排氣型線對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的仿真研究

王學(xué)超，龔澤文，陸國(guó)祥，王曉燕 Wang Xuechao，Gong Zewen，Lu Guoxiang，Wang Xiaoyan

排氣型線對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的仿真研究

王學(xué)超，龔澤文，陸國(guó)祥，王曉燕 Wang Xuechao，Gong Zewen，Lu Guoxiang，Wang Xiaoyan

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518000）

設(shè)計(jì)和匹配最佳的排氣型線，可以在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)增加充氣量、提高功率、改善轉(zhuǎn)矩特性、降低油耗率和有害物排放。以某4氣門增壓直噴汽油機(jī)為研究對(duì)象建立一維仿真模型，針對(duì)6個(gè)關(guān)鍵工況點(diǎn)，縮小原機(jī)的排氣型線，研究排氣型線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響。仿真結(jié)果表明：排氣型線的縮小會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)低速和高速性能下降，但適當(dāng)縮小有利于提升中速性能；當(dāng)排氣型線縮小為原機(jī)的97%時(shí)，可以在低速和高速性能下降不多的情況下提升中速常用工況的性能表現(xiàn)。

汽油機(jī)；熱力學(xué)；排氣型線；一維仿真

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市機(jī)動(dòng)車保有量增多，交通狀況也更加復(fù)雜，使發(fā)動(dòng)機(jī)更多地工作在中低速段[1]。同時(shí)，因汽車保有量的猛增而導(dǎo)致的一系列諸如環(huán)境、能源、交通等矛盾沖突日益明顯。目前我國(guó)空氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，大中城市霧霾頻發(fā)，公眾對(duì)提高空氣質(zhì)量的訴求越來(lái)越高。機(jī)動(dòng)車排放作為大氣污染物的主要來(lái)源之一，國(guó)家對(duì)其管控也越來(lái)越嚴(yán)苛，國(guó)六排放法規(guī)已逐步實(shí)施。為滿足國(guó)六排放法規(guī)對(duì)顆粒物、CH、CO等的限值要求，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)盡量減少大負(fù)荷時(shí)的動(dòng)力加濃與排溫保護(hù)，但這會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩下降較多，不能滿足整車動(dòng)力性需求。

影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的因素是多方面、復(fù)雜的，無(wú)論對(duì)汽油機(jī)還是柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，配氣機(jī)構(gòu)都是眾多影響因素中十分重要的因素[2]，配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性。而且，發(fā)動(dòng)機(jī)所能發(fā)出的最大功率，會(huì)受到吸入的空氣量、空氣和燃料的混合比例的影響，持續(xù)保持輸出高功率的關(guān)鍵因素之一是在換氣過(guò)程中提高發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)并降低流動(dòng)阻力。

進(jìn)排氣型線和相位影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和泵氣損失，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能重要的參數(shù)[3]。設(shè)計(jì)和匹配最佳的進(jìn)排氣型線，可以在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)增加充氣量、提高功率、改善轉(zhuǎn)矩特性、降低油耗率和有害物排放；因此，研究分析進(jìn)排氣型線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，在理論和實(shí)踐中都很有必要。

對(duì)于直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣型線越寬，相鄰點(diǎn)火順序的氣缸的排氣干擾越嚴(yán)重，不利于排氣過(guò)程的順暢進(jìn)行，從而使缸內(nèi)殘余廢氣較多，充氣效率下降，最終導(dǎo)致扭矩下降[4]。適當(dāng)減小排氣型線的包角可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)中低速段動(dòng)力性，但會(huì)降低高轉(zhuǎn)速工況的充氣效率。

從工程項(xiàng)目研發(fā)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要出發(fā)，以某混合動(dòng)力車用4氣門增壓直噴汽油機(jī)為研究對(duì)象，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的一維GT-SUITE仿真模型，通過(guò)匹配不同包角的排氣型線，深入研究了排氣型線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵工況點(diǎn)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響，為高性能高效率汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用研究提供了理論依據(jù)與參考。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)仿真模型建立

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

計(jì)算分析的對(duì)象為某4氣門增壓直噴汽油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)見(jiàn)表1。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了 15 MPa缸內(nèi)直噴、渦輪增壓、進(jìn)氣VVT（Variable Valve Timing，可變氣門正時(shí)）等技術(shù)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1.2 仿真模型建立

利用GT-SUITE仿真軟件建立該發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，并用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行標(biāo)定。為了方便研究與簡(jiǎn)化計(jì)算，建模時(shí)需要對(duì)一些模塊進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、氣缸模型、燃燒模型、傳熱模型、流動(dòng)模型等。在簡(jiǎn)化模塊的同時(shí)給出如下假設(shè)：

（1）進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體屬于理想氣體，能夠滿足理想氣體狀態(tài)方程；

（2）環(huán)境恒溫恒壓，為300 K、100 kPa；

（3）各連接管路、閥門等部件無(wú)彈性變形，且無(wú)泄漏現(xiàn)象；

（4）每次循環(huán)初始條件相同（調(diào)整參數(shù)除外，如壓縮比、轉(zhuǎn)速等），如燃油溫度、各部件溫度等。

所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型如圖1所示。新鮮空氣自進(jìn)氣邊界經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)、節(jié)氣門、中冷器、進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣道，由進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸后與直噴燃油混合；在缸內(nèi)燃燒后產(chǎn)生高溫廢氣由排氣門、排氣道、排氣歧管、渦輪機(jī)流向排氣邊界。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型

1.3 關(guān)鍵工況點(diǎn)確認(rèn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，排氣型線對(duì)不同工況點(diǎn)的影響有所不同。選取了6個(gè)關(guān)鍵工況點(diǎn)進(jìn)行分析，分別是低速、中速、高速全負(fù)荷工況點(diǎn)和中低速常用工況點(diǎn)，見(jiàn)表2。

1.4 仿真模型驗(yàn)證

為了確保后續(xù)研究的可靠性，需要對(duì)所建立發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。利用已經(jīng)建好的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真分析模型，對(duì)選定的6個(gè)關(guān)鍵工況點(diǎn)的性能進(jìn)行仿真計(jì)算，并將仿真計(jì)算結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2～圖5所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵工況點(diǎn)

圖3 仿真比油耗和試驗(yàn)比油耗對(duì)比

圖4 仿真爆壓和試驗(yàn)爆壓對(duì)比[A3] [A4]

圖5 仿真當(dāng)量比和試驗(yàn)當(dāng)量比對(duì)比

從圖2～5中可以看出，仿真扭矩與試驗(yàn)扭矩的偏差小于4%，比油耗的偏差小于1%，缸內(nèi)爆壓的偏差小于3%，當(dāng)量比的偏差小于1%。仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，兩者變化規(guī)律基本一致，說(shuō)明該仿真模型具有較高的計(jì)算精度和可靠性，可以用來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算。

1.5 排氣型線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為了研究排氣型線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響，固定排氣門的開(kāi)啟相位不變，等比例縮小原機(jī)排氣型線的包角和升程，選擇從80%～100%共21組不同縮小比例的排氣型線進(jìn)行DOE[A5] [A6] （Design of Experiment，試驗(yàn)設(shè)計(jì)）仿真對(duì)比分析。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 排氣型線對(duì)進(jìn)氣的影響分析

在對(duì)特定工況進(jìn)行DOE仿真計(jì)算時(shí)，維持原機(jī)的進(jìn)氣相位不變，隨著排氣型線的不斷縮小，各工況下的氣門疊開(kāi)角逐漸減小。

圖6 充量系數(shù)隨排氣型線變化規(guī)律[A7] [A8]

圖7 單缸進(jìn)氣量隨排氣型線變化規(guī)律[A9]

從圖6和圖7可以看出，隨著排氣型線的縮小，低速工況點(diǎn)（1 000 r/min 100%負(fù)荷、1 600 r/min 50%負(fù)荷）的充量系數(shù)和進(jìn)氣量逐漸減小；中速工況點(diǎn)（2 000 r/min 50%負(fù)荷、2 000 r/min 100%負(fù)荷、2 400 r/min 50%負(fù)荷）的充量系數(shù)和進(jìn)氣量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；高速工況點(diǎn)（5 200 r/min 100%負(fù)荷）的充量系數(shù)和進(jìn)氣量下降明顯，且當(dāng)排氣型線縮小到原機(jī)的90%時(shí)有大幅下降。[A10]

2.2 排氣型線對(duì)動(dòng)力性的影響分析

圖8 扭矩隨排氣型線變化規(guī)律

從圖8可以看出，扭矩隨排氣型線的變化規(guī)律與充量系數(shù)基本一致。隨著排氣型線的縮小，低速工況點(diǎn)（1 000 r/min100%負(fù)荷、1 600 r/min 50%負(fù)荷）的扭矩逐漸減小；中速工況點(diǎn)（2 000 r/min 50%負(fù)荷、2 000 r/min 100%負(fù)荷、2 400 r/min 50%負(fù)荷）的扭矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；高速工況點(diǎn)（5 200 r/min 100%負(fù)荷）的扭矩下降明顯，且當(dāng)排氣型線縮小到原機(jī)的90%及以下時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能急劇下降，其原因是發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)和進(jìn)氣量大幅降低后缸內(nèi)殘余廢氣明顯上升，導(dǎo)致燃燒惡化。

2.3 排氣型線對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響分析

在對(duì)特定工況進(jìn)行DOE仿真計(jì)算時(shí)，維持原機(jī)的空燃比不變，隨著進(jìn)氣量的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量也相應(yīng)變化。

注：BSFC：Brake Specific Fuel Consumption，比油耗。

通過(guò)圖9可以看出，1 000 r/min 100%負(fù)荷、 2 000 r/min 50%負(fù)荷、2 000 r/min 100%負(fù)荷和 2 400 r/min 50%負(fù)荷這4個(gè)工況點(diǎn)的比油耗變化不明顯，其原因是隨著排氣型線的縮小，這4個(gè)工況點(diǎn)的進(jìn)氣量和扭矩變化趨勢(shì)很接近。5 200 r/min 100%負(fù)荷工況點(diǎn)的比油耗隨排氣型線的縮小而明顯升高，當(dāng)排氣型線縮小到原機(jī)的90%及以下時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能急劇下降，比油耗急劇升高。過(guò)高的比油耗分析沒(méi)有意義，為了圖形整體表現(xiàn)，對(duì)軸標(biāo)尺進(jìn)行了斷層處理，略過(guò)了425～2 000 g/kWh區(qū)域。

2.4 排氣型線對(duì)燃燒的影響分析

注：ATDC：After Top Dead Center，上止點(diǎn)后。

圖11 燃燒持續(xù)期隨排氣型線變化規(guī)律

從圖10和圖11可以看出，隨著排氣型線的縮小，低速工況點(diǎn)（1 000 r/min 100%負(fù)荷、1 600 r/min 50%負(fù)荷）的燃燒中點(diǎn)相位AI50逐漸推遲，燃燒持續(xù)期AI10-AI90逐漸增大，燃燒呈現(xiàn)逐步惡化的趨勢(shì)；中速工況點(diǎn)（2 000 r/min 50%負(fù)荷、2 000 r/min 100%負(fù)荷、2 400 r/min 50%負(fù)荷）的燃燒中點(diǎn)相位AI50呈現(xiàn)先提前再推遲的趨勢(shì)，燃燒持續(xù)期AI10-AI90呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)，說(shuō)明排氣型線的適當(dāng)縮小有利于中速工況點(diǎn)燃燒優(yōu)化；高速工況點(diǎn)（5 200 r/min 100%負(fù)荷）的燃燒中點(diǎn)相位AI50推遲明顯，燃燒持續(xù)期AI10-AI90也迅速增大，說(shuō)明排氣型線的縮小不利于高速工況點(diǎn)燃燒。

3 結(jié) 論

以某4氣門增壓直噴汽油機(jī)為研究對(duì)象，利用GT-SUITE仿真軟件建立了該發(fā)動(dòng)機(jī)的一維仿真模型，針對(duì)低速、中速、高速全負(fù)荷工況點(diǎn)和中低速常用工況點(diǎn)共6個(gè)關(guān)鍵工況點(diǎn)，縮小原機(jī)的排氣型線的包角和氣門升程，研究了排氣型線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)低速工況點(diǎn)（1 000 r/min 100%負(fù)荷、 1 600 r/min 50%負(fù)荷）來(lái)說(shuō)，排氣型線的縮小會(huì)使掃氣能力降低，導(dǎo)致充量系數(shù)和進(jìn)氣量下降，燃燒惡化，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降；

（2）對(duì)中速工況點(diǎn)（2 000 r/min 50%負(fù)荷、2 000 r/min 100%負(fù)荷、2 400 r/min 50%負(fù)荷）來(lái)說(shuō)，排氣型線的適當(dāng)縮小有利于降低缸內(nèi)殘余廢氣，提高進(jìn)氣量，優(yōu)化燃燒，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，但排氣型線縮小過(guò)多仍會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足、性能下降；

（3）對(duì)高速工況點(diǎn)（5 200 r/min 100%負(fù)荷）來(lái)說(shuō)，排氣型線的縮小會(huì)導(dǎo)致充量系數(shù)急劇減小，缸內(nèi)殘余廢氣明顯上升，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性急劇下降；

（4）考慮到該發(fā)動(dòng)機(jī)用于混合動(dòng)力，低速時(shí)有電機(jī)介入工作，同時(shí)很少運(yùn)行在3 500 r/min以上的高速工況，更多地工作在中速工況，因此，通過(guò)適當(dāng)犧牲低速和高速的一部分性能，換取發(fā)動(dòng)機(jī)中速工況的性能提升，不失為一種可行的方案；

（5）從仿真結(jié)果來(lái)看，當(dāng)排氣型線縮小為原機(jī)的97%時(shí)，1 000 r/min 100%負(fù)荷工況點(diǎn)扭矩下降1.8 Nm、1 600 r/min 50 %負(fù)荷工況點(diǎn)扭矩下降5.1 Nm、5 200 r/min 100%負(fù)荷工況點(diǎn)扭矩下降15.2 Nm，而2 000 r/min 50%負(fù)荷工況點(diǎn)扭矩提升2.7 Nm、2 000 r/min 100%負(fù)荷工況點(diǎn)扭矩提升4.2 Nm、2 400 r/min 50%負(fù)荷工況點(diǎn)扭矩提升1.3Nm；

（6）采用一維熱力學(xué)仿真的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行計(jì)算分析，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得許多必須通過(guò)復(fù)雜試驗(yàn)才能得到的詳細(xì)信息，對(duì)試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義，是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)的有效手段。

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U464.12

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.01.002

1002-4581（2020）01-0006-05