汽油機(jī)連續(xù)可變氣門(mén)升程（CVVL）機(jī)構(gòu)的模擬開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)研究

劉岳兵，黃梅

（1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程研究所，四川 成都 610031；2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

前言

隨著汽車(chē)保有量的增加，節(jié)能減排的相關(guān)法規(guī)日益嚴(yán)格，如何開(kāi)發(fā)出更低油耗的環(huán)保車(chē)輛來(lái)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力已經(jīng)成為各大整車(chē)廠商的首要任務(wù)[1-2]。通常來(lái)說(shuō)，降低燃油消耗是一項(xiàng)多元性的系統(tǒng)工程，既有車(chē)輛本身的技術(shù)因素，也受駕駛技術(shù)和道路交通環(huán)境因素的影響。就車(chē)輛本身的技術(shù)因素而言，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)油耗改善、車(chē)身輕量化、滑行阻力以及變速箱速比優(yōu)化等降低油耗的措施，其中改善發(fā)動(dòng)機(jī)本身的油耗是最根本的舉措。

傳統(tǒng)的汽油機(jī)采用節(jié)氣門(mén)控制負(fù)荷，在部分負(fù)荷工況時(shí)需要通過(guò)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度來(lái)對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行限制，由此節(jié)流作用形成的泵氣損失，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率降低，這是影響汽油機(jī)部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性的主要原因之一[3-8]。因此，如何降低泵氣損失已成為改善汽油機(jī)部分負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性的主要課題。研究表明，可變氣門(mén)升程技術(shù)可以在很大程度上弱化甚至取消節(jié)氣門(mén)的作用，能夠極大地降低部分負(fù)荷工況下的泵氣損失。目前，國(guó)外對(duì)這一技術(shù)的研究已趨于成熟，從最早的本田VTEC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氣門(mén)升程的分段可調(diào)，到BMW的Valve-tronic氣門(mén)升程無(wú)級(jí)可調(diào)，再到菲亞特的Multiair電控液壓氣門(mén)技術(shù)，技術(shù)人員始終在利用更簡(jiǎn)單的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)更為出色的性能，但由于成本等諸多原因的影響，暫時(shí)還未能進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)在這方面的研究相對(duì)滯后，可公開(kāi)查閱的研究成果非常有限。因而，在前人的基礎(chǔ)上深入開(kāi)展這方面的研究是十分有意義的。

本文以某1.6L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)增加進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)為例，介紹了利用GT-Power軟件對(duì)CVVL機(jī)構(gòu)的核心參數(shù)（可變型線）進(jìn)行模擬開(kāi)發(fā)及優(yōu)化的過(guò)程，最后結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)加裝進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)后的效果進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1 CVVL技術(shù)的特點(diǎn)和原理介紹

理論上，發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工況均對(duì)應(yīng)有最佳的配氣系統(tǒng)（包括配氣相位和氣門(mén)升程以及包角），而傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)只有一個(gè)確定的凸輪型線，這個(gè)確定的凸輪型線一般是為了適應(yīng)最大動(dòng)力性輸出需要而選取的。因而，在部分負(fù)荷工況下，為了限制過(guò)多的進(jìn)氣量，通常只能利用節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)荷。這樣一來(lái)，由于節(jié)氣門(mén)的節(jié)流作用導(dǎo)致的泵氣損失將使得發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率降低，從而對(duì)應(yīng)的燃油轉(zhuǎn)化效率也會(huì)降低，具體如圖1中所示，并且隨著負(fù)荷的減小，有效熱效率（燃油轉(zhuǎn)化效率）降低的趨勢(shì)也會(huì)更加明顯。

圖1 汽油機(jī)燃油轉(zhuǎn)化效率隨負(fù)荷變化示意圖

連續(xù)可變氣門(mén)升程（CVVL）技術(shù)可以很好地克服單一凸輪型線的不利影響，通過(guò)氣門(mén)型線（升程和包角）的變化來(lái)使得發(fā)動(dòng)機(jī)在每個(gè)工況下都能“呼吸”得更順暢。分析圖2示意圖可知，采用CVVL技術(shù)后，由于取消了節(jié)氣門(mén)的作用，所有工況下均通過(guò)調(diào)節(jié)氣門(mén)升程和包角的大小來(lái)控制進(jìn)氣量，節(jié)氣門(mén)的節(jié)流作用沒(méi)有了，發(fā)動(dòng)機(jī)總的泵氣損失較原來(lái)大大減小，且負(fù)荷越小，泵氣損失改善的程度將越大。

圖2 采用VVL技術(shù)前后凸輪型線和示功圖變化

2 仿真基礎(chǔ)模型的建立及驗(yàn)證

本文中應(yīng)用的仿真工具為GT-Power。該軟件是一個(gè)模塊化的仿真工具，包括了發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱模型、燃燒模型以及發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)組成部分，如管路、氣缸、氣閥、催化器等。其理論基礎(chǔ)為管內(nèi)一維流動(dòng)和缸內(nèi)容積法，各離散單元通過(guò)相連的邊界進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量及能量的傳遞和交換。計(jì)算過(guò)程中需要滿(mǎn)足的流動(dòng)模型的基本方程簡(jiǎn)單介紹如下[9]：

式中，m為單元體積的質(zhì)量，V為體積，p為壓力，ρ為密度，A為流道截面積，e為總內(nèi)能，H為總晗值，hg為熱傳遞系數(shù)，U為控制體積中心流速，u為邊界流速，Cf為表面摩擦系數(shù)，Cp為壓力損失系數(shù)，D為流動(dòng)單元的等效直徑，dx為流動(dòng)方向質(zhì)量單元的厚度，為單元的邊界。

2.1 主要計(jì)算工況的選定說(shuō)明

如何獲得 CVVL機(jī)構(gòu)在不同氣門(mén)升程時(shí)對(duì)應(yīng)的凸輪型線，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)更“舒暢”地進(jìn)氣是整個(gè)進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的第一步，也是最核心的內(nèi)容。本文中應(yīng)用有限個(gè)特征工況點(diǎn)的最佳升程和包角的最大值并結(jié)合整個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能連續(xù)平滑過(guò)渡的原則加以插值擬合來(lái)獲得其他工況下升程和包角的最大值，最終形成整個(gè)CVVL機(jī)構(gòu)的凸輪型線。

圖3為標(biāo)定技術(shù)人員根據(jù)整車(chē)NEDC循環(huán)中某一時(shí)間間隔內(nèi)統(tǒng)計(jì)出的發(fā)動(dòng)機(jī)各負(fù)荷工況的使用情況分布圖。由圖可以看出，5個(gè)區(qū)域基本覆蓋了整車(chē)NEDC循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)所有使用工況數(shù)量的95%。根據(jù)各區(qū)域中心位置對(duì)應(yīng)的工況和現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況，選擇了 2000rpm/2bar、2000rpm/5bar、1200rpm/10N.m、1200rpm/3bar、3000rpm/7bar五個(gè)工況點(diǎn)作為仿真計(jì)算的部分負(fù)荷目標(biāo)點(diǎn)。同時(shí)為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，也選擇了1200rpm/wot（低速扭矩）、4200rpm/wot（最大扭矩）和 6000rpm/wot（最大功率）三個(gè)工況點(diǎn)作為仿真計(jì)算的外特性目標(biāo)點(diǎn)。

圖3 NEDC循環(huán)中各負(fù)荷工況使用情況統(tǒng)計(jì)分布圖

通過(guò)計(jì)算得到上述八個(gè)工況點(diǎn)的最佳升程和包角的最大值，然后考慮整個(gè)進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能連續(xù)平滑過(guò)渡的原則插值擬合來(lái)獲得其他工況下升程和包角的參數(shù)，最后再進(jìn)一步形成CVVL機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造應(yīng)具有的初始凸輪型線。這樣獲得的可變凸輪形線既能充分發(fā)揮出該進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)在NEDC循環(huán)中降油耗的效果，同時(shí)又能兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及模型驗(yàn)證介紹

下表1為基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，圖4為利用GTPower建立的該發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，圖 5～圖 11為仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

表1 原發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖4 某1.6L汽油機(jī)一維性能仿真分析模型

由圖5～圖7可知，五個(gè)部分負(fù)荷工況點(diǎn)的重要指標(biāo)（進(jìn)氣量、比油耗和泵氣損失）的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差約在3%以?xún)?nèi)；另外，由圖8～圖11可知，三個(gè)外特性工況點(diǎn)的重要指標(biāo)（進(jìn)氣量、比油耗、扭矩和最大爆發(fā)壓力）的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差也在3%以?xún)?nèi)，均符合工程要求。

因此，可以認(rèn)為上述八個(gè)工況點(diǎn)的基礎(chǔ)仿真模型是合理的，能夠用于該款發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化。

圖5 五個(gè)部分負(fù)荷工況仿真進(jìn)氣量與試驗(yàn)值對(duì)比

圖6 五個(gè)部分負(fù)荷點(diǎn)仿真燃油消耗率與試驗(yàn)對(duì)比

圖7 五個(gè)部分負(fù)荷工況仿真泵氣損失與試驗(yàn)對(duì)比

圖8 三個(gè)外特性工況點(diǎn)仿真扭矩與試驗(yàn)對(duì)比

圖9 三個(gè)外特性工況仿真燃油消耗率與試驗(yàn)對(duì)比

圖10 三個(gè)外特性工況點(diǎn)仿真進(jìn)氣量與試驗(yàn)對(duì)比

圖11 三個(gè)外特性工況仿真最大爆壓與試驗(yàn)對(duì)比

3 選定工況最佳氣門(mén)升程和包角優(yōu)化

圖12為進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)型線獲取的仿真計(jì)算流程，由圖可知，各工況點(diǎn)的計(jì)算流程基本一致，不同點(diǎn)在于對(duì)計(jì)算結(jié)果的判斷依據(jù)不一樣。其中部分負(fù)荷工況點(diǎn)選取優(yōu)化參數(shù)組合的依據(jù)為燃油消耗率最低，而外特性工況點(diǎn)選取優(yōu)化參數(shù)組合的依據(jù)為動(dòng)力性性能（扭矩）最大。

圖12 CVVL機(jī)構(gòu)可變氣門(mén)升程曲線開(kāi)發(fā)的計(jì)算分析流程

圖13為按照流程圖12中的步驟分別優(yōu)化計(jì)算得到的上述八個(gè)選定工況點(diǎn)的最佳氣門(mén)升程曲線，其中具體最大氣門(mén)升程和對(duì)應(yīng)包角的參數(shù)見(jiàn)表2中所示。分析表2還可知，對(duì)于部分負(fù)荷工況點(diǎn)來(lái)說(shuō)，采用可變氣門(mén)升程曲線后，對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)的最大氣門(mén)升程越小，其燃油消耗率改善的幅度將會(huì)越大，反之亦然。這主要最大氣門(mén)升程越小的工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)于原發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度就更小，泵氣損失所占的比例更大，因而改善泵氣損失提高熱效率的潛力也相對(duì)更大所致。

圖13 八個(gè)選定工況點(diǎn)的最佳氣門(mén)升程曲線和原固定氣門(mén)升程曲線對(duì)比圖

表2 計(jì)算得到的五個(gè)部分負(fù)荷工況點(diǎn)氣門(mén)升程曲線參數(shù)及油耗改善狀況表

表3 計(jì)算得到的三個(gè)外特性工況點(diǎn)氣門(mén)升程曲線參數(shù)及動(dòng)力性能變化狀況表

另外，由表3可知，對(duì)于外特性工況點(diǎn)來(lái)說(shuō)，由于原發(fā)動(dòng)機(jī)固定氣門(mén)升程曲線的設(shè)計(jì)是為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能而偏向高速的，因此即使采用了可變氣門(mén)升程曲線，高速外特性工況點(diǎn)的動(dòng)力性能也難以再進(jìn)一步提升。但是對(duì)于轉(zhuǎn)速較低的外特性工況點(diǎn)來(lái)說(shuō)，由于升程和包角較之前均減小不少，氣門(mén)持續(xù)開(kāi)啟的時(shí)間隨之減少，使得泵氣損失會(huì)有所減小，因而動(dòng)力性能尚會(huì)有進(jìn)一步提升的空間。

圖14 最終的CVVL機(jī)構(gòu)所需覆蓋的最大氣門(mén)升程和包角的范圍

圖 14為基于上述燃油消耗率和動(dòng)力性能計(jì)算得到的CVVL機(jī)構(gòu)最終需要覆蓋的最大氣門(mén)升程和包角的范圍。其中，點(diǎn)狀線為仿真計(jì)算出來(lái)的進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)最大氣門(mén)升程和持續(xù)開(kāi)啟角度之間的最佳對(duì)應(yīng)關(guān)系，而實(shí)線為供應(yīng)商考慮整個(gè)進(jìn)氣 CVVL機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能在不同工況點(diǎn)之間連續(xù)平滑過(guò)渡以及制造工藝后對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正后的結(jié)果，兩者在中低負(fù)荷處擬合得較好，在部分高速大負(fù)荷處有些許偏差。

4 模擬優(yōu)化方案試驗(yàn)效果分析

模擬優(yōu)化計(jì)算結(jié)束后，將仿真計(jì)算得到的最大氣門(mén)升程和開(kāi)啟角度之間的關(guān)系提供給某供應(yīng)商，然后供應(yīng)商根據(jù)其修正后的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)氣CVVL具體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造，最后通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)加裝該進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能驗(yàn)證試驗(yàn)，具體結(jié)果如表4中所示（注：動(dòng)力性能和原機(jī)型基本相當(dāng)）。

表4 采用進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)后五個(gè)部分負(fù)荷工況點(diǎn)的油耗改善狀況表

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，一方面CVVL機(jī)構(gòu)確實(shí)能在保持相當(dāng)動(dòng)力性能的前提下較全面地改善油耗的水平；另一方面通過(guò)對(duì)比仿真和試驗(yàn)降低油耗的效果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際降低油耗的效果比仿真模擬得到的水平要差，其中負(fù)荷越?。?200rpm/10N.m），差別越大。分析原因主要包括以下幾點(diǎn)；第一，試驗(yàn)時(shí)負(fù)荷越小，控制越不穩(wěn)定，不能單獨(dú)由氣門(mén)升程控制負(fù)荷，需要節(jié)氣門(mén)和升程同時(shí)調(diào)節(jié)來(lái)控制，而模擬時(shí)僅用了氣門(mén)升程控制負(fù)荷。第二，增加CVVL機(jī)構(gòu)后，實(shí)際增加的摩擦損失需要充分考慮。第三，采用CVVL機(jī)構(gòu)以后燃燒狀況會(huì)變慢（如圖 15所示，速度矢量和湍動(dòng)能分布變差），需要對(duì)原來(lái)的燃燒室進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化以匹配 CVVL機(jī)構(gòu)的應(yīng)用[10]。

圖15 增加CVVL機(jī)構(gòu)前后1200rpm外特性處缸內(nèi)氣流速度矢量和湍動(dòng)能分布對(duì)比

5 結(jié)論

（1）連續(xù)可變氣門(mén)（CVVL）機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)氣門(mén)最大升程和氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)角度在較大范圍內(nèi)的連續(xù)可變，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣門(mén)早關(guān)的方式取代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門(mén)來(lái)控制進(jìn)氣量，從而大大減少泵氣損失，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

（2）本文詳細(xì)介紹了一種獲取連續(xù)可變氣門(mén)升程（CVVL）機(jī)構(gòu)核心參數(shù)的仿真分析方法，為國(guó)內(nèi)該技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用中的難點(diǎn)提出了有效地解決思路，其流程可以為以后同類(lèi)機(jī)構(gòu)的研究研發(fā)提供相應(yīng)的參考。

（3）應(yīng)用仿真軟件對(duì)某自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)增加進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行了模擬分析，得到了該CVVL機(jī)構(gòu)合適的氣門(mén)升程曲線。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該進(jìn)氣CVVL機(jī)構(gòu)能夠在基本滿(mǎn)足動(dòng)力性能的前提下全面改善發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗水平，初步達(dá)到了預(yù)期的效果。

（4）采用 CVVL機(jī)構(gòu)以后燃燒狀況會(huì)變慢（主要是速度矢量和湍動(dòng)能分布會(huì)變差），需要對(duì)原來(lái)的燃燒室進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化以匹配CVVL機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。