基于阿特金森循環(huán)的某發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪型線優(yōu)化仿真

李浩，劉覽

基于阿特金森循環(huán)的某發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪型線優(yōu)化仿真

李浩，劉覽

（安徽合肥江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對(duì)某款阿特金森循環(huán)汽油機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)，開展凸輪軸型線的設(shè)計(jì)研究；運(yùn)用CAE仿真軟件分析凸輪軸型線方案，比較各方案在外特性工況、部分負(fù)荷工況、低溫冷啟動(dòng)以及增壓器匹配等方面的影響，預(yù)測(cè)各方案的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，給出凸輪軸建議選取方案，對(duì)減少試驗(yàn)開發(fā)周期和工作量具有重要指導(dǎo)作用。

阿特金森循環(huán)；凸輪型線；發(fā)動(dòng)機(jī)

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-46-03

引言

當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)發(fā)展迅速，其性能指標(biāo)也被要求一再提高，即動(dòng)力性上更強(qiáng)勁、經(jīng)濟(jì)性上更節(jié)油。這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)提出了更高的要求，而配氣凸輪型線是配氣機(jī)構(gòu)的核心部分，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率、泵氣損失以及內(nèi)EGR率的重要因素。因此，選擇合理的凸輪型線對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性性能有著重要作用[1-3]。

利用CAE仿真方法可對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、挖掘其最大潛力，從而根據(jù)自身需求對(duì)方案進(jìn)行選擇，降低后期試驗(yàn)開發(fā)周期和工作量。

1 阿特金森循環(huán)

本文研究對(duì)象是由常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)做變型改動(dòng)設(shè)計(jì)而來(lái)的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。相比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，阿特金森循環(huán)具有進(jìn)氣門開啟持續(xù)期較長(zhǎng)的特點(diǎn)。在吸氣沖程末期壓縮沖程初期，活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)向上某一位置處，進(jìn)氣門才關(guān)閉；晚關(guān)進(jìn)氣門將導(dǎo)致氣缸內(nèi)氣體回流，相當(dāng)于減少了一部分油氣混合物；在相同工況下，空燃比一定時(shí)，進(jìn)氣量減少，燃油量也相應(yīng)減少。因此，阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)也應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低，即合理犧牲部分動(dòng)力性以滿足開發(fā)目標(biāo)要求、突出經(jīng)濟(jì)性上的貢獻(xiàn)。相關(guān)PV變化可見圖1，該圖為阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)PV對(duì)比圖，圖中1-2-3-4為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)奧托循環(huán)，6-2-3-5為阿特金森循環(huán)，陰影部分可理解為阿特金森循環(huán)額外的活塞行程及其利用的能量。

圖1 阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)PV對(duì)比圖

2 仿真模型標(biāo)定

在進(jìn)行CAE仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，須確保仿真模型本身的準(zhǔn)確性，保證該模型能夠滿足工程應(yīng)用要求。對(duì)于熱力學(xué)仿真分析而言，汽油機(jī)分析模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差值在4%、關(guān)鍵工況點(diǎn)（額定轉(zhuǎn)速、最大扭矩轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速）在2%以內(nèi)是合格的。

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真模型標(biāo)定結(jié)果。其中，黑色曲線為試驗(yàn)測(cè)量值，綠色曲線為模型標(biāo)定計(jì)算值。比較試驗(yàn)和計(jì)算的BMEP、功率、比油耗和扭矩等，差值均在4%以內(nèi)，表明該模型標(biāo)定準(zhǔn)確，能夠滿足工程應(yīng)用要求。

圖2 仿真模型標(biāo)定結(jié)果

3 凸輪型線優(yōu)化

結(jié)合阿特金森循環(huán)特點(diǎn)，即進(jìn)氣門晚關(guān)、延長(zhǎng)進(jìn)氣持續(xù)期，本文保留原排氣門凸輪型線方案，運(yùn)用DOE（多目標(biāo)優(yōu)化）軟件對(duì)進(jìn)氣門凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化原則是動(dòng)力性達(dá)到設(shè)計(jì)要求、經(jīng)濟(jì)性盡可能降低。

表1 進(jìn)氣凸輪優(yōu)化方案

圖3 進(jìn)排氣凸輪優(yōu)化方案

優(yōu)化結(jié)果如下：方案一鎖止進(jìn)氣門開啟角，延遲關(guān)閉角（角度為凸輪在某一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角）；方案二鎖止進(jìn)氣門開啟角，延遲關(guān)閉角，具體可見表1。圖3為氣門升程方案,縱坐標(biāo)為氣門升程(單位mm)、橫坐標(biāo)為氣門升程各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（單位deg.CRA）（紅色曲線為排氣門氣門升程、藍(lán)色實(shí)線為原氣門升程方案、兩條藍(lán)色虛線分別為方案一和方案二）。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 外特性工況比較

兩套方案與原方案性能對(duì)比結(jié)果見圖4（紅色方塊為阿特金森循環(huán)性能目標(biāo)點(diǎn)，綠色曲線為原方案發(fā)動(dòng)機(jī)性能、藍(lán)色為方案一發(fā)動(dòng)機(jī)性能、橙色為方案二發(fā)動(dòng)機(jī)性能）。從結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，方案一外特性動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性均達(dá)標(biāo)，方案二外特性低轉(zhuǎn)速動(dòng)力性不達(dá)標(biāo)，因此從外特性工況上考慮應(yīng)選用方案一；同時(shí)兩方案在中高轉(zhuǎn)速下經(jīng)濟(jì)性改善較為顯著。

圖4 各方案外特性工況對(duì)比

4.2 部分負(fù)荷工況比較

因部分負(fù)荷工況非常復(fù)雜，本文重點(diǎn)選取工況2000rpm/ 2bar和2000rpm/16.2bar做對(duì)比研究分析。工況點(diǎn)選取依據(jù)：2000rpm/2bar為低速低負(fù)荷的城市道路工況；2000rpm/ 16.2bar為比油耗最小值時(shí)的工況。

比較2000rpm/2bar兩工況不難發(fā)現(xiàn)：殘余廢氣系數(shù)為30%時(shí)，方案二比油耗較方案一降低約1.1%；殘余廢氣系數(shù)為35%時(shí)，方案二比油耗較方案一降低約1.4%。方案一在殘余廢氣系數(shù)30%的工況時(shí)比在35%工況是比油耗降低約1.6%，而方案二降低約1.9%，如圖5所示。

圖5 不同殘余廢氣系數(shù)下比油耗對(duì)比（縱坐標(biāo)為比油耗）

同樣比較2000rpm/16.2bar兩工況：高負(fù)荷時(shí)，殘余廢氣系數(shù)對(duì)比油耗影響較小，兩種方案比油耗水平相當(dāng)，如圖6所示。

圖6 不同殘余廢氣系數(shù)下比油耗對(duì)比（縱坐標(biāo)為比油耗）

結(jié)果表明，在低速低負(fù)荷工況方案二較方案一經(jīng)濟(jì)性更好，且兩方案受缸內(nèi)不同殘廢系數(shù)的影響程度非常接近。

4.3 對(duì)低溫啟動(dòng)性能影響

低溫下的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性、啟動(dòng)磨損、燃油消耗以及使用性能。因此有必要研究?jī)煞N凸輪方案對(duì)低溫啟動(dòng)性能的影響[4]。

根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)環(huán)境溫度-30℃、發(fā)動(dòng)機(jī)以200rpm起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需最小IMEP限值為6bar。計(jì)算結(jié)果表明，方案一的起動(dòng)性能優(yōu)于方案二，如圖7所示。對(duì)于阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，進(jìn)氣門持續(xù)期增加會(huì)導(dǎo)致氣體從缸內(nèi)向氣道回流，充氣效率降低。這就是方案二進(jìn)氣門開啟持續(xù)期增加而IMEP減少的原因。

圖7 各凸輪方案對(duì)低溫啟動(dòng)性能影響

4.4 對(duì)增壓器匹配影響

由于本文研究對(duì)象為增壓型汽油機(jī)，而凸輪型線的改變會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，需要重新對(duì)增壓器匹配以保證增壓器充分發(fā)揮潛力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器是通過(guò)內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)排氣流動(dòng)將二者聯(lián)系的，判斷匹配情況的基本方法是把形狀完全不同的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性曲線與增壓器特性曲線放在同一坐標(biāo)系下，根據(jù)兩者的相對(duì)位置來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

圖8 各凸輪方案下增壓器壓氣機(jī)匹配圖

圖8 為各方案下增壓器匹配狀態(tài)對(duì)比（橫坐標(biāo)為流經(jīng)增壓器氣體質(zhì)量流量、縱坐標(biāo)為壓氣機(jī)壓比，綠色為原凸輪型線方案、藍(lán)色為方案一、橘色為方案二）。觀察圖中方案二紅色線框內(nèi)區(qū)域，外特性曲線在低中轉(zhuǎn)速區(qū)域進(jìn)氣壓比較高，且運(yùn)行在壓氣機(jī)低效率區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致增壓器運(yùn)行不穩(wěn)定，更易發(fā)生喘振現(xiàn)象。因此方案二壓氣機(jī)匹配效果較差，方案一較好。

5 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用CAE仿真分析方法對(duì)阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸型線設(shè)計(jì)提出了兩種方案，分析結(jié)論如下：

（1）外特性工況時(shí)，方案一動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，方案二低轉(zhuǎn)速工況動(dòng)力性不滿足設(shè)計(jì)要求，且增壓器匹配效果不及方案一。

（2）低速低負(fù)荷工況時(shí)，進(jìn)氣門延遲關(guān)閉時(shí)刻和增加開啟持續(xù)期將會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性更好，且受缸內(nèi)不同殘廢系數(shù)的影響非常小。

（3）晚關(guān)進(jìn)氣門將造成低溫冷啟動(dòng)性能變差，應(yīng)適當(dāng)選取進(jìn)氣門延遲關(guān)閉角以保證良好的起動(dòng)。

（4）運(yùn)用CAE仿真軟件分析凸輪軸型線方案，比較各方案在外特性工況、部分負(fù)荷工況、低溫冷啟動(dòng)以及增壓器匹配等方面的影響，預(yù)測(cè)各方案的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，給出凸輪軸建議選取方案，對(duì)減少試驗(yàn)開發(fā)周期和工作量具有一定的指導(dǎo)作用。

[1] 劉惟信.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)(第2版)(M).北京∶清華大學(xué)出版社,1994.39—226,280—287.

[2] 肖合林,李小毅[J]氣油機(jī)凸輪型線的計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī).2004,20(3)∶5-6,20.

[3] 張桂昌.柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津大學(xué).2009.

[4] 趙琦等.低溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響[J].柴油機(jī). 2003.34(2).

Based on Atkinson cycle cam engine optimization simulation

Li Hao, Liu Lan
( Anhui Jiang huai Automobile group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

In order to investigation gasoline engine with Atkinson Cycle, this paper develops the design of cam, Using AVLBoost software to build thermodynamic analysis model, predicts and contrast the effection of all cases on WOT, part load, Start behavior and turbocharger matching,then suggests the appropriate cam case.

Atkinson Cycle; cam; engine

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-46-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.017

李浩，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。