汽油发动机模型启动_汽油发动机模型启动原理

2025-01-07 08:48:24

1.汽油车加柴机油的后果

作为混合动力汽车动力总成的重要组成部分，内燃机长期在其特性曲线场范围内运行。为此，研究人员对内燃机进行了优化设计，以大幅提高其工作效率。由德国IAV公司开发的1款新款汽油机，具有较高的压缩比。通过充量稀释技术与活性预燃室点火系统实现良好匹配，从而使该机型的最高效率达到了45%。

1 动机

根据欧盟委员会的要求，降低CO2排放势在必行，从而显著提高了对车辆动力系统的要求。从2021年起，CO2排放指标将在原有的95 g/km排放限值基础上再降低37.5%。不仅如此，研究人员会取一定技术措施以降低汽油机的燃油耗，同时须使车辆动力系统在所有行驶条件下均能有效降低CO2排放。因此，该技术要求对汽油机与电驱动部件的组合提出了更高挑战。为此，研究人员可在特性曲线场中对汽油机进行更有针对性的设计，从而大幅提高整机效率。

2 混合动力总成系统的架构

混合动力总成系统可按照所用的混合动力形式（微混合动力、轻度混合动力和全混合动力）或者按照电机的布置方式（串联、并联和功率分支）进行分类。在对技术复杂性、节能潜力、工作能力和成本进行权衡的情况下，并联混合动力被视作是1类具有较好应用前景的布置方式。全混合动力型式由于可有效降低CO2排放，并能实现能量回收和动力输出，从而也具有较高的技术竞争力。如果研究人员对插电技术和再生能量回收技术进行进一步优化，以此可持续提高整车节能潜力。图1示出了在混合动力总成系统中内燃机的工作范围，此时需协调并优化低端扭矩（LET）、额定功率和部分负荷等因素之间的矛盾。在低部分负荷工况范围内，车辆以纯电动状态行驶，同时在蓄电池尚未完全充满电的情况下应通过调整运行工况点以避开该工况范围。

3 热力学方案

该方案的技术核心是通过显著增大压缩比来提高整机热效率，并限制低端扭矩范围来实现上述目标。除此之外，研究人员通过应用冷却废气再循环（EGR）与米勒配气定时以及较短的燃烧持续期以降低整机爆燃倾向。充量稀释带来的附加效果是热损失逐步降低。除了用充量稀释等策略之外，由于较大的行程缸径比和较高的压缩比会导致较高的壁面热损失，而能否将换气损失降到最低程度则取决于废气涡轮增压器的设计方案。此外，经充分优化的进气通道和按最佳工况点而设计的压气机转子可使该方案得到进一步完善。

4?使汽油机效率达到45%的设计方案

在对新型汽油机进行设计的过程中，研究人员须对众多机型参数进行优化。由于某些机械损失的状况各有不同，从而产生了多标准优化的问题。在该方面，一维（1D）换气模拟与IAV公司独创的数学优化程序实现关联，基于爆燃、增压、壁面热量和燃烧过程而设立的基础模型被运用至相应的发动机模型中，研究人员通过优化过程对转速、负荷、压缩比和汽油机效率等参数进行了设置（图2）。最佳配置使汽油机在转速为4 400 r/min时的有效热效率可达到45.4%。同时，在研究人员针对汽油机运行范围进行优化的前提下，汽油机在转速为3 000 r/min时的有效热效率能达到45%，此时压缩比为17.4，EGR率为42%，行程缸径比为1.25。

图3示出了汽油机有效热效率为45% 时的热力学效应。在该图中，将压缩比为9.6的基础机型（1.4 L涡轮增压直喷式汽油机）在转速为3 000 r/min和平均有效压力为1.26 MPa时的运行工况点作为基准。单纯提高压缩比时，汽油机的有效热效率改善效果并不明显。即使在无爆燃现象的前提下，由于壁面热损失增加，整机热效率仅提高了2.4%。同时，由于实际的爆燃倾向增大导致燃烧重心位置出现得较晚，从而使得壁面热损失和燃烧损失之和有所增加。研究人员通过优化所有的硬件组件，从提高压缩比入手，以此能使热效率提高8.5%。由于该过程中所用的EGR率高达42%，通过EGR增加气缸中气体质量的同时，也相应增大了整机热容量，从而降低了峰值温度，并可显著改善壁面热损失。除此之外，研究人员通过用1.25的行程缸径比可使壁面热损失进一步降低。为了将燃烧损失降至最低程度，研究人员即使对充量进行高度稀释仍需要维持较短的燃烧持续期（10%～90%的燃油实现燃烧转化）。为了点燃经高度稀释的混合气，并迅速地实现燃烧转化，从而应配备有1个合适的点火及喷油系统。同时，借助于加大废气涡轮和按最佳工况点进行优化的压气机来实现换气优化过程，即便用更大的进气量和更高的增压压力，仍能确保换气损失不会增加。

5 用于稀释混合气的预燃室点火方案

除了稀薄燃烧过程之外，研究人员也可通过稀释废气来提升发动机效率，以实现化学计量空燃比。虽然借助于三元催化转化器进行废气后处理具有显著优势，但是EGR率受到点火系统潜力的限制。为了解决EGR率与汽油机点火能力之间的矛盾，IAV公司已开发出了1种活性预燃室点火系统，通过将少量的气体封装在预燃室中即可使部分混合气的过量空气系数达到能着火的范围。同时，该预燃室可用于产生高能量的火焰锋面，以此能迅速点燃高度稀释的混合气。为了在高EGR率情况下形成易于着火的混合气，需要用1种特殊的喷油器，其能通过空燃混合气对预燃室进行扫气，因此预燃室中在点火瞬间时的EGR率比主燃烧室更低。图4中示出的试验结果表明，该类燃烧过程的残余废气兼容性得以显著提高，在爆燃极限范围内更合适的燃烧重心位置和较短的燃烧持续期提升了整机效率，但是由于并未配备扫气泵，在试验台上缺乏足够的扫气压差，为了不影响燃烧稳定性，EGR率被设定为32%。

6 系统结构和潜力

图5示出了包括活性预燃室在内的汽油机总体布置方案。该方案中所用的单级废气涡轮增压中冷直喷式汽油机利用了1种基于化学计量比混合气运行过程而设计的废气后处理系统。该系统中较为重要的组成部分是预燃室点火系统，并在该图中示出了预燃室中的常规火花塞和所需的燃油-空气喷射器。其中，燃油-空气喷射器需要附加低压燃油系统，并需要借助于由电动泵与储气罐组成的空气供应装置。为了使EGR率达到40%以上，废气管路与进气管路之间应保持一定的扫气压差，为此应配备低压EGR循环管路。此外，废气热焓完全可用于增压过程，在通过EGR引出部分废气且温度较低的情况下，EGR冷却器的冷却能力相对较低，而EGR从三元催化转化器和颗粒捕集器后引出废气可减少对进气管路的污染，并进一步降低了爆燃倾向。

虽然目前用的可变气门机构并非不可或缺，但以此能扩大汽油机高效率工作范围。图6示出了汽油机的效率特性曲线场，除了45%的最高效率工况点之外，效率为40%以上的工作范围得以有效扩展。在车辆以内燃机状态行驶时，全球轻型汽车测试循环（WLTC）条件下的节油潜力为每百公里0.6 L，而C级混合动力车带来的节油效果为每百公里1.0 L，从而具有较好的应用前景。

7 结论

本文介绍了基于活性预燃室的燃烧过程而开发，并在整个特性曲线场内能以化学计量比状态而运行的新型汽油机设计方案。要达到此类改善效果的前提条件是在混合动力系统运行条件下逐步扩大受限的汽油机特性曲线场。研究人员将较高的EGR率与较长的行程结构相组合，在显著提高压缩比的情况下降低了壁面热损失。同时，大幅降低的低端扭矩和冷却EGR使汽油机在全负荷工况范围内依然有着较高的缸内压力参数。研究人员针对废气涡轮增压器进行了优化设计，从而避免增加换气损失。因此，在特性曲线场的最佳工况点上，汽油机的有效热效率达到了45%。同时，由于汽油机的最高效率工况点与长途行驶时的运行工况点位置接近，因此该方案可确保用户驾车在市郊或高速公路行驶时的有效燃油耗与CO2排放得以显著降低。

作者：[德]M.SENS等

整理：范明强

编辑：伍赛特

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

汽油车加柴机油的后果

直列四缸汽油发动机CAD图

本曲轴设计系统的每个部分都是自上而下，从前到后一脉相承的，数据的传递是本系统的关键所在。所以设计计算模块用类似属性向导的方式，由“上一步”、“下一步”和“取消”三个按钮来将几个模块连接起来，从前到后自成一体。

曲轴设计是以内燃机设计为基础的，所以首先必须进行内燃机的整体设计。单击欢迎界面上的“开始”按钮，系统就进入内燃机整体设计界面。此界面要求用户输入一些已知参数，如缸径、额定功率和额定转速等，为后来的曲轴设计奠定良好的环境基础和设计基础。接下来依次是“热力计算”界面（如图3所示）、“热力计算结果”界面（如图4所示）、“动力计算”界面（如图5所示）和“动力计算结果”界面（如图6所示），点击“完成”，结束本模块操作。

图3 热力计算参数输入界面

图4 热力计算结果界面

2.曲轴参数化设计模块

点击菜单上的“曲轴参数化设计”，可弹出下级子菜单“圆弧形曲柄臂”和“直线形曲柄臂”供用户选择。界面默认的单位是mm。

点击“圆弧形曲柄臂”，系统进入如图7所示的平衡重配置界面。该界面分为四个组合框：“参数”、“零件类型”、“材料”和“特性”。点击最后一行设置的“显示参数”按钮，便可在各编辑框中显示CA488曲轴的对应值。“参数”组合框是用户用来进行曲柄臂部分的参数化设计的，用户可根据自己的意愿来修改编辑框中的数值，直到满意为止。当用户改变选择的材料时，下面的“特性”框中的质量值就会发生变化。曲柄臂的形状复杂多样，都是不规则的，若想人工算出它的体积、重心和主惯性矩这些参数，相当的困难，需要做大量的工作，而借助于曲柄臂的模型特性就可以十分快捷地实现了。

图5 动力计算参数输入界面

图6 动力计算结果界面

修改和选择完界面上的参数后，点击“曲轴参数化”按钮，曲轴参数化设计用无模式属性页的形式，分别完成“前端”、“曲柄臂”和“后端”三个部分。用户可根据Pro/ENGINEER界面上所显示的相应的三维模型和界面上显示的对应部分的二维图形，来设计自己的图形尺寸，修改完后点击“更新”按钮，Pro/ENGINEER便可根据新输入的数值来再生三维模型。图8所示圆弧形曲柄臂参数化设计界面。

图7平衡重配置界面

图8 曲轴曲柄臂参数化设计界面

同样的，选择直线形的曲柄臂或选择八平衡重的模型都是类似的界面，只是调用的三维样板模型不同而已。这里不再赘述。

3.圆角疲劳强度校核模块

此模块中，最重要的是各系数的确定。圆角形状系数确定界面（如图9所示）是一个无模式属性页形式的MFC对话框。它包括应力集中敏感系数、形状系数、材料敏感系数、疲劳极限系数、尺寸影响系数和强化系数等。这样就可以不必再用人工查询的方式来确定相应的系数，为用户节省了大量的人力和时间，大大提高了设计效率。

点击“确定”进入如图10所示“圆角强度校核”界面。此步计算中需要使用前面参数化设计中确定的曲轴结构参数，在这里我们可以直接调用前面用户输入的数据，而不需用户重复输入，进入界面时就可以看到结果。

图9 尺寸影响系数确定界面

图10 圆角强度校核界面

点击“确定”按钮，系统进入校核模块的最后一个界面“圆角疲劳强度校核结果”。系统可以通过界面显示的前两个安全系数，可以算出最终的校核安全系数。然后点击“完成”，如果整个设计过程满足要求，那么就会弹出一个消息框“恭喜你，设计成功！”，如果设计的结果并不合理，就会弹出“设计不合理，请重试！”的提示信息。到这一步为止，用户需要进行的设计、计算、校核工作全部结束。接下来就是后续的完善工作了。

4.工程图输出模块

点击菜单栏中的第四项“工程图输出（G）”，经过短暂的反应过程，Pro/ENGINEER会自动进入工程图模式，此时界面中会出现如图11所示的二维图形和一个无模式的“工程图尺寸调整”对话框。

Pro/ENGINEER工程图界面中所显示的正是用户前面参数化设计的三维曲轴模型的三个视图：主视图、俯视图和侧视图，也就是一般设计要求给出的工程图纸内容。通过点击对话框中的“调整”按钮，用户可以将视图放大或缩小。另外，设计人员可以通过鼠标激活后面的工程图，进行任意的视图调整，例如单个放大、缩小等等，非常方便，和在Pro/ENGINEER中的使用情况一样。

还有一个很重要的问题就是工程图中尺寸的标准。点击对话框中的“显示尺寸”按钮，用户就可以看到系统在为视图标注尺寸的快速过程。标准过后的界面如图12所示。尽管标注看上去有些零乱，但的确做到了正确的根据三维参数化设计中用户的输入进行自动标注。至于如何更好地解决清晰标注和如何正确自动生成标题栏的问题，将是日后努力研究开发的一个方面。

图11 工程图输出界面

图12 标注尺寸的工程图

5.数据库链接模块

最后，为了系统的延续性和完善性，我们设计了数据库链接模块。点击菜单栏中的最后一项“数据库（S）”，系统进入如图13所示的数据库链接界面。整个界面中的参数是由内燃机设计中需要说明的主要环境参数和曲轴的基本结构参数构成的。

当用户完成了本步操作，就结束了整个曲轴设计系统的全部过程。也就是说，用户以前需要花费大量时间和精力才能完成的工作，我们现在进行按钮的点击和输入少量的数据就可以轻松完成了。这也是此系统开发的最大意义。

图13 曲轴设计系统数据库界面

三、结论

基于Pro/ENGINEER二次开发的曲轴设计系统实现了以下三个突破：

1.图表查询数字化的实现；

2.根据已知的三维模型，直接调用其体积、重心位置和主惯性矩；

3.根据模型输出工程图及尺寸自动标注的开发手段。

本曲轴设计系统界面友好，提示充分，操作方便、快捷，显著缩短了产品的设计周期，提高了设计效率。系统为后续过程提供了完备的信息源，具备一定的产品信息数据处理功能，为曲轴设计的系列化、标准化和通用化奠