郭華禮

(桂林航天工業(yè)學(xué)院　汽車(chē)與交通工程學(xué)院，廣西　桂林　541004)

基于GT-power對(duì)高速汽油機(jī)配氣相位的優(yōu)化分析

郭華禮*

(桂林航天工業(yè)學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院，廣西桂林541004)

摘要基于GT-power軟件對(duì)某船用高速汽油機(jī)整機(jī)進(jìn)行仿真模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。在凸輪型線與氣門(mén)間隙確定的情況下，通過(guò)改變進(jìn)、排氣配氣模塊中“Cam Timing Angle”參數(shù)，研究不同配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，進(jìn)而找到使發(fā)動(dòng)機(jī)性能最佳的配氣相位點(diǎn)。

關(guān)鍵詞GT-power；汽油機(jī)；進(jìn)、排氣配氣模塊；配氣相位

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也快速提升。目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法之一是可變配氣正時(shí)系統(tǒng)，最常見(jiàn)的類(lèi)型是VVT-i、VVTL-i、i-VTEC等，其中本田 i-VTEC 技術(shù)應(yīng)用最廣泛也最成熟[1]。綜合考慮到優(yōu)化可變配氣正時(shí)系統(tǒng)的成本太高，所以本文研究采用傳統(tǒng)的配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，即只能在某一確定的轉(zhuǎn)速工況下發(fā)揮最大功效[2]。本論文是基于GT-Power 軟件對(duì)船用高速汽油機(jī)建立仿真模型，對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定并達(dá)到精度要求后，改變配氣相位的參數(shù)，來(lái)分析其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣正時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能的最佳配氣正時(shí)參數(shù)。

1整機(jī)性能仿真模型建立

GT-power是一款發(fā)動(dòng)機(jī)仿真分析軟件，以一維CFD為基礎(chǔ)，采用有限容積法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行離散化，采用差分方程代替微分方程對(duì)熱流體進(jìn)行模擬計(jì)算的軟件[3]。該軟件主要應(yīng)用于進(jìn)、排氣管路優(yōu)化設(shè)計(jì)、氣門(mén)正時(shí)優(yōu)化和氣門(mén)升程曲線等。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型建立發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)數(shù)模，如圖1所示。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際尺寸進(jìn)行三維建模，通過(guò)Pro/E軟件建立三維模型，由氣缸套、燃燒室、進(jìn)氣道、進(jìn)氣門(mén)以及與進(jìn)氣道相連的入口半球，然后采用AVL的自動(dòng)網(wǎng)格生成器FAME生成混合網(wǎng)格，并對(duì)氣門(mén)座、氣門(mén)密封錐面等局部區(qū)域進(jìn)行不同程度的加密處理[4]。網(wǎng)格以六面體網(wǎng)格為主，最小網(wǎng)格尺寸為0.375 mm，最大網(wǎng)格尺寸為6 mm，如圖2所示。

圖1　高速汽油機(jī)整機(jī)模型

圖2　進(jìn)氣道三維及穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型

氣門(mén)模塊的參數(shù)除了流量系數(shù)外，氣門(mén)升程規(guī)律和配氣正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能也有較大影響[5]。氣門(mén)升程的規(guī)律指氣門(mén)升程隨著配氣凸輪轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律，數(shù)據(jù)由廠家提供，直接輸入[6]。而GT-power軟件中進(jìn)排氣提前角、滯后角與常規(guī)設(shè)置不同，修改 Cam Timing Angle的值改變氣門(mén)最大升程時(shí)的凸輪轉(zhuǎn)角，其發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)升程和配氣正時(shí)如圖3所示。

2仿真模型標(biāo)定

為了驗(yàn)證仿真模型的合理性和計(jì)算結(jié)果的可靠性，首先要模擬計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷狀態(tài)下的扭矩特性、功率特性和燃燒比油耗與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的外特性值做標(biāo)定，如圖4所示。

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)升程和配氣正時(shí)

圖4　模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

由圖4可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗(圖a)和功率(圖c)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合得比較好，所有工況點(diǎn)的誤差均在1.1%左右，沒(méi)有超過(guò)最大允許誤差5%。在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線(圖b)中，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值在中等轉(zhuǎn)速情況下有一定的波動(dòng)，其最大誤差出現(xiàn)在5 500～6 000 rpm，最大誤差為3%，滿足工程精度要求。造成誤差的主要原因是模型的部分參數(shù)參照相似機(jī)型的參數(shù)，同時(shí)空燃比的選擇、燃燒模型的燃燒品質(zhì)及燃燒持續(xù)角對(duì)結(jié)果也有影響。

3配氣相位優(yōu)化設(shè)計(jì)

配氣相位參數(shù)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。在高速和大負(fù)荷時(shí)，需要增大氣門(mén)重疊角和進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角，從而得到高的功率；在低轉(zhuǎn)速和小負(fù)荷時(shí)，需要減小進(jìn)氣關(guān)閉角和氣門(mén)重疊角，使其怠速平穩(wěn)[7]。本論文研究的高速汽油機(jī)屬于機(jī)械式配氣相位，進(jìn)排氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉角是不隨轉(zhuǎn)速變化，為此要求在高轉(zhuǎn)速情況下使汽油機(jī)的性能最佳。

3.1進(jìn)氣門(mén)相位優(yōu)化

在GT-power軟件中，配氣相位的標(biāo)定是在進(jìn)排氣門(mén)模塊中用“Cam Timing Angle”設(shè)定的，該角度代表點(diǎn)火上止點(diǎn)(TDC Firing)到氣門(mén)最大升程的曲軸轉(zhuǎn)角。通過(guò)三維模型與計(jì)算得出Cam Timing Angle初始值為235.8°，由于不確定其最佳曲軸轉(zhuǎn)角的角度，所以先進(jìn)行粗略計(jì)算，以步長(zhǎng)為5°進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線分析，如圖5所示，轉(zhuǎn)角在235.8°到230.8°變化，發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，而在225.8°/8 500 rpm時(shí)出現(xiàn)下降，原因是進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟較晚，在高速下充量系數(shù)下降導(dǎo)致功率下降。

圖5　發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線

初步分析最佳曲軸轉(zhuǎn)角的大致范圍，再采用精細(xì)計(jì)算，計(jì)算步長(zhǎng)為1°來(lái)分析在230.8°～235.8°內(nèi)進(jìn)氣門(mén)相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。分析如圖6(a)、(b)、(c)所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于8 500 rpm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨轉(zhuǎn)速增加而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為8 500 rpm時(shí)，扭矩和功率直線下降，且最高扭矩點(diǎn)和功率點(diǎn)向低速移動(dòng)，油耗增加。隨著進(jìn)氣門(mén)提前角增大功率和扭矩都有明顯的增長(zhǎng)，特別是中、高速情況尤其明顯，所以考慮到高速扭矩及功率下降的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)CAM TIMING ANGLE在230.8°時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在高速性能最佳，扭矩最大提高了7.5%，功率最大提高了2.5%。

3.2排氣門(mén)相位優(yōu)化

排氣門(mén)配氣相位與進(jìn)氣門(mén)配氣相位同樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能起著重要作用，特別是對(duì)泵氣損失和殘余廢棄系數(shù)影響比較大。由于論文采用的是韋博(Wiebe)燃燒模型，所以殘余廢氣系數(shù)可以忽略不計(jì)，只考慮泵氣損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

排氣門(mén)配氣相位參數(shù)設(shè)置與進(jìn)氣配氣相位類(lèi)似，原始的角度為129°，以119°、124°、129°、139°為一組進(jìn)行比較。如圖7(a)所示，當(dāng)124°和129°時(shí)平均損失壓力基本不變，而119°和130°在高速下都有明顯下降，主要因?yàn)楦咚傧職怏w流速加快，泵氣損失減?。粓D7(b)、(c)可看出，當(dāng)124°和129°時(shí)功率隨轉(zhuǎn)速增加而增加，在130°/4 500 rpm時(shí)扭矩有明顯下降。主要由于排氣門(mén)晚開(kāi)、晚關(guān)，膨脹做功增多，由于排氣背壓變高，泵氣損失增多，扭矩功率降低。隨著角度和轉(zhuǎn)速的增大，排氣門(mén)晚開(kāi)晚閉，但是功率和扭矩幾乎不變，原因是增加的膨脹功和增加的泵氣損失幾乎相等，發(fā)動(dòng)機(jī)性能保持不變。綜合考慮各影響因素，保持原排氣門(mén)的配氣相位不變，且能夠滿足性能要求。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用GT-power 軟件進(jìn)行模擬，建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)值仿真模型，并對(duì)所建立的模型進(jìn)行標(biāo)定，模擬計(jì)算值與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)值吻合良好，計(jì)算誤差在工程精度允許范圍內(nèi)。隨后通過(guò)標(biāo)定進(jìn)、排氣門(mén)配氣相位來(lái)分別分析其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，得出當(dāng)進(jìn)氣門(mén)相位由235.8°變?yōu)?30.8°時(shí)，即與之前相比提前5°，汽油機(jī)的性能最佳，扭矩最大提高7.5%，功率最大提高2.5%。

圖6　進(jìn)氣門(mén)相位優(yōu)化分析對(duì)比圖

圖7　排氣相位對(duì)比分析圖

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(責(zé)任編輯陳葵晞)

* 作者簡(jiǎn)介：郭華禮，男，河南沈丘人。助教，碩士。研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析。

中圖分類(lèi)號(hào)：TK413.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-4859(2016)01-0012-04