可變進氣歧管及VVT技術在發動機上的應用

王軍，雷蕾，張超，王宏大，路明

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

可變進氣歧管及VVT技術在發動機上的應用

王軍，雷蕾，張超，王宏大，路明

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

以AVL BOOST 和EXCITE Timing Drive等軟件為平臺，對某汽油機進行了優化設計，完成了可變進氣歧管匹配/凸輪及正時優化，達到了設計目標。

可變進氣歧管；VVT；優化設計

Abstract:Taking AVL BOOST and EXCITE Timing Drive software as a platform, optimization design for a gasoline engine was carried out. The matching of the variable intake manifold, and optimizztion of the cam and timing were finished. The design goals are achieved.

Keywords:Variable intake manifold; VVT; Optimization design

0 引言

隨著國家節能政策越來越嚴格，提高動力性的同時要很好地關注經濟性，為此某公司在某型號發動機上加裝可變進氣歧管及VVT裝置，以更好地提升動力性和經濟性，為消費者提供駕乘樂趣的同時節省更多的成本。

由于在進氣過程具有間歇性和周期性，使進氣歧管內產生一定幅度的壓力波，此壓力波以聲速在進氣系統內傳播和往返反射。可變進氣歧管就是充分利用進氣波動效應和盡量縮小發動機在高、低轉速下的進氣速度的差別，從而達到改善發動機經濟性及動力性的目的，因此要求發動機在高速、大負荷時用粗短的進氣歧管，在中低轉速和中小負荷用較長的進氣歧管。

發動機可變氣門正時技術是根據發動機的運行情況，調整進排氣的量和氣門開合時間、角度，使進入的空氣量達到最佳，提高燃燒效率及燃油經濟性。

文中主要介紹了某公司正在開發的一款發動機，運用可變進氣歧管很好地提升中低速動力性及運用VVT技術提高燃油經濟性。

1 計算模型的建立

1.1 模型搭建

圖1是發動機的BOOST的計算模型。環境氣體從邊界SB1吸入，通過管1到穩壓腔PL4再經管26到空濾器CL1，再通過管27后分兩路，一路通過管28連接到穩壓腔PL25，一路通過管25進入節氣門R1，出來再通過管2接入進氣歧管的諧振腔，進氣歧管的諧振腔用PL1代替。管子3—10代表進氣歧管和氣道，通過氣道將氣引到氣缸C1—C4。

考慮排氣歧管較短，將排氣歧管和排氣道簡化成11—18，交界處分別用R2—R5連接，缸1、4和缸2、3通過管15、18及管16、17交于J1和J2，再通過管19、20匯集到J3，然后經過管21連接到CAT1，再通過管道22連到諧振腔PL2，出來經管23連接到PL3，最后由管24通向大氣邊界SB2。

1.2 邊界條件的確定

1.2.1 壓力損失

為了發動機達到更好的性能，進氣系統的壓力損失、排氣背壓要盡可能地小。

在計算模擬中，假設了下列的壓力損失(一般發動機應可以達到)：

進氣系統的壓力降：<4 kPa(標定點);

排氣背壓：<50 kPa(標定點)。

1.2.2 發動機的摩擦

pIME為指示平均有效壓力，考慮了熱量損失、泵氣損失。

pBME為制動平均有效壓力。

三者的關系為：pBME=pIME-pFME

pFME可以通過測量pIME和pBME來得到。在下列計算中采用了試驗測得的發動機摩擦水平，并對發動機的換氣進行優化，即使有一定偏差，也不會影響優化結果[2]。

1.2.3 氣道流量系數

流量系數μσ是指實際流量和理論流量的比值，量綱為一。

實際流量mmean是在指定壓降下，測量在不同氣門升程下的流量。

卵巢癌為婦科常見惡性腫瘤之一，其死亡率位于婦科惡性腫瘤之首[1]，隨著年齡的增長，發病率明顯增高，嚴重威脅婦女健康，卵巢癌的預后同臨床分期緊密聯系，由于各種因素影響，至今缺乏有效的診斷方法，發現的卵巢癌多數已經處于晚期[2]，存活率仍較低，卵巢癌及早診治能明顯提高患者的生存率，因此早期診斷卵巢癌對于患者預后的改善得尤為重要。

理論流量mth是通過理論計算得到在不同氣門面積下的流量。

μσ=mmean/mth

式中：mmean單位為kg/s；mth單位為kg/s；Av為氣門座面積(m2)；Δp為壓力降(Pa)；ρm為平均密度(kg/m3)。

氣道的流通特性需要通過氣道穩流試驗臺架進行測量，實際測量得到的流量和壓差通過換算轉換成流量系數。如果沒有試驗測量手段，當氣道的形狀與一個已知流通特性的氣道結構相似時，也可以根據相似原理，采用量綱一的氣門升程定義方法，對氣道的流通特性進行定義。當然，也可以通過CFD分析軟件，通過三維建模分析方法計算得到氣道的流量系數。進、排氣道的流量系數μσ作為循環模擬計算輸入值，會影響到充氣效率和泵氣損失。

1.2.4 氣門升程曲線

發動機VVT技術已成為提高發動機性能的必要手段之一，VVT技術的應用可適當解決如何保證低轉速的扭矩輸出和高轉速時的功率輸出及在這些工況下的燃油消耗問題。該技術的特點是可變氣門正時不能改變氣門開啟持續時間，只能控制氣門提前打開或者推遲關閉的時刻。但這種技術結構簡單，所以應用比較廣泛。

氣門正時影響充氣效率，從而影響扭矩特性、高壓循環的指示效率和發動機的泵氣損失。IVC遲關有利于充分利用氣體運動動量，提升充氣效率，但過遲會發生倒流。EVO遲開有利于充分利用氣體膨脹功能量，但同時會增加泵氣損失功。所以正時是優化發動機性能的重要參數[3]。

1.2.5 燃燒數據

隨著發動機工況的改變，燃燒放熱規律也是隨著變化的，并且燃燒特性的好壞對發動機性能有很重要的影響。熱力學循環計算需要輸入燃燒熱量釋放率曲線。在數學上，該曲線可以通過VIBE函數來模擬，VIBE函數的主要參數為燃燒區間和形狀參數。燃燒熱量釋放率曲線影響缸內壓力和溫度，從而影響了循環效率、爆發壓力和排氣溫度。

2 計算結果分析及方案的確立

2.1 排氣時刻的研究

排氣開啟和關閉時刻性能對比分別如圖2、3所示。

早開的EVO會影響膨脹功，在下個循環形成較大的缸內負壓，影響油耗， 排氣關閉時刻會影響氣門重疊角。

2.2 進排氣重疊角(VO)的研究

進排氣重疊角性能對比見圖4。

氣門重疊角過小，會使廢氣流通不暢，導致缸內殘余廢氣系數過大；氣門重疊角過大，會出現廢氣倒流，導致燃燒不良，性能降低。低速時進氣壓力較小，過大的重疊角會使廢氣回流到氣缸，影響燃燒。

2.3 進氣時刻的研究

進氣開啟和關閉時刻性能對比分別如圖5、6所示。

由于進氣的慣性作用，在活塞到達下止點后的壓縮沖程中，仍然有部分空氣進入氣缸，從而提高了充氣效率，對于低速進氣門早關有利于提高動力性，而對于高速由于進氣的速度比較大，進氣門遲關有利于提高進氣效率。進氣開啟角會影響氣門重疊角。

2.4 各個方案的建立

以進氣歧管和凸輪軸為優化目標，假設以下兩種方案進行優化計算：

方案一：已知輸入為進氣歧管長度，長管580 mm，短管330 mm，優化部件為凸輪軸及正時；

方案二：已知輸入為原自然進氣凸輪軸，優化部件為進氣歧管長度。

氣門升程優化方案對比和長短歧管長度優化方案對比分別如圖7、8所示。

3 結論

(1)方案一計算結果，使用已有的進氣歧管(長管580 mm，短管330 mm)，優化凸輪軸及正時，性能指標滿足設計要求，優化后的型線見圖9。

(2)方案二計算結果，使用已有的進氣凸輪軸，優化可變進氣歧管長度，結果為長管600 mm，短管350 mm。

根據計算結果，將分別生產歧管和凸輪軸樣件進行試驗驗證。

【1】 奧地利AVL公司.BOOST User’Guide[M],2008.

【2】 周龍保.內燃機學[M].北京:機械工業出版社，1998:20-22.

【3】 付秋陽.配氣正時與凸輪型線優化設計的方法與實現[C]//2007年AVL用戶大會論文集，2007:154-157.

【4】 周旭.配氣正時對發動機工作的影響[J].科技創新與應用，2013(30)：66.

ApplicationofVariableIntakeManifoldandVVTTechnologyontheEngine

WANG Jun, LEI Lei, ZHANG Chao, WANG Hongda, LU Ming

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Heifei Anhui 230601, China)

2014-03-24

王軍(1979—)，男，碩士，工程師，研究方向為內燃機工作過程。E-mail:wj.dly.jszx@jac.com.cn。