自然吸氣汽油機(jī)部分負(fù)荷換氣特性研究

李一，邵長(zhǎng)浩，霍東波，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，CAE工程室，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

自然吸氣汽油機(jī)部分負(fù)荷換氣特性研究

李一，邵長(zhǎng)浩，霍東波，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，CAE工程室，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

基于原型樣機(jī)搭建的一維發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)分析模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷換氣特性進(jìn)行研究，主要考慮了氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。主要對(duì)常用工況范圍內(nèi)5個(gè)特定工況點(diǎn)進(jìn)行了動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比分析，闡述了排氣門滯后關(guān)閉和凸輪型線更改對(duì)部分負(fù)荷換氣過(guò)程影響。排氣門滯后關(guān)閉，增大了殘余廢氣量，提升了實(shí)際循環(huán)的壓縮比，減小了泵氣損失，提升了部分負(fù)荷的動(dòng)力性，比油耗降低2%-5%左右。凸輪型線升程和包角增加有益于上述獲益的增大。

部分負(fù)荷；可變氣門正時(shí)；殘余廢氣；換氣特性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.015

CLC NO.: TK411 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-39-04

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能與減排是其發(fā)展的主要前景。常用工況范圍的部分負(fù)荷特性的研究是最具實(shí)際意義。秦靜[1]研究了進(jìn)氣門晚關(guān)與高壓縮比對(duì)汽油機(jī)部分負(fù)荷特性的改善作用，通過(guò)進(jìn)氣門晚關(guān)、高壓縮比與點(diǎn)火提前角的優(yōu)化，將油耗降低4%-10%。其進(jìn)氣門晚關(guān)的主要技術(shù)手段是增大凸輪形線的包角。[2-6]分析了分期再循環(huán)系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，其中包括動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性、排放等的優(yōu)化與研究。

實(shí)際上，換氣過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有一定的影響。尤其是通過(guò)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的調(diào)整對(duì)泵氣損失的改善。發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況，氣門開(kāi)度小于30度以下時(shí)，由于節(jié)氣門體處的節(jié)流損失增大，導(dǎo)致進(jìn)氣壓力損失增加。導(dǎo)致氣缸充量系數(shù)（換算參考?jí)毫?bar，300k）為0.3左右，即自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)很難吸入理論上的進(jìn)氣量。基于該現(xiàn)象，提出通過(guò)控制氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律提高氣缸內(nèi)殘余廢氣的方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行改善。主要技術(shù)手段為凸輪型線優(yōu)化及進(jìn)排氣VVT（variable valve timing）的調(diào)節(jié)。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與分析流程

1.1發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

部分分析基于某4缸4沖程自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications

1.2分析流程概述

首先，建立一個(gè)能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的熱力學(xué)模型，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)與實(shí)體幾何創(chuàng)建一個(gè)基礎(chǔ)模型，并根據(jù)外特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。

然后，創(chuàng)建部分負(fù)荷熱力學(xué)模型，輸入對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行模型的標(biāo)定。

最后，選定特定工況，依據(jù)部分負(fù)荷模型，對(duì)凸輪型線進(jìn)行選擇，對(duì)VVT角度做DOE處理，確定最佳VVT角度。

整體流程如圖1所示。

圖1　分析流程圖Fig.1 Flowchart of Analysis

2、數(shù)值模型及對(duì)標(biāo)結(jié)果

基于一維熱力學(xué)模型對(duì)某型汽油機(jī)的換氣過(guò)程進(jìn)行研究。

2.1一維熱力學(xué)模型

一維熱力學(xué)模型，包括進(jìn)氣系統(tǒng)、節(jié)氣門體、進(jìn)氣歧管、進(jìn)排氣道（包含氣門的運(yùn)動(dòng)）、氣缸、排氣歧管及排氣系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖2：

一維熱力學(xué)模型輸入實(shí)驗(yàn)的大氣邊界條件，包括壓力與溫度等。管路壁面采用壁溫度求解模型求解，模擬工質(zhì)與管壁，管壁與環(huán)境之間的換熱。氣缸內(nèi)部，采用詳細(xì)的壁面溫度求解模型模擬缸體的傳熱過(guò)程。缸內(nèi)的對(duì)流換熱通過(guò)Woschni模型計(jì)算。燃燒通過(guò)SIWiebe模型模擬分析，主要輸入50%燃燒點(diǎn)，燃燒持續(xù)期，燃燒指數(shù)及有效燃燒百分?jǐn)?shù)等。

圖2　一維熱力學(xué)分析模型Fig.2 Thermodynamic analysis of one-dimensional model

2.2一維熱力學(xué)理論

一維熱力學(xué)主要對(duì)管路進(jìn)行離散。對(duì)離散單元的物理狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，主要計(jì)算內(nèi)容包括連續(xù)性方程（1），能量方程（2）和動(dòng)量方程（3）。

2.3部分負(fù)載模型

圖3　分析工況點(diǎn)示意圖Fig.3 The operating point by Analysis

建立并標(biāo)定2000、2400、3200rpm三個(gè)轉(zhuǎn)速下各部分負(fù)載的熱力學(xué)模型，作為基礎(chǔ)模型。基于發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況點(diǎn)，選取5個(gè)工況點(diǎn)（2000rpm，1.8bar）（2000rpm，3.5bar）（2400rpm，2.5bar）（3200rpm，1.8bar）（3200rpm，3.5bar）作為分析工況。圖3顯示了模擬工況點(diǎn)在萬(wàn)有特性中的具體位置。

基于不同設(shè)計(jì)方案分析比較發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)載的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性結(jié)果。表2介紹了分析方案的具體內(nèi)容。

表2　方案代號(hào)Tab.2 Engine specifications

圖4為凸輪型線方案的示意圖，進(jìn)氣凸輪型線未改變，三種方案共用IN-old線。排氣凸輪型線，EX-old線為IVVT-old方案與DVVT-old方案所共用。EX-C線為DVVT-C方案的排氣凸輪型線

圖4　凸輪型線Fig.4 Camshaft profile comparison

2.4模型的精確性

一維熱力學(xué)模型對(duì)標(biāo)結(jié)果見(jiàn)附頁(yè)插圖，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)誤差基本控制在10%以內(nèi)。其中，圖11為外特性的標(biāo)定結(jié)果。圖12-14為2000rpm、2400rpm，3200rpm不同節(jié)氣門開(kāi)度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)的對(duì)標(biāo)結(jié)果。

主要標(biāo)定了發(fā)動(dòng)機(jī)各部件中工質(zhì)的氣體狀態(tài)，包括流量、壓力、溫度等參數(shù)。并標(biāo)定了發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的扭矩、比油耗等性能指標(biāo)。

3、計(jì)算結(jié)果與分析

3.1DVVT的DOE處理

VVT的確定原則，進(jìn)氣排氣凸輪型線原始相位采用IVVT-old方案相位，限定邊界低于原型機(jī)的比油耗，殘余廢氣百分?jǐn)?shù)不大于15%，調(diào)節(jié)極限進(jìn)氣25度曲軸轉(zhuǎn)角，排氣30度曲軸轉(zhuǎn)角。在扭矩MAP上尋找最大扭矩點(diǎn)。以2400rpm，2.5bar工況點(diǎn)為例。確定進(jìn)氣VVT向前調(diào)節(jié)0度曲軸轉(zhuǎn)角，排氣VVT向后調(diào)節(jié)25度曲軸轉(zhuǎn)角。具體確定方法如圖5所示。

圖5　VVT角度確定Fig.5 The determination of VVT angle

表3為3種方案5個(gè)工況點(diǎn)的進(jìn)排氣VVT角度。可以看出部分負(fù)荷進(jìn)氣VVT角度基本不動(dòng)作。排氣VVT向后調(diào)節(jié)，即排氣門延時(shí)關(guān)閉。其中DVVT-old方案與DVVT-c方案的VVT掃描結(jié)果是一致的。

表3　VVT結(jié)果參數(shù)Tab.3 Engine specifications

3.2三種方案的結(jié)果比較

以2400rpm，2.5bar工況點(diǎn)為例。DVVT-old的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性結(jié)果最佳。從表4中可以看出，DVVT-old與其他兩方案對(duì)比，進(jìn)氣量基本保持不變，殘余廢氣百分?jǐn)?shù)增加，參加熱力循環(huán)的工質(zhì)增加，等效于壓縮比提高。DVVT-old與其他兩方案對(duì)比，泵氣損失略有降低，缸內(nèi)指示熱效率有所提高。綜上所述，相較于其它兩方案，DVVT-old方案的扭矩最高，比油耗最低。所以DVTT-old為最佳方案。

表4　計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.4 simulation results comparison

3.3DVVT-old與IVVT-old比較分析

首先，方案DVVT-old與方案IVVT-old相比較，進(jìn)排氣凸輪型線一致，進(jìn)氣VVT調(diào)節(jié)角度一致，DVVT-old方案的排氣VVT向后調(diào)節(jié)即排氣門滯后關(guān)閉25度曲軸轉(zhuǎn)角。如圖7所示，排門滯后關(guān)閉，在進(jìn)氣沖程內(nèi)，活塞下行階段，排氣門仍然有一段時(shí)間是打開(kāi)的。由于這種活塞與排氣門的運(yùn)動(dòng)，被排出的廢氣就會(huì)從排氣道流回到氣缸中，因此，增大了熱力循環(huán)中的殘余廢氣百分?jǐn)?shù)。進(jìn)氣凸輪型線及VVT角度一致，進(jìn)氣量基本一致。進(jìn)氣量一致，殘余廢氣百分?jǐn)?shù)增加，即參與到下一熱力循環(huán)的工質(zhì)增加，壓縮比增大，由于此工況負(fù)荷較小倒流回的廢氣不會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火角，因此有利于動(dòng)力性的提高。

圖6　氣門動(dòng)作與流量Fig.6 Valve operation and Discharge

排氣VVT向后移動(dòng)，由于殘余廢氣百分?jǐn)?shù)增加，瞬時(shí)的氣缸壓力增大。進(jìn)氣時(shí)，氣缸壓力增加，由于流體壓力由取決下游，所以進(jìn)氣歧管處壓力增大，相當(dāng)于增大了進(jìn)氣壓力。進(jìn)氣歧管處的瞬態(tài)壓壓力波動(dòng)對(duì)比如圖8所示。

圖7　氣門動(dòng)作與進(jìn)氣歧管壓力Fig.7 Valve operation and intake manifold pressure

圖8　排氣門滯后關(guān)閉對(duì)熱力循環(huán)的影響Fig.8 Exhaust valve lagging influence of logPV diagram

進(jìn)氣壓力的增加，減小了吸氣沖程的吸入功，從而改善了泵氣損失。圖9給出了兩種方案的熱力學(xué)PV圖，可以看出排氣門滯后關(guān)閉對(duì)泵氣損失的改善是較為明顯的。

3.4DVVT-old與DVVT-C比較分析

DVVT-old方案與DVVT-C方案進(jìn)氣凸輪型線與VVT角度一致，排氣VVT角度一致。不同的是，DVVT-old方案排氣凸輪型線的升程與包角較大。

圖9　氣門動(dòng)作與流量Fig.9 Valve operation and Discharge

從圖10中可以看出，兩方案的排氣過(guò)程，由于DVVT-old方案凸輪型線的升程和包角更大一些，所以該方案的排氣節(jié)流損失少一些，排氣門關(guān)閉前的回流殘余廢氣多一些。所以DVVT-old方案的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性略優(yōu)于DVVT-C方案。

3.5其他工況點(diǎn)結(jié)果

4.1-4.4所述的內(nèi)容均以（2000rpm，2.5bar）工況點(diǎn)為例。此外，本文還研究了（2000rpm，1.8bar）、（2000rpm，3.5bar）、（3200rpm，1.8bar）（3200rpm，2.5bar）等工況點(diǎn)。結(jié)果表明在所計(jì)算的工況范圍內(nèi)，DVVT-old方案的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性結(jié)果最佳，比油耗最高降低5%。

4、結(jié)論

經(jīng)過(guò)分析，本文主要結(jié)論如下：

（1）部分負(fù)荷工況，排氣門延時(shí)關(guān)閉，能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程，增大進(jìn)氣壓力，減小泵氣損失。

（2）部分負(fù)荷工況，排氣門延時(shí)關(guān)閉，可以造成一定的廢氣回流，增加參與熱力循環(huán)的工質(zhì)的物質(zhì)量，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

（3）進(jìn)氣正時(shí)一致時(shí)，排氣門延時(shí)關(guān)閉對(duì)進(jìn)氣量的影響幅度很小。

（4）基于上述三點(diǎn)結(jié)論，排氣門延時(shí)關(guān)閉泵氣損失減小，進(jìn)氣量不變，更多的殘余廢氣殘余到下一循環(huán)，動(dòng)力性的改善，計(jì)算工況范圍內(nèi)的部分負(fù)荷比油耗降低2%-5%。

Study of Gas Exchange Behaviors for A Naturally Aspirated Gasoline Engine at Part Load

Li Yi, Shao Changhao, Huo Dongbo, Qiao Xin
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, CAE Section, Liaoning Shenyang 110141 )

The research performed on the engine part load gas exchange behaviors based on the one-dimensional thermodynamic analysis model. According to five typical operating points brake torque and brake specified fuel consumption comparison, this article described the exhaust valve close lagging and cam-profile modification effect on part load. The simulation results show that if the exhaust valves close timing delay, the residual gas will increase, the working fluids will be compressed strongly and the pumping lose decrease. Then the engine performance will be optimized at part load. The brake specified fuel consumption benefits by 2%-5%. And the cam-profile could enhance the benefits.

part load; variable valve timing; residual gas; gas exchange behaviors

TK411 文獻(xiàn)表示碼：A

1671-7988（2016）11-39-04

李一（1987-），男，就職于華晨汽車工程研究院，動(dòng)力總成分析組主管，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)性能等CAE分析工作。