配氣相位對汽油機動力性影響的仿真研究

劉庚非 趙順超 馬成功 黎蘇

摘要?基于AVL?BOOST軟件對某輕型車用廢氣渦輪增壓GDI發動機的工作過程進行模擬仿真，并使用臺架實驗數據對模型進行了驗證。在此基礎上進行發動機配氣相位的優化工作，得到全負荷與部分負荷工況時不同轉速下發動機動力性能隨配氣相位的變化規律：適當增大進氣提前角可以提高發動機低轉速下的輸出扭矩并提高動力性，增大進氣遲閉角會導致輸出扭矩的降低與動力性的惡化，改變排氣相位均會導致全轉速下輸出扭矩的減少，經過分析后求得最佳的配氣相位。仿真結果表明，優化后的配氣相位令發動機低轉速下輸出扭矩及整體扭矩儲備系數顯著增大，工作更為穩定，動力性提升明顯。

關?鍵?詞?廢氣渦輪增壓;配氣相位;模擬仿真;優化研究;動力性

中圖分類號?TK421?????文獻標志碼?A

Simulation?studies?of?the?influence?of?gas?distribution?phase?on?the?dynamics?of?gasoline?engine

LIU?Gengfei，?ZHAO?Shunchao，?MA?Chenggong，?LI?Su

（School?of?Energy?and?Environmental?Engineering，?Hebei?University?of?Technology，?Tianjin?300401，?China）

Abstract?Based?on?AVL?BOOST?software，?the?working?process?of?a?light-duty?exhaust?gas?turbocharged?GDI?engine?was?simulated，?and?the?model?was?verified?by?using?the?bench?experimental?data.?Thenthe?engine′s?valve?timing?optimization?was?carried?out.?The?law?of?change?of?the?engine′s?dynamic?performance?with?valve?timing?at?different?speeds?under?full-load?and?partial-load?conditions?was?analyzed.?That?is，?appropriate?increase?of?intake?advance?angle?can?improve?the?output?torque?at?a?low?engine′s?speed?and?the?engine′s?dynamic?performance，?increasing?intake?retard?angle?will?cause?decrease?of?the?output?torque?and?deterioration?of?the?engine′s?dynamic?performance.?Changing?exhaust?valve?timing?will?result?in?reduction?of?the?output?torque?at?all?rotational?speeds.?After?the?analysis，?the?optimal?valve?timing?was?obtained.?The?simulation?results?show?that?the?optimized?valve?timing?makes?the?output?torque?of?low?engine′s?speeds?and?the?overall?torque?reserve?coefficient?significantly?increase.?The?operation?stability?and?dynamic?performance?can?also?be?greatly?improved.

Key?words?exhaust?turbocharger;?valve?timing;?simulation;?optimization;?dynamic?performance

0?引言

為實現高動力、低油耗、低排放的目標，國內外輕型車企的主要技術路線是通過增壓強化[1-2]來減小發動機排量。提高發動機進氣壓力后最佳配氣相位發生變化，不匹配的配氣相位無法使氣缸保持最佳充氣效率，對燃燒過程產生惡化影響，造成動力輸出降低與燃料浪費[3]，因此需要對配氣相位進行優化工作。

利用數值模擬的方法對配氣相位進行優化可以降低科研經費，縮短研發周期，且對結果有良好預測作用[4]。本課題利用AVL?BOOST軟件，采用改變凸輪軸相位角的方法進行配氣調整[5-6]，通過研究總結發動機外特性曲線形狀與峰值變化，以及部分轉速時輸出扭矩隨負荷改變的規律，提出優化方案并求出最佳的配氣相位，優化結果對發動機設計與性能分析以及同類型的研究工作具有一定現實意義。

1?模型的建立與驗證

1.1?原機參數

研究對象為某帶有廢氣渦輪增壓器和中冷器的缸內直噴型直列四缸GDI汽油機，該汽油機的基本參數如表1所示。

1.2?仿真模型的建立

利用AVL?BOOST軟件進行模擬仿真可以得到發動機實際運行時的各種數據[7]，根據提供的發動機原始參數，考慮發動機進排氣系統、燃燒模型、摩擦損失等邊界條件建立如圖1所示廢氣渦輪增壓發動機模型來模擬實機的循環過程，模型內部某些難以測量的參數經查閱文獻選用經驗值。

如圖1所示的發動機仿真模型包含的主要元件有：4個氣缸（C1～C4），1個渦輪增壓器（TC1），1個空濾器（CL1），1個中冷器（CO1），2個系統邊界（SB1、SB2），6個測量點（MP1～MP6），1個進氣總管（PL1），穩壓腔（PL2），14條連接管路（1～14）。模型工作過程中以氣缸C1作為基準，其余3個氣缸參數與C1保持一致。

1.3?仿真模型的驗證

選取發動機外特性曲線上12個轉速點對模型進行驗證，所得結果如圖2所示。對汽油機而言當轉速固定時，輸出功率是扭矩的單值函數，因此在驗證過程中只需進行輸出扭矩的驗證。

經過對比之后可以發現，模擬仿真得出的外特性曲線和實驗測得的原機外特性曲線基本吻合，仿真得到的各轉速點輸出扭矩的數值與實驗的結果誤差均小于5%的工程許用誤差，可以認為此模型匹配原機的結構與工作過程，因此認定該模型可以應用于后續的實驗過程，在此基礎上進行后續的模擬研究過程。

2?進氣相位對汽油機動力性的影響與優化

在本研究中主要對廢氣渦輪增壓的汽油機進行基于配氣調整的動力性優化，平均有效壓力[Pme]是評價發動機動力性能的一個重要因素，其計算公式為

[Pme=πTtqτiVs×10-3]， （1）

式中：[Pme]為平均有效壓力;[Ttq]為輸出扭矩;[τ]為發動機沖程數;[i]為氣缸數;[Vs]為發動機工作容積。

從式（1）中可以看出對于給定的發動機而言，平均有效壓力[Pme]與且僅與輸出扭矩有關，因此在本研究過程中將外特性曲線上輸出扭矩的數值[8]作為主要評價依據，兼顧扭矩儲備系數[Φtq]的變化情況，其計算公式為

[Φtq=Ttqmax？-TtqTtq×100]%?， （2）

式中：[Ttqmax]為外特性曲線上的最大扭矩;[Ttq]為標定工況下的輸出扭矩。

扭矩儲備系數[Φtq]越大，代表隨著轉速降低發動機輸出扭矩越大，其克服短期超負荷的能力越強，能夠更加適應阻力突然增大的工況，減少換擋次數。同時將轉速適應性系數[Φn]作為評判標準，由標定轉速與最大扭矩轉速之間的比值決定，最大扭矩轉速越小發動機克服阻力的潛力越大。由于在本研究中發動機有效功率為扭矩的單值函數，功率的變化趨勢與扭矩的改變規律完全相同，因此為了避免贅述，并未將輸出功率作為評判依據。

2.1?維持進氣持續角不變

維持進氣持續角270?°CA、排氣相位恒定，探究進氣提前角（IVO），進氣遲閉角（IVC）對發動機動力性產生的影響，將IVO由原機的30?°CA以10?°CA的間隔依次增大到70?°CA，IVC從原機的60?°CA增大到70?°CA，得到的仿真結果如圖3所示。

從圖3中可以看出隨著IVO從30?°CA變化到70?°CA的過程中，發動機低轉速下的輸出扭矩與扭矩的峰值逐漸增大，并在60?°CA時達到最大值;繼續增大IVO到70?°CA會導致最大輸出扭矩的減少;在標定轉速為5?500?r/min附近及更高轉速時，隨著IVO的增大輸出扭矩持續降低;扭矩儲備系數隨著IVO增大而呈現提高趨勢，并在60?°CA達到最大，轉速適應性系數并未發生改變。而IVC從60?°CA增大到70?°CA后，在原機的最大扭矩轉速為2?500?r/min附近輸出扭矩有大幅度的降低;最大輸出扭矩出現在3?500?r/min工況下，且與原機輸出扭矩的峰值持平;在額定轉速為5?500?r/min附近輸出扭矩有少量增加;整體扭矩儲備系數降低;轉速適應性系數有大幅下降，動力性惡化嚴重。

上述研究結果表明增大IVO導致發動機低轉速下輸出扭矩提升而在額定轉速和高轉速時有所下降，增大IVC則會導致相反的結果，因此在原機最大扭矩轉速下（2?500?r/min）研究負荷特性隨IVO的變化;在原機最大功率轉速下（5?500?r/min）研究負荷特性隨IVC的變化，結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，在最大扭矩轉速2?500?r/min時，噴油量從50%增加到100%的過程中，IVO對輸出扭矩的影響逐步加強，并在70%噴油量之后產生明顯區分;在進氣提前角從30?°CA增大到60?°CA的過程中，輸出扭矩上升的速率以及峰值逐步加大，不過50?°CA和60?°CA下的輸出扭矩曲線差異很小;繼續增大IVO到70?°CA會導致輸出扭矩增大峰值有所降低。因此IVO應選取50?°CA或60?°CA;而對于IVC來說，在額定轉速5?500?r/min下當供油量從50%逐漸增大到100%的過程中，IVC對輸出扭矩變化影響增大，且隨著IVC從60?°CA增大到80?°CA，發動機輸出扭矩隨噴油量而增大的速率會獲得提升，峰值也同時得到提高，因此在標定轉速及之后的高轉速下應選用較大的IVC。

綜上所述，為了讓汽油機在低轉速、額定轉速及高轉速下都能有最大的輸出扭矩，同時兼顧了扭矩儲備系數以及轉速適應性系數的變化，選定的優化后的進氣相位為進氣提前角50?°CA，此時進氣遲閉角為40?°CA。

2.2?改變進氣持續角

由于維持進氣持續角恒定270?°CA，改變IVO時IVC也隨之改變，反之亦然，為了排除其所帶來的干擾，下面進行僅增大IVO到50°CA（此時進氣持續角增大到290?°CA）與僅增加IVC到60?°CA（此時進氣持續角增大到280?°CA）的研究，所得結果如圖5所示。

從圖5中可以看出通過增大進氣提前角和遲閉角改變進氣持續角時，發動機動力性能均弱于進氣持續角恒定270?°CA時的情況，因此上述研究所求得優化后的配氣相位不需改變。

3?排氣相位對汽油機動力性的影響與優化

進氣相位采用上述研究得到的最優值，即IVO50?°CA，IVC40?°CA，探究排氣提前角（EVO），遲閉角（EVC）對發動機動力性產生的影響，將EVO由原機的30?°CA以10?°CA的間隔依次增大到50?°CA，EVC由原機的50?°CA增大到60?°CA，得到仿真結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，當進氣相位為最優值時，維持排氣持續角不變改變EVO，EVC均會導致全轉速下發動機輸出扭矩的減少，使動力性有嚴重降低。因此為了使發動機動力性達到最優，對排氣相位不進行改變，此時排氣提前角30?°CA，遲閉角50?°CA。

4?優化后配氣相位對汽油機經濟性的影響

優化后的配氣相位為進氣提前角50?°CA，遲閉角40?°CA，排氣提前角30?°CA，遲閉角50?°CA，探究其對汽油機經濟性產生的影響，由比油耗（BSFC）曲線進行評價，得到的結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，相較于原機而言，進行動力性優化后的配氣相位使發動機全轉速下比油耗增加，在4?500?r/min下增幅最大為6.5%，不過經濟性并未發生明顯下降，而本論文的主要研究目的是對汽油機動力性進行優化，因此在經濟性并未發生明顯惡化的條件下，可以采用上述研究所得的優化結果。

5?結論

1）增大進氣提前角同時減小遲閉角可以令發動機在中低轉速下輸出扭矩獲得提高，增大扭矩儲備系數，優化動力性能。

2）增大排氣提前角或遲閉角后在所有轉速下輸出扭矩的數值都會降低，不利于提高發動機的動力性能，不過，同時外特性曲線的光滑度有所提高，發動機工作更加穩定，對于提高汽車駕駛時舒適度以及避免發生爆燃而言具有一定的參考價值。

3）參照上述模擬的結果，最終選用的優化配氣相位為進氣提前角50?°CA，遲閉角40?°CA，排氣提前角30?°CA，遲閉角50?°CA，此時發動機輸出最大扭矩上升12.7%，扭矩儲備系數增大15.3%，雖然在高轉速下輸出扭矩有5.6%的降低，不過對發動機的動力性無較大影響，總體動力性能達到最優。

參考文獻：

[1]????BANDEL?W，FRAIDL?G?K，KAPUS?P?E，et?al.?The?turbocharged?GDI?engine：boosted?synergies?for?high?fuel?economy?plus?ultra-low?emission[C]//SAE?Paper?2006-01-1266，2006.

[2]???;?KIRWAN?J?E，SHOST?M，ROTH?G，et?al.?3-cylinder?turbocharged?gasolinedirect?injection：a?high?value?solution?for?low?CO2?and?NOx?emissions[J].?SAE?International?Journal?of?Engines，3?（1）：355-371.

[3]????沈繼鵬.?汽油發動機配氣機構動力學分析及凸輪型線優化[D].?長春：吉林大學，2016.

[4]????王雪雁，夏淑敏，王軒.?單進氣VVT汽油機性能優化分析仿真研究[J].?系統仿真學報，2014，26（12）：3034-3039.

[5]????王兆文，王偉民，蔣國英，等.?渦輪增壓氣道噴射汽油機工作過程性能優化[J].?汽車科技，2011（1）：61-65.

[6]????張力，尚會超，袁志強，等.?汽油機連續可變進氣凸輪軸相位策略的數值模擬[J].?重慶大學學報，2012，35（5）：14-21.

[7]????畢紅亮.?基于AVL?BOOST的16V190燃氣發動機配氣相位的仿真與優化[J].?內燃機與動力裝置，2016，33（2）：60-63.

[8]????李軍，紀雷，隗寒冰，等.?柴油機配氣相位分析與優化[J].?機械設計與制造，2014（2）：17-20.

[責任編輯????田????豐]