廢氣渦輪增壓汽油機可變配氣相位的優(yōu)化研究

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

隨著汽油機的高速化，配氣相位固定不變的缺點越來越突出，如高轉速與低轉速、大負荷與小負荷汽油機的性能之間，矛盾越來越突出。為了獲得不同轉速下適合的配氣相位，解決發(fā)動機在高低轉速、大小負荷性能之間的矛盾，現在越來越多的發(fā)動機上采用可變配氣相位機構。

GT-POWER軟件采用現代數值計算和計算機技術等最新開發(fā)的關于內燃機性能模擬與仿真軟件，是目前國內外汽車廠和內燃機制造公司理想的實驗模擬工具。

本文以一臺465QE廢氣渦輪增壓汽油機為例，對進、排氣配氣相位進行優(yōu)化研究。本次優(yōu)化研究是基于GT-POWER軟件為研究工具建立模型，經過計算得到不同轉速下進、排氣配氣相位的最佳值，最終使配氣相位得到最佳優(yōu)化。

1 可變配氣相位技術簡介

根據轉速、負荷等參數的變化，來調節(jié)合適的配氣相位，發(fā)動機不僅能獲得很好的充量系數，而且還能改善發(fā)動機動力性和燃油經濟性等指標。傳統(tǒng)的汽油機的氣門開啟和關閉，是由凸輪驅動和控制的，其配氣相位是固定不變的，這樣的話，就不能夠在各種情況下提供出最佳正時，汽油機的性能潛力就不能夠得到完全地發(fā)揮[1~3]。

若采用可變配氣相位技術，則可以使汽油機在不同工況下采用不同的配氣相位，以此來滿足汽油機在高轉速與低轉速、大負荷與小負荷時的要求，從整體上去提高汽油機的綜合性能。同時，增壓汽油機的試驗表明：氣門疊開角每增加10°（CA），活塞平均溫度降低4℃。合理地增大氣門疊開角，除了可降低發(fā)動機的熱負荷以外，還有利于增大充量系數和降低排氣溫度，改善了渦輪的工作條件[4~5]。

可變配氣相位有很多種形式，一般按照驅動方式分為機械式和電控無凸輪式兩類。目前使用比較廣泛的方法，還是使用機械式的方法調節(jié)配氣相位，用改變凸輪機構或氣門正時的方法來改變氣門正時、氣門升程或氣門持續(xù)角。

2 優(yōu)化方法的選擇

本型LJ465QE增壓汽油機，大部分時間工作在中、低速和中、低負荷區(qū)。低速時，扭矩的改善，將可以降低汽油機的最低轉速，因此能夠擴大轉速范圍，還能夠提高汽油機的怠速穩(wěn)定性，并進一步降低本汽油機的油耗。故在本型LJ465QE增壓汽油機上，應用可變配氣相位技術，可以提高中、低負荷和轉速下的轉矩，增加高速工況下的最大功率。

綜合參考目前國內外可用的可變配氣相位技術的特點，本文選用的可變配氣相位技術是：在保持進排氣門升程特性和持續(xù)期不變的條件下，改變氣門開啟時的曲軸角度。

選用這種技術，是因為：根據國內外現有的機構，對進氣和排氣凸輪軸實行調節(jié)相位，能夠非常顯著地提高汽油機的性能。這類機構在國外也有了非常成熟的機構，這也驗證了這種組合方式的可行性。同時若采用這種組合方式，則對原汽油機的改動不多，只需加一套附加機構，同時不需要對原有凸輪軸作太大的改動，相對而言較好實現，原理也相對簡單[6]。

3 優(yōu)化模型建立

本文對進排氣配氣相位的優(yōu)化計算，采用GT-POWER軟件自帶的“Optimizer”模塊進行。進氣閥門和排氣閥門模塊，在GT-POWER軟件中可設定為“Cam Timing Angle”參數。“Cam Timing Angle”參數能夠決定排氣門開啟角（EVO）、排氣門關閉角（EVC）、進氣門開啟角（IVO）、進氣門關閉角（IVC）。這個參數在數值上，等于氣門最大升程時的凸輪轉角，即氣門最大升程時曲軸轉角的一半。

由于進、排氣配氣正時，能夠對汽油機的充氣效率起到很重要的影響，因此配氣相位的優(yōu)化在GT-POWER軟件中，表現為進排氣閥門模塊中的“Cam Timing Angle”參數值的優(yōu)化。原機的“Cam Timing Angle”進氣閥門設定為 460°（CA），排氣閥門設定為250°（CA）。優(yōu)化變量設定為“進氣Cam Timing Angle”（簡稱“intake-time”）和“排氣 Cam Timing Angle”（簡稱“exhaust-time”）這兩個變量，優(yōu)化的目標設定為“扭矩最大”，優(yōu)化的范圍設定為“±20°（CA）”，步長設定為“0.5°（CA）”。

本論文僅研究在外特性下的可變配氣相位隨轉速的變化關系。

4 優(yōu)化計算結果及分析

優(yōu)化計算的結果，如表1所示。

表1 可變配氣相位優(yōu)化結果

分析表1發(fā)現，在低速段（1 000～3 500 r/min）應適當提前開閉進氣門和延遲開閉排氣門；在中速段（4 000～5 000 r/min）進排氣正時角基本不需要調整，維持原機的參數即可；在高速段（5 600～6 250 r/min）應適當延遲開閉進氣門，排氣門正時基本維持不變。

優(yōu)化配氣相位后的計算對比如圖1所示。

圖1 配氣相位優(yōu)化方案與原機方案的性能對比圖

對圖1的分析可知：在低速段（1 000～3 000 r/min）增壓基礎再加上可變配氣正時后，汽油機的充氣效率、扭矩和功率都較單純的增壓和原機都有大幅度增加；在中速段（3 500～5 000 r/min）增壓基礎再加上可變配氣正時后，汽油機的充氣效率、扭矩和功率較單純增壓略微提高；在高速段（5 600～6 250 r/min）增壓基礎再加上可變配氣正時后，汽油機的扭矩和功率，都較單純增壓和原機都有大幅度增加，但充氣效率略微有所提高。整體來看，優(yōu)化后增壓汽油機的性能，在低速段和高速段改善得相對中速段要明顯，其中充氣效率、功率、扭矩的最大增加量，分別為13.4%、20.2%和19.7%，增壓汽油機的性能得到很大的提高。

5 結束語

在本章完成了可變配氣相位優(yōu)化的工作，配氣相位優(yōu)化后得到以下結論：

其一，是在低速段（1 000～3 500 r/min）應該適當提前開閉進氣門和延遲開閉排氣門；在中速段（4 000～5 000 r/min）進排氣正時角基本不需要調整，維持原機的參數即可；在高速段（5 600～6 250 r/min）應該適當延遲開閉進氣門，而排氣門正時基本維持不變。

其二，是經過對配氣相位的優(yōu)化，優(yōu)化后增壓汽油機的性能在低速段和高速段改善得相對中速段要明顯，其中充氣效率、功率、扭矩的最大增加量，分別為13.4%、20.2%和19.7%，增壓汽油機性能參數更進一步得到改善。

[1]Martain Scheidt.Timed to perfection-the variable cam timer:technology for clean exhausts and a greener environment[J].Engine Technology International，2001，(3)：62-65.

[2]李理光，肖 敏.車用高速汽油機電控可變配氣系統(tǒng)[J].汽車工程，2001，(4)：274-278.

[3]肖 敏，李理光，曾朝陽.可變配氣相位對發(fā)動機性能的影響[J].機車技術，2000，(1)：10-14.

[4]張德惠.連續(xù)可變相位配氣機構的設計[J].拖拉機與農用運輸車，2005，(12)：78-79.

[5]姚春德，劉小平.基于模糊PID控制的可變配氣相位控制系統(tǒng)仿真研究[J].兵工學報，2007，(9)：1025-1029.

[6]褚超美，等.進排氣管結構與配氣系統(tǒng)匹配對汽油機性能的影響研究[J].內燃機工程，2003，(5)：55-58.