基于AVL-BOOST的可变正时汽油机进气性能研究

谢文龙,宁欣,黄硕

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.太平洋保险公司山东分公司,山东济南250014）

基于AVL-BOOST的可变正时汽油机进气性能研究

谢文龙1,宁欣1,黄硕2

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.太平洋保险公司山东分公司,山东济南250014）

基于AVL-BOOST建立EQ486汽油机的仿真模型.传统汽油机通过改变节流阀参数调整不同的节气门开度以满足不同负荷要求.可变正时汽油机节流阀无节流作用,将实测的气门升程数据按照不同的负荷要求输入仿真模型,选择不同的升程数据来满足不同的进气量以模拟负荷的变化.首先在同一转速下要求两种负荷调节模式下的进气量相同,这样才能保证缸内压力计算及进气仿真的精确性.可变正时汽油机通过改变进气门早关角来控制进气量,对不同进气早关角下的缸内压力变化进行分析,计算结果表明选择不同的气门运动规律控制进气量完全可以取代传统汽油机的节气门来调节负荷.其次保持同一转速设定不同的充量系数值,对两种负荷控制方式下的泵气损失的变化趋势进行了分析,结果表明可变正时汽油机在取消节气门后,进气过程中的节流作用大幅减弱,有效降低了吸气过程中的泵气损失,并且改善趋势随着充量系数减小更加明显.

可变正时汽油机；缸内压力；泵气损失；模拟仿真

汽油机通过控制节气门开度大小来控制进气流量,开度越大进入气缸的可燃混合气越多,发动机负荷越高；开度越小进入气缸的可燃混合气越少,发动机的负荷越低[1].在城市道路行驶的汽车速度一般不高,其发动机在大部分时间内都是以中小负荷工况运转,节气门开度往往较小.传统汽油机配气定时不变,气门开启时刻、配气相位和气门升程都不随发动机工况变化而变化.当节气门开度较小时,进气系统节气门的节流作用会阻碍进气,增大了进气损失,对发动机的经济性造成不利影响[2].可变正时汽油机通过液压气门机构控制进气门的配气相位、气门升程以调节进气量,从结构上取消了节气门,可以大大降低进气过程中的泵气损失[3].可变正时汽油机能够满足低速时采用较小的气门升程和开启持续期,防止缸内新鲜充量向进气系统倒流,以便增加低速扭矩提高燃油经济性；在高速时采用较大的气门升程和进气迟闭角,最大程度地降低了流动阻力,并可以充分利用过后充气以提高充量系数,以满足发动机高速时动力性的要求[4].本文通过发动机性能仿真软件建立一款EQ486汽油机的仿真模型,并对可变正时汽油机的进气性能进行了分析.

1 AVL-BOOST仿真模型建立

1.1 建立模型

根据EQ486汽油机的机构原理和技术参数,将不同模块根据实际工作原理连接起来,然后对各个模块的参数进行设置[5].整个模型由进排气系统和气缸系统为主体,进排气系统模块主要包括进气口边界、空滤器、节气门、排气管及消音器等；气缸模块中不同气缸只有点火顺序和进排气顺序不同,不同负荷控制方式下的进气门运动规律不同；EQ486汽油机BOOST仿真模型如图1所示.

模型中各个元件所表示含义如表1所示.

1.2 设置模型参数

在设置参数之前需要对整机的基本参数、技术规格和部分配件的结构尺寸进行细致分析,然后根据实际工作情况进行设置,此外部分参数的设置还要参照系统自带的经验公式[6].由于主要涉及到缸内压力和泵气损失的计算,并且两种模式下的气门运动规律有较大区别,所以只对气缸参数及气门运动规律的设置进行说明.

1.2.1 气缸参数设置气缸模块包括气缸缸径、压缩比、活塞行程、配气定时、活塞偏置量、连杆尺寸等,主要通过查阅发动机图纸或说明书确定,对于部分无法查阅的数据可以直接测量得出.另外还需要根据发动机的具体结构或者借鉴经验公式来设置燃烧方式、缸内传热方式、气缸壁温度等.气缸模块基本参数见表2所示.

1.2.2 气门运动参数的设置传统汽油机的进气门运动规律完全由进气凸轮型线确定,通过查阅原机图纸中进气凸轮型线部分可推算得到进气门升程数据.而可变正时发动机的进气门开闭要受液压力及气门弹簧力的综合作用,所以其进气门运动规律由实际试验测量得到.在输入参数时把不同早关角的进气门运动升程数据通过加载数据格式输入到模型中以满足不同的工况条件.在气门参数的输入时一定要注意满足两种负荷调节方式对应的进气量相同,传统汽油机改变节气阀的参数,而可变正时汽油机输入不同的气门运动参数.气门运动参数的输入如图2所示.

2 进气性能仿真

可变正时汽油机通过改变进气早关角控制进气量,中小负荷时进气门开启小升程并且提前关闭,大负荷时开启大升程并推迟关闭.为了验证改变进气早关角能否有效调节负荷,现基于模型对可变正时汽油机在不同进气早关角下的缸内压力变化趋势进行仿真计算.

2.1 进气早关对缸内压力影响

可变正时汽油机无需节气门调节进气量,所以模型中进气节流阀设为全开.分别输入进气早关角依次为下止点前17°CA、30 °CA、45°CA、55°CA和70 °CA时,转速为3 000 r/min的实测气门升程数据.同一转速不同进气早关角下的第三缸缸内压力p-φ图、高压示功图和低压示功图分别见图3、图4、图5.

BOOST模型默认曲轴转角0 °CA为第一缸压缩上止点,则图3中0～180°CA为第三缸的压缩行程.随着进气早关角的逐渐增大,进气门早关越提前进入气缸的工质量越少,有效压缩比越低,活塞运行到上止点时的最高缸内压力也就越低.上止点前17°CA进气早关时的缸内最高压力约5.5 MPa,比上止点前70°CA进气早关时的缸内最高压力约30 MPa高83%.进气早关角每提前约13.25 °CA,缸内最高压力下降约0.675 MPa.

对于四冲程非增压汽油机来说,进气压力线以上压缩过程曲线和燃烧过程曲线所围的面积可代表指示功大小,如图4所示为不同早关角下的高压示功图.如图所示,进气早关角越大位于进气压力线以上的有用功部分面积较小,表示负荷较小；随着进气早关角的逐渐减小,有用功部分的面积逐渐增大,代表汽油机负荷越大.如图5所示为进气早关方式的低压示功图,进气早关角越大进气终了时缸内压力越低,随着进气早关角的减小压缩终了时缸内压力逐渐升高,满足进气要求的同时大大降低了活塞下行过程中的吸气损失.综上仿真结果能够验证进气早关控制进气量的方式可有效取代传统节气门,以达到调节负荷的目的.

2.2 泵气损失的对比

传统汽油机进气节流阀依次设置为不同的阀值,而可变正时汽油机输入不同升程不同进气早关角的进气门运动参数,对比两种负荷控制模式下的泵气损失变化还必须要保证相同的进气量.下表为两种控制模式下的进气系统主要项目对比,区别主要在于负荷控制方式及配气正时中进气迟闭角的变化,取转速为3 000 r/min,运行仿真模型后读取缸内压力数据并对比两种模式下低压示功图中泵气损失的变化.

依次调整进气节流阀开度和气门运动参数使两种模式的充量系数分别保持为0.5、0.6和0.7,充量系数作为表征实际换气过程进行完善程度的一个极其重要的参数,也间接反映了汽油机负荷的大小.不同充量系数两种控制模式的低压示功图对比见图6.

泵气损失大小可由大气压力线P0以下进气压力线以上所围的面积表示,由图5可知,同一充量系数条件下的可变正时汽油机进气压力均明显高于传统汽油机,即可变正时汽油机泵气损失要明显低于传统汽油机.

对比不同充量系数值对泵气损失的影响,当充量系数取较小值时,可变正时汽油机相比于传统汽油机对泵气损失的降低程度比较明显；当充量系数逐渐增大时,这种改善趋势减弱.这是因为传统汽油机在低充量系数条件下的节气门开度较小,进气节流作用明显,泵气损失较大；而可变正时汽油机取消了节气门,避免进气节流作用的同时依靠进气门早关仍能满足低进气量要求.传统汽油机在高负荷时的节气门开度较大,进气节流作用不明显,所以对泵气损失的降低趋势不如小负荷时明显.

3 小结

建立EQ486汽油机的BOOST仿真模型,结合汽油机性能参数、结构参数及结构尺寸输入模型元件的参数.首先对可变正时汽油机取消节气门,通过进气早关控制负荷变化时缸内压力变化进行了仿真计算,验证了可变正时汽油机在取消节气门后能够通过控制进气早关角来实现对负荷的调节,达到预期效果；其次,对同一转速下不同充量系数条件下可变正时汽油机相比于传统汽油机对泵气损失的改善趋势进行模拟仿真.结果表明可变正时汽油机取消节气门后可明显降低吸气过程中的泵气损失,从而在一定程度上降低了发动机功率消耗,尤其是在中小负荷工况下这一趋势更加明显,所以对于大多在城市路况行驶的汽车来说实现无节气门化具有广阔的发展前景.

[1]陈家瑞.汽车构造[M].2版.北京：机械工业出版社,2005：90-92.

[1]颜伏伍.汽车发动机原理[M].2版.北京：人民交通出版社,2014：30-31.

[3]谢文龙.多缸汽油机全可变气门机构的设计及其性能模拟[D].济南：山东大学,2015.

[4]贾德民.全可变气门机构对车用发动机进气性能的影响[D].济南：山东大学,2013.

[5]刘增文,王占学,黄红超,等.变循环发动机性能数值模拟[J].航空动力学报,2010,25（6）：1310-1315.

[6]GRIFFITHS J,MISTRY N.An Electro-hydraulic valve operating system for engine research and development,experimental methods in engine research and development[C].IMechE Seminar,1988：846-862.

（责任编辑：卢奇）

Study on the intake performance of variable timing gasoline engine based on AVL-BOOST

XIE Wenlong1,NING Xin1,HUANG Shuo2
（1.Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang453003,China；2.Pacific Insurance Company ShandongBranch,Ji’nan 250014,China）

Using AVL-BOOST to establish the simulation model of EQ486 gasoline engine,change the value of the throttle valve to meet the requirements of different load for the traditional gasoline engine.Variable timing engine throttle valve without inlet throttling effect,according to different load requirements,measured valve lift data was entered into the model,different lift data was selected to simulate the load changes.At the same speed,the requirements of the two modes of the same air intake,so as to ensure the accuracy of the calculation.Variable timing engine by changing the intake valve early angle to adjust the intake flow.The change of cylinder pressure under different EIVC angles was analyzed,the results showed that the choice of different valve motion data could completely replace the traditional throttle to adjust the air intake.Maintain the engine speed constant and set different filling coefficient,the two kinds of load control mode of the change trend of pumping loss was analyzed,the results showed that the throttle effect of the throttle valve was greatly reduced when the throttle valve was cancelled,and the pumping loss was decreased effectively,and with the decrease of the filling coefficient,the improvement trend was more obvious.

variable timing engine；cylinder pressure；pumping loss；simulation

TK413

A

1008-7516（2016）05-0073-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.05.015

2016-07-07

谢文龙（1992—）,男,河南长垣人,硕士,助教.主要从事发动机进排气性能优化研究.