無凸輪式配氣型線優化設計及發動機性能仿真研究

張鵬博

摘要：本文基于AVL-boost建立一維發動機仿真模型，對采用無凸輪式配氣型線的發動機整機性能進行數值模擬。仿真結果表明：采用無凸輪式配氣型線可以根據不同工況靈活調整氣門升程及相位，能夠有效降低發動機部分負荷工況下的換氣損失，改善發動機的動力性及燃油經濟性，為無凸輪式配氣機構的控制應用提供了理論依據。

Abstract： In this paper， a one-dimensional engine simulation model is established based on AVL-boost， and the engine performance applying cam-less valve profiles is numerically simulated. The results indicated that the valve lift and phase can be adjusted flexibly according to different working conditions by using the cam-less valve profiles. Under part load condition， the ventilation loss can be effectively reduced. Besides， the power and fuel economy performance can be improved. This study provides a theoretical basis for the control application of cam-less valve train.

關鍵詞：發動機;無凸輪式配氣型線;數值模擬;整機性能

Key words： engine;cam-less valve profiles;numerical simulation;performance

中圖分類號：U464.134? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0005-02

0? 引言

可變氣門正時（VVT，Variable Valve Timing）技術已成為改善汽油機性能的關鍵技術，無凸輪式配氣技術在理論上能夠靈活獨立地控制各缸氣門動作，改善換氣性能[1-3]。氣門的運動規律是應用無凸輪式配氣技術的關鍵，因此，無凸輪式配氣型線的優化設計研究是非常有必要的。

本文基于AVL-Boost及AVL-Fire平臺搭建了某天然氣發動機一維及三維仿真模型，根據試驗工況調整配氣參數，結臺架試驗對仿真模型進行標定，驗證了模型的準確性。探究了不同工況下采用無凸輪式配氣型線后發動機性能的變化情況，總結了不同工況下無凸輪式氣門型線的配氣參數對發動機性能的影響規律。

1? 計算模型

本研究基于某天然氣發動機開展，其主要技術參數見表1。根據該表中的參數和相關已有的實驗數據，利用AVL-Boost軟件建立發動機一維整機仿真模型，所搭建的仿真模型如圖1所示。

在Boost軟件中搭建了壓縮比為10.5、氣門重疊角度為30°CA的天然氣發動機一維仿真模型，在進氣邊界SB1和排氣邊界SB2中輸入實際試驗的壓力與溫度;在噴油器I1中編輯模擬工況下的空燃比;在氣缸C1-C6中輸入氣缸的基本參數;發動機E1中輸入發動機轉速及點火順序。

2? 型線設計

為了探究不同氣門重疊策略對發動機換氣性能的影響情況，本文基于無凸輪式配氣型線設計了多組不同排氣晚關角、不同排氣門升程的無凸輪式排氣型線，排氣門升程從大到小依次為12.39mm（原機最大升程）、10mm、8mm、5mm，進氣型線保持不變，進氣晚關角選擇該工況下最佳進氣晚關角，不同升程、不同排氣晚關角的無凸輪式排氣型線與進氣型線相匹配，形成了不同氣門重疊角的無凸輪式配氣型線組合，如圖2所示。通過型線動力學驗證，最大排氣門運動速度均不超過0.3m/s，設計型線較為合理。在工況1600r/min、進氣MAP=130kPA的條件下，將不同氣門重疊策略的無凸輪式配氣型線導入到模型中進行仿真，并對仿真結果進行分析。（圖2）

3? 結果分析

采用負氣門重疊時，充量系數最低，且隨著氣門重疊角度的增加充量系數不斷增加，當氣門重疊為20°CA、排氣升程與原機最大升程相等時，該工況下充量系數最大為0.82;而缸內殘余廢氣系數的變化呈現先降低后升高的趨勢，排氣門升程為10mm且氣門重疊為20°CA時，缸內殘余廢氣系數最低為0.043，相比原機略有增加。

不同氣門重疊角時，比油耗均隨最大排氣門升程的增加呈現先降低后增加的趨勢，而指示功率呈現先增加后降低的趨勢，當最大排氣門升程取10mm時發動機比油耗最低，指示功率最大，分別為163.86g/（kW·h）和81.87 kW。當采用負氣門重疊時，比油耗較高，燃油經濟性較差，指示功率較低，動力性較差，這主要是因為負氣門重疊策略導致廢氣滯留缸內，充量系數下降，導致發動機工作性能變差。（圖3）

4? 結束語

①當氣門重疊為20°CA、氣門升程為原機最大升程時，研究工況下充量系數最大為0.82，相比原機略有增加。

②當最大排氣門升程取10mm時發動機比油耗最低，指示功率最大，分別為163.86g/（kW·h）和81.87 kW，相比原機略有提高。

參考文獻：

[1]趙雨冬，吳亞楠，付雨民.發動機電磁氣門驅動設計試驗與仿真[J].清華大學學報（自然科學版），2003，43（5）：698-701.

[2]趙振峰，黃英，張付軍，等.一種新型電液驅動無凸輪配氣機構特性研究[J].內燃機工程，2008，29（6）：24-27.

[3]Gillella P K， Song X， Sun Z. Time-Varying Internal Model-Based Control of a Camless Engine Valve Actuation System[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2014， 22（4）：1498-1510.