废气涡轮增压汽油机可变配气相位的优化研究

（广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004）

随着汽油机的高速化，配气相位固定不变的缺点越来越突出，如高转速与低转速、大负荷与小负荷汽油机的性能之间，矛盾越来越突出。为了获得不同转速下适合的配气相位，解决发动机在高低转速、大小负荷性能之间的矛盾，现在越来越多的发动机上采用可变配气相位机构。

GT-POWER软件采用现代数值计算和计算机技术等最新开发的关于内燃机性能模拟与仿真软件，是目前国内外汽车厂和内燃机制造公司理想的实验模拟工具。

本文以一台465QE废气涡轮增压汽油机为例，对进、排气配气相位进行优化研究。本次优化研究是基于GT-POWER软件为研究工具建立模型，经过计算得到不同转速下进、排气配气相位的最佳值，最终使配气相位得到最佳优化。

1 可变配气相位技术简介

根据转速、负荷等参数的变化，来调节合适的配气相位，发动机不仅能获得很好的充量系数，而且还能改善发动机动力性和燃油经济性等指标。传统的汽油机的气门开启和关闭，是由凸轮驱动和控制的，其配气相位是固定不变的，这样的话，就不能够在各种情况下提供出最佳正时，汽油机的性能潜力就不能够得到完全地发挥[1~3]。

若采用可变配气相位技术，则可以使汽油机在不同工况下采用不同的配气相位，以此来满足汽油机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时的要求，从整体上去提高汽油机的综合性能。同时，增压汽油机的试验表明：气门叠开角每增加10°（CA），活塞平均温度降低4℃。合理地增大气门叠开角，除了可降低发动机的热负荷以外，还有利于增大充量系数和降低排气温度，改善了涡轮的工作条件[4~5]。

可变配气相位有很多种形式，一般按照驱动方式分为机械式和电控无凸轮式两类。目前使用比较广泛的方法，还是使用机械式的方法调节配气相位，用改变凸轮机构或气门正时的方法来改变气门正时、气门升程或气门持续角。

2 优化方法的选择

本型LJ465QE增压汽油机，大部分时间工作在中、低速和中、低负荷区。低速时，扭矩的改善，将可以降低汽油机的最低转速，因此能够扩大转速范围，还能够提高汽油机的怠速稳定性，并进一步降低本汽油机的油耗。故在本型LJ465QE增压汽油机上，应用可变配气相位技术，可以提高中、低负荷和转速下的转矩，增加高速工况下的最大功率。

综合参考目前国内外可用的可变配气相位技术的特点，本文选用的可变配气相位技术是：在保持进排气门升程特性和持续期不变的条件下，改变气门开启时的曲轴角度。

选用这种技术，是因为：根据国内外现有的机构，对进气和排气凸轮轴实行调节相位，能够非常显著地提高汽油机的性能。这类机构在国外也有了非常成熟的机构，这也验证了这种组合方式的可行性。同时若采用这种组合方式，则对原汽油机的改动不多，只需加一套附加机构，同时不需要对原有凸轮轴作太大的改动，相对而言较好实现，原理也相对简单[6]。

3 优化模型建立

本文对进排气配气相位的优化计算，采用GT-POWER软件自带的“Optimizer”模块进行。进气阀门和排气阀门模块，在GT-POWER软件中可设定为“Cam Timing Angle”参数。“Cam Timing Angle”参数能够决定排气门开启角（EVO）、排气门关闭角（EVC）、进气门开启角（IVO）、进气门关闭角（IVC）。这个参数在数值上，等于气门最大升程时的凸轮转角，即气门最大升程时曲轴转角的一半。

由于进、排气配气正时，能够对汽油机的充气效率起到很重要的影响，因此配气相位的优化在GT-POWER软件中，表现为进排气阀门模块中的“Cam Timing Angle”参数值的优化。原机的“Cam Timing Angle”进气阀门设定为 460°（CA），排气阀门设定为250°（CA）。优化变量设定为“进气Cam Timing Angle”（简称“intake-time”）和“排气 Cam Timing Angle”（简称“exhaust-time”）这两个变量，优化的目标设定为“扭矩最大”，优化的范围设定为“±20°（CA）”，步长设定为“0.5°（CA）”。

本论文仅研究在外特性下的可变配气相位随转速的变化关系。

4 优化计算结果及分析

优化计算的结果，如表1所示。

表1 可变配气相位优化结果

分析表1发现，在低速段（1 000～3 500 r/min）应适当提前开闭进气门和延迟开闭排气门；在中速段（4 000～5 000 r/min）进排气正时角基本不需要调整，维持原机的参数即可；在高速段（5 600～6 250 r/min）应适当延迟开闭进气门，排气门正时基本维持不变。

优化配气相位后的计算对比如图1所示。

图1 配气相位优化方案与原机方案的性能对比图

对图1的分析可知：在低速段（1 000～3 000 r/min）增压基础再加上可变配气正时后，汽油机的充气效率、扭矩和功率都较单纯的增压和原机都有大幅度增加；在中速段（3 500～5 000 r/min）增压基础再加上可变配气正时后，汽油机的充气效率、扭矩和功率较单纯增压略微提高；在高速段（5 600～6 250 r/min）增压基础再加上可变配气正时后，汽油机的扭矩和功率，都较单纯增压和原机都有大幅度增加，但充气效率略微有所提高。整体来看，优化后增压汽油机的性能，在低速段和高速段改善得相对中速段要明显，其中充气效率、功率、扭矩的最大增加量，分别为13.4%、20.2%和19.7%，增压汽油机的性能得到很大的提高。

5 结束语

在本章完成了可变配气相位优化的工作，配气相位优化后得到以下结论：

其一，是在低速段（1 000～3 500 r/min）应该适当提前开闭进气门和延迟开闭排气门；在中速段（4 000～5 000 r/min）进排气正时角基本不需要调整，维持原机的参数即可；在高速段（5 600～6 250 r/min）应该适当延迟开闭进气门，而排气门正时基本维持不变。

其二，是经过对配气相位的优化，优化后增压汽油机的性能在低速段和高速段改善得相对中速段要明显，其中充气效率、功率、扭矩的最大增加量，分别为13.4%、20.2%和19.7%，增压汽油机性能参数更进一步得到改善。

[1]Martain Scheidt.Timed to perfection-the variable cam timer:technology for clean exhausts and a greener environment[J].Engine Technology International，2001，(3)：62-65.

[2]李理光，肖 敏.车用高速汽油机电控可变配气系统[J].汽车工程，2001，(4)：274-278.

[3]肖 敏，李理光，曾朝阳.可变配气相位对发动机性能的影响[J].机车技术，2000，(1)：10-14.

[4]张德惠.连续可变相位配气机构的设计[J].拖拉机与农用运输车，2005，(12)：78-79.

[5]姚春德，刘小平.基于模糊PID控制的可变配气相位控制系统仿真研究[J].兵工学报，2007，(9)：1025-1029.

[6]褚超美，等.进排气管结构与配气系统匹配对汽油机性能的影响研究[J].内燃机工程，2003，(5)：55-58.