基于阿特金森循環(huán)的某發(fā)動機(jī)的凸輪型線優(yōu)化仿真

李浩，劉覽

基于阿特金森循環(huán)的某發(fā)動機(jī)的凸輪型線優(yōu)化仿真

李浩，劉覽

（安徽合肥江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對某款阿特金森循環(huán)汽油機(jī)的開發(fā)設(shè)計，開展凸輪軸型線的設(shè)計研究；運用CAE仿真軟件分析凸輪軸型線方案，比較各方案在外特性工況、部分負(fù)荷工況、低溫冷啟動以及增壓器匹配等方面的影響，預(yù)測各方案的動力性和經(jīng)濟(jì)性，給出凸輪軸建議選取方案，對減少試驗開發(fā)周期和工作量具有重要指導(dǎo)作用。

阿特金森循環(huán)；凸輪型線；發(fā)動機(jī)

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-46-03

引言

當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)發(fā)展迅速，其性能指標(biāo)也被要求一再提高，即動力性上更強勁、經(jīng)濟(jì)性上更節(jié)油。這就對發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)提出了更高的要求，而配氣凸輪型線是配氣機(jī)構(gòu)的核心部分，是影響發(fā)動機(jī)充氣效率、泵氣損失以及內(nèi)EGR率的重要因素。因此，選擇合理的凸輪型線對于發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性性能有著重要作用[1-3]。

利用CAE仿真方法可對凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，并準(zhǔn)確預(yù)測發(fā)動機(jī)性能、挖掘其最大潛力，從而根據(jù)自身需求對方案進(jìn)行選擇，降低后期試驗開發(fā)周期和工作量。

1 阿特金森循環(huán)

本文研究對象是由常規(guī)發(fā)動機(jī)做變型改動設(shè)計而來的阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)。相比常規(guī)發(fā)動機(jī)，阿特金森循環(huán)具有進(jìn)氣門開啟持續(xù)期較長的特點。在吸氣沖程末期壓縮沖程初期，活塞運動到下止點向上某一位置處，進(jìn)氣門才關(guān)閉；晚關(guān)進(jìn)氣門將導(dǎo)致氣缸內(nèi)氣體回流，相當(dāng)于減少了一部分油氣混合物；在相同工況下，空燃比一定時，進(jìn)氣量減少，燃油量也相應(yīng)減少。因此，阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)的各項設(shè)計指標(biāo)也應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低，即合理犧牲部分動力性以滿足開發(fā)目標(biāo)要求、突出經(jīng)濟(jì)性上的貢獻(xiàn)。相關(guān)PV變化可見圖1，該圖為阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)與常規(guī)發(fā)動機(jī)PV對比圖，圖中1-2-3-4為傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)奧托循環(huán)，6-2-3-5為阿特金森循環(huán)，陰影部分可理解為阿特金森循環(huán)額外的活塞行程及其利用的能量。

圖1 阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)與常規(guī)發(fā)動機(jī)PV對比圖

2 仿真模型標(biāo)定

在進(jìn)行CAE仿真的優(yōu)化設(shè)計之前，須確保仿真模型本身的準(zhǔn)確性，保證該模型能夠滿足工程應(yīng)用要求。對于熱力學(xué)仿真分析而言，汽油機(jī)分析模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果差值在4%、關(guān)鍵工況點（額定轉(zhuǎn)速、最大扭矩轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速）在2%以內(nèi)是合格的。

圖2為發(fā)動機(jī)性能仿真模型標(biāo)定結(jié)果。其中，黑色曲線為試驗測量值，綠色曲線為模型標(biāo)定計算值。比較試驗和計算的BMEP、功率、比油耗和扭矩等，差值均在4%以內(nèi)，表明該模型標(biāo)定準(zhǔn)確，能夠滿足工程應(yīng)用要求。

圖2 仿真模型標(biāo)定結(jié)果

3 凸輪型線優(yōu)化

結(jié)合阿特金森循環(huán)特點，即進(jìn)氣門晚關(guān)、延長進(jìn)氣持續(xù)期，本文保留原排氣門凸輪型線方案，運用DOE（多目標(biāo)優(yōu)化）軟件對進(jìn)氣門凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化原則是動力性達(dá)到設(shè)計要求、經(jīng)濟(jì)性盡可能降低。

表1 進(jìn)氣凸輪優(yōu)化方案

圖3 進(jìn)排氣凸輪優(yōu)化方案

優(yōu)化結(jié)果如下：方案一鎖止進(jìn)氣門開啟角，延遲關(guān)閉角（角度為凸輪在某一時刻所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角）；方案二鎖止進(jìn)氣門開啟角，延遲關(guān)閉角，具體可見表1。圖3為氣門升程方案,縱坐標(biāo)為氣門升程(單位mm)、橫坐標(biāo)為氣門升程各時刻對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（單位deg.CRA）（紅色曲線為排氣門氣門升程、藍(lán)色實線為原氣門升程方案、兩條藍(lán)色虛線分別為方案一和方案二）。

4 計算結(jié)果

4.1 外特性工況比較

兩套方案與原方案性能對比結(jié)果見圖4（紅色方塊為阿特金森循環(huán)性能目標(biāo)點，綠色曲線為原方案發(fā)動機(jī)性能、藍(lán)色為方案一發(fā)動機(jī)性能、橙色為方案二發(fā)動機(jī)性能）。從結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，方案一外特性動力性與經(jīng)濟(jì)性均達(dá)標(biāo)，方案二外特性低轉(zhuǎn)速動力性不達(dá)標(biāo)，因此從外特性工況上考慮應(yīng)選用方案一；同時兩方案在中高轉(zhuǎn)速下經(jīng)濟(jì)性改善較為顯著。

圖4 各方案外特性工況對比

4.2 部分負(fù)荷工況比較

因部分負(fù)荷工況非常復(fù)雜，本文重點選取工況2000rpm/ 2bar和2000rpm/16.2bar做對比研究分析。工況點選取依據(jù)：2000rpm/2bar為低速低負(fù)荷的城市道路工況；2000rpm/ 16.2bar為比油耗最小值時的工況。

比較2000rpm/2bar兩工況不難發(fā)現(xiàn)：殘余廢氣系數(shù)為30%時，方案二比油耗較方案一降低約1.1%；殘余廢氣系數(shù)為35%時，方案二比油耗較方案一降低約1.4%。方案一在殘余廢氣系數(shù)30%的工況時比在35%工況是比油耗降低約1.6%，而方案二降低約1.9%，如圖5所示。

圖5 不同殘余廢氣系數(shù)下比油耗對比（縱坐標(biāo)為比油耗）

同樣比較2000rpm/16.2bar兩工況：高負(fù)荷時，殘余廢氣系數(shù)對比油耗影響較小，兩種方案比油耗水平相當(dāng)，如圖6所示。

圖6 不同殘余廢氣系數(shù)下比油耗對比（縱坐標(biāo)為比油耗）

結(jié)果表明，在低速低負(fù)荷工況方案二較方案一經(jīng)濟(jì)性更好，且兩方案受缸內(nèi)不同殘廢系數(shù)的影響程度非常接近。

4.3 對低溫啟動性能影響

低溫下的發(fā)動機(jī)啟動性能直接影響發(fā)動機(jī)工作的可靠性、啟動磨損、燃油消耗以及使用性能。因此有必要研究兩種凸輪方案對低溫啟動性能的影響[4]。

根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗，當(dāng)環(huán)境溫度-30℃、發(fā)動機(jī)以200rpm起動時，發(fā)動機(jī)起動所需最小IMEP限值為6bar。計算結(jié)果表明，方案一的起動性能優(yōu)于方案二，如圖7所示。對于阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)而言，進(jìn)氣門持續(xù)期增加會導(dǎo)致氣體從缸內(nèi)向氣道回流，充氣效率降低。這就是方案二進(jìn)氣門開啟持續(xù)期增加而IMEP減少的原因。

圖7 各凸輪方案對低溫啟動性能影響

4.4 對增壓器匹配影響

由于本文研究對象為增壓型汽油機(jī)，而凸輪型線的改變會影響發(fā)動機(jī)進(jìn)氣，需要重新對增壓器匹配以保證增壓器充分發(fā)揮潛力。由于發(fā)動機(jī)與增壓器是通過內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)排氣流動將二者聯(lián)系的，判斷匹配情況的基本方法是把形狀完全不同的發(fā)動機(jī)運行特性曲線與增壓器特性曲線放在同一坐標(biāo)系下，根據(jù)兩者的相對位置來進(jìn)行評價分析。

圖8 各凸輪方案下增壓器壓氣機(jī)匹配圖

圖8 為各方案下增壓器匹配狀態(tài)對比（橫坐標(biāo)為流經(jīng)增壓器氣體質(zhì)量流量、縱坐標(biāo)為壓氣機(jī)壓比，綠色為原凸輪型線方案、藍(lán)色為方案一、橘色為方案二）。觀察圖中方案二紅色線框內(nèi)區(qū)域，外特性曲線在低中轉(zhuǎn)速區(qū)域進(jìn)氣壓比較高，且運行在壓氣機(jī)低效率區(qū)域，會導(dǎo)致增壓器運行不穩(wěn)定，更易發(fā)生喘振現(xiàn)象。因此方案二壓氣機(jī)匹配效果較差，方案一較好。

5 結(jié)論

通過運用CAE仿真分析方法對阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)的凸輪軸型線設(shè)計提出了兩種方案，分析結(jié)論如下：

（1）外特性工況時，方案一動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，方案二低轉(zhuǎn)速工況動力性不滿足設(shè)計要求，且增壓器匹配效果不及方案一。

（2）低速低負(fù)荷工況時，進(jìn)氣門延遲關(guān)閉時刻和增加開啟持續(xù)期將會使發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性更好，且受缸內(nèi)不同殘廢系數(shù)的影響非常小。

（3）晚關(guān)進(jìn)氣門將造成低溫冷啟動性能變差，應(yīng)適當(dāng)選取進(jìn)氣門延遲關(guān)閉角以保證良好的起動。

（4）運用CAE仿真軟件分析凸輪軸型線方案，比較各方案在外特性工況、部分負(fù)荷工況、低溫冷啟動以及增壓器匹配等方面的影響，預(yù)測各方案的動力性和經(jīng)濟(jì)性，給出凸輪軸建議選取方案，對減少試驗開發(fā)周期和工作量具有一定的指導(dǎo)作用。

[1] 劉惟信.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(第2版)(M).北京∶清華大學(xué)出版社,1994.39—226,280—287.

[2] 肖合林,李小毅[J]氣油機(jī)凸輪型線的計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計[J].內(nèi)燃機(jī).2004,20(3)∶5-6,20.

[3] 張桂昌.柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析及凸輪型線優(yōu)化設(shè)計[D].天津大學(xué).2009.

[4] 趙琦等.低溫對發(fā)動機(jī)啟動的影響[J].柴油機(jī). 2003.34(2).

Based on Atkinson cycle cam engine optimization simulation

Li Hao, Liu Lan
( Anhui Jiang huai Automobile group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

In order to investigation gasoline engine with Atkinson Cycle, this paper develops the design of cam, Using AVLBoost software to build thermodynamic analysis model, predicts and contrast the effection of all cases on WOT, part load, Start behavior and turbocharger matching,then suggests the appropriate cam case.

Atkinson Cycle; cam; engine

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-46-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.017

李浩，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。