配氣相位對(duì)汽油機(jī)動(dòng)力性影響的仿真研究

劉庚非 趙順超 馬成功 黎蘇

摘要?基于AVL?BOOST軟件對(duì)某輕型車(chē)用廢氣渦輪增壓GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，并使用臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位的優(yōu)化工作，得到全負(fù)荷與部分負(fù)荷工況時(shí)不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能隨配氣相位的變化規(guī)律：適當(dāng)增大進(jìn)氣提前角可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下的輸出扭矩并提高動(dòng)力性，增大進(jìn)氣遲閉角會(huì)導(dǎo)致輸出扭矩的降低與動(dòng)力性的惡化，改變排氣相位均會(huì)導(dǎo)致全轉(zhuǎn)速下輸出扭矩的減少，經(jīng)過(guò)分析后求得最佳的配氣相位。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的配氣相位令發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下輸出扭矩及整體扭矩儲(chǔ)備系數(shù)顯著增大，工作更為穩(wěn)定，動(dòng)力性提升明顯。

關(guān)?鍵?詞?廢氣渦輪增壓;配氣相位;模擬仿真;優(yōu)化研究;動(dòng)力性

中圖分類(lèi)號(hào)?TK421?????文獻(xiàn)標(biāo)志碼?A

Simulation?studies?of?the?influence?of?gas?distribution?phase?on?the?dynamics?of?gasoline?engine

LIU?Gengfei，?ZHAO?Shunchao，?MA?Chenggong，?LI?Su

（School?of?Energy?and?Environmental?Engineering，?Hebei?University?of?Technology，?Tianjin?300401，?China）

Abstract?Based?on?AVL?BOOST?software，?the?working?process?of?a?light-duty?exhaust?gas?turbocharged?GDI?engine?was?simulated，?and?the?model?was?verified?by?using?the?bench?experimental?data.?Thenthe?engine′s?valve?timing?optimization?was?carried?out.?The?law?of?change?of?the?engine′s?dynamic?performance?with?valve?timing?at?different?speeds?under?full-load?and?partial-load?conditions?was?analyzed.?That?is，?appropriate?increase?of?intake?advance?angle?can?improve?the?output?torque?at?a?low?engine′s?speed?and?the?engine′s?dynamic?performance，?increasing?intake?retard?angle?will?cause?decrease?of?the?output?torque?and?deterioration?of?the?engine′s?dynamic?performance.?Changing?exhaust?valve?timing?will?result?in?reduction?of?the?output?torque?at?all?rotational?speeds.?After?the?analysis，?the?optimal?valve?timing?was?obtained.?The?simulation?results?show?that?the?optimized?valve?timing?makes?the?output?torque?of?low?engine′s?speeds?and?the?overall?torque?reserve?coefficient?significantly?increase.?The?operation?stability?and?dynamic?performance?can?also?be?greatly?improved.

Key?words?exhaust?turbocharger;?valve?timing;?simulation;?optimization;?dynamic?performance

0?引言

為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)力、低油耗、低排放的目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外輕型車(chē)企的主要技術(shù)路線是通過(guò)增壓強(qiáng)化[1-2]來(lái)減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量。提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力后最佳配氣相位發(fā)生變化，不匹配的配氣相位無(wú)法使氣缸保持最佳充氣效率，對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生惡化影響，造成動(dòng)力輸出降低與燃料浪費(fèi)[3]，因此需要對(duì)配氣相位進(jìn)行優(yōu)化工作。

利用數(shù)值模擬的方法對(duì)配氣相位進(jìn)行優(yōu)化可以降低科研經(jīng)費(fèi)，縮短研發(fā)周期，且對(duì)結(jié)果有良好預(yù)測(cè)作用[4]。本課題利用AVL?BOOST軟件，采用改變凸輪軸相位角的方法進(jìn)行配氣調(diào)整[5-6]，通過(guò)研究總結(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線形狀與峰值變化，以及部分轉(zhuǎn)速時(shí)輸出扭矩隨負(fù)荷改變的規(guī)律，提出優(yōu)化方案并求出最佳的配氣相位，優(yōu)化結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與性能分析以及同類(lèi)型的研究工作具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1?模型的建立與驗(yàn)證

1.1?原機(jī)參數(shù)

研究對(duì)象為某帶有廢氣渦輪增壓器和中冷器的缸內(nèi)直噴型直列四缸GDI汽油機(jī)，該汽油機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

1.2?仿真模型的建立

利用AVL?BOOST軟件進(jìn)行模擬仿真可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的各種數(shù)據(jù)[7]，根據(jù)提供的發(fā)動(dòng)機(jī)原始參數(shù)，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃燒模型、摩擦損失等邊界條件建立如圖1所示廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型來(lái)模擬實(shí)機(jī)的循環(huán)過(guò)程，模型內(nèi)部某些難以測(cè)量的參數(shù)經(jīng)查閱文獻(xiàn)選用經(jīng)驗(yàn)值。

如圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型包含的主要元件有：4個(gè)氣缸（C1～C4），1個(gè)渦輪增壓器（TC1），1個(gè)空濾器（CL1），1個(gè)中冷器（CO1），2個(gè)系統(tǒng)邊界（SB1、SB2），6個(gè)測(cè)量點(diǎn)（MP1～MP6），1個(gè)進(jìn)氣總管（PL1），穩(wěn)壓腔（PL2），14條連接管路（1～14）。模型工作過(guò)程中以氣缸C1作為基準(zhǔn)，其余3個(gè)氣缸參數(shù)與C1保持一致。

1.3?仿真模型的驗(yàn)證

選取發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線上12個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，所得結(jié)果如圖2所示。對(duì)汽油機(jī)而言當(dāng)轉(zhuǎn)速固定時(shí)，輸出功率是扭矩的單值函數(shù)，因此在驗(yàn)證過(guò)程中只需進(jìn)行輸出扭矩的驗(yàn)證。

經(jīng)過(guò)對(duì)比之后可以發(fā)現(xiàn)，模擬仿真得出的外特性曲線和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的原機(jī)外特性曲線基本吻合，仿真得到的各轉(zhuǎn)速點(diǎn)輸出扭矩的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果誤差均小于5%的工程許用誤差，可以認(rèn)為此模型匹配原機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程，因此認(rèn)定該模型可以應(yīng)用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的模擬研究過(guò)程。

2?進(jìn)氣相位對(duì)汽油機(jī)動(dòng)力性的影響與優(yōu)化

在本研究中主要對(duì)廢氣渦輪增壓的汽油機(jī)進(jìn)行基于配氣調(diào)整的動(dòng)力性?xún)?yōu)化，平均有效壓力[Pme]是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的一個(gè)重要因素，其計(jì)算公式為

[Pme=πTtqτiVs×10-3]， （1）

式中：[Pme]為平均有效壓力;[Ttq]為輸出扭矩;[τ]為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù);[i]為氣缸數(shù);[Vs]為發(fā)動(dòng)機(jī)工作容積。

從式（1）中可以看出對(duì)于給定的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，平均有效壓力[Pme]與且僅與輸出扭矩有關(guān)，因此在本研究過(guò)程中將外特性曲線上輸出扭矩的數(shù)值[8]作為主要評(píng)價(jià)依據(jù)，兼顧扭矩儲(chǔ)備系數(shù)[Φtq]的變化情況，其計(jì)算公式為

[Φtq=Ttqmax？-TtqTtq×100]%?， （2）

式中：[Ttqmax]為外特性曲線上的最大扭矩;[Ttq]為標(biāo)定工況下的輸出扭矩。

扭矩儲(chǔ)備系數(shù)[Φtq]越大，代表隨著轉(zhuǎn)速降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩越大，其克服短期超負(fù)荷的能力越強(qiáng)，能夠更加適應(yīng)阻力突然增大的工況，減少換擋次數(shù)。同時(shí)將轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)[Φn]作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，由標(biāo)定轉(zhuǎn)速與最大扭矩轉(zhuǎn)速之間的比值決定，最大扭矩轉(zhuǎn)速越小發(fā)動(dòng)機(jī)克服阻力的潛力越大。由于在本研究中發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率為扭矩的單值函數(shù)，功率的變化趨勢(shì)與扭矩的改變規(guī)律完全相同，因此為了避免贅述，并未將輸出功率作為評(píng)判依據(jù)。

2.1?維持進(jìn)氣持續(xù)角不變

維持進(jìn)氣持續(xù)角270?°CA、排氣相位恒定，探究進(jìn)氣提前角（IVO），進(jìn)氣遲閉角（IVC）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性產(chǎn)生的影響，將IVO由原機(jī)的30?°CA以10?°CA的間隔依次增大到70?°CA，IVC從原機(jī)的60?°CA增大到70?°CA，得到的仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出隨著IVO從30?°CA變化到70?°CA的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下的輸出扭矩與扭矩的峰值逐漸增大，并在60?°CA時(shí)達(dá)到最大值;繼續(xù)增大IVO到70?°CA會(huì)導(dǎo)致最大輸出扭矩的減少;在標(biāo)定轉(zhuǎn)速為5?500?r/min附近及更高轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著IVO的增大輸出扭矩持續(xù)降低;扭矩儲(chǔ)備系數(shù)隨著IVO增大而呈現(xiàn)提高趨勢(shì)，并在60?°CA達(dá)到最大，轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)并未發(fā)生改變。而IVC從60?°CA增大到70?°CA后，在原機(jī)的最大扭矩轉(zhuǎn)速為2?500?r/min附近輸出扭矩有大幅度的降低;最大輸出扭矩出現(xiàn)在3?500?r/min工況下，且與原機(jī)輸出扭矩的峰值持平;在額定轉(zhuǎn)速為5?500?r/min附近輸出扭矩有少量增加;整體扭矩儲(chǔ)備系數(shù)降低;轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)有大幅下降，動(dòng)力性惡化嚴(yán)重。

上述研究結(jié)果表明增大IVO導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下輸出扭矩提升而在額定轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)有所下降，增大IVC則會(huì)導(dǎo)致相反的結(jié)果，因此在原機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速下（2?500?r/min）研究負(fù)荷特性隨IVO的變化;在原機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速下（5?500?r/min）研究負(fù)荷特性隨IVC的變化，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，在最大扭矩轉(zhuǎn)速2?500?r/min時(shí)，噴油量從50%增加到100%的過(guò)程中，IVO對(duì)輸出扭矩的影響逐步加強(qiáng)，并在70%噴油量之后產(chǎn)生明顯區(qū)分;在進(jìn)氣提前角從30?°CA增大到60?°CA的過(guò)程中，輸出扭矩上升的速率以及峰值逐步加大，不過(guò)50?°CA和60?°CA下的輸出扭矩曲線差異很小;繼續(xù)增大IVO到70?°CA會(huì)導(dǎo)致輸出扭矩增大峰值有所降低。因此IVO應(yīng)選取50?°CA或60?°CA;而對(duì)于IVC來(lái)說(shuō)，在額定轉(zhuǎn)速5?500?r/min下當(dāng)供油量從50%逐漸增大到100%的過(guò)程中，IVC對(duì)輸出扭矩變化影響增大，且隨著IVC從60?°CA增大到80?°CA，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩隨噴油量而增大的速率會(huì)獲得提升，峰值也同時(shí)得到提高，因此在標(biāo)定轉(zhuǎn)速及之后的高轉(zhuǎn)速下應(yīng)選用較大的IVC。

綜上所述，為了讓汽油機(jī)在低轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)速下都能有最大的輸出扭矩，同時(shí)兼顧了扭矩儲(chǔ)備系數(shù)以及轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)的變化，選定的優(yōu)化后的進(jìn)氣相位為進(jìn)氣提前角50?°CA，此時(shí)進(jìn)氣遲閉角為40?°CA。

2.2?改變進(jìn)氣持續(xù)角

由于維持進(jìn)氣持續(xù)角恒定270?°CA，改變IVO時(shí)IVC也隨之改變，反之亦然，為了排除其所帶來(lái)的干擾，下面進(jìn)行僅增大IVO到50°CA（此時(shí)進(jìn)氣持續(xù)角增大到290?°CA）與僅增加IVC到60?°CA（此時(shí)進(jìn)氣持續(xù)角增大到280?°CA）的研究，所得結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出通過(guò)增大進(jìn)氣提前角和遲閉角改變進(jìn)氣持續(xù)角時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能均弱于進(jìn)氣持續(xù)角恒定270?°CA時(shí)的情況，因此上述研究所求得優(yōu)化后的配氣相位不需改變。

3?排氣相位對(duì)汽油機(jī)動(dòng)力性的影響與優(yōu)化

進(jìn)氣相位采用上述研究得到的最優(yōu)值，即IVO50?°CA，IVC40?°CA，探究排氣提前角（EVO），遲閉角（EVC）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性產(chǎn)生的影響，將EVO由原機(jī)的30?°CA以10?°CA的間隔依次增大到50?°CA，EVC由原機(jī)的50?°CA增大到60?°CA，得到仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，當(dāng)進(jìn)氣相位為最優(yōu)值時(shí)，維持排氣持續(xù)角不變改變EVO，EVC均會(huì)導(dǎo)致全轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的減少，使動(dòng)力性有嚴(yán)重降低。因此為了使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性達(dá)到最優(yōu)，對(duì)排氣相位不進(jìn)行改變，此時(shí)排氣提前角30?°CA，遲閉角50?°CA。

4?優(yōu)化后配氣相位對(duì)汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

優(yōu)化后的配氣相位為進(jìn)氣提前角50?°CA，遲閉角40?°CA，排氣提前角30?°CA，遲閉角50?°CA，探究其對(duì)汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生的影響，由比油耗（BSFC）曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到的結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，相較于原機(jī)而言，進(jìn)行動(dòng)力性?xún)?yōu)化后的配氣相位使發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速下比油耗增加，在4?500?r/min下增幅最大為6.5%，不過(guò)經(jīng)濟(jì)性并未發(fā)生明顯下降，而本論文的主要研究目的是對(duì)汽油機(jī)動(dòng)力性進(jìn)行優(yōu)化，因此在經(jīng)濟(jì)性并未發(fā)生明顯惡化的條件下，可以采用上述研究所得的優(yōu)化結(jié)果。

5?結(jié)論

1）增大進(jìn)氣提前角同時(shí)減小遲閉角可以令發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速下輸出扭矩獲得提高，增大扭矩儲(chǔ)備系數(shù)，優(yōu)化動(dòng)力性能。

2）增大排氣提前角或遲閉角后在所有轉(zhuǎn)速下輸出扭矩的數(shù)值都會(huì)降低，不利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，不過(guò)，同時(shí)外特性曲線的光滑度有所提高，發(fā)動(dòng)機(jī)工作更加穩(wěn)定，對(duì)于提高汽車(chē)駕駛時(shí)舒適度以及避免發(fā)生爆燃而言具有一定的參考價(jià)值。

3）參照上述模擬的結(jié)果，最終選用的優(yōu)化配氣相位為進(jìn)氣提前角50?°CA，遲閉角40?°CA，排氣提前角30?°CA，遲閉角50?°CA，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大扭矩上升12.7%，扭矩儲(chǔ)備系數(shù)增大15.3%，雖然在高轉(zhuǎn)速下輸出扭矩有5.6%的降低，不過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性無(wú)較大影響，總體動(dòng)力性能達(dá)到最優(yōu)。

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[責(zé)任編輯????田????豐]