基于模型的渦輪增壓發(fā)動機設計和性能優(yōu)化研究.pdf

1、自19世紀60年代問世以來，內(nèi)燃機以其功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、配套方便、機動性好等諸多優(yōu)點成為人類最主要的動力裝置之一。進入新世紀以來，汽車數(shù)量急劇增加，石油危機和環(huán)境污染問題越來越突出，開發(fā)高效、節(jié)能和環(huán)保的內(nèi)燃機技術(shù)勢在必行。
　　近年來，低排放、低能耗的小排量發(fā)動機由于其燃油經(jīng)濟性水平較高而越來越受到消費者的歡迎。渦輪增壓小排量發(fā)動機能夠達到和更大排量自然吸氣發(fā)動機相同的功率和扭矩輸出水平，同時大大提高其燃油經(jīng)濟性水平。因此，渦輪

2、增壓小排量發(fā)動機代表著未來一段時間的發(fā)展方向，將逐漸普及。
　　現(xiàn)代車用渦輪增壓發(fā)動機非常復雜，特別是安裝了進氣和排氣VVT系統(tǒng)的發(fā)動機，其設計和操作變量較多，設計和優(yōu)化的難度較高，若用傳統(tǒng)方法進行開發(fā)，則開發(fā)成本高，工作量大，周期長。因此，本文將研究基于GT-Power模型的渦輪增壓發(fā)動機開發(fā)和性能分析，并研究一套基于模型的設計和優(yōu)化的工程化方法。本文的主要研究內(nèi)容可以概括如下：
　　（1）首先用GT-Power軟件建立了

3、原型1.0L自然吸氣發(fā)動機的仿真模型，并用實驗數(shù)據(jù)標定模型參數(shù)。GT-Power模型經(jīng)過標定后，模型預測的扭矩和比油耗和相應的實驗值間的最大誤差分別不超過2.5％和4.2%，能夠保證較高的預測精度。然后，在此基礎上建立了1.0L渦輪增壓發(fā)動機的GT-Power仿真模型，用來進行目標渦輪增壓發(fā)動機的設計和優(yōu)化工作。
　?。?）利用建立的1.0L渦輪增壓發(fā)動機的GT-Power仿真模型進行渦輪增壓器匹配和選型，以保證在獲得最佳的發(fā)動機

4、性能的同時能夠改善發(fā)動機的燃油耗。初步匹配渦輪增壓器后，原型發(fā)動機的動力性能大大改善，并且燃油經(jīng)濟性也有一定程度的改善。然而，從初步的匹配計算結(jié)果來看，該款渦輪增壓器基本能夠和發(fā)動機匹配，但還存在幾個方面的問題：低速段的扭矩和功率低于目標值，需要優(yōu)化低速段扭矩；壓氣機工作點并未穿過最高效率區(qū)，需要優(yōu)化壓氣機工作點使其更接近壓氣機MAP圖的上最高效率區(qū)。
　?。?）搭建了GT-POWER和modeFRONTIER的耦合優(yōu)化模型。然后

5、應用多目標遺傳算法優(yōu)化目標渦輪增壓發(fā)動機的進、排氣歧管長度和直徑、凸輪型線等設計參數(shù)，以及進、排氣門正時等操作參數(shù)，以使設計的目標渦輪增壓發(fā)動機的性能和燃油經(jīng)濟性水平都達到最優(yōu)。
　　（4）將多目標遺傳算法優(yōu)化得到的進氣歧管長度等設計參數(shù)和進氣門正時等操作參數(shù)重新輸入渦輪增壓發(fā)動機 GT-Power模型進行計算，以考察目標渦輪增壓發(fā)動機的性能和燃油經(jīng)濟性水平，以及渦輪和壓氣機的工作區(qū)域和效率。GT-Power仿真結(jié)果表明，在大部分