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原文传递基于模型的涡轮增压发动机设计和性能优化研究

论文题名：	基于模型的涡轮增压发动机设计和性能优化研究
关键词：	涡轮增压发动机;GT-Power模型;多目标遗传算法;耦合优化;设计参数
摘要：	自19世纪60年代问世以来，内燃机以其功率和转速范围宽、配套方便、机动性好等诸多优点成为人类最主要的动力装置之一。进入新世纪以来，汽车数量急剧增加，石油危机和环境污染问题越来越突出，开发高效、节能和环保的内燃机技术势在必行。　　近年来，低排放、低能耗的小排量发动机由于其燃油经济性水平较高而越来越受到消费者的欢迎。涡轮增压小排量发动机能够达到和更大排量自然吸气发动机相同的功率和扭矩输出水平，同时大大提高其燃油经济性水平。因此，涡轮增压小排量发动机代表着未来一段时间的发展方向，将逐渐普及。　　现代车用涡轮增压发动机非常复杂，特别是安装了进气和排气VVT系统的发动机，其设计和操作变量较多，设计和优化的难度较高，若用传统方法进行开发，则开发成本高，工作量大，周期长。因此，本文将研究基于GT-Power模型的涡轮增压发动机开发和性能分析，并研究一套基于模型的设计和优化的工程化方法。本文的主要研究内容可以概括如下：　　（1）首先用GT-Power软件建立了原型1.0L自然吸气发动机的仿真模型，并用实验数据标定模型参数。GT-Power模型经过标定后，模型预测的扭矩和比油耗和相应的实验值间的最大误差分别不超过2.5％和4.2%，能够保证较高的预测精度。然后，在此基础上建立了1.0L涡轮增压发动机的GT-Power仿真模型，用来进行目标涡轮增压发动机的设计和优化工作。　　（2）利用建立的1.0L涡轮增压发动机的GT-Power仿真模型进行涡轮增压器匹配和选型，以保证在获得最佳的发动机性能的同时能够改善发动机的燃油耗。初步匹配涡轮增压器后，原型发动机的动力性能大大改善，并且燃油经济性也有一定程度的改善。然而，从初步的匹配计算结果来看，该款涡轮增压器基本能够和发动机匹配，但还存在几个方面的问题：低速段的扭矩和功率低于目标值，需要优化低速段扭矩；压气机工作点并未穿过最高效率区，需要优化压气机工作点使其更接近压气机MAP图的上最高效率区。　　（3）搭建了GT-POWER和modeFRONTIER的耦合优化模型。然后应用多目标遗传算法优化目标涡轮增压发动机的进、排气歧管长度和直径、凸轮型线等设计参数，以及进、排气门正时等操作参数，以使设计的目标涡轮增压发动机的性能和燃油经济性水平都达到最优。　　（4）将多目标遗传算法优化得到的进气歧管长度等设计参数和进气门正时等操作参数重新输入涡轮增压发动机 GT-Power模型进行计算，以考察目标涡轮增压发动机的性能和燃油经济性水平，以及涡轮和压气机的工作区域和效率。GT-Power仿真结果表明，在大部分转速范围内，发动机的动力性能都比原机有了显著的提高。发动机的动力性和燃油经济性都比初步匹配的结果有了很大的提高，效果明显。
作者：	王森
专业：	动力工程
导师：	许敏;马戎
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文