自然吸气汽油机部分负荷换气特性研究

李一，邵长浩，霍东波，乔鑫

（华晨汽车工程研究院，CAE工程室，辽宁 沈阳 110141）

自然吸气汽油机部分负荷换气特性研究

李一，邵长浩，霍东波，乔鑫

（华晨汽车工程研究院，CAE工程室，辽宁 沈阳 110141）

基于原型样机搭建的一维发动机热力学分析模型，对发动机部分负荷换气特性进行研究，主要考虑了气门运动规律的影响。主要对常用工况范围内5个特定工况点进行了动力性与经济性的对比分析，阐述了排气门滞后关闭和凸轮型线更改对部分负荷换气过程影响。排气门滞后关闭，增大了残余废气量，提升了实际循环的压缩比，减小了泵气损失，提升了部分负荷的动力性，比油耗降低2%-5%左右。凸轮型线升程和包角增加有益于上述获益的增大。

部分负荷；可变气门正时；残余废气；换气特性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.015

CLC NO.: TK411 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-39-04

引言

发动机节能与减排是其发展的主要前景。常用工况范围的部分负荷特性的研究是最具实际意义。秦静[1]研究了进气门晚关与高压缩比对汽油机部分负荷特性的改善作用，通过进气门晚关、高压缩比与点火提前角的优化，将油耗降低4%-10%。其进气门晚关的主要技术手段是增大凸轮形线的包角。[2-6]分析了分期再循环系统对发动机性能的影响，其中包括动力性能、经济性、排放等的优化与研究。

实际上，换气过程对发动机有一定的影响。尤其是通过气门运动规律的调整对泵气损失的改善。发动机部分负荷工况，气门开度小于30度以下时，由于节气门体处的节流损失增大，导致进气压力损失增加。导致气缸充量系数（换算参考压力1bar，300k）为0.3左右，即自然吸气发动机很难吸入理论上的进气量。基于该现象，提出通过控制气门运动规律提高气缸内残余废气的方法，对发动机部分负荷的动力性与经济性进行改善。主要技术手段为凸轮型线优化及进排气VVT（variable valve timing）的调节。

1、发动机参数与分析流程

1.1发动机基本参数

部分分析基于某4缸4冲程自然吸气汽油发动机，发动机的基本技术参数如表1所示。

表1　发动机技术参数Tab.1 Engine specifications

1.2分析流程概述

首先，建立一个能够模拟发动机外特性的热力学模型，根据发动机技术参数与实体几何创建一个基础模型，并根据外特性实验数据进行标定。

然后，创建部分负荷热力学模型，输入对应的实验数据，并进行模型的标定。

最后，选定特定工况，依据部分负荷模型，对凸轮型线进行选择，对VVT角度做DOE处理，确定最佳VVT角度。

整体流程如图1所示。

图1　分析流程图Fig.1 Flowchart of Analysis

2、数值模型及对标结果

基于一维热力学模型对某型汽油机的换气过程进行研究。

2.1一维热力学模型

一维热力学模型，包括进气系统、节气门体、进气歧管、进排气道（包含气门的运动）、气缸、排气歧管及排气系统。具体结构如图2：

一维热力学模型输入实验的大气边界条件，包括压力与温度等。管路壁面采用壁温度求解模型求解，模拟工质与管壁，管壁与环境之间的换热。气缸内部，采用详细的壁面温度求解模型模拟缸体的传热过程。缸内的对流换热通过Woschni模型计算。燃烧通过SIWiebe模型模拟分析，主要输入50%燃烧点，燃烧持续期，燃烧指数及有效燃烧百分数等。

图2　一维热力学分析模型Fig.2 Thermodynamic analysis of one-dimensional model

2.2一维热力学理论

一维热力学主要对管路进行离散。对离散单元的物理状态进行计算，主要计算内容包括连续性方程（1），能量方程（2）和动量方程（3）。

2.3部分负载模型

图3　分析工况点示意图Fig.3 The operating point by Analysis

建立并标定2000、2400、3200rpm三个转速下各部分负载的热力学模型，作为基础模型。基于发动机常用工况点，选取5个工况点（2000rpm，1.8bar）（2000rpm，3.5bar）（2400rpm，2.5bar）（3200rpm，1.8bar）（3200rpm，3.5bar）作为分析工况。图3显示了模拟工况点在万有特性中的具体位置。

基于不同设计方案分析比较发动机部分负载的动力性与经济性结果。表2介绍了分析方案的具体内容。

表2　方案代号Tab.2 Engine specifications

图4为凸轮型线方案的示意图，进气凸轮型线未改变，三种方案共用IN-old线。排气凸轮型线，EX-old线为IVVT-old方案与DVVT-old方案所共用。EX-C线为DVVT-C方案的排气凸轮型线

图4　凸轮型线Fig.4 Camshaft profile comparison

2.4模型的精确性

一维热力学模型对标结果见附页插图，计算结果与实验误差基本控制在10%以内。其中，图11为外特性的标定结果。图12-14为2000rpm、2400rpm，3200rpm不同节气门开度时，发动机主要参数的对标结果。

主要标定了发动机各部件中工质的气体状态，包括流量、压力、温度等参数。并标定了发动机外特性的扭矩、比油耗等性能指标。

3、计算结果与分析

3.1DVVT的DOE处理

VVT的确定原则，进气排气凸轮型线原始相位采用IVVT-old方案相位，限定边界低于原型机的比油耗，残余废气百分数不大于15%，调节极限进气25度曲轴转角，排气30度曲轴转角。在扭矩MAP上寻找最大扭矩点。以2400rpm，2.5bar工况点为例。确定进气VVT向前调节0度曲轴转角，排气VVT向后调节25度曲轴转角。具体确定方法如图5所示。

图5　VVT角度确定Fig.5 The determination of VVT angle

表3为3种方案5个工况点的进排气VVT角度。可以看出部分负荷进气VVT角度基本不动作。排气VVT向后调节，即排气门延时关闭。其中DVVT-old方案与DVVT-c方案的VVT扫描结果是一致的。

表3　VVT结果参数Tab.3 Engine specifications

3.2三种方案的结果比较

以2400rpm，2.5bar工况点为例。DVVT-old的动力性与经济性结果最佳。从表4中可以看出，DVVT-old与其他两方案对比，进气量基本保持不变，残余废气百分数增加，参加热力循环的工质增加，等效于压缩比提高。DVVT-old与其他两方案对比，泵气损失略有降低，缸内指示热效率有所提高。综上所述，相较于其它两方案，DVVT-old方案的扭矩最高，比油耗最低。所以DVTT-old为最佳方案。

表4　计算结果对比Tab.4 simulation results comparison

3.3DVVT-old与IVVT-old比较分析

首先，方案DVVT-old与方案IVVT-old相比较，进排气凸轮型线一致，进气VVT调节角度一致，DVVT-old方案的排气VVT向后调节即排气门滞后关闭25度曲轴转角。如图7所示，排门滞后关闭，在进气冲程内，活塞下行阶段，排气门仍然有一段时间是打开的。由于这种活塞与排气门的运动，被排出的废气就会从排气道流回到气缸中，因此，增大了热力循环中的残余废气百分数。进气凸轮型线及VVT角度一致，进气量基本一致。进气量一致，残余废气百分数增加，即参与到下一热力循环的工质增加，压缩比增大，由于此工况负荷较小倒流回的废气不会影响到发动机点火角，因此有利于动力性的提高。

图6　气门动作与流量Fig.6 Valve operation and Discharge

排气VVT向后移动，由于残余废气百分数增加，瞬时的气缸压力增大。进气时，气缸压力增加，由于流体压力由取决下游，所以进气歧管处压力增大，相当于增大了进气压力。进气歧管处的瞬态压压力波动对比如图8所示。

图7　气门动作与进气歧管压力Fig.7 Valve operation and intake manifold pressure

图8　排气门滞后关闭对热力循环的影响Fig.8 Exhaust valve lagging influence of logPV diagram

进气压力的增加，减小了吸气冲程的吸入功，从而改善了泵气损失。图9给出了两种方案的热力学PV图，可以看出排气门滞后关闭对泵气损失的改善是较为明显的。

3.4DVVT-old与DVVT-C比较分析

DVVT-old方案与DVVT-C方案进气凸轮型线与VVT角度一致，排气VVT角度一致。不同的是，DVVT-old方案排气凸轮型线的升程与包角较大。

图9　气门动作与流量Fig.9 Valve operation and Discharge

从图10中可以看出，两方案的排气过程，由于DVVT-old方案凸轮型线的升程和包角更大一些，所以该方案的排气节流损失少一些，排气门关闭前的回流残余废气多一些。所以DVVT-old方案的动力性与经济性略优于DVVT-C方案。

3.5其他工况点结果

4.1-4.4所述的内容均以（2000rpm，2.5bar）工况点为例。此外，本文还研究了（2000rpm，1.8bar）、（2000rpm，3.5bar）、（3200rpm，1.8bar）（3200rpm，2.5bar）等工况点。结果表明在所计算的工况范围内，DVVT-old方案的动力性与经济性结果最佳，比油耗最高降低5%。

4、结论

经过分析，本文主要结论如下：

（1）部分负荷工况，排气门延时关闭，能够改善发动机换气过程，增大进气压力，减小泵气损失。

（2）部分负荷工况，排气门延时关闭，可以造成一定的废气回流，增加参与热力循环的工质的物质量，提升发动机的动力性。

（3）进气正时一致时，排气门延时关闭对进气量的影响幅度很小。

（4）基于上述三点结论，排气门延时关闭泵气损失减小，进气量不变，更多的残余废气残余到下一循环，动力性的改善，计算工况范围内的部分负荷比油耗降低2%-5%。

Study of Gas Exchange Behaviors for A Naturally Aspirated Gasoline Engine at Part Load

Li Yi, Shao Changhao, Huo Dongbo, Qiao Xin
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, CAE Section, Liaoning Shenyang 110141 )

The research performed on the engine part load gas exchange behaviors based on the one-dimensional thermodynamic analysis model. According to five typical operating points brake torque and brake specified fuel consumption comparison, this article described the exhaust valve close lagging and cam-profile modification effect on part load. The simulation results show that if the exhaust valves close timing delay, the residual gas will increase, the working fluids will be compressed strongly and the pumping lose decrease. Then the engine performance will be optimized at part load. The brake specified fuel consumption benefits by 2%-5%. And the cam-profile could enhance the benefits.

part load; variable valve timing; residual gas; gas exchange behaviors

TK411 文献表示码：A

1671-7988（2016）11-39-04

李一（1987-），男，就职于华晨汽车工程研究院，动力总成分析组主管，主要从事发动机性能等CAE分析工作。