应用AVL-boost分析一种新配气机构对发动机性能的影响

□ 聂家鹏 □ 李腾飞

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州 545007

配气机构作为发动机的重要组成部分，其性能好坏对发动机的各项性能指标有着重要的影响。由于配气机构的结构和功能的特殊性，它已成为发动机技术发展最快的一部分。在目前的发动机技术中，很多的先进技术都与配气机构直接相关，经过多年的发展，配气机构的总体结构形式已基本固定，研究朝着精细化、智能化方向进行。

本文在一种新型配气机构的基础上，完成对配备该配气机构的发动机的动力性仿真，并研究其对发动机动力性能的影响［1］。新型配气机构提供了一种全新的对开式气门结构，该结构可以保证发动机具有更大的气体流通面积。利用AVL-boost软件的仿真功能，实现对配备新型配气机构的发动机的数值模拟计算，以此初步确定发动机的动力性能变化。

1 数据分析与输入

基于一款470Q汽油发动机，对其主要参数进行更改赋值，模拟计算出参数变化后发动机的主要动力性能指标，与现有技术参数对比，得知新型配气机构对发动机的影响。

1.1 原始参数和数据

表1所示为发动机参数和原始数据，这是计算现有技术发动机性能的依据，也是参数变化的标准。

1.2 变动后的部分参数和数据

为研究配气机构变化尤其是气门截面积增大后给发动机带来的影响，对原有部分数据进行了修改，新数据是在新结构的基础上得到的。在发动机型号、结构形式、排量、缸径冲程等基本条件不变的前提下，由于配气机构的结构改变而造成的参数变化及数值见表2。

1.3 数据输入

进行新结构下发动机性能计算的目的，是为了直接通过计算得到新型配气机构给发动机动力性能带来的变化情况。该计算过程将在AVL-boost软件上进行仿真计算得到。

表1 发动机参数和原始数据

表2 变动后的发动机部分参数和数据

表3 气缸数据

按 照 AVL－boost建模原理，设计了发动机模型［2］，如图 1 所示。

1.3.1 普通数据输入

AVL－boost要求在输入任何元件之前必须输入相关的主要数据，被输入的全部数据必须首先定义，包括模拟控制和时间设置控制。以上两项的定义数据不作更改，直接使用建模数据。

1.3.2 元件数据输入

元件数据输入部分包括气缸、空气滤清器、催化剂、喷油器、系统边界、管道、测量点等。表3数据为仿真中的主要变化数据，其它数据使用建模数据。

本新型配气机构中的进气门截面积为1 716 mm2，折合计算出的气门直径为46.75 mm。因此有效流动面积的换算系数为0.98（46/46.75）。

此外，更大的气门口径也决定了气门更大的行程，相比于传统的气门行程，新型配气机构的气门行程远大于10 mm，具体的进气门行程与曲轴转角的对应关系如图2所示。

▲图1 四缸汽油发动机模型

同理，可以得到排气门行程与曲轴转角的对应关系曲线，如图3所示。

经过综合计算和对比，新型配气机构的发动机的进气数据接近于现有2L排量发动机，因此，对于其它参数的设定是以2L的发动机作为数据。其它需要设定参数的元件包括空气滤清器、催化剂、喷油器。

▲图2 进气门行程－转角关系曲线

▲图3 排气门行程－转角关系曲线

2 仿真计算与结果分析

选择Simulation.Run，再选择所有的Case并分配任务运行，即可开始对模型进行仿真计算。

Case中提供的发动机转速范围是1 000～7 000 r/min，首先运行该范围内所有的发动机转速工况，得到发动机功率、扭矩和燃油消耗值与发动机转速的关系分别如图4～图6所示。

从图4可以看出，在1 000～7 000 r/min范围之内，发动机的功率一直随着转速的增加而增大，在7 000 r/min时的功率已经超过60 kW。由此可知，新型配气机构的发动机在高转速时具备更好的动力性能。

通过图5发现，新型配气机构的发动机扭矩升高很快，在1 000 r/min时的扭矩值就已经超过60 N·m，而且在不同转速下，扭矩值一直处在高位，最高扭矩值出现在转速5 000 r/min时，虽然最大值小于95 N·m，但是扭矩始终保持在较高的范围，提升了发动机的动力性能。

▲图4 转速-功率坐标图

▲图5 转速-扭矩坐标图

▲图6 转速-燃油消耗率坐标图

由图6可知，新型配气机构的燃油消耗率曲线大致与传统发动机曲线一致，燃油水平也基本与现有技术参数持平，最小燃油消耗率为7.417×10-8kg/（W·s）［267 g/（kW·h）-1］， 略低于现有的 7.5×10-8kg/（W·s）［270 g/（kW·h）-1］，在发动机动力性能获得显著提升的同时，燃油水平保持不变甚至降低，这表明新型配气机构为发动机带来了很好的综合性能［3］。

由图5可以看出，发动机的扭矩峰值在转速为5 000 r/min时出现，而发动机功率一直随转速的增加而增加，为了得到发动机的最大功率，又计算出了更高转速下的发动机功率与扭矩，结果见表4。

表4 更高转速下的发动机动力性能

通过对表4中数据的观察可以发现，发动机转速在超过7 000 r/min之后，其功率仍然会随着转速的增加而增加，直到最大功率被提高到82 kW，而与之对应的发动机转速为9 000 r/min。

3 结论

本文是在基于机构设计的基础上，利用AVL-boost仿真软件完成了对新型配气机构的发动机动力性能计算。从计算结果可以知道，新型配气机构的发动机在动力性能方面的确有了较大的提升，尤其是高转速的条件下，发动机的最大功率在原来基础上提高近50%；扭矩方面，除了最大扭矩略小以外，其它同转速下的扭矩均提高15%以上；最低燃油消耗率为7.417×10-8kg/（W·s），降低 1%，基本持平。同时从计算结果中可以得知,新型配气机构的发动机中低速功率提升并不明显，因此新型配气机构更适合于高转速发动机

［1］ 吴建华.汽车发动机原理 ［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］ 宋武强，姚胜华.基于AVL-BOOST的车用柴油机进气系统模拟分析［J］.内燃机，2011（3）：16-19.

［3］ 张雪文，徐明亮，杨欣.汽油发动机的动力特性分析［J］.机械制造与研究，2012，41（1）：47-49.