基于AVLBOOST的汽油机工作过程仿真研究
基于AVLBOOST的汽油机工作过程仿真研究[20200408212224]
摘要
本文应用AVL-BOOST一维模拟软件建立某四缸车用汽油机工作过程的计算分析模型:压缩比：随着压缩比的增大，发动机的有效功率在压缩比10～12呈上升的趋势，且增加明显，在压缩比高于12之后，有效功率开始有稍微的下降，总体上来说，增加压缩比能改善发动机的燃烧完善程度，提高发动机的动力性能。点火提前角：点火提前角在26°～28.5°范围内，发动机的有效功率随点火提前角的增加而增加，且趋势明显，在28.5°～36°范围内，增加幅度下降。总体上而言，在26°～36°范围内，随着点火提前角的增加，最高燃烧的压力接近上止点，可以显著的提高发动机的有效功率，改善发动机的动力性能。进气温度：随着进气温度的增加，发动机的有效功率增加。在10℃～40℃范围内，随着进气温度的增加，发动机的有效功率明显增加，40℃之后，随着进气温度的升高。发动机的有效功率上升幅度变缓，并且出现明显的下降趋势，随后又继续上升。总体而言，增加进气温度能有效的增加发动机的有效功率，改善发动力的动力性能。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:汽油机AVL-BOOST数值模拟计算性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题的背景和意义 1
1.2 国内外研究现状和发展趋势 2
1.2.1 计算机仿真技术与汽车开发设计 2
1.2.2 国内外研究发展状况 4
1.3 本文主要研究内容 5
第二章 发动机工作过程仿真模型建立 7
2.1 AVL-BOOST软件简介 7
2.1.1 AVL-BOOST软件概述 7
2.1.2 AVL-BOOST软件功能介绍 7
2.1.3 AVL-BOOST模拟计算步骤 8
2.2 计算机模型的建立和验证 11
2.2.1 汽油机的主要参数 11
2.2.2 模型的建立 11
2.2.3 模型的验证 13
2.3 本章小结 14
第三章 结果与分析 15
3.1 压缩比 15
3.2 点火提前角 16
3.3 进气温度 17
3.4 本章小结 19
第四章 总结与展望 20
4.1 全文总结 20
4.2 工作展望 20
致谢 21
参考文献 22
第一章 绪论
1.1 选题的背景和意义
自从内燃机于1876年问世以来，已经有一百多年的历史了。百余年来，内燃机凭借其热负荷小、热效率高、结构紧凑、使用操作方便、功率范围广等优点在船舶、车辆、工程机械等领域中取得了优势地位，推动了世界经济的发展，在人类文明的发展中起到了极为重要的作用。内燃机已经发展成为一个比较完备的机械体系，达到了一个较高的科技水平，主要有：曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑系统、点火系统、冷却系统、起动系统。在今后相当长时间内，内燃机作为主要交通工具的主导地位仍然不会改变。因此，伴随着经济的发展，内燃机作为最主要的动力工具，还是有很广阔的发展空间的。
近年来，随着经济的发展，汽车工业也在迅速的发展，汽车保有量也在持续增长中。一方面，越来越复杂的交通状况和路况，导致发动机的性能指标降低，甚至导致某些工况恶化；另一方面，随着经济和技术的发展，人民的生活水平也在不断的提高，人们对汽车的动力性、舒适性、经济性、操作性等要求也越来越高，要求在满足各项法律法规的前提下，以低的使用成本获得快捷的交通便利，舒适的驾乘感觉，享受到驾驶的乐趣。这些都迫使给发动机厂商对现有的的发动机结构等相关参数进行优化改进，最终改善发动机的性能，满足市场的需求。
然而，发动机有许多的零部件，如曲柄连杆机构和配气机构的形状、结构、受力，以及发动机内流体的流动、传热物质、燃烧等是一个复杂的动态过程，牵扯到流体力学、空气动力学及热力学等方面的知识，建立数学模型很难对某一步进行精确的计算。为此，应用工作过程仿真软件，建立发动机工作的一维仿真模型。传统的设计分析都是运用一系列的数学公式进行计算和分析，相比之下计算机模拟技术有以下的优点：
1）替代很多无法实施和没有条件实施的实验。在工程实际中，很多的问题是没有办法通过在实际中运行，得到数据来研究分析的，可是如果采用了计算机仿真模拟，就可以在抽象的计算机模型上进行重复的“数值实验”，从而解决了很多在实际中无法运行或没有条件的实验。
2）解决普通的方法难以解决的大型系统问题。一些比较大而且非常复杂的系统，如果运用了通过数学求解或理论分析的办法来对问题进行分析研究，有时会发现非常困难，甚至无法对问题作出解答，但我们可以通过计算机模拟技术，建立计算机模型，用“数值实验”方法来对这类问题加以研究和探讨。
3）很大程度降低投资的风险，大大节省研究设计开发的费用。越是大型而且非常复杂系统和高新科技的项目，他们的不可预见性越大，与之对应的投资的风险和对物力、人力的所需的花费也要求越大。如果在这之前通过计算机模拟技术对整个系统或项目的开发设计和规划加以分析，同时对建立成的系统模型的运行效果进行模拟分析，就可以从中预先得到许多对项目运行的认识，使以后的决策更有科学性，减少在工作中失误，大大的降低对项目的投资风险，节省了很多人力和物力的消耗。
4）避免在实际实验中对人身和财产造成不必要的伤害。例如飞机新驾驶员进行试飞训练时，如果在实际试飞中因为驾驶员自身或者飞机的一些问题，会导致一系列的不幸发生，而运用计算机模拟技术进行模拟训练，就可以很好的避免对人员、财产造成伤害。
5）大大缩短项目实验的时间，不受时空等条件的限制。如柔性制造系统的加工过程需要几十小时，可是采用计算机模拟了却只需要几小时，甚至几十分钟就可以完成实验，大大的减少了实验的时间；很多情况中有许多试验因为受到时间和财力的限制，没有条件进行多次实验，而通过计算机模拟技术就可以解决这类问题，通过计算机模拟技术建立模型，就可以在模型上进行多次重复的实验；另外很多实验需要非常大的实验场地，受到客观环境的很多限制，但计算机模拟却对空间各方面的要求微不足道[1]。
本文通过AVL-BOOST软件建立发动机整机模型，验证模型的有效性，并对相关设计参数：压缩比、点火提前角、进气温度进行调整，研究变参数对发动机性能的影响。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
1.2.1 计算机仿真技术与汽车开发设计
计算机仿真技术的概念：是一门综合性技术，通过利用计算机技术和计算机科学的研究成果所建立的仿真系统模型，并且在一些试验和实验的条件下，对所建立的模型进行动态实验。同时它具有安全、高效率、可随意改变时间比例尺、受到环境条件的约束较少等优点，在现代的研发设计中，它已逐渐成为设计、分析、运行、评价、培训系统（特别是复杂的系统）的重要工具，是现代产品开发中重要的支撑技术。
汽车设计的最新技术和手段：首先，CAD与 CAE的融合。目前CAE与 CAD公司的合作逐步深入， CATIA模型在MSC产品中可以识别，二者模型特征相同，可以直接修改。这样一方面可以使CAE工程师理解CAD设计(设计结构), 提出好的优化方案；另一方面，CAD工程师也能够理解CAE的分析结果。
图1-1 传统与新型设计模式的变化
其次，多学科仿真环境的平台化。通过集成众多学科的环境和协同仿真平台，使结构分析，机构动力学的分析，声学分析，NVH以及疲劳耐久性的分析在统一界面中完成，并且共用使用统一的数据模型，减少或避免数据在传递过程中发生错误。
第三，多学科耦合分析。
第四，高性能计算技术。使用高性能计算技术，是研发的进程加快，效率提高。
第五，仿真数据分析的过程：流程化、自动化、标准化。规范CAE研发流程，方便工程师们专注于研发和创新，提升CAE研发效率，提升虚拟仿真的准确性。
第六，多组织协同设计。
计算机仿真在汽车设计中的应用：
计算机仿真技术，在汽车工业中的应用是多方面的，为轿车产品的设计开发提供了强有力的工具和手段，大幅度提高了设计质量，缩短了产品开发周期，节省大量开发费用。
发动机的设计开发主要是两大方面：发动机的结构和发动机的性能，分为四个阶段，即筹划阶段、概念设计和可行性研究阶段、产品设计和原型车确认阶段、定型生产阶段。在设计发动机结构时，通过仿真软件进行模拟试验，确定其刚度、强度等；在研究发动机性能时，首先通过计算机模拟分析软件对工作过程进行模拟，这样可以对事物进程有个直观的了解，提高做事的成功率，例如冷却系统、燃烧过程、进气系统、排气系统等。
摘要
本文应用AVL-BOOST一维模拟软件建立某四缸车用汽油机工作过程的计算分析模型:压缩比：随着压缩比的增大，发动机的有效功率在压缩比10～12呈上升的趋势，且增加明显，在压缩比高于12之后，有效功率开始有稍微的下降，总体上来说，增加压缩比能改善发动机的燃烧完善程度，提高发动机的动力性能。点火提前角：点火提前角在26°～28.5°范围内，发动机的有效功率随点火提前角的增加而增加，且趋势明显，在28.5°～36°范围内，增加幅度下降。总体上而言，在26°～36°范围内，随着点火提前角的增加，最高燃烧的压力接近上止点，可以显著的提高发动机的有效功率，改善发动机的动力性能。进气温度：随着进气温度的增加，发动机的有效功率增加。在10℃～40℃范围内，随着进气温度的增加，发动机的有效功率明显增加，40℃之后，随着进气温度的升高。发动机的有效功率上升幅度变缓，并且出现明显的下降趋势，随后又继续上升。总体而言，增加进气温度能有效的增加发动机的有效功率，改善发动力的动力性能。
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关键字:汽油机AVL-BOOST数值模拟计算性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题的背景和意义 1
1.2 国内外研究现状和发展趋势 2
1.2.1 计算机仿真技术与汽车开发设计 2
1.2.2 国内外研究发展状况 4
1.3 本文主要研究内容 5
第二章 发动机工作过程仿真模型建立 7
2.1 AVL-BOOST软件简介 7
2.1.1 AVL-BOOST软件概述 7
2.1.2 AVL-BOOST软件功能介绍 7
2.1.3 AVL-BOOST模拟计算步骤 8
2.2 计算机模型的建立和验证 11
2.2.1 汽油机的主要参数 11
2.2.2 模型的建立 11
2.2.3 模型的验证 13
2.3 本章小结 14
第三章 结果与分析 15
3.1 压缩比 15
3.2 点火提前角 16
3.3 进气温度 17
3.4 本章小结 19
第四章 总结与展望 20
4.1 全文总结 20
4.2 工作展望 20
致谢 21
参考文献 22
第一章 绪论
1.1 选题的背景和意义
自从内燃机于1876年问世以来，已经有一百多年的历史了。百余年来，内燃机凭借其热负荷小、热效率高、结构紧凑、使用操作方便、功率范围广等优点在船舶、车辆、工程机械等领域中取得了优势地位，推动了世界经济的发展，在人类文明的发展中起到了极为重要的作用。内燃机已经发展成为一个比较完备的机械体系，达到了一个较高的科技水平，主要有：曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑系统、点火系统、冷却系统、起动系统。在今后相当长时间内，内燃机作为主要交通工具的主导地位仍然不会改变。因此，伴随着经济的发展，内燃机作为最主要的动力工具，还是有很广阔的发展空间的。
近年来，随着经济的发展，汽车工业也在迅速的发展，汽车保有量也在持续增长中。一方面，越来越复杂的交通状况和路况，导致发动机的性能指标降低，甚至导致某些工况恶化；另一方面，随着经济和技术的发展，人民的生活水平也在不断的提高，人们对汽车的动力性、舒适性、经济性、操作性等要求也越来越高，要求在满足各项法律法规的前提下，以低的使用成本获得快捷的交通便利，舒适的驾乘感觉，享受到驾驶的乐趣。这些都迫使给发动机厂商对现有的的发动机结构等相关参数进行优化改进，最终改善发动机的性能，满足市场的需求。
然而，发动机有许多的零部件，如曲柄连杆机构和配气机构的形状、结构、受力，以及发动机内流体的流动、传热物质、燃烧等是一个复杂的动态过程，牵扯到流体力学、空气动力学及热力学等方面的知识，建立数学模型很难对某一步进行精确的计算。为此，应用工作过程仿真软件，建立发动机工作的一维仿真模型。传统的设计分析都是运用一系列的数学公式进行计算和分析，相比之下计算机模拟技术有以下的优点：
1）替代很多无法实施和没有条件实施的实验。在工程实际中，很多的问题是没有办法通过在实际中运行，得到数据来研究分析的，可是如果采用了计算机仿真模拟，就可以在抽象的计算机模型上进行重复的“数值实验”，从而解决了很多在实际中无法运行或没有条件的实验。
2）解决普通的方法难以解决的大型系统问题。一些比较大而且非常复杂的系统，如果运用了通过数学求解或理论分析的办法来对问题进行分析研究，有时会发现非常困难，甚至无法对问题作出解答，但我们可以通过计算机模拟技术，建立计算机模型，用“数值实验”方法来对这类问题加以研究和探讨。
3）很大程度降低投资的风险，大大节省研究设计开发的费用。越是大型而且非常复杂系统和高新科技的项目，他们的不可预见性越大，与之对应的投资的风险和对物力、人力的所需的花费也要求越大。如果在这之前通过计算机模拟技术对整个系统或项目的开发设计和规划加以分析，同时对建立成的系统模型的运行效果进行模拟分析，就可以从中预先得到许多对项目运行的认识，使以后的决策更有科学性，减少在工作中失误，大大的降低对项目的投资风险，节省了很多人力和物力的消耗。
4）避免在实际实验中对人身和财产造成不必要的伤害。例如飞机新驾驶员进行试飞训练时，如果在实际试飞中因为驾驶员自身或者飞机的一些问题，会导致一系列的不幸发生，而运用计算机模拟技术进行模拟训练，就可以很好的避免对人员、财产造成伤害。
5）大大缩短项目实验的时间，不受时空等条件的限制。如柔性制造系统的加工过程需要几十小时，可是采用计算机模拟了却只需要几小时，甚至几十分钟就可以完成实验，大大的减少了实验的时间；很多情况中有许多试验因为受到时间和财力的限制，没有条件进行多次实验，而通过计算机模拟技术就可以解决这类问题，通过计算机模拟技术建立模型，就可以在模型上进行多次重复的实验；另外很多实验需要非常大的实验场地，受到客观环境的很多限制，但计算机模拟却对空间各方面的要求微不足道[1]。
本文通过AVL-BOOST软件建立发动机整机模型，验证模型的有效性，并对相关设计参数：压缩比、点火提前角、进气温度进行调整，研究变参数对发动机性能的影响。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
1.2.1 计算机仿真技术与汽车开发设计
计算机仿真技术的概念：是一门综合性技术，通过利用计算机技术和计算机科学的研究成果所建立的仿真系统模型，并且在一些试验和实验的条件下，对所建立的模型进行动态实验。同时它具有安全、高效率、可随意改变时间比例尺、受到环境条件的约束较少等优点，在现代的研发设计中，它已逐渐成为设计、分析、运行、评价、培训系统（特别是复杂的系统）的重要工具，是现代产品开发中重要的支撑技术。
汽车设计的最新技术和手段：首先，CAD与 CAE的融合。目前CAE与 CAD公司的合作逐步深入， CATIA模型在MSC产品中可以识别，二者模型特征相同，可以直接修改。这样一方面可以使CAE工程师理解CAD设计(设计结构), 提出好的优化方案；另一方面，CAD工程师也能够理解CAE的分析结果。
图1-1 传统与新型设计模式的变化
其次，多学科仿真环境的平台化。通过集成众多学科的环境和协同仿真平台，使结构分析，机构动力学的分析，声学分析，NVH以及疲劳耐久性的分析在统一界面中完成，并且共用使用统一的数据模型，减少或避免数据在传递过程中发生错误。
第三，多学科耦合分析。
第四，高性能计算技术。使用高性能计算技术，是研发的进程加快，效率提高。
第五，仿真数据分析的过程：流程化、自动化、标准化。规范CAE研发流程，方便工程师们专注于研发和创新，提升CAE研发效率，提升虚拟仿真的准确性。
第六，多组织协同设计。
计算机仿真在汽车设计中的应用：
计算机仿真技术，在汽车工业中的应用是多方面的，为轿车产品的设计开发提供了强有力的工具和手段，大幅度提高了设计质量，缩短了产品开发周期，节省大量开发费用。
发动机的设计开发主要是两大方面：发动机的结构和发动机的性能，分为四个阶段，即筹划阶段、概念设计和可行性研究阶段、产品设计和原型车确认阶段、定型生产阶段。在设计发动机结构时，通过仿真软件进行模拟试验，确定其刚度、强度等；在研究发动机性能时，首先通过计算机模拟分析软件对工作过程进行模拟，这样可以对事物进程有个直观的了解，提高做事的成功率，例如冷却系统、燃烧过程、进气系统、排气系统等。
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