基于GT-Power的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位優(yōu)化

孫曉娜

(承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北 承德 067000)

配氣相位是指用曲軸轉(zhuǎn)角表示的進(jìn)、排氣門開啟和關(guān)閉的時(shí)刻及開啟的持續(xù)時(shí)間，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率、泵氣損失及排放控制等方面都有很大影響，合理的配氣相位是提高功率、降低油耗及有害排放物的一種有效方法。配氣相位是控制發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的重要環(huán)節(jié)，進(jìn)、排氣門的開關(guān)時(shí)刻直接影響著進(jìn)氣壓力波峰出現(xiàn)的時(shí)刻，因此，配氣相位與進(jìn)排氣系統(tǒng)的合理匹配是增大發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的關(guān)鍵因素[1］。在配氣相位的各個(gè)參數(shù)中，進(jìn)氣門相位的控制，特別是進(jìn)氣遲閉角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)的影響起到?jīng)Q定性作用，而排氣門相位的變化除了影響充量系數(shù)外，還影響著內(nèi)部EGR率，從機(jī)內(nèi)凈化的角度影響NOx排放。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)由于凸輪軸結(jié)構(gòu)固定，其配氣相位也是固定不變的，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，只有在一個(gè)很窄的工況范圍內(nèi)具有最佳配氣相位，而其它工況只能折衷考慮。優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位，實(shí)現(xiàn)可變配氣技術(shù)方案，使發(fā)動(dòng)機(jī)在寬廣的工況范圍內(nèi)都有一個(gè)最佳的配氣相位，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩、高速功率或改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能。本文針對(duì)一臺(tái)改裝的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，利用GT-Power軟件建立仿真模型，以發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下配氣相位進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 仿真模型的建立

本文的研究對(duì)象為一小排量天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)由JL465Q5汽油機(jī)改裝而成，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 JL465Q5發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

利用GT-Power軟件建立天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，為了確保模型能夠真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作情況并有效分析發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，對(duì)不同工況下的仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖1為按照試驗(yàn)條件進(jìn)行的外特性下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率的仿真值與試驗(yàn)值的對(duì)比曲線。

圖1中關(guān)系表明，仿真值與試驗(yàn)值基本吻合，最大誤差控制在6%以內(nèi)。圖2為n=2 000 r/min，λ=1，節(jié)氣門開度40%，點(diǎn)火提前角θig=39°CA BTDC條件下，仿真計(jì)算與試驗(yàn)得到的缸壓曲線。峰值壓力偏差在3%以內(nèi)，峰值壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角偏差為1.4°CA。以上分析證明該GT-Power模型與原機(jī)的一致性較好，可以用來進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的性能預(yù)測(cè)分析。

2 配氣相位優(yōu)化

本文利用GT-Power軟件進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2 000、3 000、4 000、5 000 r/min下，保持原機(jī)的凸輪型線不變，以進(jìn)氣門相位和排氣門相位為獨(dú)立變量，以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)為相關(guān)變量的優(yōu)化計(jì)算。

2.1 進(jìn)氣相位對(duì)充量系數(shù)的影響

圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000～5 000 r/min下，進(jìn)氣相位對(duì)充量系數(shù)的影響。由圖3a)～圖3c)可知，在2 000 r/min、3 000 r/min及4 000 r/min轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)氣遲閉角的增大，充量系數(shù)呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)，即在發(fā)動(dòng)機(jī)中、低轉(zhuǎn)速下，存在一個(gè)最佳進(jìn)氣遲閉角，使充量系數(shù)最大，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有最好的充氣性能，而且此角度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。對(duì)于排氣遲閉角為14°CA ATDC，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，最佳進(jìn)氣遲閉角為44°CA ABDC，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到4 000 r/min時(shí)，最佳進(jìn)氣遲閉角為58°CA ABDC。此外，隨著排氣遲閉角的增大，充量系數(shù)增大，而且最大充量系數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣遲閉角向減小的方向移動(dòng)。由圖3d)可知，在5 000 r/min轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)隨著進(jìn)氣遲閉角的增大而增大，即在發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速下，適當(dāng)增大進(jìn)氣遲閉角，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣性能。

2.2 排氣相位對(duì)充量系數(shù)的影響

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000～5 000 r/min下，排氣相位對(duì)充量系數(shù)的影響。

圖4中關(guān)系表明:1)在相同的進(jìn)氣相位下，隨著排氣遲閉角的增大，即隨著氣門重疊角的增大，充量系數(shù)增大。主要原因在于:在較小的排氣遲閉角下，氣門重疊角較小，由此導(dǎo)致慣性排氣階段縮短而使滯留在氣缸的殘余廢氣增大。此外，利用新氣掃除廢氣的效果也較弱，從而充量系數(shù)較小;隨著排氣遲閉角的增大，慣性排氣階段的延長(zhǎng)使排氣更徹底，掃氣作用加強(qiáng)，殘余廢氣系數(shù)減小，從而充量系數(shù)增大。2)當(dāng)排氣遲閉角小于20°CA ATDC時(shí)，增長(zhǎng)的速度較快;當(dāng)排氣遲閉角大于20°CA ATDC時(shí)，充量系數(shù)增長(zhǎng)的速度變緩。原因在于:當(dāng)排氣遲閉角較大時(shí)，由于排氣門關(guān)閉時(shí)間的推遲，造成一定程度的進(jìn)氣回流，這種進(jìn)氣回流的效應(yīng)抵消了一部分進(jìn)氣掃氣作用，因此，在較大的排氣遲閉角下，充量系數(shù)增加緩慢。

2.3 配氣相位對(duì)充量系數(shù)的影響

圖5為利用DOE計(jì)算得到的2 000～5 000 r/min轉(zhuǎn)速下配氣相位對(duì)充量系數(shù)的影響云圖。由圖5中關(guān)系可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較低(2 000 r/min)時(shí)，充量系數(shù)最大的區(qū)域出現(xiàn)在云圖的左上方，該區(qū)域?yàn)檫M(jìn)氣遲閉角較小，而排氣遲閉角較大的區(qū)域。由于凸輪的型線不變，因此該區(qū)域?yàn)闅忾T重疊角較大的區(qū)域。隨著轉(zhuǎn)速的增加，該區(qū)域向右下方擴(kuò)展，即高充量系數(shù)區(qū)域向氣門重疊角減小的方向擴(kuò)展，在高轉(zhuǎn)速(5 000 r/min)下，排氣門相位對(duì)充量系數(shù)的影響大于進(jìn)氣門相位對(duì)其的影響。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)?對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來說，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，增加進(jìn)氣提前角和排氣遲閉角，即氣門重疊角，可以充分地利用進(jìn)氣壓力高于排氣壓力的特點(diǎn)，增加氣缸掃氣，降低殘余廢氣系數(shù)并加強(qiáng)了進(jìn)氣的冷卻作用，有利于提高充量系數(shù)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加時(shí)，進(jìn)氣氣流的流速和慣性增加，此時(shí)，增大進(jìn)氣遲閉角，有利于充分利用進(jìn)氣過程中行程的氣流慣性，實(shí)現(xiàn)向氣缸的過后充氣;對(duì)于排氣相位，由于在排氣過程后期排氣過程為慣性排氣階段，排氣管內(nèi)的壓力已低于進(jìn)氣壓力，若此時(shí)采用較大的排氣遲閉角，會(huì)造成部分新鮮充量在氣門重疊開啟期間經(jīng)過排氣門直接排入排氣管，造成充量系數(shù)的下降及燃料消耗的增加。因此，高轉(zhuǎn)速下減小排氣遲閉角，可以減小慣性排氣階段，有利于提高充量系數(shù)[2］。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

通過上述分析，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣性能，本文確定了不同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化后的配氣相位，如表2所示。

表2 原機(jī)配氣相位及優(yōu)化后配氣相位

圖6為2 000～5 000 r/min轉(zhuǎn)速下，配氣相位優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)的對(duì)比曲線。圖6中關(guān)系表明:進(jìn)、排氣相位優(yōu)化后，各轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)有明顯提高，在5 000 r/min轉(zhuǎn)速下，充量系數(shù)提高了10.3%。由于配氣相位優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣性能有明顯改善，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也有明顯提高，如圖7所示。主要原因在于:原機(jī)的配氣相位固定不變，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，只有在一個(gè)很窄的工況范圍內(nèi)具有最佳配氣相位，優(yōu)化后的配氣相位采用了可變氣門正時(shí)方案，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下具有最佳配氣相位，因此提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，而有效燃?xì)庀穆蔅SFC在絕大多數(shù)轉(zhuǎn)速下無明顯增加。

4 結(jié)論

1)在發(fā)動(dòng)機(jī)中、低轉(zhuǎn)速下，存在一個(gè)最佳進(jìn)氣遲閉角，使充量系數(shù)最大;在發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速下，適當(dāng)增大進(jìn)氣遲閉角，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣性能。

2)低轉(zhuǎn)速下，采用較大的氣門重疊角有利于增加天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù);隨著轉(zhuǎn)速的增加，氣門重疊角對(duì)充量系數(shù)的影響減弱。

3)采用優(yōu)化后的可變配氣相位，可以有效提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

[1]褚超美，陳家琪，張振東，等.進(jìn)排氣管結(jié)構(gòu)與配氣系統(tǒng)匹配對(duì)汽油機(jī)性能的影響研究[J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2003，24(5):55－58.

[2]劉國(guó)軍，段景輝，楊金鵬，等.雙VVT開度對(duì)GDI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2013，42(2):18－21.