無凸輪式配氣型線優(yōu)化設(shè)計及發(fā)動機(jī)性能仿真研究

張鵬博

摘要：本文基于AVL-boost建立一維發(fā)動機(jī)仿真模型，對采用無凸輪式配氣型線的發(fā)動機(jī)整機(jī)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明：采用無凸輪式配氣型線可以根據(jù)不同工況靈活調(diào)整氣門升程及相位，能夠有效降低發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況下的換氣損失，改善發(fā)動機(jī)的動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性，為無凸輪式配氣機(jī)構(gòu)的控制應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

Abstract： In this paper， a one-dimensional engine simulation model is established based on AVL-boost， and the engine performance applying cam-less valve profiles is numerically simulated. The results indicated that the valve lift and phase can be adjusted flexibly according to different working conditions by using the cam-less valve profiles. Under part load condition， the ventilation loss can be effectively reduced. Besides， the power and fuel economy performance can be improved. This study provides a theoretical basis for the control application of cam-less valve train.

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī);無凸輪式配氣型線;數(shù)值模擬;整機(jī)性能

Key words： engine;cam-less valve profiles;numerical simulation;performance

中圖分類號：U464.134? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0005-02

0? 引言

可變氣門正時（VVT，Variable Valve Timing）技術(shù)已成為改善汽油機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)，無凸輪式配氣技術(shù)在理論上能夠靈活獨(dú)立地控制各缸氣門動作，改善換氣性能[1-3]。氣門的運(yùn)動規(guī)律是應(yīng)用無凸輪式配氣技術(shù)的關(guān)鍵，因此，無凸輪式配氣型線的優(yōu)化設(shè)計研究是非常有必要的。

本文基于AVL-Boost及AVL-Fire平臺搭建了某天然氣發(fā)動機(jī)一維及三維仿真模型，根據(jù)試驗(yàn)工況調(diào)整配氣參數(shù)，結(jié)臺架試驗(yàn)對仿真模型進(jìn)行標(biāo)定，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。探究了不同工況下采用無凸輪式配氣型線后發(fā)動機(jī)性能的變化情況，總結(jié)了不同工況下無凸輪式氣門型線的配氣參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響規(guī)律。

1? 計算模型

本研究基于某天然氣發(fā)動機(jī)開展，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。根據(jù)該表中的參數(shù)和相關(guān)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用AVL-Boost軟件建立發(fā)動機(jī)一維整機(jī)仿真模型，所搭建的仿真模型如圖1所示。

在Boost軟件中搭建了壓縮比為10.5、氣門重疊角度為30°CA的天然氣發(fā)動機(jī)一維仿真模型，在進(jìn)氣邊界SB1和排氣邊界SB2中輸入實(shí)際試驗(yàn)的壓力與溫度;在噴油器I1中編輯模擬工況下的空燃比;在氣缸C1-C6中輸入氣缸的基本參數(shù);發(fā)動機(jī)E1中輸入發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及點(diǎn)火順序。

2? 型線設(shè)計

為了探究不同氣門重疊策略對發(fā)動機(jī)換氣性能的影響情況，本文基于無凸輪式配氣型線設(shè)計了多組不同排氣晚關(guān)角、不同排氣門升程的無凸輪式排氣型線，排氣門升程從大到小依次為12.39mm（原機(jī)最大升程）、10mm、8mm、5mm，進(jìn)氣型線保持不變，進(jìn)氣晚關(guān)角選擇該工況下最佳進(jìn)氣晚關(guān)角，不同升程、不同排氣晚關(guān)角的無凸輪式排氣型線與進(jìn)氣型線相匹配，形成了不同氣門重疊角的無凸輪式配氣型線組合，如圖2所示。通過型線動力學(xué)驗(yàn)證，最大排氣門運(yùn)動速度均不超過0.3m/s，設(shè)計型線較為合理。在工況1600r/min、進(jìn)氣MAP=130kPA的條件下，將不同氣門重疊策略的無凸輪式配氣型線導(dǎo)入到模型中進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。（圖2）

3? 結(jié)果分析

采用負(fù)氣門重疊時，充量系數(shù)最低，且隨著氣門重疊角度的增加充量系數(shù)不斷增加，當(dāng)氣門重疊為20°CA、排氣升程與原機(jī)最大升程相等時，該工況下充量系數(shù)最大為0.82;而缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的變化呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，排氣門升程為10mm且氣門重疊為20°CA時，缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)最低為0.043，相比原機(jī)略有增加。

不同氣門重疊角時，比油耗均隨最大排氣門升程的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，而指示功率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當(dāng)最大排氣門升程取10mm時發(fā)動機(jī)比油耗最低，指示功率最大，分別為163.86g/（kW·h）和81.87 kW。當(dāng)采用負(fù)氣門重疊時，比油耗較高，燃油經(jīng)濟(jì)性較差，指示功率較低，動力性較差，這主要是因?yàn)樨?fù)氣門重疊策略導(dǎo)致廢氣滯留缸內(nèi)，充量系數(shù)下降，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作性能變差。（圖3）

4? 結(jié)束語

①當(dāng)氣門重疊為20°CA、氣門升程為原機(jī)最大升程時，研究工況下充量系數(shù)最大為0.82，相比原機(jī)略有增加。

②當(dāng)最大排氣門升程取10mm時發(fā)動機(jī)比油耗最低，指示功率最大，分別為163.86g/（kW·h）和81.87 kW，相比原機(jī)略有提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙雨冬，吳亞楠，付雨民.發(fā)動機(jī)電磁氣門驅(qū)動設(shè)計試驗(yàn)與仿真[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，43（5）：698-701.

[2]趙振峰，黃英，張付軍，等.一種新型電液驅(qū)動無凸輪配氣機(jī)構(gòu)特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2008，29（6）：24-27.

[3]Gillella P K， Song X， Sun Z. Time-Varying Internal Model-Based Control of a Camless Engine Valve Actuation System[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2014， 22（4）：1498-1510.