摩托车发动机可变配气相位的研究

钟 伟 张立鹏 王雪雁 扈 嘉

（1-中国质量认证中心广州分中心 广东 广州 510620 2-天津内燃机研究所3-国家摩托车质量监督检验中心（天津））

引言

变气门技术已成为改善发动机性能的关键技术之一，可以提高发动机的动力性和经济性、改善废气排放、改善怠速稳定性和低速时的平稳性、提高充气效率和低速转矩[1-4]。

本文在一款强制水冷单缸摩托车发动机上，根据机型特点和空间布局，布置了适合小排量摩托车发动机的相同可变VVT机构的运行方案，并对该VVT机构的作用效果进行研究。本文通过搭建GT-Power仿真计算模型，配合发动机台架试验数据，来探讨相同可变配气相位对摩托车发动机性能的影响。

1 技术方案的确定

根据可变配气相位技术及各种可变因素的特点，在应用时有以下几种基本组合形式[5-6]：

1）气门升程和持续期不变，改变气门开启的时刻；

2）气门开启时刻不变，改变气门开启和关闭的持续期；

3）气门开启角度和开启时刻不变，改变气门升程型线；

4）对配气相位及气门升程进行全面控制。

本文选定采用气门升程和持续期不变，改变气门开启时刻的可变配气相位技术进行研究，如图1所示。

图1 配气VVT原理图

2 VVT系统发动机模型的建立及标定

2.1 模型的搭建

1P38QMB发动机的主要技术参数如表1所示。

表1 发动机主要技术参数

建立的仿真模型如图2所示。该模型主要由空滤器、化油器、进气管、发动机气缸盖、气缸体、排气管和消声器等各个独立的子系统组成。在本模型中，将催化器简化为一个流动约束；气缸内的燃烧模型采用较为简单的单区韦伯函数[7-9]，换热系数选用沃西尼1978年提出的经验公式。

该模型的搭建通过发动机实体结构参数测取而得，热力学参数通过发动机台架试验测取，包括部分典型负荷特性、外特性、示功图、气道性能、进排气系统的流通特性等。

图2 仿真模型图

2.2 模型标定

发动机一维热力学仿真模型建立后，通过试验和计算结果的对比，来验证计算模型的准确性。首先通过台架外特性试验数据对模型进行状态标定，图3，图4和图5分别为循环仿真与试验测试的转矩、功率以及比油耗对比图。从图中可以看出，发动机外特性功率和转矩的模拟结果与试验值基本吻合；比油耗对比曲线模拟值与试验值接近。可见，所建立的发动机仿真分析计算模型接近发动机台架试验的真实工作状态，能够用来进行性能评估分析计算。

图3 转矩对比图

图4 功率对比图

图5 比油耗对比图

3 配气相位对发动机性能的影响

改变配气相位的目的是利用气流的惯性和脉动性，改善换气过程，提高动力性和经济性。

本文在不同转速条件下分别对配气相位进行优化，进行了全负荷工况下配气相位对发动机性能的影响研究。图6，图7，图8和图9分别为仿真全负荷的转矩、功率、比油耗对比图以及优化后的相位图。从图中可以看出，随着进排气相位重叠角的滞后，发动机的比油耗有较大的提高，而转矩及功率在中速时有一定提高，其它转速下不明显。

图6 转矩对比图

图7 功率对比图

图8 比油耗对比图

图9 相位优化图

4 结论

发动机仿真计算模型的设计和标定是现代设计流程的主要方法，是企业提高技术和信息化竞争力的主要手段，大大缩短了产品的开发周期，减少了对于设计、试制、验证、改进等产品研发循环的工作量。本文对一款小排量摩托车发动机进行了配气相位优化的仿真分析计算，结果表明，使用仿真模拟分析软件配合台架试验对小排量摩托车发动机配气机构的优化设计和整机在不同工况下的性能提升是切实可行的。所进行的研究表明，装载VVT系统的摩托车，可有效提高小排量摩托车发动机在整个转速工况范围内的动力性和经济性，在发动机上实施重叠角推迟，功率可提高2%～5.2%，转矩最大提高5.2%，燃油经济性也有较大的改善。