基于氣門升程曲線的發(fā)動機性能優(yōu)化

王超 翁中華 楊陳 袁爽 沈源 王瑞平,2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司）

基于氣門升程曲線的發(fā)動機性能優(yōu)化

王超1翁中華1楊陳1袁爽1沈源1王瑞平1,2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司）

進排氣門的開啟時刻，對氣缸充量有重要的影響。利用進氣慣性及進氣門遲閉可以有效地增加氣缸充量，而較大的遲閉角可能會因為活塞的上移將氣體推出氣缸，減小氣缸充量。同樣，排氣提前可以有效地降低缸內(nèi)殘余廢氣，使排氣通暢；而較大的排氣提前角可能會造成有效功的損失，并導致各缸間進排氣干涉，減小氣缸充量。采用仿真分析的方法，分析造成發(fā)動機扭矩偏低的原因，更改進排氣門升程曲線，有效地增加氣缸充量，增加發(fā)動機動力性。同時通過試驗驗證，選用最終的實施方案。

發(fā)動機氣門升程氣門包角氣門重疊角

引言

發(fā)動機換氣過程的好壞直接影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能。同樣大小的氣缸容積，在相同的進氣狀態(tài)下若能吸入更多的新鮮空氣，則可噴更多的燃料，產(chǎn)生更多有用功[1～3]。同時，由于多缸機存在兩個缸氣門同時打開的現(xiàn)象，廢氣倒流直接影響充氣效率。因此，合理的配氣相位，對提高氣缸的充氣效率和改善發(fā)動機的性能具有重要意義。

本文針對一款四缸自然吸氣發(fā)動機中轉(zhuǎn)速性能較差，缺乏市場競爭力的情況，借助專業(yè)的發(fā)動機性能計算軟件，分析和優(yōu)化發(fā)動機進排氣凸輪型線，提高發(fā)動機的動力性能，最終達到預期目標要求。同時對提出的方案進行發(fā)動機臺架標定試驗，驗證提出方案的可行性，并確定最終的實施方案。

1 開發(fā)目標

目前，國內(nèi)的發(fā)動機和整車行業(yè)較少做一個全新發(fā)動機開發(fā)項目，通常為了適應(yīng)法規(guī)及當前市場的需求，對現(xiàn)有發(fā)動機進行改型及優(yōu)化設(shè)計是發(fā)動機各主機廠的主要任務(wù)。

基于此款自然吸氣發(fā)動機中低速性能差，油耗偏高的市場反饋問題，本項目嘗試通過優(yōu)化凸輪的型線來改善發(fā)動機性能提高市場競爭力。圖1、圖2、圖3顯示項目的開發(fā)目標。

圖1 發(fā)動機扭矩開發(fā)目標

圖2 發(fā)動機功率開發(fā)目標

圖3 油耗率開發(fā)目標

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 原狀態(tài)數(shù)據(jù)分析

利用較成熟的一維熱力學仿真軟件AVL-boost，根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，搭建一維熱力學仿真計算模型。得到計算結(jié)果，并根據(jù)計算結(jié)果分析發(fā)動機的進氣特性，得到優(yōu)化發(fā)動機動力性及經(jīng)濟性的方案。

發(fā)動機的換氣過程有一個特殊階段，在進氣上止點前后，由于進氣門的提前開啟與排氣門的延遲關(guān)閉，使內(nèi)燃機從進氣門開啟到排氣門關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，出現(xiàn)進排氣門疊開時刻，發(fā)動機結(jié)構(gòu)的不同，對氣門重疊角大小的要求也有所不同[4]。進氣特性對自然吸氣發(fā)動機的影響尤為重要。

在氣門疊開時刻，可以通過進氣門入口處、缸內(nèi)、排氣門出口處3處壓力對比分析，得到在氣門疊開時刻新鮮空氣的流動情況，同時根據(jù)流動的質(zhì)量流量，分析得到優(yōu)化氣門升程曲線的方案。圖4、圖5、圖6分別顯示，在2000r/min、4000 r/min、6000r/min時，進氣質(zhì)量流量的變化情況，圖7顯示4000r/min時一缸氣門開啟與3缸氣門疊開情況。

圖4 2000r/min進氣質(zhì)量流量分析

圖5 4000r/min進氣質(zhì)量流量分析

圖6 6000r/min進氣質(zhì)量流量分析

圖7 4000r/min時氣門疊開情況

根據(jù)以上計算結(jié)果分析可以得出：

1）發(fā)動機各轉(zhuǎn)速全負荷工況下，在進氣終了時均出現(xiàn)進氣質(zhì)量流量是負值的現(xiàn)象，低速時較明顯。其主要原因是由于在這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，缸內(nèi)壓力與進氣壓力持平，氣流的慣性變小，這時活塞已經(jīng)上行，由于進氣門的遲閉角過大，氣門未關(guān)閉，造成活塞上行時將已進入缸內(nèi)的氣體從缸內(nèi)推出，形成負的進氣質(zhì)量流量，降低了充量系數(shù)，減小了進氣量。

2）發(fā)動機各轉(zhuǎn)速全負荷工況下，在氣門疊開時均出現(xiàn)的進氣質(zhì)量流量是負值的現(xiàn)象，低速時較明顯，主要原因是由于氣門的疊開角過大，此時的缸內(nèi)壓力大于進氣壓力，出現(xiàn)部分氣體倒流的現(xiàn)象，即缸內(nèi)的高溫廢氣倒流至進氣管，這樣直接影響進氣質(zhì)量流量，減小了發(fā)動機的進氣量，發(fā)動機的各項性能也隨之降低。

同時，由于三缸的排氣門在一缸出現(xiàn)重疊角時打開，此時，三缸處在自由排氣階段，在自由排氣階段三缸排氣門處壓力較高，更加劇了因為排氣門包角過大氣體倒流現(xiàn)象，加劇了發(fā)動機充量的減少。

2.2 優(yōu)化方案

根據(jù)以上發(fā)動機充量減少的原因做優(yōu)化方案，分別更改進排氣門升程曲線。進氣門升程曲線的更改方案如圖8所示，減小進氣門包角，降低因活塞上行推出的氣體充量。

圖8 進氣門升程曲線更改方案

根據(jù)進氣門的更改方案，分別得到不同方案的進氣質(zhì)量流量及外特性扭矩的對比，如圖9，圖10所示。

圖9 2000r/min時進氣質(zhì)量流量對比

圖10 4000r/min時進氣質(zhì)量流量對比

同時選取intake_1方案與排氣門升程曲線更改方案組合，計算外特性，圖11顯示排氣凸輪軸更改方案對比。

2.3 優(yōu)化分析

根據(jù)進排氣的更改方案，可以得到減小進排氣門包角后，發(fā)動機的外特性有較大幅度的提升。而更改進氣凸輪型線與排氣凸輪型線得到的優(yōu)化機理是不相同的，圖13顯示以3000r/min為例，更改氣門升程后P-V圖對比。

圖11 排氣凸輪軸更改方案

圖12 排氣凸輪軸更改方案扭矩對比

圖13 排氣凸輪軸更改方案P-V圖對比

進氣門提前開啟的目的，是為了保證進氣行程開始時進氣門已開大，新鮮氣體能夠順利進氣缸。當活塞到達下止點時，氣缸內(nèi)壓力仍低于大氣壓力，在壓縮行程開始階段，活塞上移速度較慢的情況下，仍可以利用氣體的慣性和壓力差繼續(xù)進氣，因此進氣門晚關(guān)一點是有利于充氣的。但是過大的遲閉角可能造成活塞上移時將氣體退出氣缸，減小了氣缸內(nèi)的充量。所以本項目在減小進氣門包角后，外特性動力性均有提升的原因。

同樣，作功形成接近終了，活塞到達下止點前，排氣門便開始開啟，經(jīng)過整個排氣行程，在活塞越過上止點后，排氣門才關(guān)閉。而對于排氣門提前開啟的原因是氣缸內(nèi)的氣體雖然有0.3～0.4 MPa，但就活塞作功而言，作用不大，這時若稍開排氣門，大部分廢氣可迅速排出缸內(nèi)。但是過大的排氣提前角會降低缸內(nèi)高壓氣體的有效功，從而降低了外特性扭矩。從圖13的P-V圖中可以看出，在本項目中減小了排氣的提前角后，有效功的增加較大。

同時由于本項目是四缸機，在一缸處于氣門疊開時，此時三缸排氣門正好打開，在三缸的自由排氣階段。若較大的排氣提前角同樣會造成較大的氣體倒流，從而影響進氣充量，如圖14所示。

圖14 一缸進氣與三缸排氣干涉情況

3 方案驗證

根據(jù)仿真計算分析的四個方案進行驗證，如表1所示。4個方案不同進排氣開啟時刻對比。

表1 各方案進排氣包角對比

分別對不同的開啟時刻，加工了4種方案的凸輪軸，圖15、16、17顯示不同方案的試驗結(jié)果。

由以上試驗結(jié)果可以看出本項目的進氣遲閉角、排氣提前角偏大，造成了缸內(nèi)進氣充量的減少，從而影響了動力性及經(jīng)濟性。同時通過更改進氣遲閉角及排氣提前角，較好地提升了發(fā)動機的外特性，達到了項目初期的性能目標，根據(jù)項目的開發(fā)目標，最終選取1#方案為最終實施方案。

圖15 不同方案扭矩結(jié)果對比

圖16 不同方案功率結(jié)果對比

圖17 不同方案油耗率結(jié)果對比

4 結(jié)論

1）在利用進氣慣性提高氣缸充量時，應(yīng)充分考慮較大的遲閉角對充量的影響，較大的遲閉角，在活塞上移階段會造成氣體推回，影響氣缸的充量；

2）排氣提前角影響發(fā)動機的排氣充分性，同時過大的排氣提前角可能造成有效功的損失，從而降低了發(fā)動機的動力性，油耗也隨之增加；

3）排氣提前角較大同樣也影響氣缸的充量，例如一缸與三缸的干涉，在一缸氣門疊開時，恰好是三缸的自由排氣階段，會造成排氣廢氣倒流回缸內(nèi)，影響氣缸的充量；

4）通過仿真計算的方法，可以得到缸內(nèi)進氣充量的變化，準確得到凸輪型線優(yōu)化的方向。通過試驗驗證的方法，確定最終的實施方案。

1許元默，帥石金，王建昕．進氣歧管對電噴汽油機充氣效率的影響[J].內(nèi)燃機工程，2004，25（1）：27～34

2李景淵．發(fā)動機進氣系統(tǒng)性能分析研究[D]．重慶：重慶大學，2005

3余國核，閻祥安，馮淑杰，等．進氣諧振對單缸發(fā)動機動力性能影響的試驗研究[J]．四川大學學報：工程科學版，2007，39（5）：166～169

4周龍保.內(nèi)燃機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005

Engine Performance Optimization through Valve Profile Modification

Wang Chao1，Weng Zhonghua1，Yang Chen1，Yuan Shuang1，Shen Yuan1，Wang Ruiping1，2
1-Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.(Ningbo，Zhejiang，315000，China) 2-Zhejiang Geely Royal Engine Co.Ltd.

Cylinder charge is greatly affected by the intake and exhaust valve opening and closing time. Because of flow inertia，the charge can be increased with a delayed intake valve-closing，while an overdelayed closing time may lead to the reduction of the charge，which is pushed by the up-moving piston. Meanwhile，an advanced opening of exhaust valves reduces the residual gas in the cylinder and smoothes the exhaust flow.If the advancement is too large，it may result in the damage of the effective power and the reduction of the in-cylinder charge because of the interference of intake and exhaust flow of each cylinder. In this article，the cause of low engine torque was analyzed by simulation method.The valve lift curve was modified to efficiently increase the cylinder charge and improve the engine power.The final implementation plan was determined through experimental validation.

Engine，Valve lift，Valve span angle，Valve overlap

TK411+.3

A

2095-8234（2014）-0064-05

2014-06-03）

王超（1986-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機熱力學仿真計算。