制節(jié)氣門處的壓力損失是降低泵氣損失關(guān)鍵所在,對(duì)提高熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性有重要意義.

      3 結(jié)論

      1)建立的某型號(hào)1.8L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型可以在不同負(fù)荷下很好的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程,其誤差在工程可允許范圍內(nèi).

      2)相同負(fù)荷下,隨著速度的增加,進(jìn)氣泵氣損失略微增加,排氣泵氣損失的增加是整體泵氣損失增加的主要部分.

      3)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的降低,節(jié)氣門的開(kāi)度減小,由于節(jié)氣門的節(jié)流作用,使得節(jié)氣門處壓力損失增加,導(dǎo)致泵氣損失增加[1],指示熱效率降低,燃油經(jīng)濟(jì)性惡化.

      4)部分負(fù)荷時(shí),降低發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失關(guān)鍵在于降低節(jié)氣門處的壓力損失,這對(duì)提高熱效率,降低燃油消耗有重要意義.

      [1]胡順堂.全可變氣門機(jī)構(gòu)汽油機(jī)泵氣損失控制及對(duì)燃燒過(guò)程的影響[D].天津:天津大學(xué),2009.

      [2]田永祥.混合動(dòng)力汽車用艾金森循環(huán)汽油機(jī)工作過(guò)程及實(shí)現(xiàn)方法研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2009.

      [3]何世泉.4G10汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)整體分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2008.

      [4]Shiau CSN,Kaushal N,Hendrickson CT,etal.Optimal Plug-In Hybrid Electric Vehicle Design and Allocation for Minimum Life Cycle Cost,Petroleum Consumption,and Greenhouse Gas Emissions[J].Journal of Mechanical Design,2010,132.

      [5]J.M.Mallikarjuna,V.Ganesan.Theoretical and Experimental Investigations of Extended Expansion Concept for SI Engines[J].SAE,2001,2002-01-1740.

      [6]Jorge J.G.Martins,KrisztinaUzuneanu,Bernardo Sousa Ribeiro.Thermodynamic Analysis o f an Over- Expanded Engine[J].SAE.2004-01-0671.

      [7]Oswaldo Mendes Fran?a.Impactof the Miller Cycle in the Efficiency of an FVVT(Fully Variable Valve Train)Engine During Part Load Operation[J].SAE.2009,2009 -36 -0081.

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