氣門包角對汽油機性能影響的仿真與優(yōu)化①

胡 艷, 任龍軍, 吳 焱, 黃昭明

(1.安徽工貿職業(yè)技術學院機械與汽車工程系，安徽 淮南 232007；2.皖江工學院機械工程學院，安徽 馬鞍山 243031)

0 引 言

近年來，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，計算機輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)技術在工業(yè)產品的開發(fā)中獲得了日益廣泛的應用[1,2]，并且針對不同的專業(yè)開發(fā)設計行業(yè)，出現了專業(yè)的計算機仿真商業(yè)軟件[3,4]。汽油發(fā)動機是一種高效率的汽車動力單元，其開發(fā)設計過程涉及到熱力學、流體力學和燃燒學等諸多學科領域，具有較高的專業(yè)屬性和復雜程度[5]，采用CAE技術能夠提升整個開發(fā)效率，并降低開發(fā)成本[6]。

傳統(tǒng)發(fā)動機固定的配氣相位和氣門升程使其在各工況下都無法獲得最佳配氣正時，從而影響其動力性、燃油經濟性和排放性。眾多現代發(fā)動機使用可變氣門正時(Variable Valve Timing，VVT)技術解決了傳統(tǒng)發(fā)動機的上述弊端。VVT常用的三種技術分別為可變相位技術、可變升程技術以及可變相位和升程技術。具有代表性的是日本本田公司的VTEC[7,8]，日本豐田公司的VVT-i[9]及德國寶馬公司的Valvetronic技術[10.11]。這一技術使發(fā)動機設計師無須再在低速轉矩與高速功率之間作抉擇，實時的氣門正時調整使得同時顧及低速轉矩與高速功率成為可能。發(fā)動機進排氣門機構對其性能有著重要影響，目前文獻可見于進排氣門正時和升程規(guī)律對汽油機性能影響的研究等方面[12-14]。在汽油機凸輪型線的開發(fā)過程中，建立了一維發(fā)動機性能仿真計算模型，在對汽油機性能準確計算的基礎上，對汽油機采用不同進排氣包角的性能進行了仿真優(yōu)化，并對優(yōu)化結果進行了試驗驗證，以研究不同進排氣包角對動力性和經濟性影響的變化關系，為汽油機進排氣包角的開發(fā)設計提供規(guī)律性指導。

1 研究樣機

研究樣機為某公司一款1.8L乘用車用汽油機，該汽油機的基本結構形式為立式、直列、水冷、電控氣道噴射，同時采用放氣閥廢氣渦輪增壓配合二級中冷系統(tǒng)進氣，充分增加新鮮進氣充量。該汽油機的燃燒室為“屋脊”型，每缸采用二進二排的四氣門結構。汽油機樣機的主要參數，如表1所列。

表1 汽油機樣機主要結構參數

2 一維計算模型的建立

采用奧地利AVL公司研究開發(fā)的專用發(fā)動機性能仿真計算軟件AVL BOOST建立該1.8L汽油機的一維性能仿真計算模型。模型的建立過程包含進氣諧振腔模型的建立、燃燒參數確定、渦輪增壓器全參數模型以及模型標定四個部分。

2.1 進氣諧振腔模型的建立

在AVL-BOOST軟件中，進氣諧振腔的建模形式有兩種：容腔模型和管道模型。兩種模型的區(qū)別在于：容腔式進氣諧振形式不考慮諧振腔中的壓力波動，將容腔內氣體視為各向同性均質；而管道式進氣諧振形式則會考慮氣流沿管道方向的激波現象，將管道內氣體視為沿管道方向一維不均質。就這兩種不同的進氣諧振腔形式，分別建立模型并進行計算對比。兩種方案的模型如圖1和圖2所示。通過模擬計算結果與試驗結果的對比分析，確定最優(yōu)的建模方案。

圖1 容腔模型

圖2 管道模型

2.2 燃燒參數確定

在BOOST軟件中，可以通過多種燃燒模型參數的輸入來獲得放熱率曲線。其中，軟件提供的燃燒模型有Vibe，Double Vibe，Woschni/Anisi，Hiroyasu，AVL MCC等。

其中，Vibe燃燒模型所含參數較少，概念易于理解，且準確度能滿足大多數發(fā)動機循環(huán)模擬計算的精度，故本文選用Vibe燃燒放熱模型。

Vibe燃燒參數主要包括：燃燒起始角、燃燒持續(xù)期、燃燒品質指數。Vibe燃燒參數的獲取方式是通過BOOST內置的Burn功能，輸入缸內壓力曲線，計算得出Vibe燃燒參數，這保證燃燒參數的準確性，對模擬的精度有至關重要的影響。

2.3 渦輪增壓器全參數模型

在BOOST中，渦輪增壓器的計算模型有兩種：簡化模型和全參數模型。簡化模型主要輸入參數為渦輪機和壓氣機的效率、機械效率、壓比、當量流量系數等。在模擬計算時，軟件以給定的壓氣機壓比為基本參數，進行流動計算。簡化模型的特點是輸入數據較簡單且直觀易懂，技術要求較低，計算收斂較快，但精度略低。全參數模型主要輸入參數為機械效率、中間體的轉動慣量、壓氣機和渦輪機的工作特性圖等。在模擬計算時，軟件根據輸入的壓氣機和渦輪機的工作特性圖確定壓氣機壓比、渦輪機膨脹比等關鍵參數并進行計算。全參數模型的特點是輸入數據較多，技術難度較大，易出現不收斂的情況，但計算精度高。本文選用渦輪增壓器全參數模型以提高計算精度。

2.4 模型標定

對所建立的汽油機一維計算模型進行外特性的模擬計算，將計算結果與試驗數據進行對比分析，以驗證模型的正確性。汽油機性能計算模型的主要標定參數，如表2所列。各參數的容腔模型、管道模型和試驗結果計算，如圖3所示。

表2 汽油機性能計算模型的主要標定參數

(a)汽油機進氣量對比

從圖3可以看出，汽油機主要性能指標參數仿真計算和試驗數據吻合較好，表明所建立的汽油機一維仿真計算模型準確；且容腔模型的數據波動相對較小，數據精度更高，因此本文將采用容腔模型進行后續(xù)仿真優(yōu)化工作。

3 汽油機進排氣包角的仿真優(yōu)化

3.1 仿真計算方案

分別計算了汽油機采用不同進排氣包角在2000r/min最大轉矩點和5250r/min額定功率點的動力性和經濟性。不同的進排氣包角方案如表3所示(定義氣門開啟或關閉的間隙為0.5mm)，2000r/min最大轉矩點和5250r/min額定功率點的氣門相位如圖4和圖5所示。

表3 三種不同進排氣包角方案

圖4 2000r/min最大轉矩點氣門相位

圖5 5250r/min額定功率點氣門相位

3.2 仿真優(yōu)化結果與分析

表4給出了2000r/min最大轉矩工況點，汽油機采用三種不同進排氣門包角方案的主要性能指標計算結果。從表4可以知道，采用較大的進氣門包角和較小的排氣門包角(方案2)，汽油機獲得了最大的動力性和經濟性，且進氣量和增壓器總體效率略有提升。

表4 2000r/min最大轉矩不同方案性能指標

分析認為，汽油機低速運轉時，氣流速度相對較慢，較小的排氣門包角能有效減小廢氣的倒流，從而減少了缸內殘余廢氣量，而殘余廢氣的減少促使同樣進氣包角時，汽油機進氣量的增加；而方案3采用較小的進氣包角，阻礙了進氣的發(fā)生，但其對汽油機動力性、經濟性的影響很小。

表5為發(fā)動機運行在5250r/min額定功率點，采用三種不同進排氣包角方案所表現出的主要性能參數指標。從表5可以看出，汽油機在高速運轉時，采用方案1可以達到最好的經濟性和動力性，且進氣量和增壓器效率最高。

表5 5250r/min額定功率點不同方案性能指標

這是因為汽油機高轉速運行時，缸內氣流速度非?？欤枰^大的進氣門包角以利用進氣慣性提升進氣量，同樣也需要較大的排氣門包角將廢氣盡可能排出，這樣在進氣行程，汽油機才能獲取更多的新鮮充量，提升功率的輸出，同時提升經濟性。

對進排氣包角對汽油機性能影響變化規(guī)律的綜合分析認為，汽油機轉速、進氣量、缸內殘余廢氣量是汽油機動力性和經濟性變化的主要影響因素；低轉速時，需要采用較大的進氣包角和較小的排氣門包角；高轉速時，則需要進排氣包角都相對較大，且高轉速時對進氣包角變化較低轉速更為敏感。

3.3 仿真優(yōu)化結果試驗驗證

分別進行了汽油機采用方案2和方案1時動力性和經濟性試驗。2000r/min最大轉矩工況點時，試驗獲得的轉矩和比油耗分別為243N·m和288g/kW·h；5250r/min額定功率點時，試驗獲得的轉矩和比油耗分別為204N·m和389g/kW·h?？梢娫囼灁祿头抡鎯?yōu)化計算數據吻合較好，表明優(yōu)化計算的準確性和有效性。

進排氣包角對汽油機性能影響的優(yōu)化仿真與試驗研究說明，汽油機低轉速運行時，應采用較大的進氣包角和較小的排氣包角設計，汽油機高轉速運行時，應采用盡可能大的進氣包角和排氣包角設計，以實現汽油機動力性和經濟性的優(yōu)化提升。

4 結 論

1)AVL BOOST汽油機一維性能計算容腔模型和管道模型的建模研究過程表明，容腔模型和管道模型均能滿足性能計算的精度要求，且容腔模型更為準確。

2)汽油機低轉速運行時，應采用較大的進氣包角和較小的排氣包角設計，以獲取良好的動力性和經濟性。

3)汽油機高速工況時缸內氣體流動較快，應采用盡可能大的進氣包角提升進氣量，采用大的排氣包角減少缸內殘余廢氣量，以確保動力性和經濟性優(yōu)化。