基于GT-power对高速汽油机配气相位的优化分析

2016-06-27郭华礼

桂林航天工业学院学报 2016年1期

关键词：汽油机

郭华礼

(桂林航天工业学院　汽车与交通工程学院，广西　桂林　541004)

基于GT-power对高速汽油机配气相位的优化分析

郭华礼*

(桂林航天工业学院汽车与交通工程学院，广西桂林541004)

摘要基于GT-power软件对某船用高速汽油机整机进行仿真模拟，结合实验数据对模型进行标定，检验模型的准确性。在凸轮型线与气门间隙确定的情况下，通过改变进、排气配气模块中“Cam Timing Angle”参数，研究不同配气相位对发动机性能的影响，进而找到使发动机性能最佳的配气相位点。

关键词GT-power；汽油机；进、排气配气模块；配气相位

随着经济与科技的发展，发动机技术也快速提升。目前国内外最先进的配气机构设计方法之一是可变配气正时系统，最常见的类型是VVT-i、VVTL-i、i-VTEC等，其中本田 i-VTEC 技术应用最广泛也最成熟[1]。综合考虑到优化可变配气正时系统的成本太高，所以本文研究采用传统的配气机构设计方案，即只能在某一确定的转速工况下发挥最大功效[2]。本论文是基于GT-Power 软件对船用高速汽油机建立仿真模型，对模型进行标定并达到精度要求后，改变配气相位的参数，来分析其对发动机性能的影响，并对发动机配气正时进行优化，最终设计出满足发动机性能的最佳配气正时参数。

1整机性能仿真模型建立

GT-power是一款发动机仿真分析软件，以一维CFD为基础，采用有限容积法对发动机进行离散化，采用差分方程代替微分方程对热流体进行模拟计算的软件[3]。该软件主要应用于进、排气管路优化设计、气门正时优化和气门升程曲线等。结合发动机整机模型建立发动机整机数模，如图1所示。

根据发动机实际尺寸进行三维建模，通过Pro/E软件建立三维模型，由气缸套、燃烧室、进气道、进气门以及与进气道相连的入口半球，然后采用AVL的自动网格生成器FAME生成混合网格，并对气门座、气门密封锥面等局部区域进行不同程度的加密处理[4]。网格以六面体网格为主，最小网格尺寸为0.375 mm，最大网格尺寸为6 mm，如图2所示。

图1　高速汽油机整机模型

图2　进气道三维及稳态计算模型

气门模块的参数除了流量系数外，气门升程规律和配气正时对发动机性能也有较大影响[5]。气门升程的规律指气门升程随着配气凸轮转角变化的规律，数据由厂家提供，直接输入[6]。而GT-power软件中进排气提前角、滞后角与常规设置不同，修改 Cam Timing Angle的值改变气门最大升程时的凸轮转角，其发动机的气门升程和配气正时如图3所示。

2仿真模型标定

为了验证仿真模型的合理性和计算结果的可靠性，首先要模拟计算发动机在全负荷状态下的扭矩特性、功率特性和燃烧比油耗与发动机台架试验的外特性值做标定，如图4所示。

图3　发动机的气门升程和配气正时

图4　模拟计算值与实验值对比

由图4可知，发动机的比油耗(图a)和功率(图c)的计算值与实验值吻合得比较好，所有工况点的误差均在1.1%左右，没有超过最大允许误差5%。在发动机扭矩曲线(图b)中，实验值与计算值在中等转速情况下有一定的波动，其最大误差出现在5 500～6 000 rpm，最大误差为3%，满足工程精度要求。造成误差的主要原因是模型的部分参数参照相似机型的参数，同时空燃比的选择、燃烧模型的燃烧品质及燃烧持续角对结果也有影响。

3配气相位优化设计

配气相位参数直接影响发动机的动力性、经济性和排放性。在高速和大负荷时，需要增大气门重叠角和进气门关闭角，从而得到高的功率；在低转速和小负荷时，需要减小进气关闭角和气门重叠角，使其怠速平稳[7]。本论文研究的高速汽油机属于机械式配气相位，进排气门开启和关闭角是不随转速变化，为此要求在高转速情况下使汽油机的性能最佳。

3.1进气门相位优化

在GT-power软件中，配气相位的标定是在进排气门模块中用“Cam Timing Angle”设定的，该角度代表点火上止点(TDC Firing)到气门最大升程的曲轴转角。通过三维模型与计算得出Cam Timing Angle初始值为235.8°，由于不确定其最佳曲轴转角的角度，所以先进行粗略计算，以步长为5°进行计算分析。通过发动机速度特性曲线分析，如图5所示，转角在235.8°到230.8°变化，发动机性能随着转速的增加而增加，而在225.8°/8 500 rpm时出现下降，原因是进气门开启较晚，在高速下充量系数下降导致功率下降。

图5　发动机速度特性曲线

初步分析最佳曲轴转角的大致范围，再采用精细计算，计算步长为1°来分析在230.8°～235.8°内进气门相位对发动机的影响。分析如图6(a)、(b)、(c)所示，当转速低于8 500 rpm时，发动机功率随转速增加而增大，当转速为8 500 rpm时，扭矩和功率直线下降，且最高扭矩点和功率点向低速移动，油耗增加。随着进气门提前角增大功率和扭矩都有明显的增长，特别是中、高速情况尤其明显，所以考虑到高速扭矩及功率下降的情况，发动机进气门CAM TIMING ANGLE在230.8°时发动机在高速性能最佳，扭矩最大提高了7.5%，功率最大提高了2.5%。

3.2排气门相位优化

排气门配气相位与进气门配气相位同样对发动机性能起着重要作用，特别是对泵气损失和残余废弃系数影响比较大。由于论文采用的是韦博(Wiebe)燃烧模型，所以残余废气系数可以忽略不计，只考虑泵气损失对发动机性能的影响。

排气门配气相位参数设置与进气配气相位类似，原始的角度为129°，以119°、124°、129°、139°为一组进行比较。如图7(a)所示，当124°和129°时平均损失压力基本不变，而119°和130°在高速下都有明显下降，主要因为高速下气体流速加快，泵气损失减小；图7(b)、(c)可看出，当124°和129°时功率随转速增加而增加，在130°/4 500 rpm时扭矩有明显下降。主要由于排气门晚开、晚关，膨胀做功增多，由于排气背压变高，泵气损失增多，扭矩功率降低。随着角度和转速的增大，排气门晚开晚闭，但是功率和扭矩几乎不变，原因是增加的膨胀功和增加的泵气损失几乎相等，发动机性能保持不变。综合考虑各影响因素，保持原排气门的配气相位不变，且能够满足性能要求。

4结束语

通过利用GT-power 软件进行模拟，建立发动机工作过程数值仿真模型，并对所建立的模型进行标定，模拟计算值与台架实验值吻合良好，计算误差在工程精度允许范围内。随后通过标定进、排气门配气相位来分别分析其对发动机的影响，得出当进气门相位由235.8°变为230.8°时，即与之前相比提前5°，汽油机的性能最佳，扭矩最大提高7.5%，功率最大提高2.5%。