基于AVLBOOST的高压共轨柴油机工作过程仿真研究
基于AVLBOOST的高压共轨柴油机工作过程仿真研究[20200408212233]
摘要
柴油机作为汽车主要动力源，其动力性、燃油经济性和排放性能越来越受到关注。其发动机工作过程仿真已成为发动机开发设计和改优化的一个重要手段和环节。所以，柴油机的高压共轨燃油系统工作过程的数值仿真模型有利于仿真结果与试验数据的把握。
结合4缸柴油机缸内燃烧的实测数据，利用AVL Boost软件，建立了高压共轨燃油系统工作过程的数值仿真模型，分析并优化了影响柴油机性能的喷油正时、喷油压力和进气温度等性能参数，提出了对喷油正时、喷油压力和喷油量等优化建议，可以快速、准确地寻求发动机最佳性能参数，通过仿真模型计算优化，分析得出GW2.8TC柴油发动机在全负荷工况，3600r/min转速下，喷油正时即提前角最优参数应该在24°CA左右，喷油压力对有效功率的影响是持续上升的，但是在100Mpa之前影响是最大的，该型发动机的最优进气温度在25℃左右。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:柴油机；喷油正时；喷油压力；进气温度；仿真
目 录
1. 绪论 4
1.1 选题的背景和意义 4
1.2 国内外研究现状和发展趋势 6
1.2.1 仿真技术研究现状 6
1.2.2 高压共轨柴油机技术研究的进展 7
1.3 本文主要研究内容 9
2. 仿真模型的建立与验证 10
2.1 AVL-BOOST软件简介 10
2.2 高压共轨柴油机模型的建立 12
2.2.1 柴油机主要参数的选定 12
2.2.2 柴油机模型的建立 14
2.2.3 主要技术参数的输入 20
2.2.4 模型验证 18
2.3 本章小结 19
3. 仿真结果与分析 20
3.1 喷油正时 20
3.2 喷油压力 21
3.3 进气温度 22
4. 总结与展望 24
4.1 全文总结 24
4.2 工作展望 24
致谢 25
参考文献 26
第一章 1. 绪论
1.1 选题的背景和意义
1.1.1课题背景
柴油机的保有量在逐渐上升，逐步取代了汽油机成为今后新设计车型的首选动力配置，已成为了今后汽车行业不可阻挡的发展趋势。与汽油发动机相比，柴油发动机具有优异的燃油经济性和较大的排放性能改进潜力。最新的研究表明，今后10年甚至更长的阶段内，全球柴油发动机市场规模将持续不断的壮大， 除了中重型载货车全部采用柴油机以外，过去主要搭载汽油机的轿车和轻型车市场也将更多地装配柴油机[1]。在上世纪的九十年代初期，欧洲轿车中大约有20%为柴油车，目前柴油车在欧洲市场的占有率已经达到40%，在德国已达到50%。有专家预测，到了2015年柴油轿车必将成为欧洲的主力车型，到2018年柴油发动机在欧洲的市场额份将会超过百分之六十三。在美国，2000时注册的新柴油车就有30.1万量，到2004年，这一数字增加到47万辆，增长势头正猛。而在世界第二大汽车日本，将近10%是柴油车。如下图1-1，是世界汽车产量中柴油车所占比例，
图1-1 世界汽车产量中柴油车所占比例
而在国内，柴油机凭借着优良的性能表现也得到了本国市场的越来越多的青睐。按照2012年的实际销售统计，在重型载货汽车市场之中，柴油发动机的使用率快接近100%，大型客车市场达到94%。如果也把农用运输车计算在内的话，这个领域的柴油发动机使用率也已达到了100%。2011年，我国商用车柴油发动机的使用率约为61%。需要指出，这是按照当年的车辆实际销售数量来计算，如果以柴油汽车与汽车的总保有量之比来计算的话，我国的车用动力柴油化的比例要略低一些。截止去年底，我国汽车保有量达1.37亿辆，全国有31个城市的汽车数量超过100万辆，其中北京、天津 、成都、深圳、上海 、广州、苏州、杭州等8个城市汽车数量超过200万辆，北京市汽车超过500万辆。柴油车在中国的市场潜力巨大。
柴油机作为汽车主要动力源，其动力性、燃油经济性和排放性能越来越受到关注[2]。与汽油机相比柴油机有很多优势：能减少CO2废气排放，车速较低时的加速性能更有优势，而且平均燃油消耗低，能提供更多的驾驶乐趣。在国际社会汽车柴油化大背景下,我国发展柴油车势不可挡。随着常规能源日趋枯竭和排放法规的日益严格,低污染、低油耗和高比功率是新的发展方向;而微处理器与电子控制技术的发展,使采用电控系统的柴油机能对于工况进行实时监测,根据每个工况的变化计算出实际需要的油量、压力（燃烧,使柴油机具有良好的动力性、经济性还有排放性.作为20世纪末内燃机行业种三大突破进展之一的高压共轨电控柴油机,它能够实现理想的燃油喷油规律,被认为是解决环保和节能双重压力最有效且最经济的手段之一[3]。
由于环境和能源的压力，世界各国对汽车的经济性、动力性和排放指标的要求日趋严格。柴油机因为其较低的燃油消耗正在逐渐向轿车领域渗透发展[4]。因此，其性能的提高也面临着相当严峻的挑战。目前对柴油机性能的优化比较简单而且有效的方法主要是改善燃烧过程以提高柴油机性能而各类喷油参数是影响燃烧过程的重要参数。近年来许多学者通过对其数值模拟和试验的方法研究了进排气系统与供油系统参数对柴油机性能影响，例如 ,2000年杨世友提出的AVIEIT系统有效的改善了高速柴油机低速大扭矩点的气缸充量。本文在不改变硬件配置的情况下将对某轿车柴油机喷油正时、喷油压力还有进气温度进行优化仿真与试验研究。当前在内燃机的研究开发中，内燃机工作过程的数值模拟已经成为一种重要的研究手段。它既可以预测要设计研发的内燃机性能，又可以改善现有的内燃机综合性能[5]。柴油机以其适应性好$热效率高输出功率较大等优点，应用越来越广但对于提高现代柴油机的性能，开发出低成本$高性能及高寿命的新型柴油机，以满足用户对柴油机工作可靠、耐久、节能、舒适和环保等要求，已成为我国柴油机生产厂商的共同愿望。
1.1.2研究意义
建模与仿真作为重要手段，通常可以渗透到先进的制造当中去，并且帮助先进制造实现集成，从而促进一些先进制造技术的发展。建模与仿真（M＆S）技术在改进产品和过程之中，缩短市场响应时间，以及在降低产品实现的成本方面，具有其它非同类技术无法比拟的重要作用。缩短研发时间和成本是建模与仿真技术给制造产业带来的最直接效果。建模与仿真技术能够通过现有的知识对产品实现过程作出可靠的预测，大大的促进了产品设计、过程设计、过程运行，甚至还提高了企业管理水平。摆脱了以往的设计－物理试验－修改产品开发过程，在产品设计阶段，利用建模与仿真为重要工具在虚拟环境下优化产品和过程设计，能够大大缩短产品开发周期，并且降低开发成本。例如，在飞机制造业中，美国的波音公司就利用建模与仿真工具，完全利用了三维建模技术进行设计的波音777喷气式客机，它的设计使用了数字化预装配和并行协同的工程技术，无须建立物理样机模型，大大减少了设计更改和错误的量，确保了产品质量，显著降低了成本，并且缩短了研发时间。
AVL BOOST 是一个建立整台发动机模型的应用软件。它可以模拟包括燃烧在内的发动机所有循环和进排气系统的特性等。通过学习分析高压共轨柴油发动机系统，运用 AVL BOOST 软件进行建模，对发动机进行性能检测与仿真，并将仿真结果与实验结果进行比对。结果表明，该模型可以实用，从而找到一套科学的发动机分析思路，以便能充分地发挥虚拟仪器技术的优势，为科学研究奠定一定的物理基础。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
1.2.1 仿真技术研究现状
随着军事和科学技术的迅猛发展，仿真技术已成为各种复杂系统研制工作的必不可少的手段，尤其是在机械这个领域，仿真技术几乎已是各种运载工具盒飞行器工具研制必不可少的手段，可以取得很高的经济效益。近些年来,由于仿真系统进一步的完善,仿真技术已经可以参预系统的运行,因此,系统仿真已经成为了系统全生命周期4的个阶段(论证、设计、实现与运行)中的重要技术手段和工具。在先进国家,系统仿真一直被列为国家重点发展和研究的关键技术[6]。
摘要
柴油机作为汽车主要动力源，其动力性、燃油经济性和排放性能越来越受到关注。其发动机工作过程仿真已成为发动机开发设计和改优化的一个重要手段和环节。所以，柴油机的高压共轨燃油系统工作过程的数值仿真模型有利于仿真结果与试验数据的把握。
结合4缸柴油机缸内燃烧的实测数据，利用AVL Boost软件，建立了高压共轨燃油系统工作过程的数值仿真模型，分析并优化了影响柴油机性能的喷油正时、喷油压力和进气温度等性能参数，提出了对喷油正时、喷油压力和喷油量等优化建议，可以快速、准确地寻求发动机最佳性能参数，通过仿真模型计算优化，分析得出GW2.8TC柴油发动机在全负荷工况，3600r/min转速下，喷油正时即提前角最优参数应该在24°CA左右，喷油压力对有效功率的影响是持续上升的，但是在100Mpa之前影响是最大的，该型发动机的最优进气温度在25℃左右。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:柴油机；喷油正时；喷油压力；进气温度；仿真
目 录
1. 绪论 4
1.1 选题的背景和意义 4
1.2 国内外研究现状和发展趋势 6
1.2.1 仿真技术研究现状 6
1.2.2 高压共轨柴油机技术研究的进展 7
1.3 本文主要研究内容 9
2. 仿真模型的建立与验证 10
2.1 AVL-BOOST软件简介 10
2.2 高压共轨柴油机模型的建立 12
2.2.1 柴油机主要参数的选定 12
2.2.2 柴油机模型的建立 14
2.2.3 主要技术参数的输入 20
2.2.4 模型验证 18
2.3 本章小结 19
3. 仿真结果与分析 20
3.1 喷油正时 20
3.2 喷油压力 21
3.3 进气温度 22
4. 总结与展望 24
4.1 全文总结 24
4.2 工作展望 24
致谢 25
参考文献 26
第一章 1. 绪论
1.1 选题的背景和意义
1.1.1课题背景
柴油机的保有量在逐渐上升，逐步取代了汽油机成为今后新设计车型的首选动力配置，已成为了今后汽车行业不可阻挡的发展趋势。与汽油发动机相比，柴油发动机具有优异的燃油经济性和较大的排放性能改进潜力。最新的研究表明，今后10年甚至更长的阶段内，全球柴油发动机市场规模将持续不断的壮大， 除了中重型载货车全部采用柴油机以外，过去主要搭载汽油机的轿车和轻型车市场也将更多地装配柴油机[1]。在上世纪的九十年代初期，欧洲轿车中大约有20%为柴油车，目前柴油车在欧洲市场的占有率已经达到40%，在德国已达到50%。有专家预测，到了2015年柴油轿车必将成为欧洲的主力车型，到2018年柴油发动机在欧洲的市场额份将会超过百分之六十三。在美国，2000时注册的新柴油车就有30.1万量，到2004年，这一数字增加到47万辆，增长势头正猛。而在世界第二大汽车日本，将近10%是柴油车。如下图1-1，是世界汽车产量中柴油车所占比例，
图1-1 世界汽车产量中柴油车所占比例
而在国内，柴油机凭借着优良的性能表现也得到了本国市场的越来越多的青睐。按照2012年的实际销售统计，在重型载货汽车市场之中，柴油发动机的使用率快接近100%，大型客车市场达到94%。如果也把农用运输车计算在内的话，这个领域的柴油发动机使用率也已达到了100%。2011年，我国商用车柴油发动机的使用率约为61%。需要指出，这是按照当年的车辆实际销售数量来计算，如果以柴油汽车与汽车的总保有量之比来计算的话，我国的车用动力柴油化的比例要略低一些。截止去年底，我国汽车保有量达1.37亿辆，全国有31个城市的汽车数量超过100万辆，其中北京
柴油机作为汽车主要动力源，其动力性、燃油经济性和排放性能越来越受到关注[2]。与汽油机相比柴油机有很多优势：能减少CO2废气排放，车速较低时的加速性能更有优势，而且平均燃油消耗低，能提供更多的驾驶乐趣。在国际社会汽车柴油化大背景下,我国发展柴油车势不可挡。随着常规能源日趋枯竭和排放法规的日益严格,低污染、低油耗和高比功率是新的发展方向;而微处理器与电子控制技术的发展,使采用电控系统的柴油机能对于工况进行实时监测,根据每个工况的变化计算出实际需要的油量、压力（燃烧,使柴油机具有良好的动力性、经济性还有排放性.作为20世纪末内燃机行业种三大突破进展之一的高压共轨电控柴油机,它能够实现理想的燃油喷油规律,被认为是解决环保和节能双重压力最有效且最经济的手段之一[3]。
由于环境和能源的压力，世界各国对汽车的经济性、动力性和排放指标的要求日趋严格。柴油机因为其较低的燃油消耗正在逐渐向轿车领域渗透发展[4]。因此，其性能的提高也面临着相当严峻的挑战。目前对柴油机性能的优化比较简单而且有效的方法主要是改善燃烧过程以提高柴油机性能而各类喷油参数是影响燃烧过程的重要参数。近年来许多学者通过对其数值模拟和试验的方法研究了进排气系统与供油系统参数对柴油机性能影响，例如 ,2000年杨世友提出的AVIEIT系统有效的改善了高速柴油机低速大扭矩点的气缸充量。本文在不改变硬件配置的情况下将对某轿车柴油机喷油正时、喷油压力还有进气温度进行优化仿真与试验研究。当前在内燃机的研究开发中，内燃机工作过程的数值模拟已经成为一种重要的研究手段。它既可以预测要设计研发的内燃机性能，又可以改善现有的内燃机综合性能[5]。柴油机以其适应性好$热效率高输出功率较大等优点，应用越来越广但对于提高现代柴油机的性能，开发出低成本$高性能及高寿命的新型柴油机，以满足用户对柴油机工作可靠、耐久、节能、舒适和环保等要求，已成为我国柴油机生产厂商的共同愿望。
1.1.2研究意义
建模与仿真作为重要手段，通常可以渗透到先进的制造当中去，并且帮助先进制造实现集成，从而促进一些先进制造技术的发展。建模与仿真（M＆S）技术在改进产品和过程之中，缩短市场响应时间，以及在降低产品实现的成本方面，具有其它非同类技术无法比拟的重要作用。缩短研发时间和成本是建模与仿真技术给制造产业带来的最直接效果。建模与仿真技术能够通过现有的知识对产品实现过程作出可靠的预测，大大的促进了产品设计、过程设计、过程运行，甚至还提高了企业管理水平。摆脱了以往的设计－物理试验－修改产品开发过程，在产品设计阶段，利用建模与仿真为重要工具在虚拟环境下优化产品和过程设计，能够大大缩短产品开发周期，并且降低开发成本。例如，在飞机制造业中，美国的波音公司就利用建模与仿真工具，完全利用了三维建模技术进行设计的波音777喷气式客机，它的设计使用了数字化预装配和并行协同的工程技术，无须建立物理样机模型，大大减少了设计更改和错误的量，确保了产品质量，显著降低了成本，并且缩短了研发时间。
AVL BOOST 是一个建立整台发动机模型的应用软件。它可以模拟包括燃烧在内的发动机所有循环和进排气系统的特性等。通过学习分析高压共轨柴油发动机系统，运用 AVL BOOST 软件进行建模，对发动机进行性能检测与仿真，并将仿真结果与实验结果进行比对。结果表明，该模型可以实用，从而找到一套科学的发动机分析思路，以便能充分地发挥虚拟仪器技术的优势，为科学研究奠定一定的物理基础。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
1.2.1 仿真技术研究现状
随着军事和科学技术的迅猛发展，仿真技术已成为各种复杂系统研制工作的必不可少的手段，尤其是在机械这个领域，仿真技术几乎已是各种运载工具盒飞行器工具研制必不可少的手段，可以取得很高的经济效益。近些年来,由于仿真系统进一步的完善,仿真技术已经可以参预系统的运行,因此,系统仿真已经成为了系统全生命周期4的个阶段(论证、设计、实现与运行)中的重要技术手段和工具。在先进国家,系统仿真一直被列为国家重点发展和研究的关键技术[6]。
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