胡 艷, 任龍軍, 吳 焱, 黃昭明

(1.安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系，安徽 淮南 232007；2.皖江工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031)

0 引 言

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用[1,2]，并且針對不同的專業(yè)開發(fā)設(shè)計行業(yè)，出現(xiàn)了專業(yè)的計算機(jī)仿真商業(yè)軟件[3,4]。汽油發(fā)動機(jī)是一種高效率的汽車動力單元，其開發(fā)設(shè)計過程涉及到熱力學(xué)、流體力學(xué)和燃燒學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，具有較高的專業(yè)屬性和復(fù)雜程度[5]，采用CAE技術(shù)能夠提升整個開發(fā)效率，并降低開發(fā)成本[6]。

傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)固定的配氣相位和氣門升程使其在各工況下都無法獲得最佳配氣正時，從而影響其動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。眾多現(xiàn)代發(fā)動機(jī)使用可變氣門正時(Variable Valve Timing，VVT)技術(shù)解決了傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的上述弊端。VVT常用的三種技術(shù)分別為可變相位技術(shù)、可變升程技術(shù)以及可變相位和升程技術(shù)。具有代表性的是日本本田公司的VTEC[7,8]，日本豐田公司的VVT-i[9]及德國寶馬公司的Valvetronic技術(shù)[10.11]。這一技術(shù)使發(fā)動機(jī)設(shè)計師無須再在低速轉(zhuǎn)矩與高速功率之間作抉擇，實時的氣門正時調(diào)整使得同時顧及低速轉(zhuǎn)矩與高速功率成為可能。發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣門機(jī)構(gòu)對其性能有著重要影響，目前文獻(xiàn)可見于進(jìn)排氣門正時和升程規(guī)律對汽油機(jī)性能影響的研究等方面[12-14]。在汽油機(jī)凸輪型線的開發(fā)過程中，建立了一維發(fā)動機(jī)性能仿真計算模型，在對汽油機(jī)性能準(zhǔn)確計算的基礎(chǔ)上，對汽油機(jī)采用不同進(jìn)排氣包角的性能進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了試驗驗證，以研究不同進(jìn)排氣包角對動力性和經(jīng)濟(jì)性影響的變化關(guān)系，為汽油機(jī)進(jìn)排氣包角的開發(fā)設(shè)計提供規(guī)律性指導(dǎo)。

1 研究樣機(jī)

研究樣機(jī)為某公司一款1.8L乘用車用汽油機(jī)，該汽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式為立式、直列、水冷、電控氣道噴射，同時采用放氣閥廢氣渦輪增壓配合二級中冷系統(tǒng)進(jìn)氣，充分增加新鮮進(jìn)氣充量。該汽油機(jī)的燃燒室為“屋脊”型，每缸采用二進(jìn)二排的四氣門結(jié)構(gòu)。汽油機(jī)樣機(jī)的主要參數(shù)，如表1所列。

表1 汽油機(jī)樣機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 一維計算模型的建立

采用奧地利AVL公司研究開發(fā)的專用發(fā)動機(jī)性能仿真計算軟件AVL BOOST建立該1.8L汽油機(jī)的一維性能仿真計算模型。模型的建立過程包含進(jìn)氣諧振腔模型的建立、燃燒參數(shù)確定、渦輪增壓器全參數(shù)模型以及模型標(biāo)定四個部分。

2.1 進(jìn)氣諧振腔模型的建立

在AVL-BOOST軟件中，進(jìn)氣諧振腔的建模形式有兩種：容腔模型和管道模型。兩種模型的區(qū)別在于：容腔式進(jìn)氣諧振形式不考慮諧振腔中的壓力波動，將容腔內(nèi)氣體視為各向同性均質(zhì)；而管道式進(jìn)氣諧振形式則會考慮氣流沿管道方向的激波現(xiàn)象，將管道內(nèi)氣體視為沿管道方向一維不均質(zhì)。就這兩種不同的進(jìn)氣諧振腔形式，分別建立模型并進(jìn)行計算對比。兩種方案的模型如圖1和圖2所示。通過模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析，確定最優(yōu)的建模方案。

圖1 容腔模型

圖2 管道模型

2.2 燃燒參數(shù)確定

在BOOST軟件中，可以通過多種燃燒模型參數(shù)的輸入來獲得放熱率曲線。其中，軟件提供的燃燒模型有Vibe，Double Vibe，Woschni/Anisi，Hiroyasu，AVL MCC等。

其中，Vibe燃燒模型所含參數(shù)較少，概念易于理解，且準(zhǔn)確度能滿足大多數(shù)發(fā)動機(jī)循環(huán)模擬計算的精度，故本文選用Vibe燃燒放熱模型。

Vibe燃燒參數(shù)主要包括：燃燒起始角、燃燒持續(xù)期、燃燒品質(zhì)指數(shù)。Vibe燃燒參數(shù)的獲取方式是通過BOOST內(nèi)置的Burn功能，輸入缸內(nèi)壓力曲線，計算得出Vibe燃燒參數(shù)，這保證燃燒參數(shù)的準(zhǔn)確性，對模擬的精度有至關(guān)重要的影響。

2.3 渦輪增壓器全參數(shù)模型

在BOOST中，渦輪增壓器的計算模型有兩種：簡化模型和全參數(shù)模型。簡化模型主要輸入?yún)?shù)為渦輪機(jī)和壓氣機(jī)的效率、機(jī)械效率、壓比、當(dāng)量流量系數(shù)等。在模擬計算時，軟件以給定的壓氣機(jī)壓比為基本參數(shù)，進(jìn)行流動計算。簡化模型的特點是輸入數(shù)據(jù)較簡單且直觀易懂，技術(shù)要求較低，計算收斂較快，但精度略低。全參數(shù)模型主要輸入?yún)?shù)為機(jī)械效率、中間體的轉(zhuǎn)動慣量、壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的工作特性圖等。在模擬計算時，軟件根據(jù)輸入的壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的工作特性圖確定壓氣機(jī)壓比、渦輪機(jī)膨脹比等關(guān)鍵參數(shù)并進(jìn)行計算。全參數(shù)模型的特點是輸入數(shù)據(jù)較多，技術(shù)難度較大，易出現(xiàn)不收斂的情況，但計算精度高。本文選用渦輪增壓器全參數(shù)模型以提高計算精度。

2.4 模型標(biāo)定

對所建立的汽油機(jī)一維計算模型進(jìn)行外特性的模擬計算，將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以驗證模型的正確性。汽油機(jī)性能計算模型的主要標(biāo)定參數(shù)，如表2所列。各參數(shù)的容腔模型、管道模型和試驗結(jié)果計算，如圖3所示。

表2 汽油機(jī)性能計算模型的主要標(biāo)定參數(shù)

(a)汽油機(jī)進(jìn)氣量對比

從圖3可以看出，汽油機(jī)主要性能指標(biāo)參數(shù)仿真計算和試驗數(shù)據(jù)吻合較好，表明所建立的汽油機(jī)一維仿真計算模型準(zhǔn)確；且容腔模型的數(shù)據(jù)波動相對較小，數(shù)據(jù)精度更高，因此本文將采用容腔模型進(jìn)行后續(xù)仿真優(yōu)化工作。

3 汽油機(jī)進(jìn)排氣包角的仿真優(yōu)化

3.1 仿真計算方案

分別計算了汽油機(jī)采用不同進(jìn)排氣包角在2000r/min最大轉(zhuǎn)矩點和5250r/min額定功率點的動力性和經(jīng)濟(jì)性。不同的進(jìn)排氣包角方案如表3所示(定義氣門開啟或關(guān)閉的間隙為0.5mm)，2000r/min最大轉(zhuǎn)矩點和5250r/min額定功率點的氣門相位如圖4和圖5所示。

表3 三種不同進(jìn)排氣包角方案

圖4 2000r/min最大轉(zhuǎn)矩點氣門相位

圖5 5250r/min額定功率點氣門相位

3.2 仿真優(yōu)化結(jié)果與分析

表4給出了2000r/min最大轉(zhuǎn)矩工況點，汽油機(jī)采用三種不同進(jìn)排氣門包角方案的主要性能指標(biāo)計算結(jié)果。從表4可以知道，采用較大的進(jìn)氣門包角和較小的排氣門包角(方案2)，汽油機(jī)獲得了最大的動力性和經(jīng)濟(jì)性，且進(jìn)氣量和增壓器總體效率略有提升。

表4 2000r/min最大轉(zhuǎn)矩不同方案性能指標(biāo)

分析認(rèn)為，汽油機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，氣流速度相對較慢，較小的排氣門包角能有效減小廢氣的倒流，從而減少了缸內(nèi)殘余廢氣量，而殘余廢氣的減少促使同樣進(jìn)氣包角時，汽油機(jī)進(jìn)氣量的增加；而方案3采用較小的進(jìn)氣包角，阻礙了進(jìn)氣的發(fā)生，但其對汽油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性的影響很小。

表5為發(fā)動機(jī)運(yùn)行在5250r/min額定功率點，采用三種不同進(jìn)排氣包角方案所表現(xiàn)出的主要性能參數(shù)指標(biāo)。從表5可以看出，汽油機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，采用方案1可以達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)性和動力性，且進(jìn)氣量和增壓器效率最高。

表5 5250r/min額定功率點不同方案性能指標(biāo)

這是因為汽油機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，缸內(nèi)氣流速度非?？?，需要較大的進(jìn)氣門包角以利用進(jìn)氣慣性提升進(jìn)氣量，同樣也需要較大的排氣門包角將廢氣盡可能排出，這樣在進(jìn)氣行程，汽油機(jī)才能獲取更多的新鮮充量，提升功率的輸出，同時提升經(jīng)濟(jì)性。

對進(jìn)排氣包角對汽油機(jī)性能影響變化規(guī)律的綜合分析認(rèn)為，汽油機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量、缸內(nèi)殘余廢氣量是汽油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性變化的主要影響因素；低轉(zhuǎn)速時，需要采用較大的進(jìn)氣包角和較小的排氣門包角；高轉(zhuǎn)速時，則需要進(jìn)排氣包角都相對較大，且高轉(zhuǎn)速時對進(jìn)氣包角變化較低轉(zhuǎn)速更為敏感。

3.3 仿真優(yōu)化結(jié)果試驗驗證

分別進(jìn)行了汽油機(jī)采用方案2和方案1時動力性和經(jīng)濟(jì)性試驗。2000r/min最大轉(zhuǎn)矩工況點時，試驗獲得的轉(zhuǎn)矩和比油耗分別為243N·m和288g/kW·h；5250r/min額定功率點時，試驗獲得的轉(zhuǎn)矩和比油耗分別為204N·m和389g/kW·h?？梢娫囼灁?shù)據(jù)和仿真優(yōu)化計算數(shù)據(jù)吻合較好，表明優(yōu)化計算的準(zhǔn)確性和有效性。

進(jìn)排氣包角對汽油機(jī)性能影響的優(yōu)化仿真與試驗研究說明，汽油機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，應(yīng)采用較大的進(jìn)氣包角和較小的排氣包角設(shè)計，汽油機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，應(yīng)采用盡可能大的進(jìn)氣包角和排氣包角設(shè)計，以實現(xiàn)汽油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化提升。

4 結(jié) 論

1)AVL BOOST汽油機(jī)一維性能計算容腔模型和管道模型的建模研究過程表明，容腔模型和管道模型均能滿足性能計算的精度要求，且容腔模型更為準(zhǔn)確。

2)汽油機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，應(yīng)采用較大的進(jìn)氣包角和較小的排氣包角設(shè)計，以獲取良好的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

3)汽油機(jī)高速工況時缸內(nèi)氣體流動較快，應(yīng)采用盡可能大的進(jìn)氣包角提升進(jìn)氣量，采用大的排氣包角減少缸內(nèi)殘余廢氣量，以確保動力性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化。