自然吸氣汽油機部分負荷換氣特性研究

李一，邵長浩，霍東波，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，CAE工程室，遼寧 沈陽 110141）

自然吸氣汽油機部分負荷換氣特性研究

李一，邵長浩，霍東波，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，CAE工程室，遼寧 沈陽 110141）

基于原型樣機搭建的一維發(fā)動機熱力學分析模型，對發(fā)動機部分負荷換氣特性進行研究，主要考慮了氣門運動規(guī)律的影響。主要對常用工況范圍內5個特定工況點進行了動力性與經濟性的對比分析，闡述了排氣門滯后關閉和凸輪型線更改對部分負荷換氣過程影響。排氣門滯后關閉，增大了殘余廢氣量，提升了實際循環(huán)的壓縮比，減小了泵氣損失，提升了部分負荷的動力性，比油耗降低2%-5%左右。凸輪型線升程和包角增加有益于上述獲益的增大。

部分負荷；可變氣門正時；殘余廢氣；換氣特性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.015

CLC NO.: TK411 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-39-04

引言

發(fā)動機節(jié)能與減排是其發(fā)展的主要前景。常用工況范圍的部分負荷特性的研究是最具實際意義。秦靜[1]研究了進氣門晚關與高壓縮比對汽油機部分負荷特性的改善作用，通過進氣門晚關、高壓縮比與點火提前角的優(yōu)化，將油耗降低4%-10%。其進氣門晚關的主要技術手段是增大凸輪形線的包角。[2-6]分析了分期再循環(huán)系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響，其中包括動力性能、經濟性、排放等的優(yōu)化與研究。

實際上，換氣過程對發(fā)動機有一定的影響。尤其是通過氣門運動規(guī)律的調整對泵氣損失的改善。發(fā)動機部分負荷工況，氣門開度小于30度以下時，由于節(jié)氣門體處的節(jié)流損失增大，導致進氣壓力損失增加。導致氣缸充量系數(shù)（換算參考壓力1bar，300k）為0.3左右，即自然吸氣發(fā)動機很難吸入理論上的進氣量?；谠摤F(xiàn)象，提出通過控制氣門運動規(guī)律提高氣缸內殘余廢氣的方法，對發(fā)動機部分負荷的動力性與經濟性進行改善。主要技術手段為凸輪型線優(yōu)化及進排氣VVT（variable valve timing）的調節(jié)。

1、發(fā)動機參數(shù)與分析流程

1.1發(fā)動機基本參數(shù)

部分分析基于某4缸4沖程自然吸氣汽油發(fā)動機，發(fā)動機的基本技術參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)動機技術參數(shù)Tab.1 Engine specifications

1.2分析流程概述

首先，建立一個能夠模擬發(fā)動機外特性的熱力學模型，根據(jù)發(fā)動機技術參數(shù)與實體幾何創(chuàng)建一個基礎模型，并根據(jù)外特性實驗數(shù)據(jù)進行標定。

然后，創(chuàng)建部分負荷熱力學模型，輸入對應的實驗數(shù)據(jù)，并進行模型的標定。

最后，選定特定工況，依據(jù)部分負荷模型，對凸輪型線進行選擇，對VVT角度做DOE處理，確定最佳VVT角度。

整體流程如圖1所示。

圖1　分析流程圖Fig.1 Flowchart of Analysis

2、數(shù)值模型及對標結果

基于一維熱力學模型對某型汽油機的換氣過程進行研究。

2.1一維熱力學模型

一維熱力學模型，包括進氣系統(tǒng)、節(jié)氣門體、進氣歧管、進排氣道（包含氣門的運動）、氣缸、排氣歧管及排氣系統(tǒng)。具體結構如圖2：

一維熱力學模型輸入實驗的大氣邊界條件，包括壓力與溫度等。管路壁面采用壁溫度求解模型求解，模擬工質與管壁，管壁與環(huán)境之間的換熱。氣缸內部，采用詳細的壁面溫度求解模型模擬缸體的傳熱過程。缸內的對流換熱通過Woschni模型計算。燃燒通過SIWiebe模型模擬分析，主要輸入50%燃燒點，燃燒持續(xù)期，燃燒指數(shù)及有效燃燒百分數(shù)等。

圖2　一維熱力學分析模型Fig.2 Thermodynamic analysis of one-dimensional model

2.2一維熱力學理論

一維熱力學主要對管路進行離散。對離散單元的物理狀態(tài)進行計算，主要計算內容包括連續(xù)性方程（1），能量方程（2）和動量方程（3）。

2.3部分負載模型

圖3　分析工況點示意圖Fig.3 The operating point by Analysis

建立并標定2000、2400、3200rpm三個轉速下各部分負載的熱力學模型，作為基礎模型?；诎l(fā)動機常用工況點，選取5個工況點（2000rpm，1.8bar）（2000rpm，3.5bar）（2400rpm，2.5bar）（3200rpm，1.8bar）（3200rpm，3.5bar）作為分析工況。圖3顯示了模擬工況點在萬有特性中的具體位置。

基于不同設計方案分析比較發(fā)動機部分負載的動力性與經濟性結果。表2介紹了分析方案的具體內容。

表2　方案代號Tab.2 Engine specifications

圖4為凸輪型線方案的示意圖，進氣凸輪型線未改變，三種方案共用IN-old線。排氣凸輪型線，EX-old線為IVVT-old方案與DVVT-old方案所共用。EX-C線為DVVT-C方案的排氣凸輪型線

圖4　凸輪型線Fig.4 Camshaft profile comparison

2.4模型的精確性

一維熱力學模型對標結果見附頁插圖，計算結果與實驗誤差基本控制在10%以內。其中，圖11為外特性的標定結果。圖12-14為2000rpm、2400rpm，3200rpm不同節(jié)氣門開度時，發(fā)動機主要參數(shù)的對標結果。

主要標定了發(fā)動機各部件中工質的氣體狀態(tài)，包括流量、壓力、溫度等參數(shù)。并標定了發(fā)動機外特性的扭矩、比油耗等性能指標。

3、計算結果與分析

3.1DVVT的DOE處理

VVT的確定原則，進氣排氣凸輪型線原始相位采用IVVT-old方案相位，限定邊界低于原型機的比油耗，殘余廢氣百分數(shù)不大于15%，調節(jié)極限進氣25度曲軸轉角，排氣30度曲軸轉角。在扭矩MAP上尋找最大扭矩點。以2400rpm，2.5bar工況點為例。確定進氣VVT向前調節(jié)0度曲軸轉角，排氣VVT向后調節(jié)25度曲軸轉角。具體確定方法如圖5所示。

圖5　VVT角度確定Fig.5 The determination of VVT angle

表3為3種方案5個工況點的進排氣VVT角度。可以看出部分負荷進氣VVT角度基本不動作。排氣VVT向后調節(jié)，即排氣門延時關閉。其中DVVT-old方案與DVVT-c方案的VVT掃描結果是一致的。

表3　VVT結果參數(shù)Tab.3 Engine specifications

3.2三種方案的結果比較

以2400rpm，2.5bar工況點為例。DVVT-old的動力性與經濟性結果最佳。從表4中可以看出，DVVT-old與其他兩方案對比，進氣量基本保持不變，殘余廢氣百分數(shù)增加，參加熱力循環(huán)的工質增加，等效于壓縮比提高。DVVT-old與其他兩方案對比，泵氣損失略有降低，缸內指示熱效率有所提高。綜上所述，相較于其它兩方案，DVVT-old方案的扭矩最高，比油耗最低。所以DVTT-old為最佳方案。

表4　計算結果對比Tab.4 simulation results comparison

3.3DVVT-old與IVVT-old比較分析

首先，方案DVVT-old與方案IVVT-old相比較，進排氣凸輪型線一致，進氣VVT調節(jié)角度一致，DVVT-old方案的排氣VVT向后調節(jié)即排氣門滯后關閉25度曲軸轉角。如圖7所示，排門滯后關閉，在進氣沖程內，活塞下行階段，排氣門仍然有一段時間是打開的。由于這種活塞與排氣門的運動，被排出的廢氣就會從排氣道流回到氣缸中，因此，增大了熱力循環(huán)中的殘余廢氣百分數(shù)。進氣凸輪型線及VVT角度一致，進氣量基本一致。進氣量一致，殘余廢氣百分數(shù)增加，即參與到下一熱力循環(huán)的工質增加，壓縮比增大，由于此工況負荷較小倒流回的廢氣不會影響到發(fā)動機點火角，因此有利于動力性的提高。

圖6　氣門動作與流量Fig.6 Valve operation and Discharge

排氣VVT向后移動，由于殘余廢氣百分數(shù)增加，瞬時的氣缸壓力增大。進氣時，氣缸壓力增加，由于流體壓力由取決下游，所以進氣歧管處壓力增大，相當于增大了進氣壓力。進氣歧管處的瞬態(tài)壓壓力波動對比如圖8所示。

圖7　氣門動作與進氣歧管壓力Fig.7 Valve operation and intake manifold pressure

圖8　排氣門滯后關閉對熱力循環(huán)的影響Fig.8 Exhaust valve lagging influence of logPV diagram

進氣壓力的增加，減小了吸氣沖程的吸入功，從而改善了泵氣損失。圖9給出了兩種方案的熱力學PV圖，可以看出排氣門滯后關閉對泵氣損失的改善是較為明顯的。

3.4DVVT-old與DVVT-C比較分析

DVVT-old方案與DVVT-C方案進氣凸輪型線與VVT角度一致，排氣VVT角度一致。不同的是，DVVT-old方案排氣凸輪型線的升程與包角較大。

圖9　氣門動作與流量Fig.9 Valve operation and Discharge

從圖10中可以看出，兩方案的排氣過程，由于DVVT-old方案凸輪型線的升程和包角更大一些，所以該方案的排氣節(jié)流損失少一些，排氣門關閉前的回流殘余廢氣多一些。所以DVVT-old方案的動力性與經濟性略優(yōu)于DVVT-C方案。

3.5其他工況點結果

4.1-4.4所述的內容均以（2000rpm，2.5bar）工況點為例。此外，本文還研究了（2000rpm，1.8bar）、（2000rpm，3.5bar）、（3200rpm，1.8bar）（3200rpm，2.5bar）等工況點。結果表明在所計算的工況范圍內，DVVT-old方案的動力性與經濟性結果最佳，比油耗最高降低5%。

4、結論

經過分析，本文主要結論如下：

（1）部分負荷工況，排氣門延時關閉，能夠改善發(fā)動機換氣過程，增大進氣壓力，減小泵氣損失。

（2）部分負荷工況，排氣門延時關閉，可以造成一定的廢氣回流，增加參與熱力循環(huán)的工質的物質量，提升發(fā)動機的動力性。

（3）進氣正時一致時，排氣門延時關閉對進氣量的影響幅度很小。

（4）基于上述三點結論，排氣門延時關閉泵氣損失減小，進氣量不變，更多的殘余廢氣殘余到下一循環(huán)，動力性的改善，計算工況范圍內的部分負荷比油耗降低2%-5%。

Study of Gas Exchange Behaviors for A Naturally Aspirated Gasoline Engine at Part Load

Li Yi, Shao Changhao, Huo Dongbo, Qiao Xin
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, CAE Section, Liaoning Shenyang 110141 )

The research performed on the engine part load gas exchange behaviors based on the one-dimensional thermodynamic analysis model. According to five typical operating points brake torque and brake specified fuel consumption comparison, this article described the exhaust valve close lagging and cam-profile modification effect on part load. The simulation results show that if the exhaust valves close timing delay, the residual gas will increase, the working fluids will be compressed strongly and the pumping lose decrease. Then the engine performance will be optimized at part load. The brake specified fuel consumption benefits by 2%-5%. And the cam-profile could enhance the benefits.

part load; variable valve timing; residual gas; gas exchange behaviors

TK411 文獻表示碼：A

1671-7988（2016）11-39-04

李一（1987-），男，就職于華晨汽車工程研究院，動力總成分析組主管，主要從事發(fā)動機性能等CAE分析工作。