基于GT-Power的发动机配气相位优化

孙晓娜

(承德石油高等专科学校汽车工程系，河北 承德 067000)

配气相位是指用曲轴转角表示的进、排气门开启和关闭的时刻及开启的持续时间，对发动机的充气效率、泵气损失及排放控制等方面都有很大影响，合理的配气相位是提高功率、降低油耗及有害排放物的一种有效方法。配气相位是控制发动机换气过程的重要环节，进、排气门的开关时刻直接影响着进气压力波峰出现的时刻，因此，配气相位与进排气系统的合理匹配是增大发动机动力性能的关键因素[1］。在配气相位的各个参数中，进气门相位的控制，特别是进气迟闭角对发动机充量系数的影响起到决定性作用，而排气门相位的变化除了影响充量系数外，还影响着内部EGR率，从机内净化的角度影响NOx排放。传统内燃机由于凸轮轴结构固定，其配气相位也是固定不变的，在整个运行范围内，只有在一个很窄的工况范围内具有最佳配气相位，而其它工况只能折衷考虑。优化发动机配气相位，实现可变配气技术方案，使发动机在宽广的工况范围内都有一个最佳的配气相位，从而改善发动机的低速转矩、高速功率或改善发动机排放性能。本文针对一台改装的天然气发动机，利用GT-Power软件建立仿真模型，以发动机的充量系数为优化目标对不同转速下配气相位进行了计算分析。

1 仿真模型的建立

本文的研究对象为一小排量天然气发动机。该发动机由JL465Q5汽油机改装而成，其主要参数如表1所示。

表1 JL465Q5发动机主要参数

利用GT-Power软件建立天然气发动机仿真模型，为了确保模型能够真实反映发动机的实际工作情况并有效分析发动机的性能，对不同工况下的仿真结果与台架试验结果进行了对比。图1为按照试验条件进行的外特性下天然气发动机的输出功率的仿真值与试验值的对比曲线。

图1中关系表明，仿真值与试验值基本吻合，最大误差控制在6%以内。图2为n=2 000 r/min，λ=1，节气门开度40%，点火提前角θig=39°CA BTDC条件下，仿真计算与试验得到的缸压曲线。峰值压力偏差在3%以内，峰值压力对应的曲轴转角偏差为1.4°CA。以上分析证明该GT-Power模型与原机的一致性较好，可以用来进行发动机的性能预测分析。

2 配气相位优化

本文利用GT-Power软件进行了发动机转速分别为2 000、3 000、4 000、5 000 r/min下，保持原机的凸轮型线不变，以进气门相位和排气门相位为独立变量，以天然气发动机的充量系数为相关变量的优化计算。

2.1 进气相位对充量系数的影响

图3为发动机转速为2 000～5 000 r/min下，进气相位对充量系数的影响。由图3a)～图3c)可知，在2 000 r/min、3 000 r/min及4 000 r/min转速下，随着进气迟闭角的增大，充量系数呈现先增大、后减小的趋势，即在发动机中、低转速下，存在一个最佳进气迟闭角，使充量系数最大，此时，发动机有最好的充气性能，而且此角度随着转速的增加而增大。对于排气迟闭角为14°CA ATDC，当转速为2 000 r/min时，最佳进气迟闭角为44°CA ABDC，当转速增加到4 000 r/min时，最佳进气迟闭角为58°CA ABDC。此外，随着排气迟闭角的增大，充量系数增大，而且最大充量系数点对应的进气迟闭角向减小的方向移动。由图3d)可知，在5 000 r/min转速下，发动机的充量系数随着进气迟闭角的增大而增大，即在发动机的高转速下，适当增大进气迟闭角，有利于改善发动机的充气性能。

2.2 排气相位对充量系数的影响

图4为发动机转速为2 000～5 000 r/min下，排气相位对充量系数的影响。

图4中关系表明:1)在相同的进气相位下，随着排气迟闭角的增大，即随着气门重叠角的增大，充量系数增大。主要原因在于:在较小的排气迟闭角下，气门重叠角较小，由此导致惯性排气阶段缩短而使滞留在气缸的残余废气增大。此外，利用新气扫除废气的效果也较弱，从而充量系数较小;随着排气迟闭角的增大，惯性排气阶段的延长使排气更彻底，扫气作用加强，残余废气系数减小，从而充量系数增大。2)当排气迟闭角小于20°CA ATDC时，增长的速度较快;当排气迟闭角大于20°CA ATDC时，充量系数增长的速度变缓。原因在于:当排气迟闭角较大时，由于排气门关闭时间的推迟，造成一定程度的进气回流，这种进气回流的效应抵消了一部分进气扫气作用，因此，在较大的排气迟闭角下，充量系数增加缓慢。

2.3 配气相位对充量系数的影响

图5为利用DOE计算得到的2 000～5 000 r/min转速下配气相位对充量系数的影响云图。由图5中关系可知，当发动机的转速较低(2 000 r/min)时，充量系数最大的区域出现在云图的左上方，该区域为进气迟闭角较小，而排气迟闭角较大的区域。由于凸轮的型线不变，因此该区域为气门重叠角较大的区域。随着转速的增加，该区域向右下方扩展，即高充量系数区域向气门重叠角减小的方向扩展，在高转速(5 000 r/min)下，排气门相位对充量系数的影响大于进气门相位对其的影响。

产生上述现象的原因为:对于增压发动机来说，当发动机转速较低时，增加进气提前角和排气迟闭角，即气门重叠角，可以充分地利用进气压力高于排气压力的特点，增加气缸扫气，降低残余废气系数并加强了进气的冷却作用，有利于提高充量系数。当发动机的转速增加时，进气气流的流速和惯性增加，此时，增大进气迟闭角，有利于充分利用进气过程中行程的气流惯性，实现向气缸的过后充气;对于排气相位，由于在排气过程后期排气过程为惯性排气阶段，排气管内的压力已低于进气压力，若此时采用较大的排气迟闭角，会造成部分新鲜充量在气门重叠开启期间经过排气门直接排入排气管，造成充量系数的下降及燃料消耗的增加。因此，高转速下减小排气迟闭角，可以减小惯性排气阶段，有利于提高充量系数[2］。

3 优化结果分析

通过上述分析，为了提高发动机的充气性能，本文确定了不同转速下优化后的配气相位，如表2所示。

表2 原机配气相位及优化后配气相位

图6为2 000～5 000 r/min转速下，配气相位优化前后发动机的充量系数的对比曲线。图6中关系表明:进、排气相位优化后，各转速下发动机的充量系数有明显提高，在5 000 r/min转速下，充量系数提高了10.3%。由于配气相位优化后，发动机的充气性能有明显改善，导致发动机的转矩也有明显提高，如图7所示。主要原因在于:原机的配气相位固定不变，在整个运行范围内，只有在一个很窄的工况范围内具有最佳配气相位，优化后的配气相位采用了可变气门正时方案，可以在发动机各转速下具有最佳配气相位，因此提高了发动机的动力性能，而有效燃气消耗率BSFC在绝大多数转速下无明显增加。

4 结论

1)在发动机中、低转速下，存在一个最佳进气迟闭角，使充量系数最大;在发动机的高转速下，适当增大进气迟闭角，有利于改善发动机的充气性能。

2)低转速下，采用较大的气门重叠角有利于增加天然气发动机的充量系数;随着转速的增加，气门重叠角对充量系数的影响减弱。

3)采用优化后的可变配气相位，可以有效提高天然气发动机的转矩。

[1]褚超美，陈家琪，张振东，等.进排气管结构与配气系统匹配对汽油机性能的影响研究[J］.内燃机工程，2003，24(5):55－58.

[2]刘国军，段景辉，杨金鹏，等.双VVT开度对GDI增压发动机性能的影响[J］.小型内燃机与摩托车，2013，42(2):18－21.