基于模型的渦輪增壓發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化研究.pdf

1、自19世紀(jì)60年代問世以來，內(nèi)燃機(jī)以其功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、配套方便、機(jī)動性好等諸多優(yōu)點(diǎn)成為人類最主要的動力裝置之一。進(jìn)入新世紀(jì)以來，汽車數(shù)量急劇增加，石油危機(jī)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(jī)技術(shù)勢在必行。
　　近年來，低排放、低能耗的小排量發(fā)動機(jī)由于其燃油經(jīng)濟(jì)性水平較高而越來越受到消費(fèi)者的歡迎。渦輪增壓小排量發(fā)動機(jī)能夠達(dá)到和更大排量自然吸氣發(fā)動機(jī)相同的功率和扭矩輸出水平，同時(shí)大大提高其燃油經(jīng)濟(jì)性水平。因此，渦輪

2、增壓小排量發(fā)動機(jī)代表著未來一段時(shí)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(jī)非常復(fù)雜，特別是安裝了進(jìn)氣和排氣VVT系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，其設(shè)計(jì)和操作變量較多，設(shè)計(jì)和優(yōu)化的難度較高，若用傳統(tǒng)方法進(jìn)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(jī)開發(fā)和性能分析，并研究一套基于模型的設(shè)計(jì)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(jī)的仿真模型，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定模型參數(shù)。GT-Power模型經(jīng)過標(biāo)定后，模型預(yù)測的扭矩和比油耗和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(yù)測精度。然后，在此基礎(chǔ)上建立了1.0L渦輪增壓發(fā)動機(jī)的GT-Power仿真模型，用來進(jìn)行目標(biāo)渦輪增壓發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作。
　?。?）利用建立的1.0L渦輪增壓發(fā)動機(jī)的GT-Power仿真模型進(jìn)行渦輪增壓器匹配和選型，以保證在獲得最佳的發(fā)動機(jī)

4、性能的同時(shí)能夠改善發(fā)動機(jī)的燃油耗。初步匹配渦輪增壓器后，原型發(fā)動機(jī)的動力性能大大改善，并且燃油經(jīng)濟(jì)性也有一定程度的改善。然而，從初步的匹配計(jì)算結(jié)果來看，該款渦輪增壓器基本能夠和發(fā)動機(jī)匹配，但還存在幾個(gè)方面的問題：低速段的扭矩和功率低于目標(biāo)值，需要優(yōu)化低速段扭矩；壓氣機(jī)工作點(diǎn)并未穿過最高效率區(qū)，需要優(yōu)化壓氣機(jī)工作點(diǎn)使其更接近壓氣機(jī)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(yīng)用多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化目標(biāo)渦輪增壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣歧管長度和直徑、凸輪型線等設(shè)計(jì)參數(shù)，以及進(jìn)、排氣門正時(shí)等操作參數(shù)，以使設(shè)計(jì)的目標(biāo)渦輪增壓發(fā)動機(jī)的性能和燃油經(jīng)濟(jì)性水平都達(dá)到最優(yōu)。
　　（4）將多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化得到的進(jìn)氣歧管長度等設(shè)計(jì)參數(shù)和進(jìn)氣門正時(shí)等操作參數(shù)重新輸入渦輪增壓發(fā)動機(jī) GT-Power模型進(jìn)行計(jì)算，以考察目標(biāo)渦輪增壓發(fā)動機(jī)的性能和燃油經(jīng)濟(jì)性水平，以及渦輪和壓氣機(jī)的工作區(qū)域和效率。GT-Power仿真結(jié)果表明，在大部分