GT POWER排气系统的研究意义

   现代发动机的排气系统对发动机的性能和燃油消耗有着重要影响。排气系统和进气系统直接影响到了发动机换气过程的质量，而合理组织换气过程，对发动机的动力性和经济性的提高具有重要的意义。而换气时，占换气损失最大比例的排气损失是应该尽量要减少的。减少排气损失就成了排气系统优化设计最主要的目的。排气过程中，分为自由排气阶段和强制排气阶段，前者是因为缸内压力和排气门端压力差足以使废弃自由流出，后者是缸内压力大大降低以后，活塞上行强行排气。在这两阶段中，排出的废气量，排气阻力和排气晚关角都是对发动机性能有重要影响的。排气阻力可以通过对排气歧管的和排气门的优化设计来减小，而排气晚关角是为了利用废气具有向外运动的惯性来增大排气量，各个工况的排气晚关角有最佳值，所以也是需要根据不同的发动机需求来制定的。除此以外排气门关闭时压力和温度也是会影响到排气阻力和废弃密度，使得残余废气系数上升，间接使得充量系数下降。由于以上的因素，也让现代发动机在排气方面研究出了许多新的技术，比如说废气再循环等以及排气门可变升程等。由此可见，现代发动机排气系统对于发动机的性能和油耗十分重要。

排气系统中包括了排气歧管，消声器和排气净化装置。其中，排气歧管在换气过程中起到了非常重要的作用。良好的排气歧管设计应该使排气阻力降到最小，同时保证各缸之间的排气干涉最小化。排气阻力的大小和头段的设计角度、中尾段的管径粗细以及三元催化的大小、总体长度和弯曲角度、尾部消音器的回路也就是回压都有相当的关系。但是由于现在对于尾气净化和汽车的降噪的要求，三元催化器是必须的，而因为它的存在也就了排气阻力的减小的途径。对于现在比较常见的四缸发动机来说，大部分都是四个歧管最后合成一跟总管的结构。排气过程中由于每一缸排气门到各缸排气接口处的距离可能有差距，每一缸的点火都有一定的顺序，虽然为了避免排气的干涉已经在顺序上尽量分开，但是多少由于时间差还是会使结合处的排气堵塞到一起，有的改装车采用了先合成两条，在合成一条，因为多了截管，所以有利于排气干涉的的问题。除此，等长的歧管也有利于此，当然，和它的长度，曲率，管径都至关重要。但是，现代的汽车越来越普及化，生产成本问题使得排气歧管的结构方面要做出的妥协很多。而且还有三元催化器的存在，使得结构方面因素很多，但是排气歧管的结构优化仍然对提高换气效率有重要影响。所以说，对探索不同排气歧管对排气容积效率的影响就显得十分重要。本次毕业设计的主要内容正是通过商业专业发动机模拟软件GT- POWER来探究不同排气歧管对容积相率的影响，对发动机排气系统进行优化设计。

除排气歧管外，排气系统中的催化器的位置选择应综合考虑冷起动时催化器的快速起燃和高转速和高负荷时的温度。由于发动机排出的废气高温，而催化器有自己合适的工作温度，三元催化器的工作的最佳温度一般为400-800度，而超过了800度的话则会是的催化器工作过热，如果发动机的燃烧不良，排气中会有未燃烧的燃料气体，则是会到处工作温度大幅度提高，超过1000摄氏度后作为催化剂的贵金属成分自身也将会产生化学变化，从而使催化器内的有效催化剂成分降低，使催化作用减弱。 另外，发动机冷启动时温度不够，无法达到催化器的最佳工作温度的下限400度，高转速时，传热时间短排气温度较高，高负荷时混合气较浓，要避免催化器的温度骤变，使得催化器内的陶瓷芯破裂，目前三元催化器的价格还比较高，损坏和失效带来的损失也比较大。所以说，发动机在高转速和高负荷温度需要。只有处理好冷启动和高转速高负荷时候使得催化器都在最佳工作温度范围内，才能使得三元催化器不至于过早损坏或者失效。本次毕业设计的任务之一就是在建立发动机模型后，对排气系统优化的基础上，计算不同位置催化器进口温度的影响，合理的选择三元催化器的位置。

消声器在获得合理的排气噪声声压级的情况下，尽可能合理的控制排气背压在一个合理的范围。在现代汽车排放和噪声等级越来越严格的形势下，排气背压已经被了，因为三元催化器和消声器的存在。但是，排气背压存在使得发动机的动力性受到了影响。比如F1赛车的发动机就都是采用“直排”，换来的是巨大的引擎噪声。为了保护环境和可持续发展，排放和噪声的也就是催化器和消声器还是现代汽车所必须的。所以，我们必须在此基础上，追求动力性和噪声降低的平衡上尽量做到最好。这不是本次毕业设计的主要任务，但是是整个排气系统优化的重要部分之一。

在现代发动机设计中，数值仿真已经成为越来越重要的开发手段。在概念确定阶段，即可利用数值模拟工具得到基本设计或改进的发动机运行结果。GT-POWER软件是针对发动机性能，噪声的仿真计算的发动机专业软件。软件的主要应用范围也正好包括了进气排气歧管的设计和调整，歧管的壁面温度。在GT-POWER软件中建立的发动机模型相对于一般的编程语言和别的软件来讲，发动机的各个部分比如进排气管，气缸等等都是有现成的模版，在模版内加入参数变成实体，实体作为一批类似结构的部件，部件的参数部分重置后在根据发动机工作的结构顺序把部件连接起来，形成GT-POWER下的发动机模型。再进行各种需要的运行计算和后处理等等。确实是非常方便和有用的发动机数值模拟工具，所以本次毕业设计选择了商业发动机模拟软件GT-POWER来对排气歧管进行优化设计。而本次对于GT-POWER专业软件的学习，对于以后的工作和对于今后发动机研究特别是数值模拟计算方面有很大的帮助。