廢氣渦輪增壓汽油機可變配氣相位的優化研究

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

隨著汽油機的高速化，配氣相位固定不變的缺點越來越突出，如高轉速與低轉速、大負荷與小負荷汽油機的性能之間，矛盾越來越突出。為了獲得不同轉速下適合的配氣相位，解決發動機在高低轉速、大小負荷性能之間的矛盾，現在越來越多的發動機上采用可變配氣相位機構。

GT-POWER軟件采用現代數值計算和計算機技術等最新開發的關于內燃機性能模擬與仿真軟件，是目前國內外汽車廠和內燃機制造公司理想的實驗模擬工具。

本文以一臺465QE廢氣渦輪增壓汽油機為例，對進、排氣配氣相位進行優化研究。本次優化研究是基于GT-POWER軟件為研究工具建立模型，經過計算得到不同轉速下進、排氣配氣相位的最佳值，最終使配氣相位得到最佳優化。

1 可變配氣相位技術簡介

根據轉速、負荷等參數的變化，來調節合適的配氣相位，發動機不僅能獲得很好的充量系數，而且還能改善發動機動力性和燃油經濟性等指標。傳統的汽油機的氣門開啟和關閉，是由凸輪驅動和控制的，其配氣相位是固定不變的，這樣的話，就不能夠在各種情況下提供出最佳正時，汽油機的性能潛力就不能夠得到完全地發揮[1~3]。

若采用可變配氣相位技術，則可以使汽油機在不同工況下采用不同的配氣相位，以此來滿足汽油機在高轉速與低轉速、大負荷與小負荷時的要求，從整體上去提高汽油機的綜合性能。同時，增壓汽油機的試驗表明：氣門疊開角每增加10°（CA），活塞平均溫度降低4℃。合理地增大氣門疊開角，除了可降低發動機的熱負荷以外，還有利于增大充量系數和降低排氣溫度，改善了渦輪的工作條件[4~5]。

可變配氣相位有很多種形式，一般按照驅動方式分為機械式和電控無凸輪式兩類。目前使用比較廣泛的方法，還是使用機械式的方法調節配氣相位，用改變凸輪機構或氣門正時的方法來改變氣門正時、氣門升程或氣門持續角。

2 優化方法的選擇

本型LJ465QE增壓汽油機，大部分時間工作在中、低速和中、低負荷區。低速時，扭矩的改善，將可以降低汽油機的最低轉速，因此能夠擴大轉速范圍，還能夠提高汽油機的怠速穩定性，并進一步降低本汽油機的油耗。故在本型LJ465QE增壓汽油機上，應用可變配氣相位技術，可以提高中、低負荷和轉速下的轉矩，增加高速工況下的最大功率。

綜合參考目前國內外可用的可變配氣相位技術的特點，本文選用的可變配氣相位技術是：在保持進排氣門升程特性和持續期不變的條件下，改變氣門開啟時的曲軸角度。

選用這種技術，是因為：根據國內外現有的機構，對進氣和排氣凸輪軸實行調節相位，能夠非常顯著地提高汽油機的性能。這類機構在國外也有了非常成熟的機構，這也驗證了這種組合方式的可行性。同時若采用這種組合方式，則對原汽油機的改動不多，只需加一套附加機構，同時不需要對原有凸輪軸作太大的改動，相對而言較好實現，原理也相對簡單[6]。

3 優化模型建立

本文對進排氣配氣相位的優化計算，采用GT-POWER軟件自帶的“Optimizer”模塊進行。進氣閥門和排氣閥門模塊，在GT-POWER軟件中可設定為“Cam Timing Angle”參數。“Cam Timing Angle”參數能夠決定排氣門開啟角（EVO）、排氣門關閉角（EVC）、進氣門開啟角（IVO）、進氣門關閉角（IVC）。這個參數在數值上，等于氣門最大升程時的凸輪轉角，即氣門最大升程時曲軸轉角的一半。

由于進、排氣配氣正時，能夠對汽油機的充氣效率起到很重要的影響，因此配氣相位的優化在GT-POWER軟件中，表現為進排氣閥門模塊中的“Cam Timing Angle”參數值的優化。原機的“Cam Timing Angle”進氣閥門設定為 460°（CA），排氣閥門設定為250°（CA）。優化變量設定為“進氣Cam Timing Angle”（簡稱“intake-time”）和“排氣 Cam Timing Angle”（簡稱“exhaust-time”）這兩個變量，優化的目標設定為“扭矩最大”，優化的范圍設定為“±20°（CA）”，步長設定為“0.5°（CA）”。

本論文僅研究在外特性下的可變配氣相位隨轉速的變化關系。

4 優化計算結果及分析

優化計算的結果，如表1所示。

表1 可變配氣相位優化結果

分析表1發現，在低速段（1 000～3 500 r/min）應適當提前開閉進氣門和延遲開閉排氣門；在中速段（4 000～5 000 r/min）進排氣正時角基本不需要調整，維持原機的參數即可；在高速段（5 600～6 250 r/min）應適當延遲開閉進氣門，排氣門正時基本維持不變。

優化配氣相位后的計算對比如圖1所示。

圖1 配氣相位優化方案與原機方案的性能對比圖

對圖1的分析可知：在低速段（1 000～3 000 r/min）增壓基礎再加上可變配氣正時后，汽油機的充氣效率、扭矩和功率都較單純的增壓和原機都有大幅度增加；在中速段（3 500～5 000 r/min）增壓基礎再加上可變配氣正時后，汽油機的充氣效率、扭矩和功率較單純增壓略微提高；在高速段（5 600～6 250 r/min）增壓基礎再加上可變配氣正時后，汽油機的扭矩和功率，都較單純增壓和原機都有大幅度增加，但充氣效率略微有所提高。整體來看，優化后增壓汽油機的性能，在低速段和高速段改善得相對中速段要明顯，其中充氣效率、功率、扭矩的最大增加量，分別為13.4%、20.2%和19.7%，增壓汽油機的性能得到很大的提高。

5 結束語

在本章完成了可變配氣相位優化的工作，配氣相位優化后得到以下結論：

其一，是在低速段（1 000～3 500 r/min）應該適當提前開閉進氣門和延遲開閉排氣門；在中速段（4 000～5 000 r/min）進排氣正時角基本不需要調整，維持原機的參數即可；在高速段（5 600～6 250 r/min）應該適當延遲開閉進氣門，而排氣門正時基本維持不變。

其二，是經過對配氣相位的優化，優化后增壓汽油機的性能在低速段和高速段改善得相對中速段要明顯，其中充氣效率、功率、扭矩的最大增加量，分別為13.4%、20.2%和19.7%，增壓汽油機性能參數更進一步得到改善。

[1]Martain Scheidt.Timed to perfection-the variable cam timer:technology for clean exhausts and a greener environment[J].Engine Technology International，2001，(3)：62-65.

[2]李理光，肖 敏.車用高速汽油機電控可變配氣系統[J].汽車工程，2001，(4)：274-278.

[3]肖 敏，李理光，曾朝陽.可變配氣相位對發動機性能的影響[J].機車技術，2000，(1)：10-14.

[4]張德惠.連續可變相位配氣機構的設計[J].拖拉機與農用運輸車，2005，(12)：78-79.

[5]姚春德，劉小平.基于模糊PID控制的可變配氣相位控制系統仿真研究[J].兵工學報，2007，(9)：1025-1029.

[6]褚超美，等.進排氣管結構與配氣系統匹配對汽油機性能的影響研究[J].內燃機工程，2003，(5)：55-58.