直喷增压发动机的性能分析与优化

涡轮增压缸内直喷汽油机具有高升功率,低排放、低油耗等优点,成为了当今汽车行业节能减排的重要技术方案之一。为了在最小成本的前提下实现整车对发动机提出的性能目标,本文研究了发动机性能仿真理论、通过对标竞品车型确定发动机性能目标的方法、影响发动机性能的因素、基于多目标多学科设计优化的初始技术方案、基于初始技术方案的直喷增压发动机待优化内容(包括发动机排量、气门升程型线、可选的压缩比、涡轮机选型、进气门尺寸、进气歧管管径以及稳压腔容积)、直喷增压发动机性能模型参数定义等内容。这些内容的研究为直喷增压发动机的性能分析与优化提供了理论支撑和前提条件。本文使用了“DOE优化联合试验验证”的方法。基于里卡多的DOE优化算法和步骤(排量优化——优化全负荷——优化部分负荷),重点分析了待优化内容对增压直喷发动机的性能影响。通过分析,预测了实现性能目标的待优化内容的最优变量组合(1.5L、主选凸轮、45K84涡轮机、压缩比10、进气门尺寸ISD23.5mm、进气歧管管径24mm和稳压腔容积1.27L)。最后,对分析和优化后推荐的硬件组合方案进行性能验证,试验表明:1.5L增压直喷发动机全负荷可以实现1700-4200r/min的260Nm和5500r/min的135kW动力性目标,并且全负荷可实现<260g/k Wh的比油耗目标;在部分负荷可实现2000r/min 23.9Nm时377g/kWh以及2500r/min 179Nm时最小比油耗238g/kWh。该实验结果表明:通过使用“DOE优化联合试验验证”的方法,不但在一个设计试验循环内实现了性能目标,而且有效地减少了设计和试验成本。