气门重叠角对天然气掺氢发动机性能的计算分析

李春青 姜峰 陈乾 莫清烈 曾维铨

摘要：通过改变发动机配气相位，实现不同气门重叠角方案，研究不同气门重叠角大小对发动机各项性能的影响关系.利用GT-Power软件建立了某款天然气掺氢发动机仿真模型，分析了两种配气方案下气门重叠角对发动机扭矩、排放的影响规律，最终确定发动机在全负荷工况时1400r/min和2300 r/min转速下配气方案2对应20°CA气门重叠角为最佳研究方案，该研究方法为气门重叠角的实际应用提供理论指导。

关键词：气门重叠角；配气相位；天然气掺氢；发动机

0引言

随着我国汽车产业的迅猛发展，能源、环保等一系列问题伴随而来，利用清洁无污染的替代燃料是缓解能源紧张且环保的有效方法之一，而天然气与氢气是当前社会比较认可的车用替代燃料，通过天然气中掺混氢气可以改善天然气燃烧速率低、稀燃能力差的问题.天然气掺氢燃料也因其良好的经济性和排放特性受到了广泛的关注，成为车用发动机替代燃料研究的热点之一_，气门重叠角技术也称内部EGR（Exhaust Gas Recirculation），目前相关研究各尽不同Ali等研究了不同排气正时（即排气门开启、关闭时刻）对汽油机内部EGR的实现方案，利用多目标遗传优化算法对排气门开启与关闭时刻进行了分析改进，获得了NO_x排放值和有效燃油消耗率均有所下降，且各自降低71%和6%的改进结果.Kiyoushi等在一台单缸机上研究排气门二次开启的方案，分析了天然气燃烧正时与EGR率之间的影响关系.Carsten等在一车用柴油机上研究了不同内部EGR策略对降低NI_x排放和有效燃油消耗率的影响，由于柴油机高温废气冷却较为困难的因素，采用内部EGR的策略对降低NOx排放和有效燃油消耗率的效果不显著.John等以独立控制燃烧正时的研究基础，探讨EGR率对燃烧放热率和排放的影响关系，由于内部EGR需采用可变配气机构，且存在高温废气难以冷却等技术问题，在当前产品应用不多。

本文以一台四缸增压天然气发动机为研究对象，应用一维数值模拟软件GT-Power，对配气机构进行重新设计从而实现不同的气门重叠角，分析两种不同的气门重叠角实现方式对天然气掺氢发动机性能的影响，为内部EGR的实际应用提供理论指导。

1气门重叠角优点及实现方式

根据相关研究的结论，气门重叠角的减小可实现内部EGR，该研究方法可减少发动机燃烧过程产生的排放，能有效降低N0_x排放.天然气掺氢发动机采用内部EGR技术对发动机工作过程有以下几方面影响：其一，内部EGR通过残余废气对冷新鲜空气进行预热，提升混合气温度，能有效缩短着火延迟期；其二，内部EGR的作用能实现废气对新鲜可燃混合气的稀释，该稀释功效可降低燃烧过程所产生的最高温度，降低NO_x排放；第三，采用内部EGR使缸内残余废气量增大，为了获得同等输出功率，需增大节气门开度，使节气门节流损失最小。

本文采用气门重叠角法，即排气门在排气上止点前关闭，进气门在排气上止点后开启，通过此方法，使一部分废气在压缩终了时保留在气缸内.该研究方法只需重新设计凸轮轴的凸轮型线，在工程应用方面容易实现。

2发动机模型建立及试验验证

GT-Power是由美国GT公司开发的发动机专业仿真软件，该软件包含了发动机所有工况下复杂的理论模型，且具有强大的后处理功能，能对内燃机各种工况进行仿真计算.天然气掺氢发动机整机仿真模型如图1所示。

通过选择合适的发动机进排气、废气涡轮增压器、传热、喷油器、曲轴连杆等模型，并对各模型进行参数设置，通过试验值对燃烧放热率、进排气道流量系数等参数进行设置。

该天然气掺氢发动机主要技术参数见表1.

利用广西某研究所天然气发动机台架的试验结果对仿真计算进行验证如图2所示.天然气掺氢发动机外特性条件下输出功率和燃气消耗率仿真值与试验值的对比曲线如图3、图4所示。

由图3、图4可知，仿真计算值与试验值趋势一致，且误差最大值在6%以内，表明该仿真模型与原机具有较好的一致性，该仿真模型可用于天然气掺氢发动机的性能计算。

3计算方案确定与分析

3.1计算方案的确定

在原机气门重叠角为30°CA前提下，通过改变排气晚关角、固定进气早开角、以此来实现不同气门重叠角的方案，见表2。

两种方案都能实现相同气门重叠角.本研究工况为：全负荷工况下1400r/min与2300 r/min两个转速，计算两种配气方案对天然气掺氢发动机动力性、经济性以及排放的影响.其中1400r/min为最大扭矩转速，2300r/min为标定转速。

3.2计算结果分析

发动机扭矩与气门重叠角的关系如图5所示.由图可知，随着气门重叠角减小，发动机扭矩随着气门重叠角减小而下降.这是因为：气门重叠角减小，发动机缸内混合气由浓开始变稀，燃烧速度放缓，相同质量燃料燃烧产生的功率相对下降；另外，随着气门重疊角的减小，废气量进入气缸的量相对增大，导致缸内燃料总热值下降，放热量亦随之减少，扭矩下降。

由图5可知两种配气方案对发动机扭矩的影响不同，配气方案2中排气门晚关角不变时，进气门早开角逐渐减小，扭矩有所上升，不同转速对扭矩影响亦不同，当发动机转速为1400 r/min时，配气方案1的扭矩随着气门重叠角减小而迅速下降，配气方案2中扭矩随着气门重叠角减小下降平缓，且气门重叠角在小于20°CA差距变大.主要因为配气方案1扫气效率小于配气方案2，内部EGR率效果不显著，故配气方案1扭矩下降趋势高于配气方案2.当发动机转速为2300 r/min时，进气量增大可使扫气与缸内残余废气带走的新鲜充量占发动机总充量的比例很小，因此出现高转速时扭矩下降趋势区别较小的现象。

发动机NO_x排放与气门重叠角影响关系如图6所示，由图6可知，随着气门重叠角减小，NO_x排放均随之降低，缸内残余废气有所增加，这对混合气进行了燃烧前的预热，能有效缩短滞燃期；同时能有效降低混合气燃烧的温度，因此降低了NO_x排放量.配气方案2中NO_x排放整体高于配气方案1，这是因为配气方案2排气门晚关角大于配气方案1，因此，配气方案1残余废气量较方案2多，稀释了混合气浓度，最高燃烧温度下降，使配气方案1中NO_x排放低于配气方案2。

图7为发动机CO排放与气门重叠角关系，由图可知，CO排放均随着气门重叠角减小而降低，这是因为虽然气门重叠角减小，但进入气缸的残余废气再次参与燃烧，使CO排放降低；新鲜混合气浓度随着残余废气的进人而下降，燃烧温度亦随之下降，CO氧化速率降低，配气方案1中CO排放低于配气方案2，由于配气方案2进气门早开角减小，缸内新鲜混合气充量减少，燃烧性能较配气方案1差，使CO排放量增大

发动机HC排放与气门重叠角的关系如图8所示.由图可知，HC排放均随着气门重叠角的减小而增加，其主要原因为：1）随着气门重叠角减小，发动机缸内燃烧温度降低，燃烧室壁面温度降低，气缸壁面淬熄使HC增加；2）随着气门重叠角减小，缸内残余废气增多，可燃混合气变稀，缸内气体燃烧速度降低，使膨胀冲程中期仍有部分混合气未参与燃烧，在排气过程中错过了燃烧最佳温度，使HC排放增加，配气方案1中HC排放高于配气方案2，这是因为配气方案1减小了进气门早开角，缸内新鲜混合气充量减少，燃烧温度随之下降，使HC排放升高。

3.3优化方案的确定

通过分析两种不同配气方案对动力性与排放性影响可知，配气方案2在两个特定转速下扭矩均高于配气方案1；配气方案1在两个特定转速下N0_x和CO排放均优于配气方案2，而HC排放则高于配气方案2.

气门重叠角为20°CA时扭矩在两个特定转速下出现分化.气门重叠角小于20°CA时，1400r/min对应配气方案2扭矩下降趋势低于配气方案1；2 300 r/min对应配气方案2與配气方案1扭矩均下降且低于气门重叠角为20°CA时的扭矩，在气门重叠角为25°CA时两种方案扭矩值达到最大.仅从动力性方面考虑，可选取方案：配气方案1、气门重叠角20°CA与25°CA；配气方案2、气门重叠角20°CA与25°CA。

在两个特定转速下配气方案2中NO_x，排放均高于配气方案1，在2 300 r/min气门重叠角大于20°CA时，NO₂排放趋势先上升后下降，气门重叠角25°CA为拐点.从NO_x排放方面考虑，可选取方案：配气方案1、气门重叠角20°CA；配气方案2、气门重叠角20°CA。

CO排放在两个特定转速下配气方案1优于配气方案2，在2 300 r/min气门重叠角20°CA时出现拐点.可选取方案：配气方案1、气门重叠角20°CA；配气方案2、气门重叠角20°CA。

在两个特定转速下配气方案2中HC排放优于配气方案1，且随着气门重叠角减小均出现增大趋势，配气方案2在1400 r/min气门重叠角大于20°CA时HC排放增大速率小于气门重叠角小于20°CA时的速率仅从降低HC排放方面考虑，可选取：配气方案2、气门重叠角20°CA与25°CA

综合以上分析，确定配气方案2、气门重叠角20°CA为最佳研究方案；且配气方案1、气门重叠角20°CA所达到的综合性能接近配气方案2、气门重叠角20°CA方案。

4结论

1）在两个特定转速下两种配气方案中随着气门重叠角减小，发动机扭矩呈下降趋势，且配气方案2优于配气方案1；

2）在两个特定转速下两种配气方案中随着气门重叠角减小，NO_x和CO排放呈现降低趋势，且配气方案1优于配气方案2；

3）在两个特定转速下两种配气方案中随着气门重叠角减小，HC排放出现增大趋势，且配气方案2中Hc排放优于配气方案1；

4）对于本机而言，为获得较好排放性且动力性不至于下降太多，选定配气方案2、气门重叠角20°CA为最佳优化方案；配气方案1、气门重叠角20°CA可达到相近效果。