基于MATLAB的发动机动力学建模与仿真(2)
目 录
1绪论 . 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外发动机发展状况 1
1.2.1 国内汽油机技术现状及发展水平 1
1.2.2 国外汽油机技术现状及发展水平 2
1.3 发动机动力学仿真的研究现状 2
1.3.1 发动机的零文仿真 3
1.3.2 发动机一文仿真 3
1.3.3 发动机三文仿真 3
1.4 发动机动力学仿真软常用件介绍 4
1.5 本文主要内容 4
1.6 本章小结 5
2 发动机动力学相关基础知识 6
2.1 发动机中的工程热力学 6
2.2 曲柄连杆机构的等效质量计算模型 7
2.3 发动机性能的相关术语定义 7
2.4 本文技术路线 . 8
2.5 本章小结 9
3 发动机动力学仿真的数学模型 . 10
3.1 发动机理想Otto循环的数学模型 10
3.2 曲柄连杆机构运动学数学模型 . 11
3.3 曲柄连杆机构动力学数学模型 . 13
3.4 本章小结 . 16
4 发动机动力学仿真程序设计与编程 . 17
4.1 MATLAB软件介绍 . 17
4.2 发动机动力学仿真程序数值计算过程介绍 . 17
4.3 发动机动力学仿真程序流程图 . 19
4.4 发动机动力学仿真程序的源代码调试 . 19
4.5 本章小结 . 20
5 发动机动力学仿真过程的参数化研究 . 21
5.1 仿真过程参数列表 . 21
5.2 发动机扭矩波动的仿真结果 . 21
5.3 气缸峰值压力对发动机曲轴扭矩影响分析 . 23
5.4 活塞质量对发动机扭矩波动的影响分析 . 25
5.5 曲轴转速对发动机扭矩波动的影响 . 27
5.6 飞轮对发动机扭矩波动的影响 . 28
5.7 本章小结 . 31
6 总结 . 32
致谢 . 33
参考文献 . 34
附件 A 36
附件 B 39
附件 C 59
附件 D 72
附件 E 85
1 绪论 1.1 课题的研究背景与意义 发动机是汽车的心脏，发动机的好坏决定了整车的经济性、动力性等方面性能的好坏。早期的发动机研究主要是以试验研究为主，80年代以来，随着计算机科学的发展，以计算机为基础的发动机的数学建模仿真成为发动前期机研究的主要手段。对进行发动机动力学的建模与仿真，可以为后期试验研究提供理论依据，有利于提升和改进发动机的性能，并且能发现试验研究会出现的问题，以便可以达到更好的动力和排放效果。计算机仿真技术已经有很长的发展历史，在制造业上也有了广泛的应用。计算机仿真技术是由数学、物理学等多种科学理论共同为基础组成，并利用与其相关的计算机分析和三文建模软件等为手段，通过理论模拟研究的方法来分析和解决问题。处在这个技术大背景下，计算机仿真技术已经成为工程试验前期研究的主要辅助手段。因此本课题就是基于 MATLAB的软件平台进行发动机的动力学建模与仿真，这是对发动机的动力进行建模，再用 MATLAB进行编程分析计算。就就当下的技术水平而言，试验研究仍是进行发动机动态性能和稳态性能研究的主要手段，但试验研究需要耗费大量的人力、财力。通过使用计算机进行发动机的动力学仿真可为后期的试验研究提供理论依据，缩短发动机研发开发周期。 1.2 国内外发动机发展状况 1.2.1 国内汽油机技术现状及发展水平 由于科学技术水平和制造技术的限制，我国早期的汽油发动机绝大多数是由国外引进和测绘仿制品，例如一汽的 CA6102、BJ2020等等。80年代以来随着改革开放进一步深化，一大批的中外合资企业逐步建立并引进对方公司的相应发动机技术（这些技术在国际上是落后的）[22]。此后，我国的一些发动机生产制造企业逐渐可以制造出多种发动机型号。例如：广州本田雅阁的 2.0L和2AL发动机、东风日产的排量为 1.8L和2.0L的发动机等等，这些发动机都是经由国外引进国产化的结果，并没有自主核心技术成分[22]。 目前我国的一些汽油发动机生产企业已经可以自行设计并生产中低功率的汽油发动机和部分中速发动机。比如华晨汽车将自主知识产权的 1.8T 发动机安装在华晨中华的轿车上。奇瑞汽车公司和奥地利的AVL 公司联合设计开发了奇瑞 ACTECO系列发动机， 奇瑞 ACTECO发动机系列，这些新成果标志着国内自主开发的发动机应用在新一代高动力性、经济性等高性能汽车发动机领域“零”的突破，一定程度上打破了一些拥有大量核心技术的跨国公司的技术封锁，使得我国的自主品牌汽车企业能够尝试去开发高端车型[22]。 虽然国内的发动机自主研发能力逐渐提升，但是同国外的先进技术还有很大的差距。国内大多数发动机公司的主要技术特点是应用了可变气门正时技术(VVT)，VVT的主要作用就是可以按需改变发动机进气门和排气门启闭的时间，使得满足在发动机一定转速时所需的进气量[22]。改善发动机的动力性、燃油经济性以及排放性能。但是对于当下主流技术涡轮增压技术和缸内直喷技术还处于一个起步阶段， 关于汽油缸内直喷的核心技术还几乎处于空白阶段。对发动机的轻量化技术也比较单一，最主要是从材料方面去做减重处理。最后，我们相信随着各个国内自主品牌的成长壮大，其相应的发动机技术也会进一步提升。 表0. 国内品牌汽油发动机主要参数 长安汽车 1.4L 东风乘用车 1.4T 长城汽车 1.5T 北京汽车 1.5T 华晨汽车 2.0T 最大功率 (Ps) 101 143 163 169 218 峰值扭矩 （N.m） 135 220 280 262 315 1.2.2 国外汽油机技术现状及发展水平 国外的发动机发展的历史已经有一百多年， 自从奥托先生开发的第一款燃气发动机之后，燃气内燃机机得到了飞速的发展。由于历史和其他原因，外国发动机厂商始终对中国的发动机技术实行封锁政策。因为环境和资源问题的不断复杂化以及社会财富的指数增长，人们对汽车要求具有更低的油耗、对环境更加友好、更高的安全性，因此车用汽油发动机朝着更省油、环保的方向发展。目前应用的新技术有多气门技术、可变气门技术、GDI和稀薄燃烧技术结合、智能驱动气门技术（SVA）等等。这些技术的应用大大提高了发动机的动力性经济性，改善了发动机的排放性能。虽然以上技术都很先进，但是百年来一个问题一直没有得到有效的解决，那就是发动机的热效率问题。随着科学技术的发展，不论国内还是国外都有机会从这方面进行突破[22]。 1.3 发动机动力学仿真的研究现状 早期的发动机研究主要是试验研究，但随着科学技术的发展，发动机的研究的方法也呈现出多样性。正是因为这些新方法的出现使得技术升级换代越来越快，这方面计算机仿真技术的发展有不可以磨灭的功劳。仿真类型也呈现出多种多样。比如说发动机热力学（零文）仿真、发动机一文仿真等。在进入课题研究之前，我们可以了解一些不同类型的仿真方法，以便为课题研究开拓思路。 1.3.1 发动机的零文仿真 通常我们所说的发动机就是指内燃机，是由于气体燃料的化学能在发动机内部燃烧转化为热能，再经过气体体积膨胀将热力能转化成为机械能[22]。发动机是汽车的供能中枢，对发动机的热力学仿真，是从源头上厘清发动机能量变化。对于发动机的零文仿真，这是通过对大量工质的焓变与熵变过程的数学统计并发现其中的内在规律，建立一种表达压力变化或热能变化过程参数间关系的经验公式，将复杂的化学变化过程简化为几个主要特征参数之间的关系[14]。主要包括发动机的进排气系统、气缸模型、冷却系统等等。因为气缸压力的变化作为发动机的输入力，因此本课题需要完成的零文仿真是气缸模型，通过模拟气缸压力以及曲轴转角的变化来反映发动机的四个冲程的压力波动情况。 1.3.2 发动机一文仿真 一文仿真常应用于发动机概念设计的最初阶段， 其优势在于能以较低的费用和较短的时间完成对发动机部件的概念性评估和比较。在这个阶段，由于相关试验数据的缺乏， 通常不得不作出一些假设,比如使用相似机型的一些试验数据来转化并作为模型输入参数。尽管存在一些误差,但是这个阶段的一文仿真，其主要目的是为了体现新设计概念的效果以及对比不同方案的优劣,因此并不会对模型的有效性造成很大影响[4]。 发动机一文仿真主要使用的是比利时LMS公司开发的 Amesim，这个平台提供了一个十分简易的仿真过程。工程师仅仅通过简单地将每个已经验证的结构模型进行结合，就可以精确地预测各种样式的智能系统性能。利用 LMS Amesim 软件进行一文仿真得到的计算结果与发动机台架试验结果基本相同， 它们的主要测量结果就是发动机的功率、扭矩以及燃油消耗。这不仅能得到循环计算的平均值，也能显示在循环下上下震荡的瞬态值[22]。 1.3.3 发动机三文仿真 随着高速计算机的快速发展，使得三文计算机仿真在发动机开发上得到广泛应用，发动机的三文仿真过程由零件体的建模、部件装配体建模、装配工艺的设计和制作装配动画四个基本方面组成。 对于车辆而言，发动机的动力性能是评价汽车优良的重要标准，发动机动力学仿真计算是研究发动机的重要手段之一[22]。 通过三文仿真技术模拟发动机工作过程,并且在工程热力学、流体动力学和发动机基本原理的基础上,根据能量守恒定律和物理学经典方程,我们可以使用现代计算机技术和计算方法来研究工质燃烧、热量传递、气体流动、工质的热物性、零件运动之间的关系。 1.4 发动机动力学仿真软常用件介绍 （1）ADAMS ADAMS，早期这个软件是由美国 MDI(机械动力)公司开发的一款模拟分析软件，该软件由五个方面组成，分别为基本资源、接口单元、专门对象部分、工具箱和拓展五个部分组成。用户可以使用该软件进行完全参数化的研究，并可以在线实时仿真分析复杂的机械零部件和结构系统。对于汽车设计而言，软件的中的ADAMS/Car模块在整车设计方面可以给出更精确的建模，包括汽车的车身、发动机组、悬架设计、传动系统、制动系统等方面的设计。工程师可以利用ADAMS中的高速动画展现出整车在各个试验工况下的动力表现，输出相应测试指标的参数[12]。 （2）ANSYS ANSYS 软件是由美国 ANSYS 公司开发的一款主要应用于有限元分析的软件，并且迅速成为当下的一款十分流行而且使用起来十分方便的有限元分析软件[22]。ANSYS 软件主要涵盖三个部分：分别为早期分析处理、分析计算和后期处理部分。该软件功能强大，操作简单方便，它可以和大多数计算机辅助设计软件的接口实现数据方面的共享和交换，例如：UG, Solidwork, CATIA ,AutoCAD等等［13］。ANSYS还可以对结构、流体、电场、磁场、声场进行有限元分析，在核工业、制造业、汽车工业等方面有重大应用，大大提升了研发进度和理论准备水平。 （3）AMESim AMESim，意为多个学科领域兼具复杂系统建模的仿真平台[22]。这个软件主要是面向工程应用，在汽车制造业、航空航天工业上有重大的应用，相关的开发技术人员可以利用各个集成的 AMESim 应用库来设计一个系统，并且这些来自不同理论领域的都经过严格的系统论证以及测试。AMESim可以让我们的研发工程设计人员快速达到建模仿真的最终目标，进而分析和优化产品设计，降低用户的开发新产品的成本以及研发周期[22]。AMESim 还可以让我们从复杂的力学计算中解放出来，直接从基本模型入手了解部件的功能，无需编写程序代码。AMESim 的发展得益于其应用库的不断扩展，软件的开发人员将机械零件、液压系统、动力学、热力学等建成相应的子模块，方便工程师的使用，简化软件的操作。 1.5 本文主要内容 综合上述分析情况，我们大概了解了一些常用仿真模型以及使用的国际主流仿真软件。本文主要任务是对某型发动机的动力学过程进行建模与仿真，用于分析发动机曲轴上的扭矩波动情况，本次对发动机的研究使用的是发动机的动力学仿真模型。 本论文研究的主要内容包括一下 6个主要部分： （1） 根据查阅已有文献的相关基础知识并掌握发动机曲柄炼钢机构的简化或等效质量计算方法。 （2） 根据工程热力学知识，建立发动机理想 Otto 循环数学计算模型。 （3） 通过已掌握的曲柄连杆机构的运动规律，简化为曲柄坏块机构的运动模型，建立曲柄连杆机构的运动学数学模型。 （4） 通过对曲柄连杆机构的动力学分析，建立曲柄连杆机构的动力学的数学计算模型，得到发动机扭矩输出计算公式。 （5） 根据已建立的数学模型，使用 MATLAB软件进行程序的编写，通过调试运行源代码，得到发动机动力学仿真结果。 （6） 最后根据仿真结果，对发动机的峰值压力、活塞质量、转速波动对发动机的扭矩波动进行深入的参数化分析。最后，依托相关的理论，对飞轮的影响进行初步的探索。 1.6 本章小结 本章节术语全文的开头部分，首先介绍了本课题的背景以及深入分析了本课题的意义所在。简要叙述了国内外发动机技术的发展状况以发动机动力学仿真研究的现状，了解相关的动力学仿真方法以介绍了用于仿真的计算机仿真软件 ADAMS 等。最后详尽介绍了本文的相关的内容，安排了全文内容以及定下全文主基调，指导后续研究的进行。