天然气专用发动机配气凸轮的优化*

张全逾 陈毅曼 茂立梅 彦利 承德石油高等专科学校

天然气专用发动机配气凸轮的优化*

张全逾 陈毅曼 茂立梅 彦利 承德石油高等专科学校

建立天然气发动机工作过程模拟仿真模型，分析气门重叠角、进气迟闭角、排气提前角对天然气发动机性能的影响规律，得出配气相位的优化结果。依据优化后的配气相位重新设计了凸轮型线，并新加工了凸轮轴，在台架上对重新更换凸轮轴的天然气发动机进行了试验。从优化前、后的数据对比可以看出，配气凸轮经优化后天然气发动机动力性提高约5%，燃气消耗率降低5%，NOx排放率大幅降低。

天然气发动机；配气凸轮；模型；优化

配气凸轮是天然气发动机的重要组成部分，其性能的好坏对天然气发动机的性能指标有重要影响，因此优化设计天然气发动机的配气凸轮势在必行。首先建立天然气发动机工作过程模拟仿真模型，分析气门重叠角、进气迟闭角、排气提前角对天然气发动机性能的影响规律，得出配气相位的优化结果。最后加工新凸轮轴并更换到天然气发动机上，在台架上对优化结果进行试验验证。

1 建立仿真模型

1.1 一维工作模型的建立

运用AVL公司的BOOST软件建立天然气发动机一维工作模型，模型参数均根据实际测试选取，较难通过实测的部分参数根据经验值选取。建立的一维工作模型如图1所示。

图1 发动机一维工作模型

1.2 一维工作模型的验证

通过调整模型参数，对原发动机选取9个转速（900、1100、1300、1500、1700、1900、2100、2300、2500r/min）来进行仿真计算外特性，并与实际测量值作对比。通过对比发现其功率、扭矩、耗气量等特性参数的实测值和计算值的误差除怠速油耗误差在6%外，其他均在5%以内，可以认为此模型基本符合原机的结构和工作过程，模型可用。

2 配气相位的优化

配气相位中对充气效率影响较大的参数有气门重叠角、进气迟闭角、排气提前角，本文就这3个参数在全负荷工况下对发动机动力性、经济性的影响规律进行了分析，最终得到了合适的配气相位。

2.1 气门重叠角的优化

较大的气门重叠角有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，同时还有助于降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。但对采用缸外预混合的天然气发动机来说采用较大气门重叠角，一方面会增加HC的排放，造成燃料的浪费；另一方面未燃HC流经高温的排气管和涡轮时，有可能产生后燃现象，增加发动机的排温，降低排气系统的可靠性。为此设计出以下5种重叠角的配气相位方案：30°、20°、10°、5°、0°CA。分别将5种配气相位输入所建立的工作模型，经计算得到不同重叠角方案的外特性曲线。

从外特性曲线可以看出，随气门重叠角的减小，发动机的功率和扭矩总体呈下降趋势，但不成线性比例关系。这一点也可以从充气效率的曲线对比来直观地印证，说明较大的重叠角确实对废气的扫除有利，从而利于提高充气效率。对燃气消耗率来说，减小气门重叠角意味着直接排放的HC可以减少，这样利于减小耗气率。但另一方面，随重叠角的减小，残余废气系数增大，使得燃烧变得恶化，这样会增加耗气率。从计算结果可以看出，燃烧恶化导致的耗气率增大，最终致使燃气消耗率随重叠角减小而增大。综合考虑动力性和排放性能最终选取了5°CA的气门重叠角。

2.2 进气迟闭角的优化

为了选择一个较为合适的进气迟闭角，这里选取5种方案，分别为下止点后41.65°、45.65°、49.65°、53.65°、57.65°CA。模型计算结果表明，随进气迟闭角的增加，发动机的功率和扭矩减小较明显，燃气消耗率增加。这是因为当进气迟闭角增大到一定角度后将会发生进气倒流现象，并且越来越严重，这样会使充气效率逐渐减小，对于缸外预混合的天然气发动机来说这意味着燃料的供给减小并同时造成耗气率的增大。考虑到减小气门重叠角时采取了减小进气提前角的方法，为了不使进气凸轮工作段半包角减小过多，选取41.65°CA的进气迟闭角。

2.3 排气提前角的优化

排气提前角影响做功冲程的膨胀功损失和排气冲程的推出损失，对缸内的残余废气系数也有非常大的影响，而残余废气系数对发动机的动力性和经济性有很大影响，因此要选择一个最佳值。这里选取5种排气提前角方案：分别为下止点前52.35°、56.35°、60.35°、64.35°、68.35° CA。模型计算结果表明，随排气提前角的增大，发动机的功率和扭矩略有降低，燃气消耗率略有增加。这是因为在52.35°CA的基础上继续增大排气提前角会使发动机的膨胀功逐渐减小，同时排气时的泵气损失也随之减小，且膨胀功的减小量逐渐大于泵气损失的减小量，这样导致了发动机的有效功率减小而燃气消耗率增加。因此这里选用52.35° CA排气提前角。

2.4 对优化结果的试验验证

依据优化后的配气相位重新设计了凸轮型线，并新加工了凸轮轴，在台架上对重新更换凸轮轴的天然气发动机进行了试验。从优化前、后的数据对比可以看出，配气凸轮经优化后天然气发动机动力性提高约5%，燃气消耗率降低5%，NOx排放率大幅降低。

3 结论

通过对配气凸轮优化设计，使天然气发动机的动力性、经济性和排放性均得到了提高。

采用BOOST软件建立天然气发动机的一维工作模型，对配气凸轮进行优化设计可以大大节约开发周期，其模拟计算精度基本满足工程需要。

（栏目主持 樊韶华）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.068

基金论文：河北省教育厅资助科研项目（Z2014174）。