汽油機連續可變氣門升程（CVVL）機構的模擬開發及試驗研究

劉岳兵，黃梅

（1.西南交通大學 機械工程研究所，四川 成都 610031；2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063）

前言

隨著汽車保有量的增加，節能減排的相關法規日益嚴格，如何開發出更低油耗的環保車輛來提高市場競爭力已經成為各大整車廠商的首要任務[1-2]。通常來說，降低燃油消耗是一項多元性的系統工程，既有車輛本身的技術因素，也受駕駛技術和道路交通環境因素的影響。就車輛本身的技術因素而言，主要包括發動機油耗改善、車身輕量化、滑行阻力以及變速箱速比優化等降低油耗的措施，其中改善發動機本身的油耗是最根本的舉措。

傳統的汽油機采用節氣門控制負荷，在部分負荷工況時需要通過節氣門的開度來對進氣量進行限制，由此節流作用形成的泵氣損失，使得發動機的熱效率降低，這是影響汽油機部分負荷經濟性的主要原因之一[3-8]。因此，如何降低泵氣損失已成為改善汽油機部分負荷燃油經濟性的主要課題。研究表明，可變氣門升程技術可以在很大程度上弱化甚至取消節氣門的作用，能夠極大地降低部分負荷工況下的泵氣損失。目前，國外對這一技術的研究已趨于成熟，從最早的本田VTEC技術實現了氣門升程的分段可調，到BMW的Valve-tronic氣門升程無級可調，再到菲亞特的Multiair電控液壓氣門技術，技術人員始終在利用更簡單的原理來實現更為出色的性能，但由于成本等諸多原因的影響，暫時還未能進行大規模的應用。國內在這方面的研究相對滯后，可公開查閱的研究成果非常有限。因而，在前人的基礎上深入開展這方面的研究是十分有意義的。

本文以某1.6L自然吸氣發動機增加進氣CVVL機構的開發為例，介紹了利用GT-Power軟件對CVVL機構的核心參數（可變型線）進行模擬開發及優化的過程，最后結合發動機臺架試驗對加裝進氣CVVL機構后的效果進行了驗證分析。

1 CVVL技術的特點和原理介紹

理論上，發動機不同的工況均對應有最佳的配氣系統（包括配氣相位和氣門升程以及包角），而傳統的發動機只有一個確定的凸輪型線，這個確定的凸輪型線一般是為了適應最大動力性輸出需要而選取的。因而，在部分負荷工況下，為了限制過多的進氣量，通常只能利用節氣門的開度來調節負荷。這樣一來，由于節氣門的節流作用導致的泵氣損失將使得發動機的熱效率降低，從而對應的燃油轉化效率也會降低，具體如圖1中所示，并且隨著負荷的減小，有效熱效率（燃油轉化效率）降低的趨勢也會更加明顯。

圖1 汽油機燃油轉化效率隨負荷變化示意圖

連續可變氣門升程（CVVL）技術可以很好地克服單一凸輪型線的不利影響，通過氣門型線（升程和包角）的變化來使得發動機在每個工況下都能“呼吸”得更順暢。分析圖2示意圖可知，采用CVVL技術后，由于取消了節氣門的作用，所有工況下均通過調節氣門升程和包角的大小來控制進氣量，節氣門的節流作用沒有了，發動機總的泵氣損失較原來大大減小，且負荷越小，泵氣損失改善的程度將越大。

圖2 采用VVL技術前后凸輪型線和示功圖變化

2 仿真基礎模型的建立及驗證

本文中應用的仿真工具為GT-Power。該軟件是一個模塊化的仿真工具，包括了發動機的傳熱模型、燃燒模型以及發動機的各個組成部分，如管路、氣缸、氣閥、催化器等。其理論基礎為管內一維流動和缸內容積法，各離散單元通過相連的邊界進行質量、動量及能量的傳遞和交換。計算過程中需要滿足的流動模型的基本方程簡單介紹如下[9]：

式中，m為單元體積的質量，V為體積，p為壓力，ρ為密度，A為流道截面積，e為總內能，H為總晗值，hg為熱傳遞系數，U為控制體積中心流速，u為邊界流速，Cf為表面摩擦系數，Cp為壓力損失系數，D為流動單元的等效直徑，dx為流動方向質量單元的厚度，為單元的邊界。

2.1 主要計算工況的選定說明

如何獲得 CVVL機構在不同氣門升程時對應的凸輪型線，以確保發動機更“舒暢”地進氣是整個進氣CVVL機構開發的第一步，也是最核心的內容。本文中應用有限個特征工況點的最佳升程和包角的最大值并結合整個機構動力學性能連續平滑過渡的原則加以插值擬合來獲得其他工況下升程和包角的最大值，最終形成整個CVVL機構的凸輪型線。

圖3為標定技術人員根據整車NEDC循環中某一時間間隔內統計出的發動機各負荷工況的使用情況分布圖。由圖可以看出，5個區域基本覆蓋了整車NEDC循環中發動機所有使用工況數量的95%。根據各區域中心位置對應的工況和現有試驗數據的情況，選擇了 2000rpm/2bar、2000rpm/5bar、1200rpm/10N.m、1200rpm/3bar、3000rpm/7bar五個工況點作為仿真計算的部分負荷目標點。同時為了保證發動機的動力性能，也選擇了1200rpm/wot（低速扭矩）、4200rpm/wot（最大扭矩）和 6000rpm/wot（最大功率）三個工況點作為仿真計算的外特性目標點。

圖3 NEDC循環中各負荷工況使用情況統計分布圖

通過計算得到上述八個工況點的最佳升程和包角的最大值，然后考慮整個進氣CVVL機構動力學性能連續平滑過渡的原則插值擬合來獲得其他工況下升程和包角的參數，最后再進一步形成CVVL機構設計制造應具有的初始凸輪型線。這樣獲得的可變凸輪形線既能充分發揮出該進氣CVVL機構在NEDC循環中降油耗的效果，同時又能兼顧發動機的動力性能。

2.2 發動機主要技術參數及模型驗證介紹

下表1為基礎發動機的主要技術參數，圖4為利用GTPower建立的該發動機的仿真模型，圖 5～圖 11為仿真計算結果和試驗結果的對比。

表1 原發動機主要技術參數

圖4 某1.6L汽油機一維性能仿真分析模型

由圖5～圖7可知，五個部分負荷工況點的重要指標（進氣量、比油耗和泵氣損失）的計算值與試驗值的誤差約在3%以內；另外，由圖8～圖11可知，三個外特性工況點的重要指標（進氣量、比油耗、扭矩和最大爆發壓力）的計算值與試驗值的誤差也在3%以內，均符合工程要求。

因此，可以認為上述八個工況點的基礎仿真模型是合理的，能夠用于該款發動機后續的改進和優化。

圖5 五個部分負荷工況仿真進氣量與試驗值對比

圖6 五個部分負荷點仿真燃油消耗率與試驗對比

圖7 五個部分負荷工況仿真泵氣損失與試驗對比

圖8 三個外特性工況點仿真扭矩與試驗對比

圖9 三個外特性工況仿真燃油消耗率與試驗對比

圖10 三個外特性工況點仿真進氣量與試驗對比

圖11 三個外特性工況仿真最大爆壓與試驗對比

3 選定工況最佳氣門升程和包角優化

圖12為進氣CVVL機構型線獲取的仿真計算流程，由圖可知，各工況點的計算流程基本一致，不同點在于對計算結果的判斷依據不一樣。其中部分負荷工況點選取優化參數組合的依據為燃油消耗率最低，而外特性工況點選取優化參數組合的依據為動力性性能（扭矩）最大。

圖12 CVVL機構可變氣門升程曲線開發的計算分析流程

圖13為按照流程圖12中的步驟分別優化計算得到的上述八個選定工況點的最佳氣門升程曲線，其中具體最大氣門升程和對應包角的參數見表2中所示。分析表2還可知，對于部分負荷工況點來說，采用可變氣門升程曲線后，對應工況點的最大氣門升程越小，其燃油消耗率改善的幅度將會越大，反之亦然。這主要最大氣門升程越小的工況點對應于原發動機來說，其節氣門的開度就更小，泵氣損失所占的比例更大，因而改善泵氣損失提高熱效率的潛力也相對更大所致。

圖13 八個選定工況點的最佳氣門升程曲線和原固定氣門升程曲線對比圖

表2 計算得到的五個部分負荷工況點氣門升程曲線參數及油耗改善狀況表

表3 計算得到的三個外特性工況點氣門升程曲線參數及動力性能變化狀況表

另外，由表3可知，對于外特性工況點來說，由于原發動機固定氣門升程曲線的設計是為了保證發動機的動力性能而偏向高速的，因此即使采用了可變氣門升程曲線，高速外特性工況點的動力性能也難以再進一步提升。但是對于轉速較低的外特性工況點來說，由于升程和包角較之前均減小不少，氣門持續開啟的時間隨之減少，使得泵氣損失會有所減小，因而動力性能尚會有進一步提升的空間。

圖14 最終的CVVL機構所需覆蓋的最大氣門升程和包角的范圍

圖 14為基于上述燃油消耗率和動力性能計算得到的CVVL機構最終需要覆蓋的最大氣門升程和包角的范圍。其中，點狀線為仿真計算出來的進氣CVVL機構最大氣門升程和持續開啟角度之間的最佳對應關系，而實線為供應商考慮整個進氣 CVVL機構動力學性能在不同工況點之間連續平滑過渡以及制造工藝后對仿真計算結果進行修正后的結果，兩者在中低負荷處擬合得較好，在部分高速大負荷處有些許偏差。

4 模擬優化方案試驗效果分析

模擬優化計算結束后，將仿真計算得到的最大氣門升程和開啟角度之間的關系提供給某供應商，然后供應商根據其修正后的結果進行進氣CVVL具體機構的設計和制造，最后通過臺架試驗對加裝該進氣CVVL機構的發動機進行性能驗證試驗，具體結果如表4中所示（注：動力性能和原機型基本相當）。

表4 采用進氣CVVL機構后五個部分負荷工況點的油耗改善狀況表

分析試驗結果可知，一方面CVVL機構確實能在保持相當動力性能的前提下較全面地改善油耗的水平；另一方面通過對比仿真和試驗降低油耗的效果可知，發動機實際降低油耗的效果比仿真模擬得到的水平要差，其中負荷越小（1200rpm/10N.m），差別越大。分析原因主要包括以下幾點；第一，試驗時負荷越小，控制越不穩定，不能單獨由氣門升程控制負荷，需要節氣門和升程同時調節來控制，而模擬時僅用了氣門升程控制負荷。第二，增加CVVL機構后，實際增加的摩擦損失需要充分考慮。第三，采用CVVL機構以后燃燒狀況會變慢（如圖 15所示，速度矢量和湍動能分布變差），需要對原來的燃燒室進行相應的優化以匹配 CVVL機構的應用[10]。

圖15 增加CVVL機構前后1200rpm外特性處缸內氣流速度矢量和湍動能分布對比

5 結論

（1）連續可變氣門（CVVL）機構能夠實現氣門最大升程和氣門開啟持續角度在較大范圍內的連續可變，通過調節進氣門早關的方式取代傳統發動機的節氣門來控制進氣量，從而大大減少泵氣損失，改善燃油經濟性。

（2）本文詳細介紹了一種獲取連續可變氣門升程（CVVL）機構核心參數的仿真分析方法，為國內該技術開發應用中的難點提出了有效地解決思路，其流程可以為以后同類機構的研究研發提供相應的參考。

（3）應用仿真軟件對某自然吸氣發動機增加進氣CVVL機構的性能進行了模擬分析，得到了該CVVL機構合適的氣門升程曲線。試驗驗證表明，該進氣CVVL機構能夠在基本滿足動力性能的前提下全面改善發動機的油耗水平，初步達到了預期的效果。

（4）采用 CVVL機構以后燃燒狀況會變慢（主要是速度矢量和湍動能分布會變差），需要對原來的燃燒室進行相應的優化以匹配CVVL機構的應用。