劉庚非 趙順超 馬成功 黎蘇

摘要?基于AVL?BOOST軟件對某輕型車用廢氣渦輪增壓GDI發(fā)動機的工作過程進行模擬仿真，并使用臺架實驗數(shù)據(jù)對模型進行了驗證。在此基礎(chǔ)上進行發(fā)動機配氣相位的優(yōu)化工作，得到全負荷與部分負荷工況時不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機動力性能隨配氣相位的變化規(guī)律：適當增大進氣提前角可以提高發(fā)動機低轉(zhuǎn)速下的輸出扭矩并提高動力性，增大進氣遲閉角會導致輸出扭矩的降低與動力性的惡化，改變排氣相位均會導致全轉(zhuǎn)速下輸出扭矩的減少，經(jīng)過分析后求得最佳的配氣相位。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的配氣相位令發(fā)動機低轉(zhuǎn)速下輸出扭矩及整體扭矩儲備系數(shù)顯著增大，工作更為穩(wěn)定，動力性提升明顯。

關(guān)?鍵?詞?廢氣渦輪增壓;配氣相位;模擬仿真;優(yōu)化研究;動力性

中圖分類號?TK421?????文獻標志碼?A

Simulation?studies?of?the?influence?of?gas?distribution?phase?on?the?dynamics?of?gasoline?engine

LIU?Gengfei，?ZHAO?Shunchao，?MA?Chenggong，?LI?Su

（School?of?Energy?and?Environmental?Engineering，?Hebei?University?of?Technology，?Tianjin?300401，?China）

Abstract?Based?on?AVL?BOOST?software，?the?working?process?of?a?light-duty?exhaust?gas?turbocharged?GDI?engine?was?simulated，?and?the?model?was?verified?by?using?the?bench?experimental?data.?Thenthe?engine′s?valve?timing?optimization?was?carried?out.?The?law?of?change?of?the?engine′s?dynamic?performance?with?valve?timing?at?different?speeds?under?full-load?and?partial-load?conditions?was?analyzed.?That?is，?appropriate?increase?of?intake?advance?angle?can?improve?the?output?torque?at?a?low?engine′s?speed?and?the?engine′s?dynamic?performance，?increasing?intake?retard?angle?will?cause?decrease?of?the?output?torque?and?deterioration?of?the?engine′s?dynamic?performance.?Changing?exhaust?valve?timing?will?result?in?reduction?of?the?output?torque?at?all?rotational?speeds.?After?the?analysis，?the?optimal?valve?timing?was?obtained.?The?simulation?results?show?that?the?optimized?valve?timing?makes?the?output?torque?of?low?engine′s?speeds?and?the?overall?torque?reserve?coefficient?significantly?increase.?The?operation?stability?and?dynamic?performance?can?also?be?greatly?improved.

Key?words?exhaust?turbocharger;?valve?timing;?simulation;?optimization;?dynamic?performance

0?引言

為實現(xiàn)高動力、低油耗、低排放的目標，國內(nèi)外輕型車企的主要技術(shù)路線是通過增壓強化[1-2]來減小發(fā)動機排量。提高發(fā)動機進氣壓力后最佳配氣相位發(fā)生變化，不匹配的配氣相位無法使氣缸保持最佳充氣效率，對燃燒過程產(chǎn)生惡化影響，造成動力輸出降低與燃料浪費[3]，因此需要對配氣相位進行優(yōu)化工作。

利用數(shù)值模擬的方法對配氣相位進行優(yōu)化可以降低科研經(jīng)費，縮短研發(fā)周期，且對結(jié)果有良好預(yù)測作用[4]。本課題利用AVL?BOOST軟件，采用改變凸輪軸相位角的方法進行配氣調(diào)整[5-6]，通過研究總結(jié)發(fā)動機外特性曲線形狀與峰值變化，以及部分轉(zhuǎn)速時輸出扭矩隨負荷改變的規(guī)律，提出優(yōu)化方案并求出最佳的配氣相位，優(yōu)化結(jié)果對發(fā)動機設(shè)計與性能分析以及同類型的研究工作具有一定現(xiàn)實意義。

1?模型的建立與驗證

1.1?原機參數(shù)

研究對象為某帶有廢氣渦輪增壓器和中冷器的缸內(nèi)直噴型直列四缸GDI汽油機，該汽油機的基本參數(shù)如表1所示。

1.2?仿真模型的建立

利用AVL?BOOST軟件進行模擬仿真可以得到發(fā)動機實際運行時的各種數(shù)據(jù)[7]，根據(jù)提供的發(fā)動機原始參數(shù)，考慮發(fā)動機進排氣系統(tǒng)、燃燒模型、摩擦損失等邊界條件建立如圖1所示廢氣渦輪增壓發(fā)動機模型來模擬實機的循環(huán)過程，模型內(nèi)部某些難以測量的參數(shù)經(jīng)查閱文獻選用經(jīng)驗值。

如圖1所示的發(fā)動機仿真模型包含的主要元件有：4個氣缸（C1～C4），1個渦輪增壓器（TC1），1個空濾器（CL1），1個中冷器（CO1），2個系統(tǒng)邊界（SB1、SB2），6個測量點（MP1～MP6），1個進氣總管（PL1），穩(wěn)壓腔（PL2），14條連接管路（1～14）。模型工作過程中以氣缸C1作為基準，其余3個氣缸參數(shù)與C1保持一致。

1.3?仿真模型的驗證

選取發(fā)動機外特性曲線上12個轉(zhuǎn)速點對模型進行驗證，所得結(jié)果如圖2所示。對汽油機而言當轉(zhuǎn)速固定時，輸出功率是扭矩的單值函數(shù)，因此在驗證過程中只需進行輸出扭矩的驗證。

經(jīng)過對比之后可以發(fā)現(xiàn)，模擬仿真得出的外特性曲線和實驗測得的原機外特性曲線基本吻合，仿真得到的各轉(zhuǎn)速點輸出扭矩的數(shù)值與實驗的結(jié)果誤差均小于5%的工程許用誤差，可以認為此模型匹配原機的結(jié)構(gòu)與工作過程，因此認定該模型可以應(yīng)用于后續(xù)的實驗過程，在此基礎(chǔ)上進行后續(xù)的模擬研究過程。

2?進氣相位對汽油機動力性的影響與優(yōu)化

在本研究中主要對廢氣渦輪增壓的汽油機進行基于配氣調(diào)整的動力性優(yōu)化，平均有效壓力[Pme]是評價發(fā)動機動力性能的一個重要因素，其計算公式為

[Pme=πTtqτiVs×10-3]， （1）

式中：[Pme]為平均有效壓力;[Ttq]為輸出扭矩;[τ]為發(fā)動機沖程數(shù);[i]為氣缸數(shù);[Vs]為發(fā)動機工作容積。

從式（1）中可以看出對于給定的發(fā)動機而言，平均有效壓力[Pme]與且僅與輸出扭矩有關(guān)，因此在本研究過程中將外特性曲線上輸出扭矩的數(shù)值[8]作為主要評價依據(jù)，兼顧扭矩儲備系數(shù)[Φtq]的變化情況，其計算公式為

[Φtq=Ttqmax？-TtqTtq×100]%?， （2）

式中：[Ttqmax]為外特性曲線上的最大扭矩;[Ttq]為標定工況下的輸出扭矩。

扭矩儲備系數(shù)[Φtq]越大，代表隨著轉(zhuǎn)速降低發(fā)動機輸出扭矩越大，其克服短期超負荷的能力越強，能夠更加適應(yīng)阻力突然增大的工況，減少換擋次數(shù)。同時將轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)[Φn]作為評判標準，由標定轉(zhuǎn)速與最大扭矩轉(zhuǎn)速之間的比值決定，最大扭矩轉(zhuǎn)速越小發(fā)動機克服阻力的潛力越大。由于在本研究中發(fā)動機有效功率為扭矩的單值函數(shù)，功率的變化趨勢與扭矩的改變規(guī)律完全相同，因此為了避免贅述，并未將輸出功率作為評判依據(jù)。

2.1?維持進氣持續(xù)角不變

維持進氣持續(xù)角270?°CA、排氣相位恒定，探究進氣提前角（IVO），進氣遲閉角（IVC）對發(fā)動機動力性產(chǎn)生的影響，將IVO由原機的30?°CA以10?°CA的間隔依次增大到70?°CA，IVC從原機的60?°CA增大到70?°CA，得到的仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出隨著IVO從30?°CA變化到70?°CA的過程中，發(fā)動機低轉(zhuǎn)速下的輸出扭矩與扭矩的峰值逐漸增大，并在60?°CA時達到最大值;繼續(xù)增大IVO到70?°CA會導致最大輸出扭矩的減少;在標定轉(zhuǎn)速為5?500?r/min附近及更高轉(zhuǎn)速時，隨著IVO的增大輸出扭矩持續(xù)降低;扭矩儲備系數(shù)隨著IVO增大而呈現(xiàn)提高趨勢，并在60?°CA達到最大，轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)并未發(fā)生改變。而IVC從60?°CA增大到70?°CA后，在原機的最大扭矩轉(zhuǎn)速為2?500?r/min附近輸出扭矩有大幅度的降低;最大輸出扭矩出現(xiàn)在3?500?r/min工況下，且與原機輸出扭矩的峰值持平;在額定轉(zhuǎn)速為5?500?r/min附近輸出扭矩有少量增加;整體扭矩儲備系數(shù)降低;轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)有大幅下降，動力性惡化嚴重。

上述研究結(jié)果表明增大IVO導致發(fā)動機低轉(zhuǎn)速下輸出扭矩提升而在額定轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時有所下降，增大IVC則會導致相反的結(jié)果，因此在原機最大扭矩轉(zhuǎn)速下（2?500?r/min）研究負荷特性隨IVO的變化;在原機最大功率轉(zhuǎn)速下（5?500?r/min）研究負荷特性隨IVC的變化，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，在最大扭矩轉(zhuǎn)速2?500?r/min時，噴油量從50%增加到100%的過程中，IVO對輸出扭矩的影響逐步加強，并在70%噴油量之后產(chǎn)生明顯區(qū)分;在進氣提前角從30?°CA增大到60?°CA的過程中，輸出扭矩上升的速率以及峰值逐步加大，不過50?°CA和60?°CA下的輸出扭矩曲線差異很小;繼續(xù)增大IVO到70?°CA會導致輸出扭矩增大峰值有所降低。因此IVO應(yīng)選取50?°CA或60?°CA;而對于IVC來說，在額定轉(zhuǎn)速5?500?r/min下當供油量從50%逐漸增大到100%的過程中，IVC對輸出扭矩變化影響增大，且隨著IVC從60?°CA增大到80?°CA，發(fā)動機輸出扭矩隨噴油量而增大的速率會獲得提升，峰值也同時得到提高，因此在標定轉(zhuǎn)速及之后的高轉(zhuǎn)速下應(yīng)選用較大的IVC。

綜上所述，為了讓汽油機在低轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)速下都能有最大的輸出扭矩，同時兼顧了扭矩儲備系數(shù)以及轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)的變化，選定的優(yōu)化后的進氣相位為進氣提前角50?°CA，此時進氣遲閉角為40?°CA。

2.2?改變進氣持續(xù)角

由于維持進氣持續(xù)角恒定270?°CA，改變IVO時IVC也隨之改變，反之亦然，為了排除其所帶來的干擾，下面進行僅增大IVO到50°CA（此時進氣持續(xù)角增大到290?°CA）與僅增加IVC到60?°CA（此時進氣持續(xù)角增大到280?°CA）的研究，所得結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出通過增大進氣提前角和遲閉角改變進氣持續(xù)角時，發(fā)動機動力性能均弱于進氣持續(xù)角恒定270?°CA時的情況，因此上述研究所求得優(yōu)化后的配氣相位不需改變。

3?排氣相位對汽油機動力性的影響與優(yōu)化

進氣相位采用上述研究得到的最優(yōu)值，即IVO50?°CA，IVC40?°CA，探究排氣提前角（EVO），遲閉角（EVC）對發(fā)動機動力性產(chǎn)生的影響，將EVO由原機的30?°CA以10?°CA的間隔依次增大到50?°CA，EVC由原機的50?°CA增大到60?°CA，得到仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，當進氣相位為最優(yōu)值時，維持排氣持續(xù)角不變改變EVO，EVC均會導致全轉(zhuǎn)速下發(fā)動機輸出扭矩的減少，使動力性有嚴重降低。因此為了使發(fā)動機動力性達到最優(yōu)，對排氣相位不進行改變，此時排氣提前角30?°CA，遲閉角50?°CA。

4?優(yōu)化后配氣相位對汽油機經(jīng)濟性的影響

優(yōu)化后的配氣相位為進氣提前角50?°CA，遲閉角40?°CA，排氣提前角30?°CA，遲閉角50?°CA，探究其對汽油機經(jīng)濟性產(chǎn)生的影響，由比油耗（BSFC）曲線進行評價，得到的結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，相較于原機而言，進行動力性優(yōu)化后的配氣相位使發(fā)動機全轉(zhuǎn)速下比油耗增加，在4?500?r/min下增幅最大為6.5%，不過經(jīng)濟性并未發(fā)生明顯下降，而本論文的主要研究目的是對汽油機動力性進行優(yōu)化，因此在經(jīng)濟性并未發(fā)生明顯惡化的條件下，可以采用上述研究所得的優(yōu)化結(jié)果。

5?結(jié)論

1）增大進氣提前角同時減小遲閉角可以令發(fā)動機在中低轉(zhuǎn)速下輸出扭矩獲得提高，增大扭矩儲備系數(shù)，優(yōu)化動力性能。

2）增大排氣提前角或遲閉角后在所有轉(zhuǎn)速下輸出扭矩的數(shù)值都會降低，不利于提高發(fā)動機的動力性能，不過，同時外特性曲線的光滑度有所提高，發(fā)動機工作更加穩(wěn)定，對于提高汽車駕駛時舒適度以及避免發(fā)生爆燃而言具有一定的參考價值。

3）參照上述模擬的結(jié)果，最終選用的優(yōu)化配氣相位為進氣提前角50?°CA，遲閉角40?°CA，排氣提前角30?°CA，遲閉角50?°CA，此時發(fā)動機輸出最大扭矩上升12.7%，扭矩儲備系數(shù)增大15.3%，雖然在高轉(zhuǎn)速下輸出扭矩有5.6%的降低，不過對發(fā)動機的動力性無較大影響，總體動力性能達到最優(yōu)。

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[責任編輯????田????豐]