基于AVL-BOOST的可變正時汽油機進氣性能研究

謝文龍,寧欣,黃碩

（1.河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003；2.太平洋保險公司山東分公司,山東濟南250014）

基于AVL-BOOST的可變正時汽油機進氣性能研究

謝文龍1,寧欣1,黃碩2

（1.河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003；2.太平洋保險公司山東分公司,山東濟南250014）

基于AVL-BOOST建立EQ486汽油機的仿真模型.傳統(tǒng)汽油機通過改變節(jié)流閥參數調整不同的節(jié)氣門開度以滿足不同負荷要求.可變正時汽油機節(jié)流閥無節(jié)流作用,將實測的氣門升程數據按照不同的負荷要求輸入仿真模型,選擇不同的升程數據來滿足不同的進氣量以模擬負荷的變化.首先在同一轉速下要求兩種負荷調節(jié)模式下的進氣量相同,這樣才能保證缸內壓力計算及進氣仿真的精確性.可變正時汽油機通過改變進氣門早關角來控制進氣量,對不同進氣早關角下的缸內壓力變化進行分析,計算結果表明選擇不同的氣門運動規(guī)律控制進氣量完全可以取代傳統(tǒng)汽油機的節(jié)氣門來調節(jié)負荷.其次保持同一轉速設定不同的充量系數值,對兩種負荷控制方式下的泵氣損失的變化趨勢進行了分析,結果表明可變正時汽油機在取消節(jié)氣門后,進氣過程中的節(jié)流作用大幅減弱,有效降低了吸氣過程中的泵氣損失,并且改善趨勢隨著充量系數減小更加明顯.

可變正時汽油機；缸內壓力；泵氣損失；模擬仿真

汽油機通過控制節(jié)氣門開度大小來控制進氣流量,開度越大進入氣缸的可燃混合氣越多,發(fā)動機負荷越高；開度越小進入氣缸的可燃混合氣越少,發(fā)動機的負荷越低[1].在城市道路行駛的汽車速度一般不高,其發(fā)動機在大部分時間內都是以中小負荷工況運轉,節(jié)氣門開度往往較小.傳統(tǒng)汽油機配氣定時不變,氣門開啟時刻、配氣相位和氣門升程都不隨發(fā)動機工況變化而變化.當節(jié)氣門開度較小時,進氣系統(tǒng)節(jié)氣門的節(jié)流作用會阻礙進氣,增大了進氣損失,對發(fā)動機的經濟性造成不利影響[2].可變正時汽油機通過液壓氣門機構控制進氣門的配氣相位、氣門升程以調節(jié)進氣量,從結構上取消了節(jié)氣門,可以大大降低進氣過程中的泵氣損失[3].可變正時汽油機能夠滿足低速時采用較小的氣門升程和開啟持續(xù)期,防止缸內新鮮充量向進氣系統(tǒng)倒流,以便增加低速扭矩提高燃油經濟性；在高速時采用較大的氣門升程和進氣遲閉角,最大程度地降低了流動阻力,并可以充分利用過后充氣以提高充量系數,以滿足發(fā)動機高速時動力性的要求[4].本文通過發(fā)動機性能仿真軟件建立一款EQ486汽油機的仿真模型,并對可變正時汽油機的進氣性能進行了分析.

1 AVL-BOOST仿真模型建立

1.1 建立模型

根據EQ486汽油機的機構原理和技術參數,將不同模塊根據實際工作原理連接起來,然后對各個模塊的參數進行設置[5].整個模型由進排氣系統(tǒng)和氣缸系統(tǒng)為主體,進排氣系統(tǒng)模塊主要包括進氣口邊界、空濾器、節(jié)氣門、排氣管及消音器等；氣缸模塊中不同氣缸只有點火順序和進排氣順序不同,不同負荷控制方式下的進氣門運動規(guī)律不同；EQ486汽油機BOOST仿真模型如圖1所示.

模型中各個元件所表示含義如表1所示.

1.2 設置模型參數

在設置參數之前需要對整機的基本參數、技術規(guī)格和部分配件的結構尺寸進行細致分析,然后根據實際工作情況進行設置,此外部分參數的設置還要參照系統(tǒng)自帶的經驗公式[6].由于主要涉及到缸內壓力和泵氣損失的計算,并且兩種模式下的氣門運動規(guī)律有較大區(qū)別,所以只對氣缸參數及氣門運動規(guī)律的設置進行說明.

1.2.1 氣缸參數設置氣缸模塊包括氣缸缸徑、壓縮比、活塞行程、配氣定時、活塞偏置量、連桿尺寸等,主要通過查閱發(fā)動機圖紙或說明書確定,對于部分無法查閱的數據可以直接測量得出.另外還需要根據發(fā)動機的具體結構或者借鑒經驗公式來設置燃燒方式、缸內傳熱方式、氣缸壁溫度等.氣缸模塊基本參數見表2所示.

1.2.2 氣門運動參數的設置傳統(tǒng)汽油機的進氣門運動規(guī)律完全由進氣凸輪型線確定,通過查閱原機圖紙中進氣凸輪型線部分可推算得到進氣門升程數據.而可變正時發(fā)動機的進氣門開閉要受液壓力及氣門彈簧力的綜合作用,所以其進氣門運動規(guī)律由實際試驗測量得到.在輸入參數時把不同早關角的進氣門運動升程數據通過加載數據格式輸入到模型中以滿足不同的工況條件.在氣門參數的輸入時一定要注意滿足兩種負荷調節(jié)方式對應的進氣量相同,傳統(tǒng)汽油機改變節(jié)氣閥的參數,而可變正時汽油機輸入不同的氣門運動參數.氣門運動參數的輸入如圖2所示.

2 進氣性能仿真

可變正時汽油機通過改變進氣早關角控制進氣量,中小負荷時進氣門開啟小升程并且提前關閉,大負荷時開啟大升程并推遲關閉.為了驗證改變進氣早關角能否有效調節(jié)負荷,現(xiàn)基于模型對可變正時汽油機在不同進氣早關角下的缸內壓力變化趨勢進行仿真計算.

2.1 進氣早關對缸內壓力影響

可變正時汽油機無需節(jié)氣門調節(jié)進氣量,所以模型中進氣節(jié)流閥設為全開.分別輸入進氣早關角依次為下止點前17°CA、30 °CA、45°CA、55°CA和70 °CA時,轉速為3 000 r/min的實測氣門升程數據.同一轉速不同進氣早關角下的第三缸缸內壓力p-φ圖、高壓示功圖和低壓示功圖分別見圖3、圖4、圖5.

BOOST模型默認曲軸轉角0 °CA為第一缸壓縮上止點,則圖3中0～180°CA為第三缸的壓縮行程.隨著進氣早關角的逐漸增大,進氣門早關越提前進入氣缸的工質量越少,有效壓縮比越低,活塞運行到上止點時的最高缸內壓力也就越低.上止點前17°CA進氣早關時的缸內最高壓力約5.5 MPa,比上止點前70°CA進氣早關時的缸內最高壓力約30 MPa高83%.進氣早關角每提前約13.25 °CA,缸內最高壓力下降約0.675 MPa.

對于四沖程非增壓汽油機來說,進氣壓力線以上壓縮過程曲線和燃燒過程曲線所圍的面積可代表指示功大小,如圖4所示為不同早關角下的高壓示功圖.如圖所示,進氣早關角越大位于進氣壓力線以上的有用功部分面積較小,表示負荷較小；隨著進氣早關角的逐漸減小,有用功部分的面積逐漸增大,代表汽油機負荷越大.如圖5所示為進氣早關方式的低壓示功圖,進氣早關角越大進氣終了時缸內壓力越低,隨著進氣早關角的減小壓縮終了時缸內壓力逐漸升高,滿足進氣要求的同時大大降低了活塞下行過程中的吸氣損失.綜上仿真結果能夠驗證進氣早關控制進氣量的方式可有效取代傳統(tǒng)節(jié)氣門,以達到調節(jié)負荷的目的.

2.2 泵氣損失的對比

傳統(tǒng)汽油機進氣節(jié)流閥依次設置為不同的閥值,而可變正時汽油機輸入不同升程不同進氣早關角的進氣門運動參數,對比兩種負荷控制模式下的泵氣損失變化還必須要保證相同的進氣量.下表為兩種控制模式下的進氣系統(tǒng)主要項目對比,區(qū)別主要在于負荷控制方式及配氣正時中進氣遲閉角的變化,取轉速為3 000 r/min,運行仿真模型后讀取缸內壓力數據并對比兩種模式下低壓示功圖中泵氣損失的變化.

依次調整進氣節(jié)流閥開度和氣門運動參數使兩種模式的充量系數分別保持為0.5、0.6和0.7,充量系數作為表征實際換氣過程進行完善程度的一個極其重要的參數,也間接反映了汽油機負荷的大小.不同充量系數兩種控制模式的低壓示功圖對比見圖6.

泵氣損失大小可由大氣壓力線P0以下進氣壓力線以上所圍的面積表示,由圖5可知,同一充量系數條件下的可變正時汽油機進氣壓力均明顯高于傳統(tǒng)汽油機,即可變正時汽油機泵氣損失要明顯低于傳統(tǒng)汽油機.

對比不同充量系數值對泵氣損失的影響,當充量系數取較小值時,可變正時汽油機相比于傳統(tǒng)汽油機對泵氣損失的降低程度比較明顯；當充量系數逐漸增大時,這種改善趨勢減弱.這是因為傳統(tǒng)汽油機在低充量系數條件下的節(jié)氣門開度較小,進氣節(jié)流作用明顯,泵氣損失較大；而可變正時汽油機取消了節(jié)氣門,避免進氣節(jié)流作用的同時依靠進氣門早關仍能滿足低進氣量要求.傳統(tǒng)汽油機在高負荷時的節(jié)氣門開度較大,進氣節(jié)流作用不明顯,所以對泵氣損失的降低趨勢不如小負荷時明顯.

3 小結

建立EQ486汽油機的BOOST仿真模型,結合汽油機性能參數、結構參數及結構尺寸輸入模型元件的參數.首先對可變正時汽油機取消節(jié)氣門,通過進氣早關控制負荷變化時缸內壓力變化進行了仿真計算,驗證了可變正時汽油機在取消節(jié)氣門后能夠通過控制進氣早關角來實現(xiàn)對負荷的調節(jié),達到預期效果；其次,對同一轉速下不同充量系數條件下可變正時汽油機相比于傳統(tǒng)汽油機對泵氣損失的改善趨勢進行模擬仿真.結果表明可變正時汽油機取消節(jié)氣門后可明顯降低吸氣過程中的泵氣損失,從而在一定程度上降低了發(fā)動機功率消耗,尤其是在中小負荷工況下這一趨勢更加明顯,所以對于大多在城市路況行駛的汽車來說實現(xiàn)無節(jié)氣門化具有廣闊的發(fā)展前景.

[1]陳家瑞.汽車構造[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社,2005：90-92.

[1]顏伏伍.汽車發(fā)動機原理[M].2版.北京：人民交通出版社,2014：30-31.

[3]謝文龍.多缸汽油機全可變氣門機構的設計及其性能模擬[D].濟南：山東大學,2015.

[4]賈德民.全可變氣門機構對車用發(fā)動機進氣性能的影響[D].濟南：山東大學,2013.

[5]劉增文,王占學,黃紅超,等.變循環(huán)發(fā)動機性能數值模擬[J].航空動力學報,2010,25（6）：1310-1315.

[6]GRIFFITHS J,MISTRY N.An Electro-hydraulic valve operating system for engine research and development,experimental methods in engine research and development[C].IMechE Seminar,1988：846-862.

（責任編輯：盧奇）

Study on the intake performance of variable timing gasoline engine based on AVL-BOOST

XIE Wenlong1,NING Xin1,HUANG Shuo2
（1.Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang453003,China；2.Pacific Insurance Company ShandongBranch,Ji’nan 250014,China）

Using AVL-BOOST to establish the simulation model of EQ486 gasoline engine,change the value of the throttle valve to meet the requirements of different load for the traditional gasoline engine.Variable timing engine throttle valve without inlet throttling effect,according to different load requirements,measured valve lift data was entered into the model,different lift data was selected to simulate the load changes.At the same speed,the requirements of the two modes of the same air intake,so as to ensure the accuracy of the calculation.Variable timing engine by changing the intake valve early angle to adjust the intake flow.The change of cylinder pressure under different EIVC angles was analyzed,the results showed that the choice of different valve motion data could completely replace the traditional throttle to adjust the air intake.Maintain the engine speed constant and set different filling coefficient,the two kinds of load control mode of the change trend of pumping loss was analyzed,the results showed that the throttle effect of the throttle valve was greatly reduced when the throttle valve was cancelled,and the pumping loss was decreased effectively,and with the decrease of the filling coefficient,the improvement trend was more obvious.

variable timing engine；cylinder pressure；pumping loss；simulation

TK413

A

1008-7516（2016）05-0073-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.05.015

2016-07-07

謝文龍（1992—）,男,河南長垣人,碩士,助教.主要從事發(fā)動機進排氣性能優(yōu)化研究.