基于GT-Power的SC11CK柴油机进排气特性仿真

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.69MB 70 页 15积分
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摘 要
内燃机是一种进行热功转换的能源动力机械，作为汽车的“心脏”，不仅为整
车提供强劲的动力，还是汽车产品中结构最为复杂，工作最为频繁的零部件之一，
对汽车性能起着决定性的作用。随着内燃机产品更新换代速度的加快和使用要求
的不断提高，传统的内燃机设计方法已经无法适应现代内燃机优化设计和快速开
发的需要。现代计算机技术的发展，为开展内燃机数值模拟仿真设计提供了可能。
基于计算机技术的内燃机性能的仿真计算，可以快速对设计对象进行理论分析和
性能评估，大大减少产品研发的试验工作量，降低开发成本，有效地缩短开发周
期，实现加快开发速度和提高研发水平的目标。因此，计算机仿真设计方法已经
越来越广泛的在现代内燃机设计和优化的过程中发挥着重要作用。
本文应用了内燃机气体流动的模拟计算理论，通过基于有限体积法的控制方
程的推导，利用现代内燃机仿真设计方法，针对研究的 SC11CK 柴油机，建立了
GT-Power 仿真模型，并通过与台架试验实测数据值进行比较的方法，对仿真模型
进行了标定。在此基础上，重点对该机的进、排气系统进行了仿真研究，通过对
进气支管管长、管径、谐振腔容积和中冷器到谐振腔外接段管长等主要进气管结
构的参数变化，对柴油机进气性能和整机燃油经济性能进行了仿真分析，得出了
进气管各结构因素对内燃机性能的影响规律。提出了一些可改善内燃机性能的进
气管结构改进设计的途径和方法，经仿真计算表明，进气管通过结构改进后，整
机动力性和经济性能在原基础上有明显的提升。
考虑到气门正时对气缸内进排气有很强的控制作用，它与进排气管结构的匹
配会对内燃机性能有重大的影响，本文利用 GT-Power 仿真软件继续研究了不同的
气门正时策略对柴油机 NOX排放性能的影响规律。并主要针对进气晚关角、排气
提前角和气门重叠角的变化进行了仿真分析，得出了通过改变排气晚关角和进气
提前角可使内燃机内部产生 EGR 作用，有效降低 NOX排放的研究结论，为改善柴
油机的 NOX排放性能提供了依据。
关键词：GT-Power 仿真 内燃机 进排气特性 气门正时
ABSTRACT
Internal combustion engine is a kind of energy power machine which can convert
heat energy into mechanical energy. As the heart of vehicle, it not only provides strong
power for vehicle, but also proves to be one of the most complicated and frequent
working parts, and it plays a decisive role in improvement of vehicle performance. With
the accelerating pace of engine products replacement and the continuous improvement
of requirement, the traditional methods for designing IC engine can not yet satisfy the
requirement of modern engine design with optimal design and rapid development. The
progress of modern computer technology makes it possible to have numerical
simulation design of IC engine. According to the simulation results of engine
performance based on computer technology, it is convenient to work fast to conduct
theoretical analysis and performance evaluation of the design objects. Therefore, it is
useful to greatly reduce experimental work, lower development cost, shorten
development cycle effectively. At last, the goal of accelerating development speed and
improving development level is achieved. Simulation design method has been more and
more widely used in modern design and performance optimization of IC engines.
In this paper, gas flow simulation calculation theory of IC engine and modern
simulation design method is applied, and its control equations were deduced based on
finite volume method (FVM). Aiming at the SC11CK diesel engine, a simulation model
was established by using GT-Power software and calibrated by comparing the date
between the GT-Power model and the engine test rig. Based on this, great efforts were
put on this model’s intake and exhaust system. By analyzing some parameters including
the length and diameter of the intake pipe, the volume of steady-pressure box and pipe
length between the output of inter-cooler and input of the steady-pressure box, the
intake performance and fuel economy of the engine were assessed. Then the law of the
intake pipe’s structural influence on the IC engine was acquired, and possible
optimization ways were put forward. It was shown by calculation that the engine’s
dynamic and economical performance was improved.
Since that valve timing poses immense effects on the air exchange process, and
matching with inlet and exhaust pipes also brings major impacts on the performance of
IC engine, the paper presented further study on the influence law of different valve
timing strategy to nitrogen oxide emission performance of the engine by GT-Power
software. The simulation study was focused on the change of intake lag angle, exhaust
advance angle and valve overlap angle. Finally it can be concluded that due to the
internal EGR created by changing the exhaust lag angle and the intake advance angle,
the NOXemission can be reduced efficiently, and then it provides reference for
improving diesel engine’s emission of NOX.
Key Words: GT-Power, Simulation, IC Engine, Intake and Exhaust
Characteristics, Valve Timing
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 课题来源 ..............................................................................................................1
§1.2 课题意义 ..............................................................................................................1
§1.3 国内外研究现状和水平 ......................................................................................3
§1.4 课题主要研究内容 ..............................................................................................5
第二章 内燃机气体流动模拟计算方法 .........................................................................6
§2.1 一维非定常流动解法 ..........................................................................................6
§2.1.1 基本控制方程组 ...........................................................................................6
§2.1.2 边界与边界条件 .........................................................................................10
§2.2 数值计算方法 ....................................................................................................11
§2.2.1 有限差分法 .................................................................................................11
§2.2.2 有限体积法 .................................................................................................13
§2.2.3 两种数值计算方法的比较 .........................................................................14
§2.3 内燃机进排气系统 CFD 分析方法 ..................................................................16
§2.3.1 CFD 分析软件的选用 .................................................................................16
§2.3.2 GT-Power 软件在内燃机仿真中的应用 .................................................... 17
§2.4 本章小结 ............................................................................................................18
第三章 SC11CK 柴油机仿真模型的建立 ......................................................................20
§3.1 SC11CK 柴油机介绍 ......................................................................................... 20
§3.2 柴油机相关物理模型 ........................................................................................21
§3.2.1 缸内燃烧系统模型 .....................................................................................21
§3.2.2 气缸周壁传热模型 .....................................................................................24
§3.2.3 进排气系统模型 .........................................................................................25
§3.2.4 涡轮增压系统模型 .....................................................................................26
§3.2.5 中冷系统模型 .............................................................................................26
§3.3 计算模型的建立 ................................................................................................28
§3.4 计算模型的参数设置及标定 ............................................................................30
§3.4.1 计算模型的参数设置 .................................................................................30
§3.4.2 计算模型的标定 .........................................................................................34
§3.5 本章小结 ............................................................................................................36
第四章 进气管结构对柴油机性能影响的仿真 ...........................................................37
§4.1 进气管结构参数变化的分析 ............................................................................37
§4.1.1 进气支管管长的影响 .................................................................................37
§4.1.2 进气支管管径的影响 .................................................................................39
§4.1.3 谐振腔容积的影响 .....................................................................................40
§4.1.4 中冷器到谐振腔外接段管长的影响 .........................................................41
§4.2 仿真优化结果对比及分析 ................................................................................42
§4.3 本章小结 ............................................................................................................43
第五章 气门正时对柴油机性能影响的仿真 ...............................................................44
§5.1 气门正时与柴油机性能的影响 ........................................................................44
§5.1.1 进气晚关角的影响 .....................................................................................45
§5.1.2 排气提前角的影响 .....................................................................................49
§5.1.3 气门重叠角的影响 .....................................................................................53
§5.2 气门正时对柴油机排放性能的影响 ................................................................54
§5.2.1 EGR 技术在柴油机中的应用 .....................................................................54
§5.2.2 气门正时对内部 EGR 率影响的仿真 .......................................................56
§5.2.3 内部 EGR 率对柴油机排放性能的影响 ...................................................57
§5.3 本章小结 ............................................................................................................59
第六章 全文总结与展望 ...............................................................................................60
§6.1 全文总结 ............................................................................................................60
§6.2 主要创新点 ........................................................................................................60
§6.3 后续工作展望 ....................................................................................................61
参考文献 .........................................................................................................................62
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................66
致 谢 .............................................................................................................................67
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源
本学位论文课题来源于：上海柴油机股份有限公司与上海理工大学校企合作
项目—SC11CK290Q3B 柴油机性能改进研究。
§1.2 课题意义
内燃机自 1876 年问世以来，已经有一百三十多年的历史了。百余年来，内燃
机凭借其热效率高、结构紧凑等优点在车辆、船舶、工程机械等领域取得了优势
地位。内燃机已经发展成为一个比较完备的机械体系，达到了一个较高的技术水
平，为世界经济的发展做出了巨大贡献，对人类文明的进步起到了极其重要的作
用，可以说内燃机是二十世纪的重大科技成就之一。在今后相当长的一段时间内，
内燃机作为城市交通工具及工程机械动力源的主导地位依然不会改变[1]。
内燃机是一种进行热功转换的能源动力机械，作为汽车的“心脏”，不仅为整
车提供强劲的动力，还是汽车产品中结构最为复杂，工作最为频繁的零部件之一，
对汽车性能起着决定性的作用。影响内燃机性能的因素是多方面的，其中进排气
系统结构参数和气门正时是众多影响因素中十分重要的两个因素。内燃机进排气
系统的结构和流动性能的优劣将直接影响其动力性、经济性和排放特性，设计和
匹配最佳的内燃机进排气系统，可以在一定的转速范围内增加充气量，提高充气
效率，改善转矩特性，降低燃油消耗率和有害物排放[2]。除此之外，气门正时也在
很大程度上影响内燃机部分转速的性能，传统的配气机构只提供单一的气门正时，
而内燃机的最佳气门正时是随着内燃机转速和负荷的变化而变化的。因此，研究
和分析进排气系统结构参数及气门正时对内燃机性能的影响，无论是理论上还是
实践中都很有必要[3]。
内燃机进排气系统中的气体流动情况十分复杂，一般将它视为可压缩、非等
熵、非定常流，是一个复杂的非稳态的流体动态过程[4, 5]。长期以来，国内进排气
系统新产品的开发设计大都停留在传统的经验设计基础之上，或者直接引用国外
同类成熟机型的进排气系统结构，较少采用完全自行设计开发的方法，部分中小
企业还停留在“画图＋加工＋发动机台架试验”的传统设计阶段，造成试验次数
多、设计周期长、开发成本高，难以适应市场对产品快速发展的需求。
现代计算机技术的巨大进步和相关基础理论如有限元分析(Finite Element
Analysis，FEA)、计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)[6, 7]等的研究
进展为计算机辅助设计及工程(CAD＆CAE)的发展应用提供了必要的前提条件和
基于 GT-Power 的SC11CK 柴油机进排气特性仿真
2
坚实基础，基于计算机技术的内燃机进排气特性的数值模拟计算方法在全球各大
汽车生产厂商中得到了越来越广泛的应用。通过数值模拟计算方法分析，可以了
解掌握内燃机的主要结构参数和控制系数对其性能的影响，进而为内燃机的设计
和优化提供方向性的指导依据；通过建立定量的优化目标和准则，对进排气系统
的内部结构进行详细的分析，结合计算机辅助设计手段和快速成型技术，将产品
设计和生产制造有机结合起来，从而减小设计的盲目性，提高设计精度，降低试
验次数，缩短设计周期，大大节约了开发成本。以现代进气系统设计为例，其设
计开发流程大致如图 1-1 所示。
图1-1 现代进气系统设计流程图
由于传统的设计分析大多是采用一些经验公式进行简单的估算，相比之下，
计算机数值模拟技术则具有以下几个显著优点：
(1) 可以替代许多难以或无法实施的试验。很多工程问题是无法通过实际的运
行来加以分析和研究的，利用计算机数值模拟仿真技术，便可以在抽象模型上反
复进行“数值试验”，有效解决了这种实际运行难以解决的问题。
摘要：

摘要内燃机是一种进行热功转换的能源动力机械，作为汽车的“心脏”，不仅为整车提供强劲的动力，还是汽车产品中结构最为复杂，工作最为频繁的零部件之一，对汽车性能起着决定性的作用。随着内燃机产品更新换代速度的加快和使用要求的不断提高，传统的内燃机设计方法已经无法适应现代内燃机优化设计和快速开发的需要。现代计算机技术的发展，为开展内燃机数值模拟仿真设计提供了可能。基于计算机技术的内燃机性能的仿真计算，可以快速对设计对象进行理论分析和性能评估，大大减少产品研发的试验工作量，降低开发成本，有效地缩短开发周期，实现加快开发速度和提高研发水平的目标。因此，计算机仿真设计方法已经越来越广泛的在现代内燃机设计和优化...

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