李春青 姜峰 陳乾 莫清烈 曾維銓

摘要：通過改變發(fā)動機配氣相位，實現(xiàn)不同氣門重疊角方案，研究不同氣門重疊角大小對發(fā)動機各項性能的影響關(guān)系.利用GT-Power軟件建立了某款天然氣摻氫發(fā)動機仿真模型，分析了兩種配氣方案下氣門重疊角對發(fā)動機扭矩、排放的影響規(guī)律，最終確定發(fā)動機在全負(fù)荷工況時1400r/min和2300 r/min轉(zhuǎn)速下配氣方案2對應(yīng)20°CA氣門重疊角為最佳研究方案，該研究方法為氣門重疊角的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：氣門重疊角；配氣相位；天然氣摻氫；發(fā)動機

0引言

隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，能源、環(huán)保等一系列問題伴隨而來，利用清潔無污染的替代燃料是緩解能源緊張且環(huán)保的有效方法之一，而天然氣與氫氣是當(dāng)前社會比較認(rèn)可的車用替代燃料，通過天然氣中摻混氫氣可以改善天然氣燃燒速率低、稀燃能力差的問題.天然氣摻氫燃料也因其良好的經(jīng)濟(jì)性和排放特性受到了廣泛的關(guān)注，成為車用發(fā)動機替代燃料研究的熱點之一_，氣門重疊角技術(shù)也稱內(nèi)部EGR（Exhaust Gas Recirculation），目前相關(guān)研究各盡不同Ali等研究了不同排氣正時（即排氣門開啟、關(guān)閉時刻）對汽油機內(nèi)部EGR的實現(xiàn)方案，利用多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法對排氣門開啟與關(guān)閉時刻進(jìn)行了分析改進(jìn)，獲得了NO_x排放值和有效燃油消耗率均有所下降，且各自降低71%和6%的改進(jìn)結(jié)果.Kiyoushi等在一臺單缸機上研究排氣門二次開啟的方案，分析了天然氣燃燒正時與EGR率之間的影響關(guān)系.Carsten等在一車用柴油機上研究了不同內(nèi)部EGR策略對降低NI_x排放和有效燃油消耗率的影響，由于柴油機高溫廢氣冷卻較為困難的因素，采用內(nèi)部EGR的策略對降低NOx排放和有效燃油消耗率的效果不顯著.John等以獨立控制燃燒正時的研究基礎(chǔ)，探討EGR率對燃燒放熱率和排放的影響關(guān)系，由于內(nèi)部EGR需采用可變配氣機構(gòu)，且存在高溫廢氣難以冷卻等技術(shù)問題，在當(dāng)前產(chǎn)品應(yīng)用不多。

本文以一臺四缸增壓天然氣發(fā)動機為研究對象，應(yīng)用一維數(shù)值模擬軟件GT-Power，對配氣機構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計從而實現(xiàn)不同的氣門重疊角，分析兩種不同的氣門重疊角實現(xiàn)方式對天然氣摻氫發(fā)動機性能的影響，為內(nèi)部EGR的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1氣門重疊角優(yōu)點及實現(xiàn)方式

根據(jù)相關(guān)研究的結(jié)論，氣門重疊角的減小可實現(xiàn)內(nèi)部EGR，該研究方法可減少發(fā)動機燃燒過程產(chǎn)生的排放，能有效降低N0_x排放.天然氣摻氫發(fā)動機采用內(nèi)部EGR技術(shù)對發(fā)動機工作過程有以下幾方面影響：其一，內(nèi)部EGR通過殘余廢氣對冷新鮮空氣進(jìn)行預(yù)熱，提升混合氣溫度，能有效縮短著火延遲期；其二，內(nèi)部EGR的作用能實現(xiàn)廢氣對新鮮可燃混合氣的稀釋，該稀釋功效可降低燃燒過程所產(chǎn)生的最高溫度，降低NO_x排放；第三，采用內(nèi)部EGR使缸內(nèi)殘余廢氣量增大，為了獲得同等輸出功率，需增大節(jié)氣門開度，使節(jié)氣門節(jié)流損失最小。

本文采用氣門重疊角法，即排氣門在排氣上止點前關(guān)閉，進(jìn)氣門在排氣上止點后開啟，通過此方法，使一部分廢氣在壓縮終了時保留在氣缸內(nèi).該研究方法只需重新設(shè)計凸輪軸的凸輪型線，在工程應(yīng)用方面容易實現(xiàn)。

2發(fā)動機模型建立及試驗驗證

GT-Power是由美國GT公司開發(fā)的發(fā)動機專業(yè)仿真軟件，該軟件包含了發(fā)動機所有工況下復(fù)雜的理論模型，且具有強大的后處理功能，能對內(nèi)燃機各種工況進(jìn)行仿真計算.天然氣摻氫發(fā)動機整機仿真模型如圖1所示。

通過選擇合適的發(fā)動機進(jìn)排氣、廢氣渦輪增壓器、傳熱、噴油器、曲軸連桿等模型，并對各模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，通過試驗值對燃燒放熱率、進(jìn)排氣道流量系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

該天然氣摻氫發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)見表1.

利用廣西某研究所天然氣發(fā)動機臺架的試驗結(jié)果對仿真計算進(jìn)行驗證如圖2所示.天然氣摻氫發(fā)動機外特性條件下輸出功率和燃?xì)庀穆史抡嬷蹬c試驗值的對比曲線如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，仿真計算值與試驗值趨勢一致，且誤差最大值在6%以內(nèi)，表明該仿真模型與原機具有較好的一致性，該仿真模型可用于天然氣摻氫發(fā)動機的性能計算。

3計算方案確定與分析

3.1計算方案的確定

在原機氣門重疊角為30°CA前提下，通過改變排氣晚關(guān)角、固定進(jìn)氣早開角、以此來實現(xiàn)不同氣門重疊角的方案，見表2。

兩種方案都能實現(xiàn)相同氣門重疊角.本研究工況為：全負(fù)荷工況下1400r/min與2300 r/min兩個轉(zhuǎn)速，計算兩種配氣方案對天然氣摻氫發(fā)動機動力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放的影響.其中1400r/min為最大扭矩轉(zhuǎn)速，2300r/min為標(biāo)定轉(zhuǎn)速。

3.2計算結(jié)果分析

發(fā)動機扭矩與氣門重疊角的關(guān)系如圖5所示.由圖可知，隨著氣門重疊角減小，發(fā)動機扭矩隨著氣門重疊角減小而下降.這是因為：氣門重疊角減小，發(fā)動機缸內(nèi)混合氣由濃開始變稀，燃燒速度放緩，相同質(zhì)量燃料燃燒產(chǎn)生的功率相對下降；另外，隨著氣門重疊角的減小，廢氣量進(jìn)入氣缸的量相對增大，導(dǎo)致缸內(nèi)燃料總熱值下降，放熱量亦隨之減少，扭矩下降。

由圖5可知兩種配氣方案對發(fā)動機扭矩的影響不同，配氣方案2中排氣門晚關(guān)角不變時，進(jìn)氣門早開角逐漸減小，扭矩有所上升，不同轉(zhuǎn)速對扭矩影響亦不同，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1400 r/min時，配氣方案1的扭矩隨著氣門重疊角減小而迅速下降，配氣方案2中扭矩隨著氣門重疊角減小下降平緩，且氣門重疊角在小于20°CA差距變大.主要因為配氣方案1掃氣效率小于配氣方案2，內(nèi)部EGR率效果不顯著，故配氣方案1扭矩下降趨勢高于配氣方案2.當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2300 r/min時，進(jìn)氣量增大可使掃氣與缸內(nèi)殘余廢氣帶走的新鮮充量占發(fā)動機總充量的比例很小，因此出現(xiàn)高轉(zhuǎn)速時扭矩下降趨勢區(qū)別較小的現(xiàn)象。

發(fā)動機NO_x排放與氣門重疊角影響關(guān)系如圖6所示，由圖6可知，隨著氣門重疊角減小，NO_x排放均隨之降低，缸內(nèi)殘余廢氣有所增加，這對混合氣進(jìn)行了燃燒前的預(yù)熱，能有效縮短滯燃期；同時能有效降低混合氣燃燒的溫度，因此降低了NO_x排放量.配氣方案2中NO_x排放整體高于配氣方案1，這是因為配氣方案2排氣門晚關(guān)角大于配氣方案1，因此，配氣方案1殘余廢氣量較方案2多，稀釋了混合氣濃度，最高燃燒溫度下降，使配氣方案1中NO_x排放低于配氣方案2。

圖7為發(fā)動機CO排放與氣門重疊角關(guān)系，由圖可知，CO排放均隨著氣門重疊角減小而降低，這是因為雖然氣門重疊角減小，但進(jìn)入氣缸的殘余廢氣再次參與燃燒，使CO排放降低；新鮮混合氣濃度隨著殘余廢氣的進(jìn)人而下降，燃燒溫度亦隨之下降，CO氧化速率降低，配氣方案1中CO排放低于配氣方案2，由于配氣方案2進(jìn)氣門早開角減小，缸內(nèi)新鮮混合氣充量減少，燃燒性能較配氣方案1差，使CO排放量增大

發(fā)動機HC排放與氣門重疊角的關(guān)系如圖8所示.由圖可知，HC排放均隨著氣門重疊角的減小而增加，其主要原因為：1）隨著氣門重疊角減小，發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度降低，燃燒室壁面溫度降低，氣缸壁面淬熄使HC增加；2）隨著氣門重疊角減小，缸內(nèi)殘余廢氣增多，可燃混合氣變稀，缸內(nèi)氣體燃燒速度降低，使膨脹沖程中期仍有部分混合氣未參與燃燒，在排氣過程中錯過了燃燒最佳溫度，使HC排放增加，配氣方案1中HC排放高于配氣方案2，這是因為配氣方案1減小了進(jìn)氣門早開角，缸內(nèi)新鮮混合氣充量減少，燃燒溫度隨之下降，使HC排放升高。

3.3優(yōu)化方案的確定

通過分析兩種不同配氣方案對動力性與排放性影響可知，配氣方案2在兩個特定轉(zhuǎn)速下扭矩均高于配氣方案1；配氣方案1在兩個特定轉(zhuǎn)速下N0_x和CO排放均優(yōu)于配氣方案2，而HC排放則高于配氣方案2.

氣門重疊角為20°CA時扭矩在兩個特定轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)分化.氣門重疊角小于20°CA時，1400r/min對應(yīng)配氣方案2扭矩下降趨勢低于配氣方案1；2 300 r/min對應(yīng)配氣方案2與配氣方案1扭矩均下降且低于氣門重疊角為20°CA時的扭矩，在氣門重疊角為25°CA時兩種方案扭矩值達(dá)到最大.僅從動力性方面考慮，可選取方案：配氣方案1、氣門重疊角20°CA與25°CA；配氣方案2、氣門重疊角20°CA與25°CA。

在兩個特定轉(zhuǎn)速下配氣方案2中NO_x，排放均高于配氣方案1，在2 300 r/min氣門重疊角大于20°CA時，NO₂排放趨勢先上升后下降，氣門重疊角25°CA為拐點.從NO_x排放方面考慮，可選取方案：配氣方案1、氣門重疊角20°CA；配氣方案2、氣門重疊角20°CA。

CO排放在兩個特定轉(zhuǎn)速下配氣方案1優(yōu)于配氣方案2，在2 300 r/min氣門重疊角20°CA時出現(xiàn)拐點.可選取方案：配氣方案1、氣門重疊角20°CA；配氣方案2、氣門重疊角20°CA。

在兩個特定轉(zhuǎn)速下配氣方案2中HC排放優(yōu)于配氣方案1，且隨著氣門重疊角減小均出現(xiàn)增大趨勢，配氣方案2在1400 r/min氣門重疊角大于20°CA時HC排放增大速率小于氣門重疊角小于20°CA時的速率僅從降低HC排放方面考慮，可選?。号錃夥桨?、氣門重疊角20°CA與25°CA

綜合以上分析，確定配氣方案2、氣門重疊角20°CA為最佳研究方案；且配氣方案1、氣門重疊角20°CA所達(dá)到的綜合性能接近配氣方案2、氣門重疊角20°CA方案。

4結(jié)論

1）在兩個特定轉(zhuǎn)速下兩種配氣方案中隨著氣門重疊角減小，發(fā)動機扭矩呈下降趨勢，且配氣方案2優(yōu)于配氣方案1；

2）在兩個特定轉(zhuǎn)速下兩種配氣方案中隨著氣門重疊角減小，NO_x和CO排放呈現(xiàn)降低趨勢，且配氣方案1優(yōu)于配氣方案2；

3）在兩個特定轉(zhuǎn)速下兩種配氣方案中隨著氣門重疊角減小，HC排放出現(xiàn)增大趨勢，且配氣方案2中Hc排放優(yōu)于配氣方案1；

4）對于本機而言，為獲得較好排放性且動力性不至于下降太多，選定配氣方案2、氣門重疊角20°CA為最佳優(yōu)化方案；配氣方案1、氣門重疊角20°CA可達(dá)到相近效果。