无凸轮式配气型线优化设计及发动机性能仿真研究

张鹏博

摘要：本文基于AVL-boost建立一維发动机仿真模型，对采用无凸轮式配气型线的发动机整机性能进行数值模拟。仿真结果表明：采用无凸轮式配气型线可以根据不同工况灵活调整气门升程及相位，能够有效降低发动机部分负荷工况下的换气损失，改善发动机的动力性及燃油经济性，为无凸轮式配气机构的控制应用提供了理论依据。

Abstract： In this paper， a one-dimensional engine simulation model is established based on AVL-boost， and the engine performance applying cam-less valve profiles is numerically simulated. The results indicated that the valve lift and phase can be adjusted flexibly according to different working conditions by using the cam-less valve profiles. Under part load condition， the ventilation loss can be effectively reduced. Besides， the power and fuel economy performance can be improved. This study provides a theoretical basis for the control application of cam-less valve train.

关键词：发动机;无凸轮式配气型线;数值模拟;整机性能

Key words： engine;cam-less valve profiles;numerical simulation;performance

中图分类号：U464.134                                  文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0005-02

0  引言

可变气门正时（VVT，Variable Valve Timing）技术已成为改善汽油机性能的关键技术，无凸轮式配气技术在理论上能够灵活独立地控制各缸气门动作，改善换气性能[1-3]。气门的运动规律是应用无凸轮式配气技术的关键，因此，无凸轮式配气型线的优化设计研究是非常有必要的。

本文基于AVL-Boost及AVL-Fire平台搭建了某天然气发动机一维及三维仿真模型，根据试验工况调整配气参数，结台架试验对仿真模型进行标定，验证了模型的准确性。探究了不同工况下采用无凸轮式配气型线后发动机性能的变化情况，总结了不同工况下无凸轮式气门型线的配气参数对发动机性能的影响规律。

1  计算模型

本研究基于某天然气发动机开展，其主要技术参数见表1。根据该表中的参数和相关已有的实验数据，利用AVL-Boost软件建立发动机一维整机仿真模型，所搭建的仿真模型如图1所示。

在Boost软件中搭建了压缩比为10.5、气门重叠角度为30°CA的天然气发动机一维仿真模型，在进气边界SB1和排气边界SB2中输入实际试验的压力与温度;在喷油器I1中编辑模拟工况下的空燃比;在气缸C1-C6中输入气缸的基本参数;发动机E1中输入发动机转速及点火顺序。

2  型线设计

为了探究不同气门重叠策略对发动机换气性能的影响情况，本文基于无凸轮式配气型线设计了多组不同排气晚关角、不同排气门升程的无凸轮式排气型线，排气门升程从大到小依次为12.39mm（原机最大升程）、10mm、8mm、5mm，进气型线保持不变，进气晚关角选择该工况下最佳进气晚关角，不同升程、不同排气晚关角的无凸轮式排气型线与进气型线相匹配，形成了不同气门重叠角的无凸轮式配气型线组合，如图2所示。通过型线动力学验证，最大排气门运动速度均不超过0.3m/s，设计型线较为合理。在工况1600r/min、进气MAP=130kPA的条件下，将不同气门重叠策略的无凸轮式配气型线导入到模型中进行仿真，并对仿真结果进行分析。（图2）

3  结果分析

采用负气门重叠时，充量系数最低，且随着气门重叠角度的增加充量系数不断增加，当气门重叠为20°CA、排气升程与原机最大升程相等时，该工况下充量系数最大为0.82;而缸内残余废气系数的变化呈现先降低后升高的趋势，排气门升程为10mm且气门重叠为20°CA时，缸内残余废气系数最低为0.043，相比原机略有增加。

不同气门重叠角时，比油耗均随最大排气门升程的增加呈现先降低后增加的趋势，而指示功率呈现先增加后降低的趋势，当最大排气门升程取10mm时发动机比油耗最低，指示功率最大，分别为163.86g/（kW·h）和81.87 kW。当采用负气门重叠时，比油耗较高，燃油经济性较差，指示功率较低，动力性较差，这主要是因为负气门重叠策略导致废气滞留缸内，充量系数下降，导致发动机工作性能变差。（图3）

4  结束语

①当气门重叠为20°CA、气门升程为原机最大升程时，研究工况下充量系数最大为0.82，相比原机略有增加。

②当最大排气门升程取10mm时发动机比油耗最低，指示功率最大，分别为163.86g/（kW·h）和81.87 kW，相比原机略有提高。

参考文献：

[1]赵雨冬，吴亚楠，付雨民.发动机电磁气门驱动设计试验与仿真[J].清华大学学报（自然科学版），2003，43（5）：698-701.

[2]赵振峰，黄英，张付军，等.一种新型电液驱动无凸轮配气机构特性研究[J].内燃机工程，2008，29（6）：24-27.

[3]Gillella P K， Song X， Sun Z. Time-Varying Internal Model-Based Control of a Camless Engine Valve Actuation System[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2014， 22（4）：1498-1510.