本文關(guān)鍵詞：汽油機瞬態(tài)工況性能測評及數(shù)值仿真方法研究

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【摘要】：在全球能源危機與環(huán)境污染的雙重壓力下,人們對車用發(fā)動機的節(jié)能減排提出了越來越高的要求。汽油機作為汽車尤其是乘用車的主要動力裝置,其性能的開發(fā)及運行參數(shù)的優(yōu)化和標(biāo)定通常是在穩(wěn)態(tài)工況下完成；對其瞬態(tài)過程性能的研究還不夠深入,尤其在瞬態(tài)過程參數(shù)的全面檢測、評價以及瞬態(tài)過程與穩(wěn)態(tài)過程的對比關(guān)系等方面,目前還鮮有研究。但是整車實際運行過程中汽油機運行狀態(tài)卻以瞬變工況為主,瞬態(tài)性能的好壞才是決定汽油機實際動力性、經(jīng)濟性與排放水平優(yōu)劣的關(guān)鍵。因此,對汽油機瞬態(tài)工況性能的研究具有巨大的節(jié)能減排潛力。目前汽油機瞬態(tài)工況性能的全面檢測與分析存在眾多難點：有些參數(shù)需特定設(shè)備或標(biāo)定公司的幫助才能測量,例如點火提前角、VVT位置、噴油等；有些參數(shù)的測量需對動力總成的物理搭載進行改造才能實現(xiàn),例如安裝扭矩儀、瞬時油耗儀等；甚至有些參數(shù)根本無法實測,例如缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)。為了實現(xiàn)對汽油機瞬變工況性能的全面檢測與分析,本文首先開展了大量臺架穩(wěn)態(tài)試驗,總結(jié)出大量汽油機運行參數(shù)和性能參數(shù)的共性規(guī)律；隨后對一臺增壓直噴汽油機開展了臺架瞬態(tài)試驗,分析其瞬態(tài)運行參數(shù)和性能參數(shù),并將汽油機瞬態(tài)性能參數(shù)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)進行了比較。在此基礎(chǔ)上,開展了汽油機瞬態(tài)過程仿真方法研究�；谠囼灁�(shù)據(jù)搭建并校核了四類汽油機仿真模型：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、平均值模型、有限差分法模型以及有限容積法模型(GT-Power模型),對各類模型的特性進行了對比分析。最后開展了整車轉(zhuǎn)轂試驗和實際道路工況試驗,采用試驗與仿真技術(shù)相結(jié)合的研究方法,對整車實際道路工況汽油機性能進行了仿真,對汽油機瞬態(tài)性能關(guān)鍵參數(shù)進行了評價。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果為：(1)采用先進的AVL發(fā)動機臺架測試系統(tǒng),對六款先進的汽油機開展了詳細的試驗研究,獲得了汽油機全面的運行參數(shù)和性能參數(shù)。分析、總結(jié)了不同類型的汽油機運行參數(shù)和性能參數(shù)的變化規(guī)律和關(guān)鍵影響因素。例如：充量系數(shù),過量空氣系數(shù),泵氣損失,平均摩擦損失壓力,指示熱效率等參數(shù)都表現(xiàn)出很好的共性規(guī)律,轉(zhuǎn)速和負荷是這些參數(shù)最主要的影響因素。(2)實現(xiàn)了汽油機點火信號、噴油正時信號、VVT信號、過量空氣系數(shù)等多參數(shù)的連續(xù)、在線檢測,獲得了汽油機全面的瞬態(tài)性能參數(shù)。分析了汽油機的瞬態(tài)速度特性,瞬態(tài)負荷特性和增壓器瞬態(tài)響應(yīng)特性等,并將瞬態(tài)工況與穩(wěn)態(tài)工況下的性能進行了比較。結(jié)果表明瞬態(tài)過程越劇烈,運行參數(shù)和性能參數(shù)變化也越快,偏離穩(wěn)態(tài)性能的程度也越大。(3)研究了汽油機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、平均值模型、差分法模型和GT-Power模型的計算理論,建立了汽油機瞬態(tài)過程性能仿真模型,并根據(jù)前文試驗參數(shù)對模型進行了校核。對比分析了四類模型的優(yōu)缺點：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算速度最快,但對前期數(shù)據(jù)依賴性較高；平均值模型計算速度可以滿足在線仿真要求,但不能滿足汽油機瞬態(tài)性能仿真的精度要求；差分法模型有一定的預(yù)測功能,但計算速度慢,較難實現(xiàn)在線仿真要求；GT-Power模型能較好地預(yù)測汽油機瞬態(tài)性能,但其運算更慢,計算速度基本無望實現(xiàn)在線仿真功能。可見汽油機瞬態(tài)仿真模型的計算速度和精度之間存在矛盾。(4)利用瞬態(tài)測量技術(shù)和仿真技術(shù)相結(jié)合的方法,對某搭載整車狀態(tài)下的汽油機進行了瞬態(tài)性能檢測。獲得了整車轉(zhuǎn)轂試驗和實際道路試驗的汽油機瞬態(tài)性能參數(shù)。通過對汽油機瞬態(tài)性能的分析發(fā)現(xiàn)在某些突變工況下,如急加速、急減速、換擋過程和渦輪旁通閥開啟過程中汽油機的性能參數(shù)存在較大波動,主要原因是試驗樣機在這些工況下的點火、噴油控制策略存在謬誤。通過對汽油機瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的比較,揭示了外特性下瞬態(tài)過程性能參數(shù)與穩(wěn)態(tài)過程性能參數(shù)的差異及其偏離程度,并找出了導(dǎo)致二者性能差異的關(guān)鍵影響參數(shù)。通過本文的研究,解決了汽油機瞬態(tài)工況性能檢測和仿真的若干技術(shù)難題,研究得出了汽油機瞬態(tài)工況性能參數(shù)的變化規(guī)律及其影響機理,揭示了汽油機穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)性能的差異及其控制因素,提出了一些優(yōu)化汽油機瞬態(tài)性能的方法,為改善汽油機實際道路工況下的瞬態(tài)性能提供了理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。
【關(guān)鍵詞】：汽油機 性能參數(shù) 瞬態(tài)工況 檢測方法 數(shù)值仿真
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U464.171
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-20
• 第1章 緒論20-36
• 1.1 研究背景20-27
• 1.1.1 能源及能源危機20-22
• 1.1.2 大氣污染22-24
• 1.1.3 汽車標(biāo)準(zhǔn)道路工況24-25
• 1.1.4 汽車保有量25-27
• 1.2 汽油機瞬態(tài)工況研究現(xiàn)狀27-34
• 1.2.1 汽油機瞬態(tài)工況研究方法27-28
• 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀28-31
• 1.2.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀31-33
• 1.2.4 汽油機瞬態(tài)研究的難點33-34
• 1.3 本文研究內(nèi)容和意義34-35
• 1.3.1 本文研究內(nèi)容34
• 1.3.2 本文研究的意義34-35
• 1.4 課題來源35-36
• 第2章 汽油機穩(wěn)態(tài)試驗及性能分析36-64
• 2.1 汽油機穩(wěn)態(tài)性能測量36-46
• 2.1.1 穩(wěn)態(tài)性能測量設(shè)備36-40
• 2.1.2 穩(wěn)態(tài)試驗類型及要求40-44
• 2.1.3 本文樣機介紹44-46
• 2.2 汽油機換氣過程46-50
• 2.2.1 充量系數(shù)46-47
• 2.2.2 泵氣損失47-50
• 2.3 汽油機燃燒過程50-54
• 2.3.1 過量空氣系數(shù)50-51
• 2.3.2 燃燒特征參數(shù)51-53
• 2.3.3 燃燒效率53-54
• 2.4 汽油機熱-功轉(zhuǎn)換過程54-59
• 2.4.1 指示熱效率54-56
• 2.4.2 摩擦損失56-58
• 2.4.3 有效燃油消耗率58-59
• 2.5 汽油機排放污染物59-62
• 2.5.1 一氧化碳59-60
• 2.5.2 碳氫化合物60-61
• 2.5.3 氮氧化合物61-62
• 2.6 本章小結(jié)62-64
• 第3章 汽油機臺架瞬態(tài)試驗及性能分析64-97
• 3.1 汽油機瞬態(tài)性能測量64-68
• 3.1.1 瞬態(tài)性能試驗規(guī)范64-66
• 3.1.2 瞬態(tài)試驗及要求66-67
• 3.1.3 瞬態(tài)測量設(shè)備67-68
• 3.2 汽油機關(guān)鍵瞬態(tài)參數(shù)測量68-76
• 3.2.1 進排氣瞬態(tài)壓力69
• 3.2.2 缸內(nèi)壓力69-70
• 3.2.3 關(guān)鍵運行參數(shù)70-76
• 3.3 汽油機瞬態(tài)速度特性76-82
• 3.3.1 瞬態(tài)速度特性試驗介紹76
• 3.3.2 瞬態(tài)速度特性性能參數(shù)76-77
• 3.3.3 瞬態(tài)速度特性進氣參數(shù)77-78
• 3.3.4 瞬態(tài)速度特性燃燒參數(shù)78-79
• 3.3.5 瞬態(tài)速度特性與穩(wěn)態(tài)性能對比79-82
• 3.4 汽油機瞬態(tài)負荷特性82-88
• 3.4.1 瞬態(tài)負荷特性試驗介紹82
• 3.4.2 瞬態(tài)負荷特性性能參數(shù)82-83
• 3.4.3 瞬態(tài)負荷特性進氣參數(shù)83-85
• 3.4.4 瞬態(tài)負荷特性燃燒參數(shù)85-86
• 3.4.5 瞬態(tài)負荷特性與穩(wěn)態(tài)性能對比86-88
• 3.5 汽油機增壓器瞬態(tài)響應(yīng)88-93
• 3.5.1 瞬態(tài)響應(yīng)試驗介紹88-89
• 3.5.2 汽油機瞬態(tài)響應(yīng)性能分析89
• 3.5.3 增壓器瞬態(tài)響應(yīng)性能分析89-93
• 3.6 汽油機起動和催化器起燃試驗93-95
• 3.6.1 起動試驗93-94
• 3.6.2 催化器起燃試驗94-95
• 3.7 本章小結(jié)95-97
• 第4章 汽油機瞬態(tài)性能仿真方法理論研究97-136
• 4.1 汽油機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型97-102
• 4.1.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法介紹97-98
• 4.1.2 徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型98-101
• 4.1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型101-102
• 4.2 汽油機平均值模型102-112
• 4.2.1 進氣子模型102-106
• 4.2.2 噴油子模型106-107
• 4.2.3 動力輸出子模型107-111
• 4.2.4 平均值模型111-112
• 4.3 汽油機有限差分模型112-125
• 4.3.1 進排氣系統(tǒng)流動過程113-119
• 4.3.2 缸內(nèi)熱力過程119-121
• 4.3.3 性能參數(shù)計算121-123
• 4.3.4 有限差分法模型123-125
• 4.4 汽油機有限容積法模型125-134
• 4.4.1 有限容積法基本方程125-128
• 4.4.2 有限容積法求解過程128-130
• 4.4.3 經(jīng)驗?zāi)K介紹130-131
• 4.4.4 GT-Power模型131-134
• 4.5 本章小結(jié)134-136
• 第5章 汽油機瞬態(tài)性能試驗和仿真計算136-173
• 5.1 整車轉(zhuǎn)轂試驗136-145
• 5.1.1 整車轉(zhuǎn)轂試驗介紹136-137
• 5.1.2 NEDC工況汽油機性能分析137-141
• 5.1.3 NEDC 工況汽油機性能和穩(wěn)態(tài)試驗對比141-145
• 5.2 汽油機仿真方法研究145-158
• 5.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型146-148
• 5.2.2 平均值模型穩(wěn)態(tài)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 汽油機瞬態(tài)仿真方法對比分析156-158
• 5.3 整車實際道路工況試驗及仿真158-166
• 5.3.1 整車路試狀態(tài)試驗介紹158-159
• 5.3.2 增壓汽油機瞬態(tài)性能仿真及分析159-162
• 5.3.3 自然吸氣汽油機瞬態(tài)性能仿真及分析162-166
• 5.4 汽油機瞬態(tài)性能分析與評價166-171
• 5.4.1 增壓器響應(yīng)特性166-167
• 5.4.2 瞬態(tài)進排氣閥相位167-168
• 5.4.3 瞬態(tài)各缸均勻性168-170
• 5.4.4 瞬態(tài)缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)170-171
• 5.5 本章小結(jié)171-173
• 全文總結(jié)173-175
• 創(chuàng)新點說明175-176
• 工作展望176-177
• 參考文獻177-188
• 附錄A 攻讀博士期間的科研成果188-190
• 附錄B 攻讀博士期間課題參與情況190-191
• 致謝191-192

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本文編號：668377