基于气门升程曲线的发动机性能优化

王超 翁中华 杨陈 袁爽 沈源 王瑞平,2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司浙江宁波315000 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

基于气门升程曲线的发动机性能优化

王超1翁中华1杨陈1袁爽1沈源1王瑞平1,2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司浙江宁波315000 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

进排气门的开启时刻，对气缸充量有重要的影响。利用进气惯性及进气门迟闭可以有效地增加气缸充量，而较大的迟闭角可能会因为活塞的上移将气体推出气缸，减小气缸充量。同样，排气提前可以有效地降低缸内残余废气，使排气通畅；而较大的排气提前角可能会造成有效功的损失，并导致各缸间进排气干涉，减小气缸充量。采用仿真分析的方法，分析造成发动机扭矩偏低的原因，更改进排气门升程曲线，有效地增加气缸充量，增加发动机动力性。同时通过试验验证，选用最终的实施方案。

发动机气门升程气门包角气门重叠角

引言

发动机换气过程的好坏直接影响发动机的动力性、经济性和排放性能。同样大小的气缸容积，在相同的进气状态下若能吸入更多的新鲜空气，则可喷更多的燃料，产生更多有用功[1～3]。同时，由于多缸机存在两个缸气门同时打开的现象，废气倒流直接影响充气效率。因此，合理的配气相位，对提高气缸的充气效率和改善发动机的性能具有重要意义。

本文针对一款四缸自然吸气发动机中转速性能较差，缺乏市场竞争力的情况，借助专业的发动机性能计算软件，分析和优化发动机进排气凸轮型线，提高发动机的动力性能，最终达到预期目标要求。同时对提出的方案进行发动机台架标定试验，验证提出方案的可行性，并确定最终的实施方案。

1 开发目标

目前，国内的发动机和整车行业较少做一个全新发动机开发项目，通常为了适应法规及当前市场的需求，对现有发动机进行改型及优化设计是发动机各主机厂的主要任务。

基于此款自然吸气发动机中低速性能差，油耗偏高的市场反馈问题，本项目尝试通过优化凸轮的型线来改善发动机性能提高市场竞争力。图1、图2、图3显示项目的开发目标。

图1 发动机扭矩开发目标

图2 发动机功率开发目标

图3 油耗率开发目标

2 数据分析

2.1 原状态数据分析

利用较成熟的一维热力学仿真软件AVL-boost，根据发动机的结构，搭建一维热力学仿真计算模型。得到计算结果，并根据计算结果分析发动机的进气特性，得到优化发动机动力性及经济性的方案。

发动机的换气过程有一个特殊阶段，在进气上止点前后，由于进气门的提前开启与排气门的延迟关闭，使内燃机从进气门开启到排气门关闭这段曲轴转角内，出现进排气门叠开时刻，发动机结构的不同，对气门重叠角大小的要求也有所不同[4]。进气特性对自然吸气发动机的影响尤为重要。

在气门叠开时刻，可以通过进气门入口处、缸内、排气门出口处3处压力对比分析，得到在气门叠开时刻新鲜空气的流动情况，同时根据流动的质量流量，分析得到优化气门升程曲线的方案。图4、图5、图6分别显示，在2000r/min、4000 r/min、6000r/min时，进气质量流量的变化情况，图7显示4000r/min时一缸气门开启与3缸气门叠开情况。

图4 2000r/min进气质量流量分析

图5 4000r/min进气质量流量分析

图6 6000r/min进气质量流量分析

图7 4000r/min时气门叠开情况

根据以上计算结果分析可以得出：

1）发动机各转速全负荷工况下，在进气终了时均出现进气质量流量是负值的现象，低速时较明显。其主要原因是由于在这段曲轴转角内，缸内压力与进气压力持平，气流的惯性变小，这时活塞已经上行，由于进气门的迟闭角过大，气门未关闭，造成活塞上行时将已进入缸内的气体从缸内推出，形成负的进气质量流量，降低了充量系数，减小了进气量。

2）发动机各转速全负荷工况下，在气门叠开时均出现的进气质量流量是负值的现象，低速时较明显，主要原因是由于气门的叠开角过大，此时的缸内压力大于进气压力，出现部分气体倒流的现象，即缸内的高温废气倒流至进气管，这样直接影响进气质量流量，减小了发动机的进气量，发动机的各项性能也随之降低。

同时，由于三缸的排气门在一缸出现重叠角时打开，此时，三缸处在自由排气阶段，在自由排气阶段三缸排气门处压力较高，更加剧了因为排气门包角过大气体倒流现象，加剧了发动机充量的减少。

2.2 优化方案

根据以上发动机充量减少的原因做优化方案，分别更改进排气门升程曲线。进气门升程曲线的更改方案如图8所示，减小进气门包角，降低因活塞上行推出的气体充量。

图8 进气门升程曲线更改方案

根据进气门的更改方案，分别得到不同方案的进气质量流量及外特性扭矩的对比，如图9，图10所示。

图9 2000r/min时进气质量流量对比

图10 4000r/min时进气质量流量对比

同时选取intake_1方案与排气门升程曲线更改方案组合，计算外特性，图11显示排气凸轮轴更改方案对比。

2.3 优化分析

根据进排气的更改方案，可以得到减小进排气门包角后，发动机的外特性有较大幅度的提升。而更改进气凸轮型线与排气凸轮型线得到的优化机理是不相同的，图13显示以3000r/min为例，更改气门升程后P-V图对比。

图11 排气凸轮轴更改方案

图12 排气凸轮轴更改方案扭矩对比

图13 排气凸轮轴更改方案P-V图对比

进气门提前开启的目的，是为了保证进气行程开始时进气门已开大，新鲜气体能够顺利进气缸。当活塞到达下止点时，气缸内压力仍低于大气压力，在压缩行程开始阶段，活塞上移速度较慢的情况下，仍可以利用气体的惯性和压力差继续进气，因此进气门晚关一点是有利于充气的。但是过大的迟闭角可能造成活塞上移时将气体退出气缸，减小了气缸内的充量。所以本项目在减小进气门包角后，外特性动力性均有提升的原因。

同样，作功形成接近终了，活塞到达下止点前，排气门便开始开启，经过整个排气行程，在活塞越过上止点后，排气门才关闭。而对于排气门提前开启的原因是气缸内的气体虽然有0.3～0.4 MPa，但就活塞作功而言，作用不大，这时若稍开排气门，大部分废气可迅速排出缸内。但是过大的排气提前角会降低缸内高压气体的有效功，从而降低了外特性扭矩。从图13的P-V图中可以看出，在本项目中减小了排气的提前角后，有效功的增加较大。

同时由于本项目是四缸机，在一缸处于气门叠开时，此时三缸排气门正好打开，在三缸的自由排气阶段。若较大的排气提前角同样会造成较大的气体倒流，从而影响进气充量，如图14所示。

图14 一缸进气与三缸排气干涉情况

3 方案验证

根据仿真计算分析的四个方案进行验证，如表1所示。4个方案不同进排气开启时刻对比。

表1 各方案进排气包角对比

分别对不同的开启时刻，加工了4种方案的凸轮轴，图15、16、17显示不同方案的试验结果。

由以上试验结果可以看出本项目的进气迟闭角、排气提前角偏大，造成了缸内进气充量的减少，从而影响了动力性及经济性。同时通过更改进气迟闭角及排气提前角，较好地提升了发动机的外特性，达到了项目初期的性能目标，根据项目的开发目标，最终选取1#方案为最终实施方案。

图15 不同方案扭矩结果对比

图16 不同方案功率结果对比

图17 不同方案油耗率结果对比

4 结论

1）在利用进气惯性提高气缸充量时，应充分考虑较大的迟闭角对充量的影响，较大的迟闭角，在活塞上移阶段会造成气体推回，影响气缸的充量；

2）排气提前角影响发动机的排气充分性，同时过大的排气提前角可能造成有效功的损失，从而降低了发动机的动力性，油耗也随之增加；

3）排气提前角较大同样也影响气缸的充量，例如一缸与三缸的干涉，在一缸气门叠开时，恰好是三缸的自由排气阶段，会造成排气废气倒流回缸内，影响气缸的充量；

4）通过仿真计算的方法，可以得到缸内进气充量的变化，准确得到凸轮型线优化的方向。通过试验验证的方法，确定最终的实施方案。

1许元默，帅石金，王建昕．进气歧管对电喷汽油机充气效率的影响[J].内燃机工程，2004，25（1）：27～34

2李景渊．发动机进气系统性能分析研究[D]．重庆：重庆大学，2005

3余国核，阎祥安，冯淑杰，等．进气谐振对单缸发动机动力性能影响的试验研究[J]．四川大学学报：工程科学版，2007，39（5）：166～169

4周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005

Engine Performance Optimization through Valve Profile Modification

Wang Chao1，Weng Zhonghua1，Yang Chen1，Yuan Shuang1，Shen Yuan1，Wang Ruiping1，2
1-Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.(Ningbo，Zhejiang，315000，China) 2-Zhejiang Geely Royal Engine Co.Ltd.

Cylinder charge is greatly affected by the intake and exhaust valve opening and closing time. Because of flow inertia，the charge can be increased with a delayed intake valve-closing，while an overdelayed closing time may lead to the reduction of the charge，which is pushed by the up-moving piston. Meanwhile，an advanced opening of exhaust valves reduces the residual gas in the cylinder and smoothes the exhaust flow.If the advancement is too large，it may result in the damage of the effective power and the reduction of the in-cylinder charge because of the interference of intake and exhaust flow of each cylinder. In this article，the cause of low engine torque was analyzed by simulation method.The valve lift curve was modified to efficiently increase the cylinder charge and improve the engine power.The final implementation plan was determined through experimental validation.

Engine，Valve lift，Valve span angle，Valve overlap

TK411+.3

A

2095-8234（2014）-0064-05

2014-06-03）

王超（1986-），男，工程师，主要研究方向为发动机热力学仿真计算。