摩托車發動機可變配氣相位的研究

鐘 偉 張立鵬 王雪雁 扈 嘉

（1-中國質量認證中心廣州分中心 廣東 廣州 510620 2-天津內燃機研究所3-國家摩托車質量監督檢驗中心（天津））

引言

變氣門技術已成為改善發動機性能的關鍵技術之一，可以提高發動機的動力性和經濟性、改善廢氣排放、改善怠速穩定性和低速時的平穩性、提高充氣效率和低速轉矩[1-4]。

本文在一款強制水冷單缸摩托車發動機上，根據機型特點和空間布局，布置了適合小排量摩托車發動機的相同可變VVT機構的運行方案，并對該VVT機構的作用效果進行研究。本文通過搭建GT-Power仿真計算模型，配合發動機臺架試驗數據，來探討相同可變配氣相位對摩托車發動機性能的影響。

1 技術方案的確定

根據可變配氣相位技術及各種可變因素的特點，在應用時有以下幾種基本組合形式[5-6]：

1）氣門升程和持續期不變，改變氣門開啟的時刻；

2）氣門開啟時刻不變，改變氣門開啟和關閉的持續期；

3）氣門開啟角度和開啟時刻不變，改變氣門升程型線；

4）對配氣相位及氣門升程進行全面控制。

本文選定采用氣門升程和持續期不變，改變氣門開啟時刻的可變配氣相位技術進行研究，如圖1所示。

圖1 配氣VVT原理圖

2 VVT系統發動機模型的建立及標定

2.1 模型的搭建

1P38QMB發動機的主要技術參數如表1所示。

表1 發動機主要技術參數

建立的仿真模型如圖2所示。該模型主要由空濾器、化油器、進氣管、發動機氣缸蓋、氣缸體、排氣管和消聲器等各個獨立的子系統組成。在本模型中，將催化器簡化為一個流動約束；氣缸內的燃燒模型采用較為簡單的單區韋伯函數[7-9]，換熱系數選用沃西尼1978年提出的經驗公式。

該模型的搭建通過發動機實體結構參數測取而得，熱力學參數通過發動機臺架試驗測取，包括部分典型負荷特性、外特性、示功圖、氣道性能、進排氣系統的流通特性等。

圖2 仿真模型圖

2.2 模型標定

發動機一維熱力學仿真模型建立后，通過試驗和計算結果的對比，來驗證計算模型的準確性。首先通過臺架外特性試驗數據對模型進行狀態標定，圖3，圖4和圖5分別為循環仿真與試驗測試的轉矩、功率以及比油耗對比圖。從圖中可以看出，發動機外特性功率和轉矩的模擬結果與試驗值基本吻合；比油耗對比曲線模擬值與試驗值接近?？梢?，所建立的發動機仿真分析計算模型接近發動機臺架試驗的真實工作狀態，能夠用來進行性能評估分析計算。

圖3 轉矩對比圖

圖4 功率對比圖

圖5 比油耗對比圖

3 配氣相位對發動機性能的影響

改變配氣相位的目的是利用氣流的慣性和脈動性，改善換氣過程，提高動力性和經濟性。

本文在不同轉速條件下分別對配氣相位進行優化，進行了全負荷工況下配氣相位對發動機性能的影響研究。圖6，圖7，圖8和圖9分別為仿真全負荷的轉矩、功率、比油耗對比圖以及優化后的相位圖。從圖中可以看出，隨著進排氣相位重疊角的滯后，發動機的比油耗有較大的提高，而轉矩及功率在中速時有一定提高，其它轉速下不明顯。

圖6 轉矩對比圖

圖7 功率對比圖

圖8 比油耗對比圖

圖9 相位優化圖

4 結論

發動機仿真計算模型的設計和標定是現代設計流程的主要方法，是企業提高技術和信息化競爭力的主要手段，大大縮短了產品的開發周期，減少了對于設計、試制、驗證、改進等產品研發循環的工作量。本文對一款小排量摩托車發動機進行了配氣相位優化的仿真分析計算，結果表明，使用仿真模擬分析軟件配合臺架試驗對小排量摩托車發動機配氣機構的優化設計和整機在不同工況下的性能提升是切實可行的。所進行的研究表明，裝載VVT系統的摩托車，可有效提高小排量摩托車發動機在整個轉速工況范圍內的動力性和經濟性，在發動機上實施重疊角推遲，功率可提高2%～5.2%，轉矩最大提高5.2%，燃油經濟性也有較大的改善。