摘要

本次设计通过GT-POWER软件进行了发动机仿真建模，选用了CF4G20汽油机作为原型机，基于进排气系统一维整机工作过程进行模拟循环，得出数据图形进行计算分析以验证模型的有效性。

通过对充气效率进行计算，分析不同的长度进气歧管在不同发动机转速下和负荷下的发动机性能，分析了不同的进气系统机构对发动机动力参数的影响。

利用已确定的汽油机参数，分析比较不同发动机进气歧管对发动机的参数影响，通过验证结果确定切换进气歧管时的发动机转速。

通过模拟计算，得到可变进气歧管基本参数，使用UG三维设计软件来进行设计进气管的三维模型。

通过本次优化设计，对CF4G20汽油机进行了进气系统的优化，得出改变进气歧管长度可以使汽油机的可变进气系统适用于较为宽阔的发动机转速范围的结论，从而使汽油机在不同转速下皆有着良好的充气效率，低速区域转矩提高，最大转矩点偏移向低速区，提高了汽油机整体性能。

可变进气歧管结构简单，成本低廉，对原汽油机改装幅度极小，具有很高的实用价值。

关键词：可变进气歧管，汽油机，GT-POWER，数值模拟，结构设计

ABSTRACT   

The design of the engine through the GT-POWER software simulation model, the use of the CF4G20 gasoline engine as a prototype, based on the one-dimensional machine into the exhaust system of the whole process of simulation cycle, the data graphs were calculated to verify the model valid Sex.

Through the calculation of the filling efficiency, the performance of different intake manifolds under different engine speed and load is analyzed, and the influence of different intake system structure on engine dynamic parameters is analyzed.

Using the parameters of the determined gasoline engine, the influence of different engine intake manifolds on the parameters of the engine is analyzed and analyzed. The engine speed of the intake manifold is determined by the verification result.

Through the simulation calculation, the basic parameters of the variable intake manifold are obtained, and the three-dimensional model of the intake pipe is designed by UG three-dimensional design software.

Through the optimization design, the CF4G20 gasoline engine was optimized by the intake system, and it was concluded that changing the intake manifold length could make the intake system of the gasoline engine be suitable for the wider range of engine speed, so that the gasoline engine at different speed Have a good inflatable efficiency, low-speed regional torque increases, the maximum torque point offset to the low-speed area, improve the overall performance of the gasoline engine.

Variable intake manifold structure is simple, low cost, the original gasoline engine modification is minimal, with high practical value.

Key words: variable intake manifold, gasoline engine, GT-POWER, numerical simulation, structural design

目录

第一章 绪论......................................................5

1.1引言..........................................................5

1.2可变进气歧管技术..............................................5

1.3可变进气歧管研究现状分析......................................6

1.4可变进气歧管系统的研究意义及其实用性..........................7

1.5本次设计研究内容..............................................8

第二章 技术应用及设计方案选取................................10

2.1可变进气歧管技术的应用.......................................10

2.2可变进气系统机构.............................................12

2.3可变进气系统机构特点.........................................14

2.4可变进气系统设计方案.........................................15

2.5本章小结.....................................................16

第三章 进气管路流动分析计算..................................17

3.1动力效应.....................................................17

3.2惯性效应.....................................................17

3.3波动效应.....................................................18

3.4进气系统的结构影响充气效率...................................19

3.5进气系统流动的理论计算.......................................20

3.6一维非定常流动计算方法.......................................21

3.7本章小结.....................................................23

第四章 可变进气系统模型.......................................24

4.1GT-POWER简介.................................................24

4.2建立模型模块.................................................25

4.3建立汽油机基础模型...........................................27

4.4本章小结.....................................................28

第五章 进气系统优化............................................29

5.1进气歧管长度与发动机性能.....................................29

5.2二级可变长度进气歧管系统优化.................................30

5.3确定转速切换点...............................................32

5.4优化设计结果分析.............................................32

5.5三维模型.....................................................34

5.6本章小结.....................................................35

第六章 总结与展望..............................................36

6.1工作总结.....................................................36

6.2工作展望.....................................................37

参考文献.........................................................38

致谢..............................................................40

第一章 绪论

1.1 引言

随着人类社会不断的发展,科学技术也是日渐发达,其中汽车工业水平取得不断进步。在人们享受科技研究成果的同时,也面临着许多的危机和挑战[1]。近些年来由于能源危机的严重化,还有车辆对环境带来的威胁也越来越被重视。

汽车行业人士们为了当代车用发动机更加适应社会和环境要求，通过研究探索，给发动机增加一个简捷的可变进气系统，根据在不同工况下对进气形式的不同的需求，通过研究设计来实现高负荷时多进气，低的进气涡流强度，在低负荷时少进气，有高的进气涡流强度，这样就可兼顾得高中低负荷的不同工况工作[2]。为此，人们进行了许多可变进气技术的研究工作。

上世纪 90 年代中期以后，发动机可变进气系统越来越成熟。其对发动机性能的提升越来越受到汽车厂商的青睐，而可变进气歧管技术是其中发展较为成熟的一种，这种进气歧管能够同时兼顾高低转速时发动机对进气量的不同需求，在可变进气系统中有着优良表现。电子控制技术和新型结构的飞速发展使发动机设计趋向于电控和可变参数的新型设计理念，可变进气系统在车用发动机上得到广泛使用[3]。

1.2 可变进气歧管技术

进气歧管简单的来说就是将燃油混合气通过送入发动机缸盖进入气缸燃烧，起到对空气流向进行引导的作用。

可变进气歧管系统英文Varialble Intake System,简称VIS，是采用可变参数的进气歧管来代替传统固定参数的进气歧管，从而优化进气过程，可以兼顾发动机高速和低速工况，提供合适的进气量，提高充量系数，较好地解决原始发动机的高低速下充量系数的矛盾，有效提高了发动机的动力性、经济性、燃油消耗率及排放特性[4]。

在动力性上，汽油机的每一次工作循环所吸入的空气质量就决定了此次循环所产生的转矩的大小，因此，提高工作循环所吸入的空气质量变能大大强化发动机的产生转矩，另外在怠速时候稳定情况下，需要调节空气进气量保证燃油燃烧，满足动力经济要求[5]。这些都可以通过可变进气歧管来进行调节，进气歧管的设计也是发动机整体一个非常重要不可或缺的环节。

发动机的噪音中，进排气系统构成了很大一部分，主要是进排气管产生的压力波占了很大比例，所以进气歧管的几何形状也是重要影响的一点，对压力波产生的频率和振幅有重要的作用。设计优良的进气歧管可以有效减少压力波振幅作用，用以保证较为理想状态。

在排放方面，进气歧管非稳态流动的流体对排放水平有着非常重要的影响。其中提高涡流比是一个好的解决办法，提高涡流比可以使燃烧更加充分，可以使气缸内最高燃烧的压力和温度提升，使NOx的排放增加，减少涡流强度则会牺牲发动机的动力性能[7]，所以合理的涡流比设计是一款发动机很至关重要的。

另外，歧管还有可以促进EGR废弃循环、曲轴箱通风混合，保证进气的均匀，并且在自然吸气发动机中，它可以作为一个真空节点，提供真空作用[8]。

1.3 可变进气歧管研究现状分析

近年来,由于车用汽油机采用电控技术的发展趋势已日渐形成,所以更多汽车厂商，采用电控技术，用来大大提高汽油机的经济性、动力性并且可以降低排放指标。 

如果歧管的结构设计地合理，汽油机在理想情况下，节省的混合气量应等于流失的混合气量，再加上燃烧过程中改善的节油效果会很是明显的，同时因为改善了扫气情况，功率可以大大得到提高[9]。

可变进气歧管技术与其它许多包括可变的涡轮增压、可变压缩比等一些可变技术一样，在内燃机设计领域并不是一个新鲜课题，已经在许多的高性能发动机上得到了有效利用，尤其在欧、美、日等发达国家更是如此，他们其对这项技术进行了深入的研究，并已经推出了VTEC等 可变气门正时和升程汽油机等一些这样的经典市场化产品[10]。不过在我国，关于可变进气系统技术的研究还比较肤浅，与发达国家之间还有很大的差距，需要更多研发人员作出更多的努力。

概括来看当前的可变进气系统的结构形式大致可以分为以下三大类，控制阀式可变进气系统机构和可变气门正时进气结构和可变气门升程技术结构（Variable Valve Timing & Lift—VVTL）以及VIS可变进气系统。

其中最新的螺旋式进气管路的使用，让有限的空间内可以设计更长的进气歧管，这样就可以满足谐振的要求[11]，目前有了许多种可以调节的进气系统方案，其设计方法，执行机构的动作都不相同，其中又以日本的几家汽车公司，如马自达、日产、丰田等公司有了较为出色的研究成果，上个世纪90年代以后，中国的一些高校也对此进行了研究开发，比如上海大学的“涡轮增压可变谐振进气系统实验研究”以及“进、排气管的一维非定常流动计算方法比较”等一些优秀研究[12]。

汽油机直喷技术的广泛应用也是促进了可变进气歧管的发展研究，这在国内外都进行了大量的研究，比如中国的西安交通大学、武汉交通科技大学、上海交通大学等以一台六缸汽油机为原型，作为样机进行了结构和理论研究[13]。日本的三菱公司6A12发动机也采用了可变进气歧管系统的技术，其它使用可变进气歧管技术的汽车企业和各种发动机型号如奥迪公司、本田公司、奔驰的V6V8发动机都采用了这种技术，以使转矩曲线更加平缓[14]。

气缸内的气体的宏观运动可以改善发动机的燃烧过程，但是一些对进气系统的改造大都会使发动机的动力性能降低，尤其是在高负荷时更加明显。近些年来，通过科学研究人员的大量研究开发，实际开发了一些可变进气截面机构，可以适用于不同工况下发动机对气体宏观运动和流通系统的要求，而且许多研究成果已经成功应用。

1.4 可变进气歧管系统的研究意义及其实用性

自2016年机动车国五排放标准实施以来，对汽车行业带来的是更加严格的技术把控和研究深度。当今国产汽车发动机随着当今民众汽车保有量的大幅度提升迎来了良好的发展契机，汽油发动机受乘用车发展的影响，预计未来发展规模将更加宏达，潜力远大。中国国内自主产权的发动机技术还比较薄弱，大部分技术落后于一些发达国家，市场供应大部分依赖合资或者进口，发动机是汽车的心脏，也是国家交通运输行业最为重要一环，影响着国家经济血液运输通道，对社会国家有着深刻影响。

国产的发动机市场主要特点是产品的集中度过高，结构单一，技术水平较为落后，而且这些特征目前并没有得到很好的解决，所以这不仅是国产发动机的挑战也是国产发动机迎来大规模技术革新的契机。在国家和市场的巨大需求刺激下，各个发动机企业必将加大开发发动机新型技术的研发力度，国内汽车发动机将越来越多的让世界产生兴趣。

在保证排放性之上，发动机的本质是提供动力，所以动力性的提升是发动机的第一要务，当今汽油机的一般标定最高转速可达5K~8Kr/min，柴油机的标定最高转速也至少要达到4800r/min，这样发动机的在高转速大负荷下的动力经济性能和低转速小负荷下的动力经济性能便有了很大矛盾[15]。为了解决矛盾，各种可变技术得到了巨大研发应用，如可变进气系统，可变压缩比，可变喷油系统可变增压系统等等一些技术都取得了重大进步。

目前在国内，发动机大多采用了电控点火和喷油的系统，这样对进气管长度便没有限制，可以充分的利用波动效应，电子技术的发展也给可变系统带来了新的设计理念，使更多改变结构参数的调控更加容易实施，在一些品牌的汽车发动机上得到了成功应用[16]。

综上所述，可变进气歧管系统的技术应用所带来的价值巨大，在我国对可变进气歧管系统技术方面的研究投入具有极为实用的意义，它不仅可以提升国家的发动机制造水平，也可以为企业带来巨大的经济效益。

1.5 本次设计研究内容

目前，电子计算机的大规模应用给发动机设计带来了许多方便之处，电子计算机的模拟已经应用于发动机研发生产的各个环节。发动机的工作过程模拟循环可以在电子计算机上轻松模拟仿真，对于发动机制造出来的整体性能有着明显的指导意义，所以发动机模拟仿真不仅可以提供发动机设计的理念预设和性能的预测分析，也大大节约了设计成本，缩短了发动机的研发时间。

本次设计以GT-POWER软件进行发动机模拟仿真，利用数值仿真方法通过列出图表对实际发动机对样机进行仿真分析，以下为样机参数：

型号CF4G20

型式直列、四缸、16阀、水冷、多点电喷

气缸数4

缸径×冲程(mm)84.8×88

排量(L)1.988

工作次序1－3－4－2

压缩比10.0 : 1

额定功率(kW/r/min)100/5750

最大扭矩(N.m/r/min)178/4500～4800

最低燃油消耗率(g/kW.h)266

怠速转速(r/min)750±30

本次设计具体设计内容包括：

（1）应用GT-Power软件仿真分析发动机性能；建立起CF4G20汽油机一维整机循环模拟模型，并与原汽油机实验结果对比；

（2）通过一维的模拟计算，分析不同长度下进气歧管对发动机性能的影响，并确定可变进气歧管系统的设计方案；

（3）以该汽油机为研究对象，根据相关理论进行仿真优化，得到优化后的结构参数；

（4）运用UG软件创建进气系统三维模型；应用Auto-CAD软件制作创建工程图；

…………