高速汽油机进排气系统的数值仿真与优化研究

• 作 者: 栗波
• 出 处: 重庆理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 高速汽油机 进排气系统 数值仿真 DOE优化

船艇作为传统的水上运输工具,一直在交通运输方面发挥着至关重要的作用。如今,随着人们对娱乐需求的增加,高速船艇在现代水上旅游项目中也得到了广泛的应用。发动机作为船艇的主要动力源,其技术要求比车用发动机更为严苛。近年来,随着社会经济的快速发展和发动机技术的进步,船艇发动机正朝着高航速、低油耗及严排放的方向发展。然而,进、排气系统作为发动机的一个重要系统,其布置形式、结构参数等对发动机的动力性和燃油经济性有至关重要的影响。因此,对进、排气歧管进行分析与优化,以充分发挥出发动机的动力性和燃油经济性潜能尤为重要。本文以某船艇公司的一款排量为1.8L的SJ486高速汽油机为研究对象,为提高该发动机的中高速动力性和经济性,采用数值模拟仿真的方法对其歧管长度、直径、谐振腔容积以及布置形式等结构参数进行了优化研究,实现了发动机中、高速动力性的提升和燃油经济性的改善,为歧管的设计与制造提供了参考与指导,具有一定的理论研究价值和较重要的工程指导意义。本文主要的研究内容有:1、前期试验及模型搭建。搭建发动机台架试验平台,测取该高速汽油机各工况下的相关性能特性,并进行拆机测绘。应用发动机工作过程仿真软件GT-POWER搭建了该汽油机性能仿真模型,并以台架试验数据对其进行标定,以确保用于进一步分析的有效性。2、结构参数对性能影响分析。基于标定好的性能仿真模型,分析了进排气歧管长度、直径、谐振腔容积以及布置形式等进排气歧管结构参数对发动机动力性与燃油经济性的影响规律,从而为后续进、排气歧管的优化提供了方向和指导。分析结果表明,与原机进排气歧管相比,中置进气歧管与4-2-1排气歧管更有利提高发动机的动力性与改善燃油经济性;适当增加进排气歧管的长度、谐振腔容积等结构参数有利于改善发动机中、高速动力性及燃油经济性。3、发动机性能多目标优化分析。应用试验设计(DOE)方法,选取进、排气系统结构参数为试验因子,以发动机动力性与燃油经济性作为试验响应,并基于试验数据进行二阶响应面拟合。然后,以中高速动力性与燃油经济性最佳为优化目标,并对低中高速性能设定权重系数,从而进行性能多目标优化。优化结果表明,发动机最大扭矩提升了1.22%,最大提升百分比达到了2.22%,燃油消耗率最高下降了2.14%,最大燃油消耗率下降了1.46%,发动机的动力性和经济性得到了一定改善,达到了开发目标。4、流场分析及优化。基于优化后的进、排气结构方案,重新对进、排气歧管进行了三维建模,并应用三维仿真软件STAR-CCM+对其流动特性进行了仿真分析,进而对其空间结构进行了进一步的优化研究,获得了良好的流动特性,并提出了最终优化方案,为实际进排气歧管的设计与制造提供了参考与指导。