鐘 偉 張立鵬 王雪雁 扈 嘉

（1-中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心廣州分中心 廣東 廣州 510620 2-天津內(nèi)燃機(jī)研究所3-國(guó)家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（天津））

引言

變氣門技術(shù)已成為改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性、改善廢氣排放、改善怠速穩(wěn)定性和低速時(shí)的平穩(wěn)性、提高充氣效率和低速轉(zhuǎn)矩[1-4]。

本文在一款強(qiáng)制水冷單缸摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上，根據(jù)機(jī)型特點(diǎn)和空間布局，布置了適合小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的相同可變VVT機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方案，并對(duì)該VVT機(jī)構(gòu)的作用效果進(jìn)行研究。本文通過(guò)搭建GT-Power仿真計(jì)算模型，配合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)探討相同可變配氣相位對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

1 技術(shù)方案的確定

根據(jù)可變配氣相位技術(shù)及各種可變因素的特點(diǎn)，在應(yīng)用時(shí)有以下幾種基本組合形式[5-6]：

1）氣門升程和持續(xù)期不變，改變氣門開啟的時(shí)刻；

2）氣門開啟時(shí)刻不變，改變氣門開啟和關(guān)閉的持續(xù)期；

3）氣門開啟角度和開啟時(shí)刻不變，改變氣門升程型線；

4）對(duì)配氣相位及氣門升程進(jìn)行全面控制。

本文選定采用氣門升程和持續(xù)期不變，改變氣門開啟時(shí)刻的可變配氣相位技術(shù)進(jìn)行研究，如圖1所示。

圖1 配氣VVT原理圖

2 VVT系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立及標(biāo)定

2.1 模型的搭建

1P38QMB發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

建立的仿真模型如圖2所示。該模型主要由空濾器、化油器、進(jìn)氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、氣缸體、排氣管和消聲器等各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)組成。在本模型中，將催化器簡(jiǎn)化為一個(gè)流動(dòng)約束；氣缸內(nèi)的燃燒模型采用較為簡(jiǎn)單的單區(qū)韋伯函數(shù)[7-9]，換熱系數(shù)選用沃西尼1978年提出的經(jīng)驗(yàn)公式。

該模型的搭建通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)取而得，熱力學(xué)參數(shù)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)取，包括部分典型負(fù)荷特性、外特性、示功圖、氣道性能、進(jìn)排氣系統(tǒng)的流通特性等。

圖2 仿真模型圖

2.2 模型標(biāo)定

發(fā)動(dòng)機(jī)一維熱力學(xué)仿真模型建立后，通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。首先通過(guò)臺(tái)架外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行狀態(tài)標(biāo)定，圖3，圖4和圖5分別為循環(huán)仿真與試驗(yàn)測(cè)試的轉(zhuǎn)矩、功率以及比油耗對(duì)比圖。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性功率和轉(zhuǎn)矩的模擬結(jié)果與試驗(yàn)值基本吻合；比油耗對(duì)比曲線模擬值與試驗(yàn)值接近。可見，所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真分析計(jì)算模型接近發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的真實(shí)工作狀態(tài)，能夠用來(lái)進(jìn)行性能評(píng)估分析計(jì)算。

圖3 轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

圖4 功率對(duì)比圖

圖5 比油耗對(duì)比圖

3 配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

改變配氣相位的目的是利用氣流的慣性和脈動(dòng)性，改善換氣過(guò)程，提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

本文在不同轉(zhuǎn)速條件下分別對(duì)配氣相位進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行了全負(fù)荷工況下配氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響研究。圖6，圖7，圖8和圖9分別為仿真全負(fù)荷的轉(zhuǎn)矩、功率、比油耗對(duì)比圖以及優(yōu)化后的相位圖。從圖中可以看出，隨著進(jìn)排氣相位重疊角的滯后，發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗有較大的提高，而轉(zhuǎn)矩及功率在中速時(shí)有一定提高，其它轉(zhuǎn)速下不明顯。

圖6 轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

圖7 功率對(duì)比圖

圖8 比油耗對(duì)比圖

圖9 相位優(yōu)化圖

4 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算模型的設(shè)計(jì)和標(biāo)定是現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程的主要方法，是企業(yè)提高技術(shù)和信息化競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少了對(duì)于設(shè)計(jì)、試制、驗(yàn)證、改進(jìn)等產(chǎn)品研發(fā)循環(huán)的工作量。本文對(duì)一款小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了配氣相位優(yōu)化的仿真分析計(jì)算，結(jié)果表明，使用仿真模擬分析軟件配合臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和整機(jī)在不同工況下的性能提升是切實(shí)可行的。所進(jìn)行的研究表明，裝載VVT系統(tǒng)的摩托車，可有效提高小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施重疊角推遲，功率可提高2%～5.2%，轉(zhuǎn)矩最大提高5.2%，燃油經(jīng)濟(jì)性也有較大的改善。