采用無(wú)凸輪式排氣型線的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣性能研究

張鵬博，何義團(tuán)，鄒 曄，王福學(xué)

（1.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214121；2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

1 引言

排氣門相位和運(yùn)動(dòng)規(guī)律是影響排氣過(guò)程的兩個(gè)重要因素。最佳排氣早開(kāi)角要綜合發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹損失和泵氣損失來(lái)確定，而最佳排氣晚關(guān)角可由總排氣量最大確定[1-2]。傳統(tǒng)凸輪式氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于其凸輪型線是固定的，可變氣門正時(shí)與可變凸輪軸正時(shí)技術(shù)能夠在一定程度上改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性[3-5]，但仍無(wú)法使發(fā)動(dòng)機(jī)性能在變工況條件下都達(dá)到最優(yōu)。

無(wú)凸輪式氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)擺脫凸輪的限制，通過(guò)電液、電磁等方式驅(qū)動(dòng)氣門，氣門開(kāi)啟時(shí)刻、氣門升程、開(kāi)啟持續(xù)期和氣門在內(nèi)燃機(jī)各個(gè)循環(huán)中的開(kāi)啟位置可以相互獨(dú)立[6]。文獻(xiàn)[7]通過(guò)自主開(kāi)發(fā)無(wú)凸輪軸電液配氣機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了氣門正時(shí)與升程可變，并對(duì)其在可控自然發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行的研究；文獻(xiàn)[8]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁閥控制脈寬對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門系統(tǒng)壓力波的影響顯著；文獻(xiàn)[9]針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)式氣門的落座特性進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速不利于氣門落座；文獻(xiàn)[10]開(kāi)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和反跳高度，實(shí)現(xiàn)了氣門平穩(wěn)落座，且各個(gè)氣缸落座特性均勻一致。

目前，無(wú)凸輪式配氣技術(shù)還處于初步研究階段，本研究通過(guò)仿真進(jìn)行無(wú)凸輪式排氣型線設(shè)計(jì)，并探究其對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣性能的影響。

2 模型的建立于驗(yàn)證

這里所建立的仿真模型原機(jī)為某天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 原機(jī)主要性能參數(shù)Tab.1 Parameters of the Original Engine

利用BOOST建立的發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型，主要包括進(jìn)氣系統(tǒng)、噴油器、氣缸、排氣系統(tǒng)等部分。計(jì)算模型中，采用Vibe 2-zone燃燒模型和Woschni 傳熱模型。調(diào)整模型參數(shù)使得進(jìn)氣壓力為137kPa，轉(zhuǎn)速1200r/min，與實(shí)驗(yàn)值相同；第二個(gè)Vibe燃燒參數(shù)的持續(xù)期為52°CA，如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型Fig.1 Engine Simulation Model

該工況下缸內(nèi)壓力的仿真值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，如圖2所示。由圖2可知，兩條曲線幾乎重合，最大偏差低于2%，模型搭建合理。

圖2 缸內(nèi)壓力仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.2 Pressure Comparisons Between Simulation and Experiment

3 不同排氣早開(kāi)角的排氣型線設(shè)計(jì)

這里主要進(jìn)行無(wú)凸輪式排氣型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，探究其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣性能的影響，研究工況為：轉(zhuǎn)速1200r/min，進(jìn)氣壓力137kPa。需要說(shuō)明的是，進(jìn)氣型線與相位在該研究中保持不變。

3.1 排氣型線設(shè)計(jì)

排氣門開(kāi)啟過(guò)早，缸內(nèi)壓力下降較快，有效膨脹功減少；排氣門打開(kāi)過(guò)晚使得缸內(nèi)壓力下降較慢，強(qiáng)制排氣階段活塞向上運(yùn)動(dòng)阻力較大，泵氣損失增加。因此，最佳排氣早開(kāi)角要綜合以上兩部分損失來(lái)進(jìn)一步確定[3]。排氣門如果在上止點(diǎn)關(guān)閉則無(wú)法充分利用排氣慣性，排氣末期氣門有效流通截面較小，排氣阻力較大，缸內(nèi)排出廢氣困難，缸內(nèi)壓力較大，進(jìn)氣受阻。因此，排氣門應(yīng)該選擇在排氣上止點(diǎn)后一段時(shí)間內(nèi)關(guān)閉。

為便于設(shè)計(jì)，新型線最大升程不超過(guò)原機(jī)最大升程，設(shè)計(jì)過(guò)程中保持排氣晚關(guān)角不變，由于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門在做功沖程末期開(kāi)啟，活塞正在向下止點(diǎn)移動(dòng)，故排氣門與活塞運(yùn)動(dòng)不存在運(yùn)動(dòng)干涉。為使得排氣更加充分，設(shè)計(jì)無(wú)凸輪式排氣型線在最大升程位置維持一定曲軸轉(zhuǎn)角，本文為30°CA，分別設(shè)計(jì)了排氣早開(kāi)角分別為37°、7°、0°及15°BBDC的四組無(wú)凸輪式排氣型線，如圖3所示。

圖3 不同排氣早開(kāi)角的排氣型線設(shè)計(jì)Fig.3 Exhaust Valve Lines Design with Different Opening Angles

3.2 保持排氣晚關(guān)角不變的排氣型線優(yōu)化

由于控制機(jī)構(gòu)與氣門運(yùn)動(dòng)存在響應(yīng)延遲，并且氣門落座沖擊會(huì)損壞氣門部件，因此，氣門開(kāi)啟與落座速度不宜過(guò)快。實(shí)踐證明，當(dāng)氣門沖擊速度超過(guò)（0.5～0.8）m/s時(shí)，一般材料的氣門和氣門座就會(huì)急劇損壞[11]。將上述排氣型線進(jìn)一步優(yōu)化，在氣門開(kāi)啟與關(guān)閉階段設(shè)計(jì)緩沖段以滿足響應(yīng)延遲和落座沖擊的要求，以排氣早開(kāi)角為7°BBDC時(shí)的排氣型線為例，優(yōu)化后的氣門型線，如圖4所示。另外的幾組排氣型線優(yōu)化方法與之類似，計(jì)算得氣門運(yùn)動(dòng)速度均在合理范圍內(nèi)。

圖4 排氣門型線優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.4 Optimization Design of Exhaust Valve Profile

4 仿真結(jié)果分析

4.1 無(wú)凸輪式排氣型線對(duì)換氣損失的影響

由圖5可知，理論泵氣功隨排氣門早開(kāi)角度的增加呈現(xiàn)先降低后增加，最后再降低的趨勢(shì)，當(dāng)排氣早開(kāi)角為7°BBDC時(shí)最??；實(shí)際泵氣功隨著排氣門早開(kāi)角度的增加不斷增加；膨脹損失功隨著排氣門早開(kāi)角度的增加而增加，當(dāng)排氣門早開(kāi)角較小時(shí)可忽略不計(jì)；泵氣損失功隨排氣門早開(kāi)角的增加先降低后增加，當(dāng)排氣早開(kāi)角持續(xù)增大時(shí)又開(kāi)始下降；總排氣損失由膨脹損失功和泵氣損失功共同組成，呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)，當(dāng)排氣門早開(kāi)角為7°BBDC時(shí)，總的排氣損失最小，相比原機(jī)降低65.8%。

圖5 泵氣過(guò)程功隨排氣早開(kāi)角的變化Fig.5 Pumping Loss with Various Early Exhaust Opening Angles

4.2 無(wú)凸輪式排氣型線對(duì)排氣性能的影響

4.2.1 排氣晚關(guān)角與排氣型線設(shè)計(jì)

進(jìn)一步探究排氣晚關(guān)對(duì)排氣性能的影響，具體研究方法為：使排氣損失最小時(shí)對(duì)應(yīng)的排氣早開(kāi)角度保持不變，僅對(duì)排氣門關(guān)閉過(guò)程的部分型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得最小殘余廢氣系數(shù)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)多組不同排氣晚關(guān)角的排氣型線，如圖6所示。

圖6 不同排氣晚關(guān)角的排氣型線設(shè)計(jì)Fig.6 Exhaust Valve Line Design with Different Closing Angles

4.2.2 排氣晚關(guān)角及氣門型線優(yōu)化設(shè)計(jì)

第2節(jié)得到最佳的排氣早開(kāi)角為7°BBDC；保持該排氣早開(kāi)角不變，對(duì)圖6中不同排氣晚關(guān)角的無(wú)凸輪式排氣型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以排氣晚關(guān)角取31°ATDC時(shí)的排氣型線為例，優(yōu)化后的排氣型線，如圖7所示。

圖7 最佳排氣早開(kāi)角下的排氣型線優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.7 Exhaust Valve Line Design with Optimum Exhaust Early Opening Angle

進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了不同排氣晚關(guān)角下的排氣門最大運(yùn)動(dòng)速度均在可靠范圍內(nèi)。

4.3 換氣性能計(jì)算與分析

由圖8知，排氣質(zhì)量流量曲線在排氣初期急劇上升，主要是缸內(nèi)壓力遠(yuǎn)大于排氣管內(nèi)壓力從而發(fā)生超臨界排氣導(dǎo)致；隨著缸內(nèi)壓力與排氣管壓力之差降至臨界值以下，發(fā)生亞臨界排氣。

圖8 排氣門處質(zhì)量流量變化對(duì)比Fig.8 Comparison of Mass Flow Changes at Exhaust Valve

隨著排氣晚關(guān)角的增加，排氣門處質(zhì)量流量整體上逐漸增加，正向排氣量不斷上升，排氣晚關(guān)角度為31°ATDC時(shí)，正向排氣量最大，相比原機(jī)提高1.72%；當(dāng)排氣晚關(guān)角增至71°ATDC時(shí)，正向排氣量反而下降，開(kāi)始出現(xiàn)排氣倒流現(xiàn)象。

說(shuō)明在一定范圍內(nèi)增加排氣晚關(guān)角可以增加總排氣量，而過(guò)度增加排氣晚關(guān)角將會(huì)導(dǎo)致廢氣倒流，不利于缸內(nèi)廢氣的排出。

進(jìn)氣階段氣門處質(zhì)量流量隨著排氣門晚關(guān)角度的變化，如圖9所示。進(jìn)氣階段氣門處質(zhì)量流量與曲軸轉(zhuǎn)角的面積代表循環(huán)進(jìn)氣量。

圖9 進(jìn)氣門處質(zhì)量流量變化對(duì)比Fig.9 Comparison of Mass Flow at the Intake Valve

由圖9可見(jiàn)，循環(huán)進(jìn)氣量隨著進(jìn)氣晚關(guān)角的增加逐漸增加，在排氣晚關(guān)角取31°ATDC時(shí)，循環(huán)進(jìn)氣量達(dá)到最大，相比原機(jī)提高2.21%。

當(dāng)排氣晚關(guān)角為10°BTDC時(shí)，進(jìn)氣初期存在進(jìn)氣倒流現(xiàn)象。隨著進(jìn)氣晚關(guān)角度逐漸增加，進(jìn)氣回流現(xiàn)象消失，循環(huán)進(jìn)氣量增加。

這是因?yàn)樵谶@個(gè)階段排氣門關(guān)閉的越早，缸內(nèi)壓力下降越慢，使得進(jìn)氣初期缸內(nèi)壓力高于進(jìn)氣管內(nèi)壓力從而導(dǎo)致進(jìn)氣回流。

缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)隨著排氣晚關(guān)角的增加先降低后增加，充量系數(shù)隨著排氣晚關(guān)角的增加先增加后降低，最值均在31°ATDC時(shí)達(dá)到，說(shuō)明此時(shí)缸內(nèi)廢氣排出最為充分，缸內(nèi)新鮮充量達(dá)到最大，如圖10所示。因此，該工況下優(yōu)化得到的排氣晚關(guān)角為31°ATDC。

圖10 殘余廢氣系數(shù)與充量系數(shù)隨排氣晚關(guān)角的變化Fig.10 Variation of Residual Exhaust Gas Coefficient and Charge Coefficient with Exhaust Late Closing Angle

5 結(jié)論

在轉(zhuǎn)速1200r/min，進(jìn)氣壓力137kPa的工況條件下，探究無(wú)凸輪式排氣型線對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)排氣性能的影響，結(jié)論如下：

（1）采用無(wú)凸輪式排氣型線，氣門開(kāi)啟較快，最大升程時(shí)可保持排氣門位置維持一定曲軸轉(zhuǎn)角不變，排氣時(shí)面值增加；在考慮系統(tǒng)響應(yīng)延遲和氣門落座沖擊的情況下，排氣門開(kāi)啟初期與關(guān)閉運(yùn)動(dòng)速度不宜過(guò)大。

（2）采用無(wú)凸輪式排氣型線，當(dāng)排氣晚關(guān)角不變，排氣早開(kāi)角為7°BBDC時(shí)，總排氣損失最小，相比原機(jī)降低65.8%。

（3）保持總排氣損失最小時(shí)對(duì)應(yīng)的排氣早開(kāi)角不變，當(dāng)排氣晚關(guān)角取31°ATDC時(shí)，正向排氣量與循環(huán)進(jìn)氣量最大，相比原機(jī)分別提高1.72%和2.21%。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)采用無(wú)凸輪式排氣型線能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的排氣功能，且在改善排氣性能的條件下能夠有效縮短氣門開(kāi)啟持續(xù)期。