謝文龍,寧欣,張騫

基于AVL-BOOST的可變正時(shí)汽油機(jī)泵氣損失研究

謝文龍,寧欣,張騫

（河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

利用BOOST軟件建立一款自然吸氣四缸汽油機(jī)的仿真模型,可變氣門(mén)正時(shí)汽油機(jī)通過(guò)可變液壓氣門(mén)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期和進(jìn)氣早關(guān)角的連續(xù)可變.將實(shí)測(cè)的氣門(mén)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)按照不同的負(fù)荷要求輸入模型,由于取消了節(jié)氣門(mén),進(jìn)氣節(jié)流閥R1取值為1.進(jìn)氣早關(guān)角依次設(shè)定為原機(jī)進(jìn)氣晚關(guān)角之前的6～56°CA,以10°CA為一間隔,研究不同轉(zhuǎn)速下的充量系數(shù)變化趨勢(shì).結(jié)果表明：可變正時(shí)汽油機(jī)低速時(shí),選擇較大的進(jìn)氣早關(guān)角可避免進(jìn)氣倒流,高速時(shí)選擇較小的進(jìn)氣早關(guān)角可充分利用過(guò)后充氣,兼顧了高低速工況的進(jìn)氣性能.根據(jù)傳統(tǒng)汽油機(jī)和可變正時(shí)汽油機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)方式的不同設(shè)定兩種仿真模式,傳統(tǒng)汽油機(jī)配氣定時(shí)固定不變,進(jìn)氣節(jié)流閥R1取值0～1之間某值以模擬不同的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度,可變正時(shí)汽油機(jī)輸入不同進(jìn)氣早關(guān)角的氣門(mén)升程數(shù)據(jù),匹配兩種模式下的平均有效壓力值相同,對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下泵氣損失隨負(fù)荷的變化趨勢(shì).結(jié)果表明：可變正時(shí)汽油機(jī)相比于傳統(tǒng)汽油機(jī)對(duì)降低泵氣損失有明顯優(yōu)勢(shì),低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷時(shí)改善程度最明顯,最多可降低泵氣損失約49%；高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)改善程度最弱,全部實(shí)驗(yàn)工況下平均降幅約為34%.

可變氣門(mén)正時(shí)；進(jìn)氣門(mén)早關(guān)；充量系數(shù)；泵氣損失

傳統(tǒng)汽油機(jī)通過(guò)節(jié)氣門(mén)控制進(jìn)氣量,節(jié)氣門(mén)開(kāi)度大,進(jìn)入氣缸的可燃混合氣越多,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越高；節(jié)氣門(mén)開(kāi)度小,進(jìn)入氣缸的可燃混合氣越少,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越小[1].汽車保有量逐年增加,大多數(shù)城市路況下的汽車都限于中低速行駛,發(fā)動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)情況下也只能以中小負(fù)荷工作[1].這時(shí)節(jié)氣門(mén)控制負(fù)荷的弊端就開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái),較小的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度往往造成進(jìn)氣阻力的增加,對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能非常不利,進(jìn)而影響到小負(fù)荷時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性.而可變正時(shí)汽油機(jī)取消了節(jié)氣門(mén),可變液壓氣門(mén)機(jī)構(gòu)采用進(jìn)氣門(mén)早關(guān)策略調(diào)節(jié)進(jìn)氣量,能夠?qū)崿F(xiàn)選擇較大的進(jìn)氣早關(guān)角和較小的氣門(mén)升程滿足中小負(fù)荷少進(jìn)氣的要求,選擇較小的進(jìn)氣早關(guān)角和較大的氣門(mén)升程滿足大負(fù)荷多進(jìn)氣的要求[2].建立試驗(yàn)樣機(jī)EQ486的BOOST仿真模型,對(duì)5組不同轉(zhuǎn)速下的汽油機(jī)充量系數(shù)隨不同進(jìn)氣早關(guān)角的變化關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果表明在每一轉(zhuǎn)速都有其對(duì)應(yīng)的最佳進(jìn)氣早關(guān)角.傳統(tǒng)汽油機(jī)配氣定時(shí)固定不變,無(wú)法兼顧高低速工況[3],而可變氣門(mén)汽油機(jī)低速時(shí)選擇較大的進(jìn)氣早關(guān)角,可以避免進(jìn)氣倒流,高速時(shí)選擇較小的進(jìn)氣早關(guān)角,可以充分利用慣性進(jìn)氣,驗(yàn)證了可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)能夠提高進(jìn)氣性能[4].傳統(tǒng)汽油機(jī)調(diào)節(jié)進(jìn)氣節(jié)流閥[5],可變正時(shí)汽油機(jī)調(diào)節(jié)進(jìn)氣早關(guān)角和氣門(mén)升程,針對(duì)兩種模式的發(fā)動(dòng)機(jī)匹配相同的平均有效壓力,對(duì)比兩者泵氣損失的變化趨勢(shì).結(jié)果表明無(wú)節(jié)氣門(mén)汽油機(jī)相比傳統(tǒng)汽油機(jī)降低泵氣損失效果明顯,在低速小負(fù)荷時(shí)最為顯著[6].

1 建立BOOST仿真模型

傳統(tǒng)汽油機(jī)通過(guò)節(jié)氣門(mén)控制進(jìn)氣量,所以模型中必須設(shè)置有模擬節(jié)氣門(mén)的進(jìn)氣節(jié)流閥R1,選取0～1之間不同的值模擬不同的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度；可變正時(shí)汽油機(jī)取消了進(jìn)氣系統(tǒng)中的節(jié)氣門(mén),改為由可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)控制進(jìn)氣門(mén)的早關(guān)角調(diào)節(jié)進(jìn)氣量,所以可變正時(shí)汽油機(jī)的R1取值為1.選擇一款四缸自然吸氣汽油機(jī)EQ486作為研究對(duì)象,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的原機(jī)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式建立BOOST仿真模型如圖1所示.

圖1 四缸汽油機(jī)BOOST仿真模型Fig.1 BOOSTsimulation model

模型運(yùn)行需輸入的全局參數(shù)如表1所示.

表1 全局參數(shù)輸入數(shù)據(jù)Tab.1 The meaning ofmodelmodule

進(jìn)氣門(mén)升程控制負(fù)荷與節(jié)氣門(mén)控制負(fù)荷的氣門(mén)型線對(duì)比如圖2所示.

圖2 不同負(fù)荷控制方式的進(jìn)氣門(mén)升程曲線對(duì)比Fig.2 Comparison ofthe liftcurve ofintake valve

由圖2可知,進(jìn)氣早關(guān)控制策略的進(jìn)氣門(mén)升程曲線可連續(xù)多級(jí)變化,較大的進(jìn)氣早關(guān)角對(duì)應(yīng)較小的氣門(mén)升程,此時(shí)的進(jìn)氣量只能滿足小負(fù)荷時(shí)的要求；隨著進(jìn)氣早關(guān)角的減小,進(jìn)氣門(mén)的升程和開(kāi)啟持續(xù)期增加,進(jìn)氣量增加滿足中等負(fù)荷的要求；當(dāng)進(jìn)氣早關(guān)角接近為零時(shí),進(jìn)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與原機(jī)相同,進(jìn)氣門(mén)升程和開(kāi)啟持續(xù)期都達(dá)到最大值,此時(shí)的進(jìn)氣量滿足大負(fù)荷的要求.傳統(tǒng)汽油機(jī)通過(guò)節(jié)氣門(mén)控制負(fù)荷,任何工況下的配氣定時(shí)和氣門(mén)升程都一致,而在低速小負(fù)荷時(shí)難免受到節(jié)氣門(mén)節(jié)流作用的影響.

2 仿真結(jié)果分析

2.1 進(jìn)氣早關(guān)對(duì)進(jìn)氣量的影響

設(shè)定轉(zhuǎn)速依次為1 000～5 000 r/min,以1 000 r/min為一間隔；進(jìn)氣提前角與排氣相位角不變,由于原機(jī)進(jìn)氣晚關(guān)角為下止點(diǎn)后56°CA,將進(jìn)氣遲閉角依次設(shè)置為下止點(diǎn)后0～50°CA,以10°CA為一間隔,得出不同轉(zhuǎn)速下可變正時(shí)汽油機(jī)充量系數(shù)隨進(jìn)氣早關(guān)角的關(guān)系如圖3所示.

圖3 不同工況下充量系數(shù)的對(duì)比Fig.3 Comparison ofvolumetric efficiency under differentconditions

在同一轉(zhuǎn)速下,當(dāng)進(jìn)氣遲閉角較小時(shí),隨著進(jìn)氣遲閉角的增加氣門(mén)最大升程和開(kāi)啟持續(xù)期逐漸增大,充量系數(shù)迅速增加；當(dāng)進(jìn)氣遲閉角增大到某一范圍時(shí)充量系數(shù)達(dá)到最大值,此時(shí)的進(jìn)氣遲閉角即為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最佳進(jìn)氣遲閉角；當(dāng)進(jìn)氣遲閉角繼續(xù)增大超過(guò)最佳進(jìn)氣遲閉角后由于氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期的延長(zhǎng)導(dǎo)致部分新鮮進(jìn)氣又回流至進(jìn)氣管中,此時(shí)充量系數(shù)隨進(jìn)氣遲閉角增大而減小.

發(fā)動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)速都有其對(duì)應(yīng)的最佳進(jìn)氣遲閉角,由于低速進(jìn)氣慣性減弱而高速進(jìn)氣慣性增強(qiáng),隨著轉(zhuǎn)速升高和氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期的增加,最佳進(jìn)氣遲閉角逐漸增大.

可變正時(shí)汽油機(jī)取消節(jié)氣門(mén),采用進(jìn)氣早關(guān)（EIVC）的方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣量.低速時(shí)采用進(jìn)氣早關(guān)策略可防止進(jìn)入氣缸的新鮮充量向進(jìn)氣管倒流.高速時(shí)的氣流慣性較大,采用較大的進(jìn)氣遲閉角,可充分利用進(jìn)氣慣性實(shí)現(xiàn)過(guò)后充氣,改善進(jìn)氣效果.

2.2 進(jìn)氣早關(guān)對(duì)泵氣損失的影響

傳統(tǒng)汽油機(jī)通過(guò)節(jié)氣門(mén)控制進(jìn)氣量,由于小負(fù)荷時(shí)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度較小,往往產(chǎn)生較大的泵氣損失.可變正時(shí)汽油機(jī)通過(guò)可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)控制氣門(mén)早關(guān),從結(jié)構(gòu)上取消了節(jié)氣門(mén),將顯著降低泵氣損失.為了研究可變正時(shí)汽油機(jī)相比傳統(tǒng)汽油機(jī)關(guān)于泵氣損失的變化趨勢(shì),基于仿真模型,分別對(duì)兩種負(fù)荷控制模式的模型設(shè)定相同的BMEP值以滿足同樣的負(fù)荷輸出要求.

圖4 兩種控制模式泵氣損失對(duì)比Fig.4 Comparison ofpumping loss in two controlmodes

由圖4可知,相同轉(zhuǎn)速下,傳統(tǒng)汽油機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度越大,進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣節(jié)流越弱,泵氣損失隨著負(fù)荷增加而減?。豢勺冋龝r(shí)汽油機(jī)取消節(jié)氣門(mén),由可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)控制進(jìn)氣早關(guān)角調(diào)節(jié)負(fù)荷,進(jìn)氣阻力隨氣門(mén)升程和氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期增大而減小,即兩者泵氣損失都隨負(fù)荷增加而減小,但整體上可變正時(shí)汽油機(jī)改善趨勢(shì)更為明顯.相同負(fù)荷下,兩者進(jìn)氣阻力都隨轉(zhuǎn)速增加而變大,傳統(tǒng)汽油機(jī)由于節(jié)氣門(mén)的節(jié)流作用在中小負(fù)荷時(shí)的泵氣損失隨轉(zhuǎn)速變化比可變正時(shí)汽油機(jī)明顯,在高速大負(fù)荷時(shí)的泵氣損失改善趨于減弱.低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷時(shí)改善程度最明顯,最多可降低泵氣損失約49%；高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)改善程度最弱,全部實(shí)驗(yàn)工況下平均降幅約為34%,即可變正時(shí)汽油機(jī)相比于傳統(tǒng)汽油機(jī)對(duì)降低泵氣損失有明顯優(yōu)勢(shì).

3 小結(jié)

本文建立了EQ486汽油機(jī)仿真模型,對(duì)無(wú)節(jié)氣門(mén)化的可變正時(shí)汽油機(jī)進(jìn)氣性能進(jìn)行研究,首先對(duì)比同一轉(zhuǎn)速下充量系數(shù)隨進(jìn)氣早關(guān)角的變化關(guān)系,其次設(shè)定不同轉(zhuǎn)速,最終得出不同工況下的充量系數(shù)變化曲線.驗(yàn)證了可變正時(shí)汽油機(jī)低速時(shí)選擇較大進(jìn)氣早關(guān)角較小進(jìn)氣門(mén)升程策略,或高速時(shí)選擇較小進(jìn)氣早關(guān)角較大進(jìn)氣門(mén)升程策略都可以改善進(jìn)氣性能.

針對(duì)傳統(tǒng)模式和進(jìn)氣早關(guān)模式,在相同負(fù)荷輸出要求的情況下,對(duì)比不同工況下泵氣損失的變化趨勢(shì).結(jié)果表明低速小負(fù)荷時(shí)無(wú)節(jié)氣門(mén)汽油機(jī)相比于傳統(tǒng)汽油機(jī)對(duì)降低泵氣損失效果更明顯,高速大負(fù)荷時(shí)兩者無(wú)明顯區(qū)別,但整體上效果顯著,為將來(lái)無(wú)節(jié)氣門(mén)汽油機(jī)在中小負(fù)荷時(shí)的動(dòng)力性或燃油經(jīng)濟(jì)性的研究打下基礎(chǔ).

[1]吳建華.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013：65-70.

[2]胡順堂,謝輝,SHUN T.提高汽油機(jī)部分負(fù)荷效率的新技術(shù)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2010,37（6）：38-41,44.

[3]謝文龍.多缸汽油機(jī)全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其性能模擬[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2015.

[4]周龍保.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,2012.

[5]胡順堂.全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)汽油機(jī)泵氣損失控制及對(duì)燃燒過(guò)程的影響[D].天津：天津大學(xué),2009.

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[7]顧珂韜,楊化軍,董麗軍,等.全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀的分析與研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2010（6）：16-20.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Research on pumping loss of variable timing engine based on AVL-BOOST

XIE Wenlong,NING Xin,ZHANG Qian
（SchoolofMechanicaland ElectricalEngineering,Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang 453003,China）

A simulation model of four cylinder engine using BOOST software was established,variable timing gasoline engine with variable hydraulic valve mechanism to achieve the continuous period of the valve opening and continuously variable inlet early angle.According to different load requirements,measured valve lift data was entered into the model,since the cancellation of the throttle,the intake throttle valve R1 value of 1；Setting different inlet angle and comparing the change trend of the filling coefficient under different speed.The results showed that variable timing engine at low-speed select larger intake early off angle could avoid inlet backflow and high-speed select smaller intake early off angle could make full use of the inertia air intake,the intake performance of both high and low speed conditions was considered.The throttle valve of traditional engine was set with different opening degree,and the variable timing engine input different valve lift data to meet the same BMEP value,the trend of pumping loss at different speed with the change of engine load was calculated.The results showed that the variable timing engine had obvious advantages in reducing the pumping loss,especially when low speed and small load was more obvious.

variable valve timing；EIVC；volumetric efficiency；pumping loss

TK411

A

1008-7516（2017）02-0074-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.02.016

2016-11-07

謝文龍（1992―）,男,河南長(zhǎng)垣人,碩士,助教.主要從事車用發(fā)動(dòng)機(jī)研究.