應(yīng)用AVL-boost分析一種新配氣機(jī)構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

□ 聶家鵬 □ 李騰飛

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州 545007

配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其性能好壞對發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)有著重要的影響。由于配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功能的特殊性，它已成為發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展最快的一部分。在目前的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)中，很多的先進(jìn)技術(shù)都與配氣機(jī)構(gòu)直接相關(guān)，經(jīng)過多年的發(fā)展，配氣機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)形式已基本固定，研究朝著精細(xì)化、智能化方向進(jìn)行。

本文在一種新型配氣機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，完成對配備該配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性仿真，并研究其對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的影響［1］。新型配氣機(jī)構(gòu)提供了一種全新的對開式氣門結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有更大的氣體流通面積。利用AVL-boost軟件的仿真功能，實(shí)現(xiàn)對配備新型配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模擬計(jì)算，以此初步確定發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能變化。

1 數(shù)據(jù)分析與輸入

基于一款470Q汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，對其主要參數(shù)進(jìn)行更改賦值，模擬計(jì)算出參數(shù)變化后發(fā)動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)恿π阅苤笜?biāo)，與現(xiàn)有技術(shù)參數(shù)對比，得知新型配氣機(jī)構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

1.1 原始參數(shù)和數(shù)據(jù)

表1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和原始數(shù)據(jù)，這是計(jì)算現(xiàn)有技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的依據(jù)，也是參數(shù)變化的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 變動(dòng)后的部分參數(shù)和數(shù)據(jù)

為研究配氣機(jī)構(gòu)變化尤其是氣門截面積增大后給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的影響，對原有部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了修改，新數(shù)據(jù)是在新結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上得到的。在發(fā)動(dòng)機(jī)型號、結(jié)構(gòu)形式、排量、缸徑?jīng)_程等基本條件不變的前提下，由于配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改變而造成的參數(shù)變化及數(shù)值見表2。

1.3 數(shù)據(jù)輸入

進(jìn)行新結(jié)構(gòu)下發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算的目的，是為了直接通過計(jì)算得到新型配氣機(jī)構(gòu)給發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能帶來的變化情況。該計(jì)算過程將在AVL-boost軟件上進(jìn)行仿真計(jì)算得到。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和原始數(shù)據(jù)

表2 變動(dòng)后的發(fā)動(dòng)機(jī)部分參數(shù)和數(shù)據(jù)

表3 氣缸數(shù)據(jù)

按 照 AVL－boost建模原理，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)模型［2］，如圖 1 所示。

1.3.1 普通數(shù)據(jù)輸入

AVL－boost要求在輸入任何元件之前必須輸入相關(guān)的主要數(shù)據(jù)，被輸入的全部數(shù)據(jù)必須首先定義，包括模擬控制和時(shí)間設(shè)置控制。以上兩項(xiàng)的定義數(shù)據(jù)不作更改，直接使用建模數(shù)據(jù)。

1.3.2 元件數(shù)據(jù)輸入

元件數(shù)據(jù)輸入部分包括氣缸、空氣濾清器、催化劑、噴油器、系統(tǒng)邊界、管道、測量點(diǎn)等。表3數(shù)據(jù)為仿真中的主要變化數(shù)據(jù)，其它數(shù)據(jù)使用建模數(shù)據(jù)。

本新型配氣機(jī)構(gòu)中的進(jìn)氣門截面積為1 716 mm2，折合計(jì)算出的氣門直徑為46.75 mm。因此有效流動(dòng)面積的換算系數(shù)為0.98（46/46.75）。

此外，更大的氣門口徑也決定了氣門更大的行程，相比于傳統(tǒng)的氣門行程，新型配氣機(jī)構(gòu)的氣門行程遠(yuǎn)大于10 mm，具體的進(jìn)氣門行程與曲軸轉(zhuǎn)角的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

▲圖1 四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)模型

同理，可以得到排氣門行程與曲軸轉(zhuǎn)角的對應(yīng)關(guān)系曲線，如圖3所示。

經(jīng)過綜合計(jì)算和對比，新型配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣數(shù)據(jù)接近于現(xiàn)有2L排量發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，對于其它參數(shù)的設(shè)定是以2L的發(fā)動(dòng)機(jī)作為數(shù)據(jù)。其它需要設(shè)定參數(shù)的元件包括空氣濾清器、催化劑、噴油器。

▲圖2 進(jìn)氣門行程－轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

▲圖3 排氣門行程－轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

2 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

選擇Simulation.Run，再選擇所有的Case并分配任務(wù)運(yùn)行，即可開始對模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

Case中提供的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍是1 000～7 000 r/min，首先運(yùn)行該范圍內(nèi)所有的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工況，得到發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩和燃油消耗值與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系分別如圖4～圖6所示。

從圖4可以看出，在1 000～7 000 r/min范圍之內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率一直隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，在7 000 r/min時(shí)的功率已經(jīng)超過60 kW。由此可知，新型配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)具備更好的動(dòng)力性能。

通過圖5發(fā)現(xiàn)，新型配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩升高很快，在1 000 r/min時(shí)的扭矩值就已經(jīng)超過60 N·m，而且在不同轉(zhuǎn)速下，扭矩值一直處在高位，最高扭矩值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速5 000 r/min時(shí)，雖然最大值小于95 N·m，但是扭矩始終保持在較高的范圍，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。

▲圖4 轉(zhuǎn)速-功率坐標(biāo)圖

▲圖5 轉(zhuǎn)速-扭矩坐標(biāo)圖

▲圖6 轉(zhuǎn)速-燃油消耗率坐標(biāo)圖

由圖6可知，新型配氣機(jī)構(gòu)的燃油消耗率曲線大致與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲線一致，燃油水平也基本與現(xiàn)有技術(shù)參數(shù)持平，最小燃油消耗率為7.417×10-8kg/（W·s）［267 g/（kW·h）-1］， 略低于現(xiàn)有的 7.5×10-8kg/（W·s）［270 g/（kW·h）-1］，在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能獲得顯著提升的同時(shí)，燃油水平保持不變甚至降低，這表明新型配氣機(jī)構(gòu)為發(fā)動(dòng)機(jī)帶來了很好的綜合性能［3］。

由圖5可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩峰值在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時(shí)出現(xiàn)，而發(fā)動(dòng)機(jī)功率一直隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，為了得到發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率，又計(jì)算出了更高轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率與扭矩，結(jié)果見表4。

表4 更高轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能

通過對表4中數(shù)據(jù)的觀察可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在超過7 000 r/min之后，其功率仍然會隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，直到最大功率被提高到82 kW，而與之對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為9 000 r/min。

3 結(jié)論

本文是在基于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用AVL-boost仿真軟件完成了對新型配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果可以知道，新型配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性能方面的確有了較大的提升，尤其是高轉(zhuǎn)速的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率在原來基礎(chǔ)上提高近50%；扭矩方面，除了最大扭矩略小以外，其它同轉(zhuǎn)速下的扭矩均提高15%以上；最低燃油消耗率為7.417×10-8kg/（W·s），降低 1%，基本持平。同時(shí)從計(jì)算結(jié)果中可以得知,新型配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)中低速功率提升并不明顯，因此新型配氣機(jī)構(gòu)更適合于高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)

［1］ 吳建華.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］ 宋武強(qiáng)，姚勝華.基于AVL-BOOST的車用柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模擬分析［J］.內(nèi)燃機(jī)，2011（3）：16-19.

［3］ 張雪文，徐明亮，楊欣.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性分析［J］.機(jī)械制造與研究，2012，41（1）：47-49.