氣門重疊角對天然氣摻氫發動機性能的計算分析

李春青 姜峰 陳乾 莫清烈 曾維銓

摘要：通過改變發動機配氣相位，實現不同氣門重疊角方案，研究不同氣門重疊角大小對發動機各項性能的影響關系.利用GT-Power軟件建立了某款天然氣摻氫發動機仿真模型，分析了兩種配氣方案下氣門重疊角對發動機扭矩、排放的影響規律，最終確定發動機在全負荷工況時1400r/min和2300 r/min轉速下配氣方案2對應20°CA氣門重疊角為最佳研究方案，該研究方法為氣門重疊角的實際應用提供理論指導。

關鍵詞：氣門重疊角；配氣相位；天然氣摻氫；發動機

0引言

隨著我國汽車產業的迅猛發展，能源、環保等一系列問題伴隨而來，利用清潔無污染的替代燃料是緩解能源緊張且環保的有效方法之一，而天然氣與氫氣是當前社會比較認可的車用替代燃料，通過天然氣中摻混氫氣可以改善天然氣燃燒速率低、稀燃能力差的問題.天然氣摻氫燃料也因其良好的經濟性和排放特性受到了廣泛的關注，成為車用發動機替代燃料研究的熱點之一_，氣門重疊角技術也稱內部EGR（Exhaust Gas Recirculation），目前相關研究各盡不同Ali等研究了不同排氣正時（即排氣門開啟、關閉時刻）對汽油機內部EGR的實現方案，利用多目標遺傳優化算法對排氣門開啟與關閉時刻進行了分析改進，獲得了NO_x排放值和有效燃油消耗率均有所下降，且各自降低71%和6%的改進結果.Kiyoushi等在一臺單缸機上研究排氣門二次開啟的方案，分析了天然氣燃燒正時與EGR率之間的影響關系.Carsten等在一車用柴油機上研究了不同內部EGR策略對降低NI_x排放和有效燃油消耗率的影響，由于柴油機高溫廢氣冷卻較為困難的因素，采用內部EGR的策略對降低NOx排放和有效燃油消耗率的效果不顯著.John等以獨立控制燃燒正時的研究基礎，探討EGR率對燃燒放熱率和排放的影響關系，由于內部EGR需采用可變配氣機構，且存在高溫廢氣難以冷卻等技術問題，在當前產品應用不多。

本文以一臺四缸增壓天然氣發動機為研究對象，應用一維數值模擬軟件GT-Power，對配氣機構進行重新設計從而實現不同的氣門重疊角，分析兩種不同的氣門重疊角實現方式對天然氣摻氫發動機性能的影響，為內部EGR的實際應用提供理論指導。

1氣門重疊角優點及實現方式

根據相關研究的結論，氣門重疊角的減小可實現內部EGR，該研究方法可減少發動機燃燒過程產生的排放，能有效降低N0_x排放.天然氣摻氫發動機采用內部EGR技術對發動機工作過程有以下幾方面影響：其一，內部EGR通過殘余廢氣對冷新鮮空氣進行預熱，提升混合氣溫度，能有效縮短著火延遲期；其二，內部EGR的作用能實現廢氣對新鮮可燃混合氣的稀釋，該稀釋功效可降低燃燒過程所產生的最高溫度，降低NO_x排放；第三，采用內部EGR使缸內殘余廢氣量增大，為了獲得同等輸出功率，需增大節氣門開度，使節氣門節流損失最小。

本文采用氣門重疊角法，即排氣門在排氣上止點前關閉，進氣門在排氣上止點后開啟，通過此方法，使一部分廢氣在壓縮終了時保留在氣缸內.該研究方法只需重新設計凸輪軸的凸輪型線，在工程應用方面容易實現。

2發動機模型建立及試驗驗證

GT-Power是由美國GT公司開發的發動機專業仿真軟件，該軟件包含了發動機所有工況下復雜的理論模型，且具有強大的后處理功能，能對內燃機各種工況進行仿真計算.天然氣摻氫發動機整機仿真模型如圖1所示。

通過選擇合適的發動機進排氣、廢氣渦輪增壓器、傳熱、噴油器、曲軸連桿等模型，并對各模型進行參數設置，通過試驗值對燃燒放熱率、進排氣道流量系數等參數進行設置。

該天然氣摻氫發動機主要技術參數見表1.

利用廣西某研究所天然氣發動機臺架的試驗結果對仿真計算進行驗證如圖2所示.天然氣摻氫發動機外特性條件下輸出功率和燃氣消耗率仿真值與試驗值的對比曲線如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，仿真計算值與試驗值趨勢一致，且誤差最大值在6%以內，表明該仿真模型與原機具有較好的一致性，該仿真模型可用于天然氣摻氫發動機的性能計算。

3計算方案確定與分析

3.1計算方案的確定

在原機氣門重疊角為30°CA前提下，通過改變排氣晚關角、固定進氣早開角、以此來實現不同氣門重疊角的方案，見表2。

兩種方案都能實現相同氣門重疊角.本研究工況為：全負荷工況下1400r/min與2300 r/min兩個轉速，計算兩種配氣方案對天然氣摻氫發動機動力性、經濟性以及排放的影響.其中1400r/min為最大扭矩轉速，2300r/min為標定轉速。

3.2計算結果分析

發動機扭矩與氣門重疊角的關系如圖5所示.由圖可知，隨著氣門重疊角減小，發動機扭矩隨著氣門重疊角減小而下降.這是因為：氣門重疊角減小，發動機缸內混合氣由濃開始變稀，燃燒速度放緩，相同質量燃料燃燒產生的功率相對下降；另外，隨著氣門重疊角的減小，廢氣量進入氣缸的量相對增大，導致缸內燃料總熱值下降，放熱量亦隨之減少，扭矩下降。

由圖5可知兩種配氣方案對發動機扭矩的影響不同，配氣方案2中排氣門晚關角不變時，進氣門早開角逐漸減小，扭矩有所上升，不同轉速對扭矩影響亦不同，當發動機轉速為1400 r/min時，配氣方案1的扭矩隨著氣門重疊角減小而迅速下降，配氣方案2中扭矩隨著氣門重疊角減小下降平緩，且氣門重疊角在小于20°CA差距變大.主要因為配氣方案1掃氣效率小于配氣方案2，內部EGR率效果不顯著，故配氣方案1扭矩下降趨勢高于配氣方案2.當發動機轉速為2300 r/min時，進氣量增大可使掃氣與缸內殘余廢氣帶走的新鮮充量占發動機總充量的比例很小，因此出現高轉速時扭矩下降趨勢區別較小的現象。

發動機NO_x排放與氣門重疊角影響關系如圖6所示，由圖6可知，隨著氣門重疊角減小，NO_x排放均隨之降低，缸內殘余廢氣有所增加，這對混合氣進行了燃燒前的預熱，能有效縮短滯燃期；同時能有效降低混合氣燃燒的溫度，因此降低了NO_x排放量.配氣方案2中NO_x排放整體高于配氣方案1，這是因為配氣方案2排氣門晚關角大于配氣方案1，因此，配氣方案1殘余廢氣量較方案2多，稀釋了混合氣濃度，最高燃燒溫度下降，使配氣方案1中NO_x排放低于配氣方案2。

圖7為發動機CO排放與氣門重疊角關系，由圖可知，CO排放均隨著氣門重疊角減小而降低，這是因為雖然氣門重疊角減小，但進入氣缸的殘余廢氣再次參與燃燒，使CO排放降低；新鮮混合氣濃度隨著殘余廢氣的進人而下降，燃燒溫度亦隨之下降，CO氧化速率降低，配氣方案1中CO排放低于配氣方案2，由于配氣方案2進氣門早開角減小，缸內新鮮混合氣充量減少，燃燒性能較配氣方案1差，使CO排放量增大

發動機HC排放與氣門重疊角的關系如圖8所示.由圖可知，HC排放均隨著氣門重疊角的減小而增加，其主要原因為：1）隨著氣門重疊角減小，發動機缸內燃燒溫度降低，燃燒室壁面溫度降低，氣缸壁面淬熄使HC增加；2）隨著氣門重疊角減小，缸內殘余廢氣增多，可燃混合氣變稀，缸內氣體燃燒速度降低，使膨脹沖程中期仍有部分混合氣未參與燃燒，在排氣過程中錯過了燃燒最佳溫度，使HC排放增加，配氣方案1中HC排放高于配氣方案2，這是因為配氣方案1減小了進氣門早開角，缸內新鮮混合氣充量減少，燃燒溫度隨之下降，使HC排放升高。

3.3優化方案的確定

通過分析兩種不同配氣方案對動力性與排放性影響可知，配氣方案2在兩個特定轉速下扭矩均高于配氣方案1；配氣方案1在兩個特定轉速下N0_x和CO排放均優于配氣方案2，而HC排放則高于配氣方案2.

氣門重疊角為20°CA時扭矩在兩個特定轉速下出現分化.氣門重疊角小于20°CA時，1400r/min對應配氣方案2扭矩下降趨勢低于配氣方案1；2 300 r/min對應配氣方案2與配氣方案1扭矩均下降且低于氣門重疊角為20°CA時的扭矩，在氣門重疊角為25°CA時兩種方案扭矩值達到最大.僅從動力性方面考慮，可選取方案：配氣方案1、氣門重疊角20°CA與25°CA；配氣方案2、氣門重疊角20°CA與25°CA。

在兩個特定轉速下配氣方案2中NO_x，排放均高于配氣方案1，在2 300 r/min氣門重疊角大于20°CA時，NO₂排放趨勢先上升后下降，氣門重疊角25°CA為拐點.從NO_x排放方面考慮，可選取方案：配氣方案1、氣門重疊角20°CA；配氣方案2、氣門重疊角20°CA。

CO排放在兩個特定轉速下配氣方案1優于配氣方案2，在2 300 r/min氣門重疊角20°CA時出現拐點.可選取方案：配氣方案1、氣門重疊角20°CA；配氣方案2、氣門重疊角20°CA。

在兩個特定轉速下配氣方案2中HC排放優于配氣方案1，且隨著氣門重疊角減小均出現增大趨勢，配氣方案2在1400 r/min氣門重疊角大于20°CA時HC排放增大速率小于氣門重疊角小于20°CA時的速率僅從降低HC排放方面考慮，可選取：配氣方案2、氣門重疊角20°CA與25°CA

綜合以上分析，確定配氣方案2、氣門重疊角20°CA為最佳研究方案；且配氣方案1、氣門重疊角20°CA所達到的綜合性能接近配氣方案2、氣門重疊角20°CA方案。

4結論

1）在兩個特定轉速下兩種配氣方案中隨著氣門重疊角減小，發動機扭矩呈下降趨勢，且配氣方案2優于配氣方案1；

2）在兩個特定轉速下兩種配氣方案中隨著氣門重疊角減小，NO_x和CO排放呈現降低趨勢，且配氣方案1優于配氣方案2；

3）在兩個特定轉速下兩種配氣方案中隨著氣門重疊角減小，HC排放出現增大趨勢，且配氣方案2中Hc排放優于配氣方案1；

4）對于本機而言，為獲得較好排放性且動力性不至于下降太多，選定配氣方案2、氣門重疊角20°CA為最佳優化方案；配氣方案1、氣門重疊角20°CA可達到相近效果。