发动机可变压缩比技术方案研究

论文摘要

常规汽油机其压缩比一般是固定不变的,由于汽油机易产生爆震现象,限制了压缩比不能取很高,这也是汽油机在部分负荷工况下经济性不如柴油机的原因之一。可变压缩比（VCR）技术可以很好的解决这一问题,在汽油机低负荷时提高压缩比有利于降低燃油消耗率,在汽油机高负荷时降低压缩比以防止爆震。本文以基于压力自适应活塞的可变压缩比方案为研究对象,对其进行了结构设计、强度计算,同时完成了缸内工作过程的仿真,对其经济性、抗爆性作出了评价,主要完成了如下工作：对现有可变压缩比技术方案作了介绍与分析,并对各自的优缺点作了阐述。通过对原型机在部分负荷工况下损失构成的分析,在理论上论证了可变压缩比的优势。在原型单缸发动机的基础上稍作改进,对VCR方案进行了结构设计。根据载荷变化关系,自行设计了一种非标准尺寸的碟簧,通过采用复合组合的形式,满足了高负载、小变形以及耐高温的使用条件。基于MATLAB-Simulink,对VCR发动机缸内工作过程进行了建模仿真,对缸内基本微分方程、动力学方程、气缸工作容积、燃烧放热率以及气缸周壁的传热进行了分析。并与BOOST中的原型发动机模型进行了对比,验证了该模型的准确性。通过对缸内燃烧过程的分析,对VCR发动机的性能作出了评价。在低负荷时,VCR发动机对提高汽油机燃油经济性有明显的改善效果；在高负荷时,VCR发动机对抑制汽油机产生爆震很有效果。利用有限元分析,对VCR活塞进行了机械负荷分析,结果表明满足了强度要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 可变压缩比技术方案分类
• 1.2.2 现有可变压缩比方案概述
• 1.3 课题主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 可变压缩比技术理论分析
• 2.1 原型发动机热力学过程分析
• 2.1.1 AVL-BOOST简介
• 2.1.2 原型发动机主要性能和结构参数
• 2.1.3 原型发动机工作过程建模
• 2.2 实际压缩比的定义
• 2.3 定量分析压缩比和泵气损失对发动机性能的影响
• 2.4 本章小结
• 3 可变压缩比技术方案设计
• 3.1 可变压缩比技术方案确定
• 3.2 可变压缩比方案参数确定
• 3.2.1 爆震燃烧的预测
• 3.2.2 最大负荷的确定
• 3.2.3 最大压缩比的确定
• 3.2.4 有效变形量的确定
• 3.2.5 预紧力的确定
• 3.2.6 参数比较
• 3.3 弹性元件类型的选择
• 3.3.1 选择弹性元件类型考虑的因素
• 3.3.2 碟形弹簧的优点
• 3.4 碟形弹簧的设计
• 3.4.1 碟形弹簧设计流程
• 3.4.2 单片碟簧的计算式
• 3.4.3 组合碟簧的计算式
• 3.4.4 碟形弹簧材料的要求
• 3.4.5 碟形弹簧尺寸的确定
• 3.5 压力自适应活塞结构设计
• 3.5.1 压力自适应活塞上活塞结构
• 3.5.2 压力自适应活塞下活塞结构
• 3.5.3 压力自适应活塞垫片尺寸大小
• 3.5.4 压力自适应活塞固定环设计
• 3.5.5 压力自适应发动机活塞整体结构
• 3.6 本章小结
• 4 压力自适应活塞缸内工作过程模型建立与仿真
• 4.1 压力自适应活塞工作过程数学模型
• 4.2 气缸内热力学过程分析基本假设
• 4.3 气缸内热力学过程的基本微分方程
• 4.3.1 能量守恒方程
• 4.3.2 质量守恒方程
• 4.3.3 想气体状态方程
• 4.4 动力学方程
• 4.5 气缸工作容积分析
• 4.6 燃烧放热率的计算
• 4.6.1 燃烧放热率确定的方法
• 4.6.2 韦伯函数
• 4.6.3 变工况时的计算
• 4.7 气缸周壁的传热
• 4.8 MATLAB-Simulink简介
• 4.9 基于Simulink的仿真程序设计
• 4.9.1 仿真模型一般性结构
• 4.9.2 系统模块的选择
• 4.9.3 构建子系统
• 4.9.4 建立系统方块图
• 4.9.5 子系统的封装
• 4.9.6 仿真参数的设置
• 4.10 模型验证
• 4.10.1 仿真结果的比较
• 4.10.2 误差来源的判断
• 4.11 本章小结
• 5 压力自适应活塞可变压缩比技术方案评价
• 5.1 评价指标
• 5.1.1 平均指示压力
• 5.1.2 指示功率
• 5.1.3 指示热效率
• 5.1.4 指示燃油消耗率
• 5.2 缸内燃烧状况分析
• 5.2.1 压力
• 5.2.2 碟簧变形量
• 5.2.3 气缸工作容积
• 5.2.4 燃烧放热率的比较
• 5.2.5 周壁传热率的比较
• 5.2.6 指示功的比较
• 5.2.7 压力升高率的比较
• 5.2.8 缸内温度的比较
• 5.3 有效压缩比
• 5.4 本章小结
• 6 压力自适应活塞有限元分析
• 6.1 有限元静力分析的问题简化
• 6.2 有限元模型建立
• 6.2.1 静力模型的建立
• 6.2.2 单元选择
• 6.2.3 网格划分
• 6.2.4 材料定义
• 6.2.5 约束
• 6.2.6 载荷
• 6.3 有限元静力分析结果
• 6.4 基于活塞减重的优化设计
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献