南昌大學本科生畢業(yè)論文—變排量發(fā)動機性能模擬研究—斷油和向不工作氣缸通廢氣

1、 密級： NANCHANG UNIVERSITY 學 士 學 位 論 文 THESIS OF BACHELOR（20102014年） 題 目 變排量發(fā)動機性能模擬研究-斷油&向不工作氣缸通廢氣 學 院： 機電工程學院 系 機械系 專業(yè)班級： 車輛工程10級 學生姓名： 學號： 指導教師： 張庭芳 職稱： 教授 起訖日期： 2014.22014.6 摘要變排量發(fā)動機性能模擬研究- 斷油&向不工作氣缸通廢氣 專 業(yè)：車輛工程 學 號： 學生姓名： 指導老師：張庭芳 摘要當今社會汽車已成為人們一種重要的代步工具，然而大多數(shù)車主感覺他們的車輛所具有的功率在絕大多數(shù)時間內(nèi)遠遠大于所需要的

2、功率，車輛的常規(guī)行駛中發(fā)動機基本上處于部分負荷的工作狀態(tài)，這樣發(fā)動機的效率就降低了，相應地燃油經(jīng)濟性也變差，達不到發(fā)動機最佳的燃油消耗水平，那么是不是可以在不需要那么大功率的情況下根據(jù)需要改變發(fā)動機的排量呢？可變排量技術就是在這種思想基礎上產(chǎn)生的，在低負荷時關閉部分氣缸工作，在高負荷時全缸工作，有效降低燃油消耗。本文運用GT-Power軟件針對某V型6缸汽油機建立了計算機仿真模型，并驗證了該仿真模型的計算結(jié)果與原機實驗數(shù)據(jù)有較高的一致性。在此計算機仿真模型的基礎上采用斷油&向不工作氣缸通廢氣策略建立了停缸發(fā)動機模型，并通過對該模型的模擬和分析研究，計算了停缸對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的影響，并

3、對停缸的區(qū)域進行優(yōu)化。關鍵詞：汽油發(fā)動機；可變排量；性能仿真；停缸策略 AbstractAbstract Cars have become an important means of transport in society today, however, most vehicle owners feel that their vehiclespower is much larger than the required power at the most of the time, the engine is basically in a partial load operating state

4、 in the process of vehicles regular traveling, so the efficiency of the engine is lower, and accordingly the fuel economy is also worse, cant reach the best level of fuel consumption of the engine, so if we can change the engines displacement without the need for a case that power? Variable displace

5、ment technology that is generated on the basis of this idea, closing some of the cylinders at low load work, all cylinders working at high loads, effectively reduce fuel consumption. In this paper,the simulation model is established for a V6 cylinder gasoline engine by using GT-Power software,the re

6、sults of the simulation model are in good agreement with the original engine test data. Based on the simulation model with shutting off fuel&recirculating exhaust gas to not working cylinder method to establish the model of cylinder deactivation engine, and through the simulation and analysis of

7、 the model, calculated the effect of cylinder deactivation of engine fuel economy, selected and optimized the area of the cylinder deactivation.Keywords: Engine;Variable displacement;Computer Simulation 目錄目錄摘要.Abstract.第1章 緒論.11.1 選題的依據(jù)及意義.11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢.11.3 本課題研究的內(nèi)容.31.4 本課題研究的方案.31.5 本課題所用的軟件

8、的介紹.31.6 本章總結(jié).4第2章 V6型發(fā)動機模型的建立與驗證.52.1 V6型發(fā)動機模型的建立步驟.52.2 發(fā)動機模型的模擬及驗證.92.3 本章總結(jié).10第3章 發(fā)動機停缸技術模擬.123.1 發(fā)動機的停缸策略.123.2 斷油&向不工作氣缸通廢氣策略的發(fā)動機建模.123.3 停缸發(fā)動機與原機的性能對比.133.4 本章小結(jié).14第4章 停缸區(qū)域的選擇與進氣歧管參數(shù)優(yōu)化.154.1 停缸區(qū)域的選擇.154.2 進氣歧管參數(shù)對發(fā)動機性能的影響.15 4.2.1 進氣歧管長度對停缸發(fā)動機性能的影響.15 4.2.2 進氣歧管內(nèi)徑對停缸發(fā)動機性能的影響.164.3 本章總結(jié).18第

9、5章 全文總結(jié).19參考文獻.20 第一章 緒論 2 第一章 緒論 第一章 緒論1.1 選題的依據(jù)及意義 當今社會汽車已成為人們一種重要的代步工具，然而大多數(shù)車主感覺他們的車輛所具有的功率在絕大多數(shù)時間內(nèi)遠遠大于所需要的功率，車輛的常規(guī)行駛中發(fā)動機基本上處于部分負荷的工作狀態(tài)，這樣發(fā)動機的效率就降低了，相應地燃油經(jīng)濟性也變差，達不到發(fā)動機最佳的燃油消耗水平，那么是不是可以在不需要那么大功率的情況下根據(jù)需要改變發(fā)動機的排量呢？可變排量技術就是在這種思想基礎上產(chǎn)生的，在低負荷時關閉部分氣缸工作，在高負荷時全缸工作，有效降低燃油消耗。所謂排量就是指內(nèi)燃機所有氣缸工作容積之和，可變排量就是在發(fā)動機工作

10、時改變所有氣缸工作容積之和以適應不同的工況。在部分負荷時關閉部分氣缸，就必須供給工作氣缸更多的可燃混合氣達到停缸前發(fā)動機的功率，就這樣可以增加工作缸的負荷率，從而提高發(fā)動機發(fā)的機械效率，降低發(fā)動機的泵氣損失功和機械摩擦損失功，可明顯提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。20世紀70年代，由于第二次石油危機的影響，發(fā)達國家更加重視能源的重要性。石油的短缺將直接影響汽車業(yè)的發(fā)展，因此世界各大汽車廠商紛紛在節(jié)油方面投入研究，停缸技術也是在這種背景下產(chǎn)生的。20世紀后期控制電子技術和計算機控制技術的長足發(fā)展，也為發(fā)動機停缸技術的進步提供了有利條件。停缸技術除節(jié)省燃油外，還可以有效減少污染物的排放。由于發(fā)動機停缸技術

11、在節(jié)省燃油和改善尾氣排放方面具有雙重效果，因此開展停缸技術的研究具有直接現(xiàn)實意義。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢 戴姆勒汽車的主動歇缸技術ACC是戴姆勒汽車公司開發(fā)的發(fā)動機變排量系統(tǒng)，它最先運用于V12和V8發(fā)動機上，通過關閉一側(cè)氣缸，實現(xiàn)12缸到6缸，8缸到4缸的切換。歇缸后，為了防止空氣和燃料進入燃燒室，ACC系統(tǒng)通過使用雙搖臂來取代傳統(tǒng)發(fā)動機的輥型擺臂來確保每個氣缸氣門保持關閉，其中一個擺臂與凸輪輪廓相接觸，而另一個則與氣門相連。發(fā)動機正常運作時，兩個擺臂通過鎖銷連接；當氣門被切斷時，電磁閥控制油壓推動鎖銷是兩個擺臂脫離，氣門彈簧推動氣門使其處于關閉狀態(tài)。日產(chǎn)汽車公司的“EDF”系統(tǒng)

12、，日產(chǎn)汽車開發(fā)的工作氣缸數(shù)可變的發(fā)動機，被安裝在采用電子燃油噴射的小轎車上，只有在減速時才可以從四個氣缸改為兩個氣缸工作。汽缸數(shù)變換機構(gòu)的變換工作分為兩個階段，從高轉(zhuǎn)速開始減速時，在18001100r/min范圍內(nèi)全部四個氣缸切斷燃料供給，稍次，降低1100900r/min時，重新只向兩個氣缸供給燃料，使兩個氣缸運轉(zhuǎn)，而實現(xiàn)氣缸數(shù)的改變。另外，從低轉(zhuǎn)速行駛中減速時，到950r/min時，是兩個氣缸運轉(zhuǎn)，降到這個轉(zhuǎn)速以下時，有自動的返回到四個氣缸運轉(zhuǎn)。此外，三菱、奔馳以及福特等汽車公司也研制出了自己的變排量系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)的名字千差萬別，但最終實現(xiàn)目的相同?？v觀國外發(fā)動機變排量的系統(tǒng)，它們大多采用

13、機械式裝置控制氣門的開啟和閉合，機構(gòu)復雜而且龐大，費用也比較高。另外，由于采用的是固定式停缸，這使得有一部分氣缸長期處于冷態(tài)和熱態(tài)的交變狀態(tài)，加劇了氣缸的偏磨，縮短了發(fā)動機壽命。國外雖然對停缸技術進行了深入研究，并生產(chǎn)出停缸發(fā)動機裝配到汽車上。但是出于技術保密，幾乎沒有公開出版的文獻資料介紹其核心技術，更未具體涉及到控制策略。在國內(nèi)，自上世紀80年代以來，很少見到專門研究停缸控制技術的報道和技術文獻，只有以下課題組做過相關方面的研究。吉林大學張海濤及其導師錢耀義教授領導的課題組對發(fā)動機停缸控制及其標定技術進行了深入研究。在CA488-Q發(fā)動機電控系統(tǒng)基礎上進行了電控發(fā)動機變排量的設計與研究，并

14、開發(fā)了相應的標定系統(tǒng)。主要的研究成果如下：（1）獲得了研究用CA488-Q發(fā)動機的性能參數(shù)，并在深入研究其系統(tǒng)構(gòu)成、控制策略及其標定過程的基礎上，掌控了運行機理，了解發(fā)動機電控裝置開發(fā)的普遍規(guī)律；（2）分析了停缸工作前后，發(fā)動機的泵氣損失及其充氣效率的變化；（3）在保證發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性的前提下，兼顧動力總成的搖震控制，分析了停缸工作的范圍，并確定了優(yōu)化控制的方法。提出停缸區(qū)域必須避開容易產(chǎn)生低頻搖震的低轉(zhuǎn)速段，并在保證動力性的前提下，根據(jù)經(jīng)濟、排放指標通過脫機優(yōu)化控制方法確定；（4）進行了停缸前后的負荷特性對比試驗。實驗結(jié)果表明，汽油機采用變排量技術后，在保持原有動力性的前提下，

15、經(jīng)濟性得到了一定的改善。汽車發(fā)動機若采用變排量技術后，能進一步減少燃油消耗。錢耀義教授首先在小排量的4缸發(fā)動機上研究了變排量控制技術，并做了變排量前后油耗對比試驗，但并沒有具體給出節(jié)油效果和排放改善效果。東風汽車公司徐兀課題組在上世紀80年代開始研究閉缸節(jié)油技術。課題組對東風牌5噸卡車的EQ6100Q發(fā)動機進行閉缸控制。當時的思路是空車行駛時僅用1、2、3缸工作，停止向4、5、6缸供混合氣；半載或滿載時恢復所有氣缸工作。控制方法是在這3個氣缸的進氣歧管上安裝蝶形閥，蝶形閥由壓縮空氣驅(qū)動，蝶形閥由安裝在駕駛室里的氣閥控制。由于該發(fā)動機是化油器式的，安裝蝶形閥和由蝶形閥徹底切斷進入氣缸的混合氣都異

16、常困難，項目沒有取得成功。燕山大學韓宗奇教授課題組提供了一種電噴發(fā)動機變工作排量控制技術，根據(jù)發(fā)動機和汽車相關傳感器輸出的信號，判斷出汽車的行駛工況和駕駛員的意圖，自動判斷出發(fā)動機的行駛阻功率和負荷率大小，并通過控制器對各缸的噴油器進行實時控制，使得各噴油器正常噴油或者暫停。該控制裝置包括控制模式和控制策略的設計，通過單片機達到所要控制的效果。課題組把控制器安裝在捷達轎車上，并進行了實車道路試驗。試驗結(jié)果顯示，安裝變排量控制器之后的捷達轎車節(jié)油效果良好，尾氣排放也有較大的改善。但試驗中還未能解決低速小排量抖動現(xiàn)象，此外變排量的設計模式和不同輸入?yún)?shù)下的控制策略還有待于進一步優(yōu)化。1.3 本課題

17、研究的內(nèi)容 運用GT-Power軟件研究發(fā)動機在變排量發(fā)動機性能模擬研究-斷油&向不工作氣缸通廢氣變排量技術方案下的燃油經(jīng)濟性能，并對停缸區(qū)域進行選擇與優(yōu)化。具體研究內(nèi)容如下：(1) 變排量技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研與分析；(2) 變排量技術的節(jié)油原理、發(fā)動機性能以及數(shù)據(jù)處理相關內(nèi)容的學習；(3) GT-POWER軟件的學習與發(fā)動機模型的建立；(4) 運用變排量技術的發(fā)動機模型的模擬和分析研究；(5) 考察在變排量發(fā)動機性能模擬研究-斷油&向不工作氣缸通廢氣變排量技術方案下：1、對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性能的影響；2、對停缸區(qū)域進行選擇和優(yōu)化研究；(6) 本項目研究的進一步工作的建議1.

18、4 本課題的研究方案首先學習GT-Power軟件，建立V6發(fā)動機模型并驗證與原機的一致性；然后在該模型上采用斷油&向不工作氣缸排廢氣策略建立停缸發(fā)動機模型，并對停缸發(fā)動機模型進行分析和研究，考察停缸對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的影響，并對停缸區(qū)域進行選擇和優(yōu)化。1.5 本課題所用軟件的介紹GT-SUITE是由GAMMA公司開發(fā)的高度集成的發(fā)動機+動力系統(tǒng)+車輛仿真平臺，它的所有模塊都共享相同的前后處理界面。其操作簡單、界面易懂易用、實機裝配式建模理念、多層級模型管理。GT-SUITE自帶的模板庫十分豐富，涵蓋機械、流體、控制和電、磁、熱等各類部件。針對同一個物理現(xiàn)象，GT-SUITE通常提供了不

19、同層次的物理模型，用戶可以根據(jù)需要構(gòu)建不同復雜程度的模型。GT-POWER是模擬發(fā)動機工作過程的計算軟件，是一款由Gamma Technologies公司開發(fā)的具有發(fā)動機工業(yè)標準的模擬仿真工具，世界上大多數(shù)發(fā)動機和汽車的制造廠家及供應商都在使用這一軟件。GT-Power是GT-Suite系列軟件中的一部分，涵蓋了發(fā)動機機體、驅(qū)動系統(tǒng)、曲軸機構(gòu)、配氣機構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)六個方面。該款軟件采用有限體積法對流體進行計算，計算的步長可自動調(diào)節(jié)，同時其自帶有豐富的燃燒模型，具有強大的輔助建模前處理工具，具有豐富的控制功能，能與SIMULINK進行耦合求解，能與三維的CFD軟件進行耦合計算，并且自

20、帶有優(yōu)化設計功能，能進行直接優(yōu)化、DOE設計/優(yōu)化，能進行進排氣系統(tǒng)噪聲分析，能對進排氣系統(tǒng)的消音元件進行優(yōu)化設計。GT-POST是一個強有力的數(shù)據(jù)分析工具，它能通過GT-SUITE模擬或外部資源來繪制圖表，通過視圖操作產(chǎn)生數(shù)據(jù)，而且它還提供了一個比標準的空白表格程序軟件更有效的數(shù)據(jù)分析方法。當一個模型改變時，GT-POST能通過數(shù)據(jù)指針自動及時的修改結(jié)果，而且GT-POST提供了很好的便攜式的用戶自定義模型，以控制結(jié)果輸出。1.6 本章總結(jié)本章主要介紹了選題的依據(jù)和意義，并且闡述了停缸技術在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并說明了本課題的研究內(nèi)容和研究方案，最后介紹了本課題研究所必須的建模軟件G

21、T-Power。22 第二章 V6型發(fā)動機模型的建立與驗證第二章 V6型發(fā)動機模型的建立于驗證2.1 V6型發(fā)動機模型的建立步驟整個V6型發(fā)動機的結(jié)構(gòu)十分復雜，利用GT-Power軟件建立發(fā)動機計算模型的時候，需將復雜的發(fā)動機劃分成若干個簡單的子系統(tǒng)。因此可將發(fā)動機結(jié)構(gòu)抽象地分為缸體、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)3大部分，如圖2-1所示。發(fā)動機工作時工質(zhì)按圖中箭頭所示方向完成工作循環(huán)：新鮮的外部環(huán)境氣體經(jīng)過進氣門進入進氣總管，再通過進氣歧管，在進氣道入口處與噴油嘴噴入的燃料混合，形成可燃混合氣進入氣缸；可燃混合氣在缸內(nèi)燃燒，完成做工循環(huán)后產(chǎn)生廢氣，廢氣經(jīng)過排氣門、排氣道、排氣歧管，最后由排氣總管排出到外

22、部環(huán)境中，這樣就完成了一個發(fā)動機工作循環(huán)。 外部環(huán)境 氣管 節(jié)氣門 系統(tǒng)邊界進氣總管 曲軸箱 排氣總管進氣歧管 進氣道 氣缸 排氣道 排氣歧管 圖2-1 發(fā)動機模型機構(gòu)框圖汽油機模型的建立包括6個主要部分：環(huán)境子系統(tǒng)、進氣子系統(tǒng)、排氣子系統(tǒng)、噴油子系統(tǒng)、曲軸箱子系統(tǒng)、氣缸子系統(tǒng)。下面具體介紹汽油機這幾個關鍵模型的搭建。（1）環(huán)境邊界設置對于汽油機而言，系統(tǒng)邊界主要設定溫度、壓力、流量系數(shù)等參數(shù)。其中溫度和壓力是汽油機工作時的環(huán)境溫度和壓力。進排氣系統(tǒng)環(huán)境設置如表2-1所示。 表2-1 進氣系統(tǒng)環(huán)境邊界條件輸入?yún)?shù) 參數(shù) 單位 參數(shù)值 Pressure 壓力 bar 1 Temperature

23、溫度 K 300 表2-2 排氣系統(tǒng)環(huán)境邊界條件輸入?yún)?shù) 參數(shù) 單位 參數(shù)值 Pressure 壓力 bar 1 Temperature 溫度 K 800（2） 進排氣系統(tǒng)的搭建進排氣系統(tǒng)是影響發(fā)動機性能的關鍵因素，進氣量決定了汽油發(fā)動機的動力性能，而排氣量的大小與進、排氣管結(jié)構(gòu)幾何形狀有著密切的關系。建立進氣系統(tǒng)首先要建立進氣歧管，由于進氣歧管的幾何形狀可以簡化，因此只需要一個溢流口實體和一個管件實體來完成歧管模型，之和還需要一個孔實體。只要溢流管和管件連接到一起，就會自動創(chuàng)建一個“def”孔，缺省孔定義模塊實體之間的連接時，GT-Power將計算前面和返回分散率。但使用缺省孔將為系統(tǒng)增加一

24、個并不真實的額外的損失。因此需要使用未缺省孔。最后需要創(chuàng)建一個連接空氣濾清器和歧管的管件，所有模塊建立之后放入工程圖中，并連接起來就形成了進氣系統(tǒng)，如圖2-2所示。 圖2-2 進氣系統(tǒng)模型同理，排氣系統(tǒng)的搭建方法也跟進氣系統(tǒng)差不多，但是排氣系統(tǒng)中增加了一個新的模塊“PipeRoundBend”。這個模塊是為普通的管件添加諸如彎曲半徑和彎曲角度等屬性。所有模塊都搭建好了移入工程圖中并連接起來就形成了排氣系統(tǒng)，如圖2-3所示。 圖2-3 排氣系統(tǒng)模型（3） 噴油系統(tǒng)的設置噴油器模塊的主要作用是將燃油定時定量的噴入進氣道，需要輸入的主要參數(shù)有噴油時刻、輸油率、空燃比等，參數(shù)設置如圖2-4所示。 圖2

25、-4 噴油器參數(shù)設置（4） 進排氣閥門的設置進排氣閥門模塊主要描述進排氣閥門的升程及氣門正時，需要輸入的參數(shù)有：氣門的升程規(guī)律、氣門間隙、氣門流量系數(shù)、氣門正時等，參數(shù)設置如表2-3、表2-4所示。 表2-3 進氣閥門主要參數(shù) 參數(shù)單位參數(shù)值Valve Number 進氣門數(shù)量個12Valve Diameter 閥門直徑Mm27.5Lift Profile 氣門升程-數(shù)據(jù)圖Valve Lash 閥門間隙Mm0Valve Open Angle 氣門開啟角°CA362Valve Close Angle 氣門關閉角°CA598Cam Timing Angle 進氣門正時角

26、6;CA239 表2-4 排氣閥門主要參數(shù) 參數(shù)單位參數(shù)值Valve Number 進氣門數(shù)量個12Valve Diameter 閥門直徑Mm23.8Lift Profile 氣門升程-數(shù)據(jù)圖Valve Lash 閥門間隙Mm0Valve Open Angle 氣門開啟角°CA134Valve Close Angle 氣門關閉角°CA378Cam Timing Angle 進氣門正時角°CA127 （5） 曲軸箱的設置曲軸箱模塊連接著各個氣缸，通過該模塊來設置發(fā)動機的氣缸數(shù)目、氣缸排列方式、V型排列角度、點火順序、點火間隔等。曲軸箱模塊的參數(shù)設置如表2-5所示。

27、表2-5 曲軸箱模塊主要輸入?yún)?shù)參數(shù)單位參數(shù)值Cylinder Numbers 缸數(shù)個6Cylinder Configuration 排列順序-V型V-Angle V型角°90Firing Order 點火順序-1-6-5-4-3-2Firing Interval 點火間隔°CA120（6） 氣缸的設置氣缸模塊是整個發(fā)動機模型的核心部分，包括燃燒模型、幾何模型、傳熱模型、壁面溫度模型等。氣缸模塊的參數(shù)設置如表2-6所示。 表2-6 氣缸模塊主要輸入?yún)?shù)參數(shù)單位參數(shù)值Bore 缸徑Mm80Stroke 活塞行程Mm82.8Connecting Rod Length 連桿長度M

28、m151.4Pin Offset 活塞銷偏置Mm0Compressor Ratio 壓縮比-10.25Piston TDC clearance height 活塞余隙高度Mm1Head Temperature 缸壁溫度K575Piston Temperature 活塞頂壁面溫度K575Cylinder Temperature 缸套壁面溫度K400Head/Bore Area Ratio 活塞頂表/氣缸截面積-1.3Piston/Bore Area Ratio 缸蓋表/氣缸截面積-1.03 至此，發(fā)動機的所有模塊都設置完成，把各個模塊拖入工程圖中，并按發(fā)動機工作順序連接起來，整個V6型汽油發(fā)動機

29、的GT-Power模型就搭建完成了，如圖2-5所示。 圖2-5 GT-PowerV6型發(fā)動機模型2.2 發(fā)動機模型的模擬及驗證建立完GT-Power的數(shù)學模型后，需要評價該模型的可行性和合理性，故要對其進行模擬計算來驗證與原機模型的相似性。圖2-6與圖2-7為該發(fā)動機模型的指示功率、指示轉(zhuǎn)矩與原機模型的對比曲線。 圖2-6 指示功率驗證曲線 圖2-7 指示扭矩驗證曲線 通過以上對比曲線可知，該發(fā)動機模型的扭矩和功率與試驗值變化趨勢基本吻合，最大誤差出現(xiàn)在3000r/min處?？梢娯摵晒r下模型的計算值與原機的實驗值具有良好的一致性。驗證表明，所建立的發(fā)動機模型良好的模擬了原機的實際運行狀態(tài)，準

30、確率較高，能夠用來進行后續(xù)的停缸模擬研究。2.3 本章小結(jié) 本章介紹了根據(jù)所掌握的某V型6缸發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，運用GT-Power軟件進行V6型發(fā)動機模型的建模過程，并對該模型進行了模擬計算及驗證。通過計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的對比分析，指示功率和指示轉(zhuǎn)矩的最大誤差均在工程計算允許的5%的范圍內(nèi)，曲線變化規(guī)律也基本一致，這表明所建立的發(fā)動機模型的可靠性較高，可以用來進行后續(xù)的斷油&向不工作氣缸通廢氣的研究。 第三章 發(fā)動機停缸技術的模擬 第三章 發(fā)動機停缸技術的模擬3.1 發(fā)動機的停缸策略停缸的方法是將發(fā)動機氣缸分為常工作和間歇工作兩部分，低負荷時讓間歇工作的一組氣缸停止工作，開大節(jié)氣門

31、，加大常工作氣缸的負荷率，使之經(jīng)常保持在中大負荷的經(jīng)濟油耗區(qū)運轉(zhuǎn)，達到節(jié)油的目的。從目前的應用發(fā)展狀況來看，實現(xiàn)停缸的策略有三種：(1) 僅停止部分氣缸的供油；（2）斷油的同時停止不工作氣缸的氣門運動；（3）斷油的同時引入工作缸的廢氣到不工作的氣缸內(nèi)。本章只研究第3種停缸策略，即斷油的同時引入工作的廢氣到不工作的氣缸內(nèi)，這種方法節(jié)油效果較好，結(jié)構(gòu)也不是很復雜，不需要改動發(fā)動機的進排氣系統(tǒng)，只需要通過單獨的管路與控制閥組成的系統(tǒng)把工作氣缸的廢氣引入到不做功的氣缸內(nèi)，這樣能夠使發(fā)動機停缸的氣缸保持在一定的溫度下，熱負荷也基本保持平衡，從而實現(xiàn)發(fā)動機快速恢復到全部氣缸大負荷做功的工況。3.2 斷油&

32、amp;向不工作氣缸通廢氣策略的發(fā)動機建模第二章利用GT-Power軟件建立了某V6型的發(fā)動機計算模型并得到了驗證，現(xiàn)只需在原模型的基礎上進行修改。要使發(fā)動機斷油并向不工作氣缸通廢氣需要在原機模型上進行以下幾處修改：（1）刪除噴油模型，停止不工作氣缸的燃油供應；（2）刪除燃燒模型，停止缸內(nèi)點火燃燒；（3）從排氣總管中引出一根旁路管，并分出3條排氣支管通入到已經(jīng)關閉了的進氣歧管中，將廢氣引入不工作氣缸。通過對發(fā)動機的第2、4、6缸進行以上3處修改，這就實現(xiàn)了斷油的同時引入廢氣到不工作氣缸的停缸策略在GT-Power模型上的應用，修改后的停缸模型如圖3-1所示。圖3-1 斷油&向不工作氣缸

33、通廢氣策略的停缸模型3.3 停缸發(fā)動機與原機性能模擬的對比圖3-2、圖3-3分別為斷油&向不工作氣缸通廢氣的停缸策略與原機在相同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的泵氣損失、有效壓力的對比圖。 圖3-2 停缸發(fā)動機與原機的泵氣損失對比 圖3-3 停缸發(fā)動機與原機的平均有效壓力對比 從圖3-2可知，該停缸策略與原發(fā)動機相比，在圖示轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，泵氣損失有所減小，這是因為發(fā)動機在小負荷工況下運行時，節(jié)氣門開度較小，由于進氣節(jié)流作用，進氣道內(nèi)壓力大幅降低，氣缸的壓力也由于氣閥口的節(jié)流作用進一步降低，低于曲軸箱內(nèi)的大氣壓力，而活塞下行時需要做功來克服兩端的壓力差，由此造成發(fā)動機泵氣損失；采用停缸策略之后，發(fā)動機的3

34、個氣缸停止工作，為了保證發(fā)動機有與停缸前相同的功率輸出，就會增大節(jié)氣門開度，減少了節(jié)氣門節(jié)流作用，從而降低了泵氣損失。從圖3-3可知，該停缸策略與原發(fā)動機相比，在圖示轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，平均有效壓力大幅提高。這是因為停缸發(fā)動機為保證一定的功率輸出，其余3個工作缸必須提高負荷率，同時由于燃燒條件有所改善，燃燒過程的壓力也會有所增加，所以停缸發(fā)動機的平均有效壓力比原機高。3.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了在原機發(fā)動機模型上通過對發(fā)動機第2、4、6氣缸進行一系列的更改，從而建立了斷油&向不工作氣缸通廢氣策略的停缸發(fā)動機模型，并進行了模擬計算。由分析結(jié)果可知，停缸發(fā)動機的泵氣損失有所減少，提高了發(fā)動

35、機的機械效率，同時停缸發(fā)動機的平均有效壓力高于原機。第四章 停缸區(qū)域的選擇與進氣歧管參數(shù)優(yōu)化第四章 停缸區(qū)域的選擇與進氣歧管參數(shù)優(yōu)化4.1 停缸區(qū)域的選擇成功應用停缸技術的首要前提是選擇好合適的停缸區(qū)域，保證發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性。（1）從動力性角度考慮，必須保證停缸后動力性能不變。通過停缸模擬計算，分別獲得正常運行模式下和停缸模式下轉(zhuǎn)矩對應關系，確定各個轉(zhuǎn)速下可能的最大停缸轉(zhuǎn)矩，保證在相同轉(zhuǎn)速下停缸輸出的轉(zhuǎn)矩不能下降，滿足車輛對動力性能的要求。（2）從經(jīng)濟性能考慮，選擇節(jié)油區(qū)域。通過軟件模擬計算，獲得相同工況下正常運行模式和停缸運行模式下的負荷特性數(shù)據(jù)，根據(jù)有效燃油消耗的對比，從以上

36、區(qū)域中選出適合停缸的經(jīng)濟區(qū)域。（3）從排放性角度考慮，在保證上述經(jīng)濟性、動力性基本不變的前提下，去除排放惡化的停缸區(qū)域。 本章主要從動力性和經(jīng)濟性角度出發(fā)，選取1000rmin3000rmin作為停缸轉(zhuǎn)速范圍。當發(fā)動機的負荷接近全負荷時，為了增大轉(zhuǎn)矩，需使用加濃的可燃混合氣，導致燃料不完全燃燒，燃燒效率下降，有效消耗上升。停缸發(fā)動機只有在接近全負荷的時候的有效油耗超過了原機全負荷時的油耗，其余的工況下的有效油耗比原機同轉(zhuǎn)矩輸出時的低，在這些工況范圍內(nèi)，發(fā)動機停缸即能保證一定的動力輸出，又能有效地改善燃油經(jīng)濟性，取得節(jié)油的效果。4.2 進氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)動機性能的影響停缸策略能有效地改善發(fā)動機

37、的燃油經(jīng)濟性。在保證動力性的同時，如果能適當擴大停缸區(qū)域的工作范圍，就能更大程度上降低燃油消耗。由內(nèi)燃機原理可知，進氣歧管的長度、直徑、形狀和布置等對進氣阻力、進氣均勻性及充氣效率影響非常大，進而影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性，不同使用要求的汽油機必須要有相應的進氣系統(tǒng)與之匹配。本章僅從進氣歧管的長度和直徑方面對停缸區(qū)域進行優(yōu)化，擴大停缸區(qū)域范圍，以節(jié)省更多的燃油。 4.2.1 進氣歧管長度對停缸發(fā)動機性能的影響進氣歧管長度是影響發(fā)動機進氣諧振的一個主要參數(shù)。圖4-1、圖4-2中為進氣歧管長度在原長400mm的情況下，減少100mm、200mm、300mm和增加100mm、200mm、3

38、00mm共七個參數(shù)下對停缸發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、功率的對比圖。由圖4-1、圖4-2中可知，在各個轉(zhuǎn)速下進氣歧管長度對轉(zhuǎn)矩、功率的影響都比較明顯。這二者隨著轉(zhuǎn)速的增加而得到提升。由圖4-1、圖4-2可知，管長加300mm時停缸發(fā)動機的功率和扭矩最大。圖4-1 進氣歧管長度對功率的影響圖4-2 進氣歧管長度對扭矩的影響4.2.2 進氣歧管內(nèi)徑對停缸發(fā)動機性能的影響圖4-3和圖4-4分別為進氣歧管管徑在原管徑的基礎上，減少5mm、增加5mm、增加10mm共4個參數(shù)下對停缸發(fā)動機功率和轉(zhuǎn)矩矩的影響。有圖可知，進氣歧管管徑變化對停缸發(fā)動機轉(zhuǎn)矩影響較向大，對停缸發(fā)動機的功率也有一定的影響，但影響不大。隨著管徑的減小，扭矩和功率都有一定的提高。由圖4-3和圖4-4可知，進氣歧管管徑減小5mm時功率和扭矩最大。圖4-3 進氣歧管管徑對功率的影響 圖4-4 進氣歧管管徑對扭矩的影響4.3 本章小結(jié)本章從動力性和經(jīng)濟性的角度分析了適合發(fā)動機停缸的工作區(qū)域。在區(qū)域內(nèi)，發(fā)動機停缸既能保證發(fā)動機動力的輸出，同時又能改善燃油消耗，取得節(jié)油的效果。并分別從進氣歧管長度、進氣歧管內(nèi)徑的參數(shù)改變來研究發(fā)動機功率、扭矩的影響，可以發(fā)