基于無凸輪式進(jìn)氣型線的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能研究

張鵬博，何義團(tuán)，袁晨恒

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

配氣過程是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的開啟相位、持續(xù)時(shí)間和升程是改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要方法。傳統(tǒng)凸輪軸式配氣系統(tǒng)的氣門運(yùn)行參數(shù)是不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)性能折中的選擇，且不隨工況變化而變化，而發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況需要與之相應(yīng)的配氣性能[1-2]。采用節(jié)氣門控制負(fù)荷并由此帶來泵氣損失是影響發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的主要原因，降低泵氣損失的措施有很多，如利用可變氣門正時(shí)技術(shù)并實(shí)現(xiàn)對凸輪正時(shí)機(jī)構(gòu)的良好控制,能夠降低泵氣損失并有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性[3-6]。無凸輪式配氣機(jī)構(gòu)取消了凸輪軸及其從動(dòng)件，代以電液、電磁或者電氣等方式驅(qū)動(dòng)氣門動(dòng)作[7]，氣門開啟與關(guān)閉速度明顯提高，進(jìn)氣時(shí)面值明顯增大[8]，泵氣損失降低。王云開通過自主開發(fā)無凸輪電液配氣機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了氣門相位可變[9]。黃玉珍等在某汽油機(jī)上開發(fā)了一種全可變液壓氣門系統(tǒng)，顯著降低了氣門落座速度，實(shí)現(xiàn)了氣門平穩(wěn)落座[10]。

本研究主要通過設(shè)計(jì)無凸輪進(jìn)氣型線，研究該無凸輪式進(jìn)氣型線對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能的影響，并探究不同工況下無凸輪式進(jìn)氣型線的變化情況。

1 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)建模與型線設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)建模與標(biāo)定

本研究所建立的計(jì)算模型原機(jī)為某增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，課題組曾用該模型進(jìn)行摻氫CNG發(fā)動(dòng)機(jī)性能的研究[11]，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 原機(jī)主要性能參數(shù)

1.2 進(jìn)氣型線設(shè)計(jì)

為了防止活塞到達(dá)上止點(diǎn)前與氣門發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，不同進(jìn)氣早開角下，都應(yīng)保證氣門升程小于燃燒室凹坑深度與頂隙之和；活塞到達(dá)上止點(diǎn)后開始下行，在進(jìn)氣門到達(dá)最大升程位置之前，氣門位移應(yīng)小于頂隙與活塞下行距離總和。

實(shí)踐證明，當(dāng)氣門沖擊速度超過0.5 m/s時(shí)，一般材料的氣門和氣門座就會(huì)很快損壞[12]。為便于設(shè)計(jì)，保持氣門最大升程不超過原機(jī)最大升程；此外，為防止回火現(xiàn)象的出現(xiàn)，初期進(jìn)氣門開啟速度不宜過快；為使氣門平穩(wěn)落座，氣門關(guān)閉速度也不宜過快。原凸輪式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣初期氣門升程較小，進(jìn)氣阻力較大，節(jié)流損失較大，在保持進(jìn)氣門閥與活塞不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉的前提下，無凸輪式進(jìn)氣型線在進(jìn)氣初期氣門升程應(yīng)有所提高。在此基礎(chǔ)上，保持進(jìn)氣早開角不變。為了提高進(jìn)氣效率，進(jìn)氣升程最大時(shí)，氣門位置維持一定曲軸轉(zhuǎn)角，在滿足進(jìn)氣量條件下，進(jìn)氣門可在下止點(diǎn)關(guān)閉。為了研究無凸輪進(jìn)氣型線對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能的影響，運(yùn)用分段線性插值法進(jìn)行曲線擬合，進(jìn)氣早開角為19° BTDC，在當(dāng)進(jìn)氣升程達(dá)到最大時(shí)，使氣門位置維持30°不變。所設(shè)計(jì)的無凸輪式進(jìn)氣型線見圖1，兩種進(jìn)氣策略下的進(jìn)氣特征參數(shù)見表2。由表2可知，原凸輪式進(jìn)氣型線下，進(jìn)氣門開啟與關(guān)閉速度相等，而采用無凸輪式進(jìn)氣型線，進(jìn)氣門開啟與關(guān)閉最大速度雖高于原機(jī)，但氣門速度均在可控范圍內(nèi)。

圖1 進(jìn)氣門升程與運(yùn)動(dòng)速度對比

參數(shù)原凸輪式無凸輪式進(jìn)氣早開角(BTDC)/(°)1919進(jìn)氣晚關(guān)角(ABDC)/(°)38BDC氣門開啟最大速度/m·s-10.1660.196氣門關(guān)閉最大速度/m·s-10.1660.253

2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算與分析

2.1 三維仿真模型的建立

為探究該進(jìn)氣型線下CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣特性，建立包含發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作過程的三維仿真模型(見圖2)，共包含4個(gè)過程：1)進(jìn)氣道+排氣道+氣缸(氣門重疊期)；2)進(jìn)氣道+氣缸(進(jìn)氣門開，排氣門關(guān))；3)氣缸(進(jìn)排氣門均關(guān))；4)排氣道+氣缸(進(jìn)氣門關(guān)，排氣門開)。兩組進(jìn)氣型線進(jìn)氣門開啟時(shí)刻相同，氣門重疊時(shí)期均為341°～371°，傳統(tǒng)凸輪式進(jìn)氣時(shí)期為371°～578°，無凸輪式進(jìn)氣時(shí)期為371°～540°，即無凸輪式進(jìn)氣門在下止點(diǎn)關(guān)閉。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻體網(wǎng)格模型

利用AVL-Fire進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模擬，燃燒模型選擇Coherent Flame Model/CFM-2A，選擇k-zeta-f進(jìn)行湍流模擬。缸內(nèi)三維仿真需要設(shè)置計(jì)算的初始條件和邊界條件，計(jì)算初始條件包括缸內(nèi)壓力、溫度和進(jìn)氣管壓力、溫度，這些初始條件均由Boost直接計(jì)算得到。計(jì)算邊界條件主要包括活塞頂部、氣缸蓋壁面、缸套壁面等溫度，其中的溫度初始值均是根據(jù)缸壓、冷卻水溫度、排氣溫度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照能量守恒方程進(jìn)行估算得到，主要邊界條件、初始條件分別見表3和表4。

表3 計(jì)算邊界條件

表4 計(jì)算初始條件

2.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，選擇最大扭矩點(diǎn)工況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證工況具體數(shù)據(jù)見表5。為了保證仿真計(jì)算的精度和收斂速度，要求初始條件的設(shè)定盡量與實(shí)際相接近。

表5 模擬工況點(diǎn)數(shù)據(jù)

利用發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并將仿真缸壓數(shù)據(jù)與試驗(yàn)缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果見圖3。通過對比發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)氣歧管壓力為120 kPa，轉(zhuǎn)速1 600 r/min的工況下，模擬得到的缸壓值與試驗(yàn)值比較接近，最大誤差不超過1%，由此可見，所搭建的模型較為合理，能夠用于發(fā)動(dòng)機(jī)三維性能仿真計(jì)算。

圖3 缸壓仿真值與試驗(yàn)值對比

3 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 模擬工況仿真研究

計(jì)算工況為模型標(biāo)定工況，為了研究新型無凸輪式進(jìn)氣型線對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能的影響，分析該工況下進(jìn)氣道與缸內(nèi)流場分布情況，選擇377°、進(jìn)氣門關(guān)閉前5°及進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻3個(gè)位置，其中切片截面是沿著曲軸軸向方向。

圖4、圖5及圖6中3組切片分別是采用凸輪式進(jìn)氣型線和無凸輪式進(jìn)氣型線時(shí)氣流速度場對比。377°時(shí)，進(jìn)氣門處于持續(xù)開啟過程初期，活塞已經(jīng)越過上止點(diǎn)正在向下止點(diǎn)移動(dòng)，此時(shí)進(jìn)氣升程較小，最大流速出現(xiàn)在氣門喉口附近，氣流沿進(jìn)氣道壁面、進(jìn)氣門桿壁流入氣缸。這是因?yàn)檫M(jìn)氣門還沒有完全開啟，進(jìn)氣有效流通截面較小，從而導(dǎo)致進(jìn)氣流動(dòng)阻力較大，此時(shí)進(jìn)氣道壁面及進(jìn)氣門桿壁起到了導(dǎo)流的作用，且采用無凸輪式進(jìn)氣型線時(shí)，氣門升程較大，進(jìn)氣阻力較小。

圖4 377°時(shí)刻進(jìn)氣速度場及局部放大對比

圖5 進(jìn)氣門關(guān)閉前5°時(shí)刻速度場對比

圖6 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻進(jìn)氣速度場對比

進(jìn)氣門關(guān)閉前氣門升程也較小，若進(jìn)氣門關(guān)閉過早則不能充分利用進(jìn)氣慣性，過晚則把過多已充入氣缸的新鮮充量推回進(jìn)氣管，使得充氣效率降低。由圖5進(jìn)氣道及缸內(nèi)流場分布可知，采用凸輪式進(jìn)氣型線，由于進(jìn)氣末期升程較小，高速氣流被阻擋在進(jìn)氣喉口處；而采用無凸輪式進(jìn)氣型線，缸內(nèi)渦流密度較大，且在缸內(nèi)分布密集，這是因?yàn)檫M(jìn)氣末期氣門升程仍然較大，進(jìn)氣有效流通截面較大，進(jìn)氣相對較為順暢，再加上前期進(jìn)氣阻礙較小，進(jìn)氣渦流程度不斷加強(qiáng)。

由圖6可知，采用無凸輪式進(jìn)氣型線，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻，缸內(nèi)形成多處氣流漩渦，利于引導(dǎo)氣流運(yùn)動(dòng)及缸內(nèi)氣體混合。圖7進(jìn)氣流量對比顯示，采用無凸輪式進(jìn)氣型線，進(jìn)氣質(zhì)量流量增加較快，且進(jìn)氣晚關(guān)角較小，在進(jìn)氣末期能夠有效防止進(jìn)氣回流。通過表6數(shù)據(jù)可知，采用無凸輪式進(jìn)氣型線且進(jìn)氣門在下止點(diǎn)關(guān)閉，循環(huán)進(jìn)氣量提高了1.45%，充量系數(shù)提高1.70%。由此進(jìn)一步說明了采用無凸輪式進(jìn)氣型線在提高充量系數(shù)、改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面的優(yōu)勢。

圖7 進(jìn)氣流量對比

型線類型進(jìn)氣關(guān)閉角/(°)循環(huán)進(jìn)氣量/g充量系數(shù)原凸輪式5786.6280.839無凸輪式5406.7240.825

表7示出采用兩種進(jìn)氣型線后，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的變化情況。結(jié)果表明，采用無凸輪式進(jìn)氣型線，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性均得到提高，指示功率提高1.29%，燃油消耗率降低2.88%。

表7 發(fā)動(dòng)機(jī)指示功率與燃油消耗率對比

3.2 不同轉(zhuǎn)速的無凸輪式進(jìn)氣型線設(shè)計(jì)

上文對轉(zhuǎn)速1 600 r/min、進(jìn)氣管壓力120 kPa工況下采用無凸輪式進(jìn)氣型線的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能進(jìn)行研究，并與原機(jī)進(jìn)行對比。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，對應(yīng)的無凸輪式進(jìn)氣型線也應(yīng)隨之發(fā)生改變，為了進(jìn)一步探究不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能的變化情況，并探究無凸輪式進(jìn)氣性能的變化情況，設(shè)計(jì)了多組進(jìn)氣型線(見圖8)。表8示出不同進(jìn)氣晚關(guān)角下的氣門最大運(yùn)動(dòng)速度。由表8可見，隨著進(jìn)氣晚關(guān)角的減小，進(jìn)氣門最大運(yùn)動(dòng)速度不斷增加，最大運(yùn)動(dòng)速度不超過0.3 m/s，所設(shè)計(jì)的進(jìn)氣型線較為可靠。

圖8 不同進(jìn)氣晚關(guān)角下的無凸輪式進(jìn)氣型線

進(jìn)氣晚關(guān)角(ABDC)/(°)010203037進(jìn)氣門最大運(yùn)動(dòng)速度/m·s-10.2960.2540.2170.1890.174

圖9示出不同轉(zhuǎn)速下充量系數(shù)隨進(jìn)氣晚關(guān)角的變化情況，仿真工況進(jìn)氣管壓力為178 kPa，轉(zhuǎn)速分別為1 600，2 400，2 800 r/min。從圖中可以看出，進(jìn)氣管壓力不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，充量系數(shù)均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這主要是因?yàn)檫M(jìn)氣門關(guān)閉過晚使得進(jìn)入到缸內(nèi)的新鮮充量被反推回進(jìn)氣管，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，最佳進(jìn)氣晚關(guān)角也應(yīng)增大。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下充量系數(shù)隨進(jìn)氣晚關(guān)角的變化

4 結(jié)論

a) 通過對原凸輪式進(jìn)氣型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，氣門啟閉速度提高，進(jìn)氣升程最大時(shí)氣門位置固定并保持一段曲軸轉(zhuǎn)角，進(jìn)氣有效流通截面增大，進(jìn)氣末期，缸內(nèi)渦流密度較大；

b) 采用設(shè)計(jì)的無凸輪式進(jìn)氣型線，保持進(jìn)氣早開角不變，轉(zhuǎn)速1 600 r/min、進(jìn)氣管壓力120 kPa時(shí)，進(jìn)氣門可以在下止點(diǎn)關(guān)閉，并且有效防止進(jìn)氣回流，充氣效率提高1.70%，循環(huán)進(jìn)氣量提高了1.45%，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性均得到優(yōu)化，指示功率相比原機(jī)提高1.29%，燃油消耗率相比原機(jī)降低2.88%；

c) 充量系數(shù)隨進(jìn)氣晚關(guān)角的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，最佳進(jìn)氣晚關(guān)角隨著轉(zhuǎn)速的提高也不斷增大。