王超 翁中華 楊陳 袁爽 沈源 王瑞平,2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

基于氣門升程曲線的發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化

王超1翁中華1楊陳1袁爽1沈源1王瑞平1,2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

進(jìn)排氣門的開啟時(shí)刻，對(duì)氣缸充量有重要的影響。利用進(jìn)氣慣性及進(jìn)氣門遲閉可以有效地增加氣缸充量，而較大的遲閉角可能會(huì)因?yàn)榛钊纳弦茖怏w推出氣缸，減小氣缸充量。同樣，排氣提前可以有效地降低缸內(nèi)殘余廢氣，使排氣通暢；而較大的排氣提前角可能會(huì)造成有效功的損失，并導(dǎo)致各缸間進(jìn)排氣干涉，減小氣缸充量。采用仿真分析的方法，分析造成發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩偏低的原因，更改進(jìn)排氣門升程曲線，有效地增加氣缸充量，增加發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性。同時(shí)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，選用最終的實(shí)施方案。

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門升程氣門包角氣門重疊角

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。同樣大小的氣缸容積，在相同的進(jìn)氣狀態(tài)下若能吸入更多的新鮮空氣，則可噴更多的燃料，產(chǎn)生更多有用功[1～3]。同時(shí)，由于多缸機(jī)存在兩個(gè)缸氣門同時(shí)打開的現(xiàn)象，廢氣倒流直接影響充氣效率。因此，合理的配氣相位，對(duì)提高氣缸的充氣效率和改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有重要意義。

本文針對(duì)一款四缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)速性能較差，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭力的情況，借助專業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算軟件，分析和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣凸輪型線，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，最終達(dá)到預(yù)期目標(biāo)要求。同時(shí)對(duì)提出的方案進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)，驗(yàn)證提出方案的可行性，并確定最終的實(shí)施方案。

1 開發(fā)目標(biāo)

目前，國內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)和整車行業(yè)較少做一個(gè)全新發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)項(xiàng)目，通常為了適應(yīng)法規(guī)及當(dāng)前市場(chǎng)的需求，對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改型及優(yōu)化設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)各主機(jī)廠的主要任務(wù)。

基于此款自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)中低速性能差，油耗偏高的市場(chǎng)反饋問題，本項(xiàng)目嘗試通過優(yōu)化凸輪的型線來改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高市場(chǎng)競(jìng)爭力。圖1、圖2、圖3顯示項(xiàng)目的開發(fā)目標(biāo)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩開發(fā)目標(biāo)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)功率開發(fā)目標(biāo)

圖3 油耗率開發(fā)目標(biāo)

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 原狀態(tài)數(shù)據(jù)分析

利用較成熟的一維熱力學(xué)仿真軟件AVL-boost，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，搭建一維熱力學(xué)仿真計(jì)算模型。得到計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣特性，得到優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的方案。

發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程有一個(gè)特殊階段，在進(jìn)氣上止點(diǎn)前后，由于進(jìn)氣門的提前開啟與排氣門的延遲關(guān)閉，使內(nèi)燃機(jī)從進(jìn)氣門開啟到排氣門關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，出現(xiàn)進(jìn)排氣門疊開時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，對(duì)氣門重疊角大小的要求也有所不同[4]。進(jìn)氣特性對(duì)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的影響尤為重要。

在氣門疊開時(shí)刻，可以通過進(jìn)氣門入口處、缸內(nèi)、排氣門出口處3處壓力對(duì)比分析，得到在氣門疊開時(shí)刻新鮮空氣的流動(dòng)情況，同時(shí)根據(jù)流動(dòng)的質(zhì)量流量，分析得到優(yōu)化氣門升程曲線的方案。圖4、圖5、圖6分別顯示，在2000r/min、4000 r/min、6000r/min時(shí)，進(jìn)氣質(zhì)量流量的變化情況，圖7顯示4000r/min時(shí)一缸氣門開啟與3缸氣門疊開情況。

圖4 2000r/min進(jìn)氣質(zhì)量流量分析

圖5 4000r/min進(jìn)氣質(zhì)量流量分析

圖6 6000r/min進(jìn)氣質(zhì)量流量分析

圖7 4000r/min時(shí)氣門疊開情況

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析可以得出：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速全負(fù)荷工況下，在進(jìn)氣終了時(shí)均出現(xiàn)進(jìn)氣質(zhì)量流量是負(fù)值的現(xiàn)象，低速時(shí)較明顯。其主要原因是由于在這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，缸內(nèi)壓力與進(jìn)氣壓力持平，氣流的慣性變小，這時(shí)活塞已經(jīng)上行，由于進(jìn)氣門的遲閉角過大，氣門未關(guān)閉，造成活塞上行時(shí)將已進(jìn)入缸內(nèi)的氣體從缸內(nèi)推出，形成負(fù)的進(jìn)氣質(zhì)量流量，降低了充量系數(shù)，減小了進(jìn)氣量。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速全負(fù)荷工況下，在氣門疊開時(shí)均出現(xiàn)的進(jìn)氣質(zhì)量流量是負(fù)值的現(xiàn)象，低速時(shí)較明顯，主要原因是由于氣門的疊開角過大，此時(shí)的缸內(nèi)壓力大于進(jìn)氣壓力，出現(xiàn)部分氣體倒流的現(xiàn)象，即缸內(nèi)的高溫廢氣倒流至進(jìn)氣管，這樣直接影響進(jìn)氣質(zhì)量流量，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能也隨之降低。

同時(shí)，由于三缸的排氣門在一缸出現(xiàn)重疊角時(shí)打開，此時(shí)，三缸處在自由排氣階段，在自由排氣階段三缸排氣門處壓力較高，更加劇了因?yàn)榕艢忾T包角過大氣體倒流現(xiàn)象，加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)充量的減少。

2.2 優(yōu)化方案

根據(jù)以上發(fā)動(dòng)機(jī)充量減少的原因做優(yōu)化方案，分別更改進(jìn)排氣門升程曲線。進(jìn)氣門升程曲線的更改方案如圖8所示，減小進(jìn)氣門包角，降低因活塞上行推出的氣體充量。

圖8 進(jìn)氣門升程曲線更改方案

根據(jù)進(jìn)氣門的更改方案，分別得到不同方案的進(jìn)氣質(zhì)量流量及外特性扭矩的對(duì)比，如圖9，圖10所示。

圖9 2000r/min時(shí)進(jìn)氣質(zhì)量流量對(duì)比

圖10 4000r/min時(shí)進(jìn)氣質(zhì)量流量對(duì)比

同時(shí)選取intake_1方案與排氣門升程曲線更改方案組合，計(jì)算外特性，圖11顯示排氣凸輪軸更改方案對(duì)比。

2.3 優(yōu)化分析

根據(jù)進(jìn)排氣的更改方案，可以得到減小進(jìn)排氣門包角后，發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性有較大幅度的提升。而更改進(jìn)氣凸輪型線與排氣凸輪型線得到的優(yōu)化機(jī)理是不相同的，圖13顯示以3000r/min為例，更改氣門升程后P-V圖對(duì)比。

圖11 排氣凸輪軸更改方案

圖12 排氣凸輪軸更改方案扭矩對(duì)比

圖13 排氣凸輪軸更改方案P-V圖對(duì)比

進(jìn)氣門提前開啟的目的，是為了保證進(jìn)氣行程開始時(shí)進(jìn)氣門已開大，新鮮氣體能夠順利進(jìn)氣缸。當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)壓力仍低于大氣壓力，在壓縮行程開始階段，活塞上移速度較慢的情況下，仍可以利用氣體的慣性和壓力差繼續(xù)進(jìn)氣，因此進(jìn)氣門晚關(guān)一點(diǎn)是有利于充氣的。但是過大的遲閉角可能造成活塞上移時(shí)將氣體退出氣缸，減小了氣缸內(nèi)的充量。所以本項(xiàng)目在減小進(jìn)氣門包角后，外特性動(dòng)力性均有提升的原因。

同樣，作功形成接近終了，活塞到達(dá)下止點(diǎn)前，排氣門便開始開啟，經(jīng)過整個(gè)排氣行程，在活塞越過上止點(diǎn)后，排氣門才關(guān)閉。而對(duì)于排氣門提前開啟的原因是氣缸內(nèi)的氣體雖然有0.3～0.4 MPa，但就活塞作功而言，作用不大，這時(shí)若稍開排氣門，大部分廢氣可迅速排出缸內(nèi)。但是過大的排氣提前角會(huì)降低缸內(nèi)高壓氣體的有效功，從而降低了外特性扭矩。從圖13的P-V圖中可以看出，在本項(xiàng)目中減小了排氣的提前角后，有效功的增加較大。

同時(shí)由于本項(xiàng)目是四缸機(jī)，在一缸處于氣門疊開時(shí)，此時(shí)三缸排氣門正好打開，在三缸的自由排氣階段。若較大的排氣提前角同樣會(huì)造成較大的氣體倒流，從而影響進(jìn)氣充量，如圖14所示。

圖14 一缸進(jìn)氣與三缸排氣干涉情況

3 方案驗(yàn)證

根據(jù)仿真計(jì)算分析的四個(gè)方案進(jìn)行驗(yàn)證，如表1所示。4個(gè)方案不同進(jìn)排氣開啟時(shí)刻對(duì)比。

表1 各方案進(jìn)排氣包角對(duì)比

分別對(duì)不同的開啟時(shí)刻，加工了4種方案的凸輪軸，圖15、16、17顯示不同方案的試驗(yàn)結(jié)果。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出本項(xiàng)目的進(jìn)氣遲閉角、排氣提前角偏大，造成了缸內(nèi)進(jìn)氣充量的減少，從而影響了動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)通過更改進(jìn)氣遲閉角及排氣提前角，較好地提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性，達(dá)到了項(xiàng)目初期的性能目標(biāo)，根據(jù)項(xiàng)目的開發(fā)目標(biāo)，最終選取1#方案為最終實(shí)施方案。

圖15 不同方案扭矩結(jié)果對(duì)比

圖16 不同方案功率結(jié)果對(duì)比

圖17 不同方案油耗率結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

1）在利用進(jìn)氣慣性提高氣缸充量時(shí)，應(yīng)充分考慮較大的遲閉角對(duì)充量的影響，較大的遲閉角，在活塞上移階段會(huì)造成氣體推回，影響氣缸的充量；

2）排氣提前角影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣充分性，同時(shí)過大的排氣提前角可能造成有效功的損失，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，油耗也隨之增加；

3）排氣提前角較大同樣也影響氣缸的充量，例如一缸與三缸的干涉，在一缸氣門疊開時(shí)，恰好是三缸的自由排氣階段，會(huì)造成排氣廢氣倒流回缸內(nèi)，影響氣缸的充量；

4）通過仿真計(jì)算的方法，可以得到缸內(nèi)進(jìn)氣充量的變化，準(zhǔn)確得到凸輪型線優(yōu)化的方向。通過試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，確定最終的實(shí)施方案。

1許元默，帥石金，王建昕．進(jìn)氣歧管對(duì)電噴汽油機(jī)充氣效率的影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25（1）：27～34

2李景淵．發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)性能分析研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2005

3余國核，閻祥安，馮淑杰，等．進(jìn)氣諧振對(duì)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能影響的試驗(yàn)研究[J]．四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2007，39（5）：166～169

4周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

Engine Performance Optimization through Valve Profile Modification

Wang Chao1，Weng Zhonghua1，Yang Chen1，Yuan Shuang1，Shen Yuan1，Wang Ruiping1，2
1-Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.(Ningbo，Zhejiang，315000，China) 2-Zhejiang Geely Royal Engine Co.Ltd.

Cylinder charge is greatly affected by the intake and exhaust valve opening and closing time. Because of flow inertia，the charge can be increased with a delayed intake valve-closing，while an overdelayed closing time may lead to the reduction of the charge，which is pushed by the up-moving piston. Meanwhile，an advanced opening of exhaust valves reduces the residual gas in the cylinder and smoothes the exhaust flow.If the advancement is too large，it may result in the damage of the effective power and the reduction of the in-cylinder charge because of the interference of intake and exhaust flow of each cylinder. In this article，the cause of low engine torque was analyzed by simulation method.The valve lift curve was modified to efficiently increase the cylinder charge and improve the engine power.The final implementation plan was determined through experimental validation.

Engine，Valve lift，Valve span angle，Valve overlap

TK411+.3

A

2095-8234（2014）-0064-05

2014-06-03）

王超（1986-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)仿真計(jì)算。