基于AVL-BOOST的可变正时汽油机泵气损失研究

谢文龙,宁欣,张骞

基于AVL-BOOST的可变正时汽油机泵气损失研究

谢文龙,宁欣,张骞

（河南科技学院机电学院,河南新乡453003）

利用BOOST软件建立一款自然吸气四缸汽油机的仿真模型,可变气门正时汽油机通过可变液压气门机构实现进气门开启持续期和进气早关角的连续可变.将实测的气门运动数据按照不同的负荷要求输入模型,由于取消了节气门,进气节流阀R1取值为1.进气早关角依次设定为原机进气晚关角之前的6～56°CA,以10°CA为一间隔,研究不同转速下的充量系数变化趋势.结果表明：可变正时汽油机低速时,选择较大的进气早关角可避免进气倒流,高速时选择较小的进气早关角可充分利用过后充气,兼顾了高低速工况的进气性能.根据传统汽油机和可变正时汽油机负荷调节方式的不同设定两种仿真模式,传统汽油机配气定时固定不变,进气节流阀R1取值0～1之间某值以模拟不同的节气门开度,可变正时汽油机输入不同进气早关角的气门升程数据,匹配两种模式下的平均有效压力值相同,对比不同转速下泵气损失随负荷的变化趋势.结果表明：可变正时汽油机相比于传统汽油机对降低泵气损失有明显优势,低转速小负荷时改善程度最明显,最多可降低泵气损失约49%；高转速大负荷时改善程度最弱,全部实验工况下平均降幅约为34%.

可变气门正时；进气门早关；充量系数；泵气损失

传统汽油机通过节气门控制进气量,节气门开度大,进入气缸的可燃混合气越多,发动机负荷越高；节气门开度小,进入气缸的可燃混合气越少,发动机负荷越小[1].汽车保有量逐年增加,大多数城市路况下的汽车都限于中低速行驶,发动机绝大多数情况下也只能以中小负荷工作[1].这时节气门控制负荷的弊端就开始显现出来,较小的节气门开度往往造成进气阻力的增加,对提高发动机进气性能非常不利,进而影响到小负荷时的燃油经济性.而可变正时汽油机取消了节气门,可变液压气门机构采用进气门早关策略调节进气量,能够实现选择较大的进气早关角和较小的气门升程满足中小负荷少进气的要求,选择较小的进气早关角和较大的气门升程满足大负荷多进气的要求[2].建立试验样机EQ486的BOOST仿真模型,对5组不同转速下的汽油机充量系数随不同进气早关角的变化关系进行了研究,结果表明在每一转速都有其对应的最佳进气早关角.传统汽油机配气定时固定不变,无法兼顾高低速工况[3],而可变气门汽油机低速时选择较大的进气早关角,可以避免进气倒流,高速时选择较小的进气早关角,可以充分利用惯性进气,验证了可变气门正时技术能够提高进气性能[4].传统汽油机调节进气节流阀[5],可变正时汽油机调节进气早关角和气门升程,针对两种模式的发动机匹配相同的平均有效压力,对比两者泵气损失的变化趋势.结果表明无节气门汽油机相比传统汽油机降低泵气损失效果明显,在低速小负荷时最为显著[6].

1 建立BOOST仿真模型

传统汽油机通过节气门控制进气量,所以模型中必须设置有模拟节气门的进气节流阀R1,选取0～1之间不同的值模拟不同的节气门开度；可变正时汽油机取消了进气系统中的节气门,改为由可变气门机构控制进气门的早关角调节进气量,所以可变正时汽油机的R1取值为1.选择一款四缸自然吸气汽油机EQ486作为研究对象,根据发动机的原机参数和结构形式建立BOOST仿真模型如图1所示.

图1 四缸汽油机BOOST仿真模型Fig.1 BOOSTsimulation model

模型运行需输入的全局参数如表1所示.

表1 全局参数输入数据Tab.1 The meaning ofmodelmodule

进气门升程控制负荷与节气门控制负荷的气门型线对比如图2所示.

图2 不同负荷控制方式的进气门升程曲线对比Fig.2 Comparison ofthe liftcurve ofintake valve

由图2可知,进气早关控制策略的进气门升程曲线可连续多级变化,较大的进气早关角对应较小的气门升程,此时的进气量只能满足小负荷时的要求；随着进气早关角的减小,进气门的升程和开启持续期增加,进气量增加满足中等负荷的要求；当进气早关角接近为零时,进气门运动规律与原机相同,进气门升程和开启持续期都达到最大值,此时的进气量满足大负荷的要求.传统汽油机通过节气门控制负荷,任何工况下的配气定时和气门升程都一致,而在低速小负荷时难免受到节气门节流作用的影响.

2 仿真结果分析

2.1 进气早关对进气量的影响

设定转速依次为1 000～5 000 r/min,以1 000 r/min为一间隔；进气提前角与排气相位角不变,由于原机进气晚关角为下止点后56°CA,将进气迟闭角依次设置为下止点后0～50°CA,以10°CA为一间隔,得出不同转速下可变正时汽油机充量系数随进气早关角的关系如图3所示.

图3 不同工况下充量系数的对比Fig.3 Comparison ofvolumetric efficiency under differentconditions

在同一转速下,当进气迟闭角较小时,随着进气迟闭角的增加气门最大升程和开启持续期逐渐增大,充量系数迅速增加；当进气迟闭角增大到某一范围时充量系数达到最大值,此时的进气迟闭角即为对应转速下的最佳进气迟闭角；当进气迟闭角继续增大超过最佳进气迟闭角后由于气门开启持续期的延长导致部分新鲜进气又回流至进气管中,此时充量系数随进气迟闭角增大而减小.

发动机每一转速都有其对应的最佳进气迟闭角,由于低速进气惯性减弱而高速进气惯性增强,随着转速升高和气门开启持续期的增加,最佳进气迟闭角逐渐增大.

可变正时汽油机取消节气门,采用进气早关（EIVC）的方式调节进气量.低速时采用进气早关策略可防止进入气缸的新鲜充量向进气管倒流.高速时的气流惯性较大,采用较大的进气迟闭角,可充分利用进气惯性实现过后充气,改善进气效果.

2.2 进气早关对泵气损失的影响

传统汽油机通过节气门控制进气量,由于小负荷时的节气门开度较小,往往产生较大的泵气损失.可变正时汽油机通过可变气门机构控制气门早关,从结构上取消了节气门,将显著降低泵气损失.为了研究可变正时汽油机相比传统汽油机关于泵气损失的变化趋势,基于仿真模型,分别对两种负荷控制模式的模型设定相同的BMEP值以满足同样的负荷输出要求.

图4 两种控制模式泵气损失对比Fig.4 Comparison ofpumping loss in two controlmodes

由图4可知,相同转速下,传统汽油机节气门开度越大,进气系统进气节流越弱,泵气损失随着负荷增加而减小；可变正时汽油机取消节气门,由可变气门机构控制进气早关角调节负荷,进气阻力随气门升程和气门开启持续期增大而减小,即两者泵气损失都随负荷增加而减小,但整体上可变正时汽油机改善趋势更为明显.相同负荷下,两者进气阻力都随转速增加而变大,传统汽油机由于节气门的节流作用在中小负荷时的泵气损失随转速变化比可变正时汽油机明显,在高速大负荷时的泵气损失改善趋于减弱.低转速小负荷时改善程度最明显,最多可降低泵气损失约49%；高转速大负荷时改善程度最弱,全部实验工况下平均降幅约为34%,即可变正时汽油机相比于传统汽油机对降低泵气损失有明显优势.

3 小结

本文建立了EQ486汽油机仿真模型,对无节气门化的可变正时汽油机进气性能进行研究,首先对比同一转速下充量系数随进气早关角的变化关系,其次设定不同转速,最终得出不同工况下的充量系数变化曲线.验证了可变正时汽油机低速时选择较大进气早关角较小进气门升程策略,或高速时选择较小进气早关角较大进气门升程策略都可以改善进气性能.

针对传统模式和进气早关模式,在相同负荷输出要求的情况下,对比不同工况下泵气损失的变化趋势.结果表明低速小负荷时无节气门汽油机相比于传统汽油机对降低泵气损失效果更明显,高速大负荷时两者无明显区别,但整体上效果显著,为将来无节气门汽油机在中小负荷时的动力性或燃油经济性的研究打下基础.

[1]吴建华.汽车发动机原理[M].北京：机械工业出版社,2013：65-70.

[2]胡顺堂,谢辉,SHUN T.提高汽油机部分负荷效率的新技术[J].拖拉机与农用运输车,2010,37（6）：38-41,44.

[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]周龙保.内燃机设计[M].北京：中国农业机械出版社,2012.

[5]胡顺堂.全可变气门机构汽油机泵气损失控制及对燃烧过程的影响[D].天津：天津大学,2009.

[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.

[7]顾珂韬,杨化军,董丽军,等.全可变气门机构技术现状的分析与研究[J].内燃机与动力装置,2010（6）：16-20.

（责任编辑：卢奇）

Research on pumping loss of variable timing engine based on AVL-BOOST

XIE Wenlong,NING Xin,ZHANG Qian
（SchoolofMechanicaland ElectricalEngineering,Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang 453003,China）

A simulation model of four cylinder engine using BOOST software was established,variable timing gasoline engine with variable hydraulic valve mechanism to achieve the continuous period of the valve opening and continuously variable inlet early angle.According to different load requirements,measured valve lift data was entered into the model,since the cancellation of the throttle,the intake throttle valve R1 value of 1；Setting different inlet angle and comparing the change trend of the filling coefficient under different speed.The results showed that variable timing engine at low-speed select larger intake early off angle could avoid inlet backflow and high-speed select smaller intake early off angle could make full use of the inertia air intake,the intake performance of both high and low speed conditions was considered.The throttle valve of traditional engine was set with different opening degree,and the variable timing engine input different valve lift data to meet the same BMEP value,the trend of pumping loss at different speed with the change of engine load was calculated.The results showed that the variable timing engine had obvious advantages in reducing the pumping loss,especially when low speed and small load was more obvious.

variable valve timing；EIVC；volumetric efficiency；pumping loss

TK411

A

1008-7516（2017）02-0074-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.02.016

2016-11-07

谢文龙（1992―）,男,河南长垣人,硕士,助教.主要从事车用发动机研究.