配气相位对汽油机动力性影响的仿真研究

刘庚非 赵顺超 马成功 黎苏

摘要 基于AVL BOOST軟件对某轻型车用废气涡轮增压GDI发动机的工作过程进行模拟仿真，并使用台架实验数据对模型进行了验证。在此基础上进行发动机配气相位的优化工作，得到全负荷与部分负荷工况时不同转速下发动机动力性能随配气相位的变化规律：适当增大进气提前角可以提高发动机低转速下的输出扭矩并提高动力性，增大进气迟闭角会导致输出扭矩的降低与动力性的恶化，改变排气相位均会导致全转速下输出扭矩的减少，经过分析后求得最佳的配气相位。仿真结果表明，优化后的配气相位令发动机低转速下输出扭矩及整体扭矩储备系数显著增大，工作更为稳定，动力性提升明显。

关 键 词 废气涡轮增压;配气相位;模拟仿真;优化研究;动力性

中图分类号 TK421     文献标志码 A

Simulation studies of the influence of gas distribution phase on the dynamics of gasoline engine

LIU Gengfei， ZHAO Shunchao， MA Chenggong， LI Su

（School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract Based on AVL BOOST software， the working process of a light-duty exhaust gas turbocharged GDI engine was simulated， and the model was verified by using the bench experimental data. Thenthe engine′s valve timing optimization was carried out. The law of change of the engine′s dynamic performance with valve timing at different speeds under full-load and partial-load conditions was analyzed. That is， appropriate increase of intake advance angle can improve the output torque at a low engine′s speed and the engine′s dynamic performance， increasing intake retard angle will cause decrease of the output torque and deterioration of the engine′s dynamic performance. Changing exhaust valve timing will result in reduction of the output torque at all rotational speeds. After the analysis， the optimal valve timing was obtained. The simulation results show that the optimized valve timing makes the output torque of low engine′s speeds and the overall torque reserve coefficient significantly increase. The operation stability and dynamic performance can also be greatly improved.

Key words exhaust turbocharger; valve timing; simulation; optimization; dynamic performance

0 引言

为实现高动力、低油耗、低排放的目标，国内外轻型车企的主要技术路线是通过增压强化[1-2]来减小发动机排量。提高发动机进气压力后最佳配气相位发生变化，不匹配的配气相位无法使气缸保持最佳充气效率，对燃烧过程产生恶化影响，造成动力输出降低与燃料浪费[3]，因此需要对配气相位进行优化工作。

利用数值模拟的方法对配气相位进行优化可以降低科研经费，缩短研发周期，且对结果有良好预测作用[4]。本课题利用AVL BOOST软件，采用改变凸轮轴相位角的方法进行配气调整[5-6]，通过研究总结发动机外特性曲线形状与峰值变化，以及部分转速时输出扭矩随负荷改变的规律，提出优化方案并求出最佳的配气相位，优化结果对发动机设计与性能分析以及同类型的研究工作具有一定现实意义。

1 模型的建立与验证

1.1 原机参数

研究对象为某带有废气涡轮增压器和中冷器的缸内直喷型直列四缸GDI汽油机，该汽油机的基本参数如表1所示。

1.2 仿真模型的建立

利用AVL BOOST软件进行模拟仿真可以得到发动机实际运行时的各种数据[7]，根据提供的发动机原始参数，考虑发动机进排气系统、燃烧模型、摩擦损失等边界条件建立如图1所示废气涡轮增压发动机模型来模拟实机的循环过程，模型内部某些难以测量的参数经查阅文献选用经验值。

如图1所示的发动机仿真模型包含的主要元件有：4个气缸（C1～C4），1个涡轮增压器（TC1），1个空滤器（CL1），1个中冷器（CO1），2个系统边界（SB1、SB2），6个测量点（MP1～MP6），1个进气总管（PL1），稳压腔（PL2），14条连接管路（1～14）。模型工作过程中以气缸C1作为基准，其余3个气缸参数与C1保持一致。

1.3 仿真模型的验证

选取发动机外特性曲线上12个转速点对模型进行验证，所得结果如图2所示。对汽油机而言当转速固定时，输出功率是扭矩的单值函数，因此在验证过程中只需进行输出扭矩的验证。

经过对比之后可以发现，模拟仿真得出的外特性曲线和实验测得的原机外特性曲线基本吻合，仿真得到的各转速点输出扭矩的数值与实验的结果误差均小于5%的工程许用误差，可以认为此模型匹配原机的结构与工作过程，因此认定该模型可以应用于后续的实验过程，在此基础上进行后续的模拟研究过程。

2 进气相位对汽油机动力性的影响与优化

在本研究中主要对废气涡轮增压的汽油机进行基于配气调整的动力性优化，平均有效压力[Pme]是评价发动机动力性能的一个重要因素，其计算公式为

[Pme=πTtqτiVs×10-3]， （1）

式中：[Pme]为平均有效压力;[Ttq]为输出扭矩;[τ]为发动机冲程数;[i]为气缸数;[Vs]为发动机工作容积。

从式（1）中可以看出对于给定的发动机而言，平均有效压力[Pme]与且仅与输出扭矩有关，因此在本研究过程中将外特性曲线上输出扭矩的数值[8]作为主要评价依据，兼顾扭矩储备系数[Φtq]的变化情况，其计算公式为

[Φtq=Ttqmax？-TtqTtq×100]% ， （2）

式中：[Ttqmax]為外特性曲线上的最大扭矩;[Ttq]为标定工况下的输出扭矩。

扭矩储备系数[Φtq]越大，代表随着转速降低发动机输出扭矩越大，其克服短期超负荷的能力越强，能够更加适应阻力突然增大的工况，减少换挡次数。同时将转速适应性系数[Φn]作为评判标准，由标定转速与最大扭矩转速之间的比值决定，最大扭矩转速越小发动机克服阻力的潜力越大。由于在本研究中发动机有效功率为扭矩的单值函数，功率的变化趋势与扭矩的改变规律完全相同，因此为了避免赘述，并未将输出功率作为评判依据。

2.1 维持进气持续角不变

维持进气持续角270 °CA、排气相位恒定，探究进气提前角（IVO），进气迟闭角（IVC）对发动机动力性产生的影响，将IVO由原机的30 °CA以10 °CA的间隔依次增大到70 °CA，IVC从原机的60 °CA增大到70 °CA，得到的仿真结果如图3所示。

从图3中可以看出随着IVO从30 °CA变化到70 °CA的过程中，发动机低转速下的输出扭矩与扭矩的峰值逐渐增大，并在60 °CA时达到最大值;继续增大IVO到70 °CA会导致最大输出扭矩的减少;在标定转速为5 500 r/min附近及更高转速时，随着IVO的增大输出扭矩持续降低;扭矩储备系数随着IVO增大而呈现提高趋势，并在60 °CA达到最大，转速适应性系数并未发生改变。而IVC从60 °CA增大到70 °CA后，在原机的最大扭矩转速为2 500 r/min附近输出扭矩有大幅度的降低;最大输出扭矩出现在3 500 r/min工况下，且与原机输出扭矩的峰值持平;在额定转速为5 500 r/min附近输出扭矩有少量增加;整体扭矩储备系数降低;转速适应性系数有大幅下降，动力性恶化严重。

上述研究结果表明增大IVO导致发动机低转速下输出扭矩提升而在额定转速和高转速时有所下降，增大IVC则会导致相反的结果，因此在原机最大扭矩转速下（2 500 r/min）研究负荷特性随IVO的变化;在原机最大功率转速下（5 500 r/min）研究负荷特性随IVC的变化，结果如图4所示。

从图4中可以看出，在最大扭矩转速2 500 r/min时，喷油量从50%增加到100%的过程中，IVO对输出扭矩的影响逐步加强，并在70%喷油量之后产生明显区分;在进气提前角从30 °CA增大到60 °CA的过程中，输出扭矩上升的速率以及峰值逐步加大，不过50 °CA和60 °CA下的输出扭矩曲线差异很小;继续增大IVO到70 °CA会导致输出扭矩增大峰值有所降低。因此IVO应选取50 °CA或60 °CA;而对于IVC来说，在额定转速5 500 r/min下当供油量从50%逐渐增大到100%的过程中，IVC对输出扭矩变化影响增大，且随着IVC从60 °CA增大到80 °CA，发动机输出扭矩随喷油量而增大的速率会获得提升，峰值也同时得到提高，因此在标定转速及之后的高转速下应选用较大的IVC。

综上所述，为了让汽油机在低转速、额定转速及高转速下都能有最大的输出扭矩，同时兼顾了扭矩储备系数以及转速适应性系数的变化，选定的优化后的进气相位为进气提前角50 °CA，此时进气迟闭角为40 °CA。

2.2 改变进气持续角

由于维持进气持续角恒定270 °CA，改变IVO时IVC也随之改变，反之亦然，为了排除其所带来的干扰，下面进行仅增大IVO到50°CA（此时进气持续角增大到290 °CA）与仅增加IVC到60 °CA（此时进气持续角增大到280 °CA）的研究，所得结果如图5所示。

从图5中可以看出通过增大进气提前角和迟闭角改变进气持续角时，发动机动力性能均弱于进气持续角恒定270 °CA时的情况，因此上述研究所求得优化后的配气相位不需改变。

3 排气相位对汽油机动力性的影响与优化

进气相位采用上述研究得到的最优值，即IVO50 °CA，IVC40 °CA，探究排气提前角（EVO），迟闭角（EVC）对发动机动力性产生的影响，将EVO由原机的30 °CA以10 °CA的间隔依次增大到50 °CA，EVC由原机的50 °CA增大到60 °CA，得到仿真结果如图6所示。

从图6中可以看出，当进气相位为最优值时，维持排气持续角不变改变EVO，EVC均会导致全转速下发动机输出扭矩的减少，使动力性有严重降低。因此为了使发动机动力性达到最优，对排气相位不进行改变，此时排气提前角30 °CA，迟闭角50 °CA。

4 优化后配气相位对汽油机经济性的影响

优化后的配气相位为进气提前角50 °CA，迟闭角40 °CA，排气提前角30 °CA，迟闭角50 °CA，探究其对汽油机经济性产生的影响，由比油耗（BSFC）曲线进行评价，得到的结果如图7所示。

从图7中可以看出，相较于原机而言，进行动力性优化后的配气相位使发动机全转速下比油耗增加，在4 500 r/min下增幅最大为6.5%，不过经济性并未发生明显下降，而本论文的主要研究目的是对汽油机动力性进行优化，因此在经济性并未发生明显恶化的条件下，可以采用上述研究所得的优化结果。

5 结论

1）增大进气提前角同时减小迟闭角可以令发动机在中低转速下输出扭矩获得提高，增大扭矩储备系数，优化动力性能。

2）增大排气提前角或迟闭角后在所有转速下输出扭矩的数值都会降低，不利于提高发动机的动力性能，不过，同时外特性曲线的光滑度有所提高，发动机工作更加稳定，对于提高汽车驾驶时舒适度以及避免发生爆燃而言具有一定的参考价值。

3）参照上述模拟的结果，最终选用的优化配气相位为进气提前角50 °CA，迟闭角40 °CA，排气提前角30 °CA，迟闭角50 °CA，此时发动机输出最大扭矩上升12.7%，扭矩储备系数增大15.3%，虽然在高转速下输出扭矩有5.6%的降低，不过对发动机的动力性无较大影响，总体动力性能达到最优。

参考文献：

[1]    BANDEL W，FRAIDL G K，KAPUS P E，et al. The turbocharged GDI engine：boosted synergies for high fuel economy plus ultra-low emission[C]//SAE Paper 2006-01-1266，2006.

[2]   ; KIRWAN J E，SHOST M，ROTH G，et al. 3-cylinder turbocharged gasolinedirect injection：a high value solution for low CO2 and NOx emissions[J]. SAE International Journal of Engines，3 （1）：355-371.

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[8]    李军，纪雷，隗寒冰，等. 柴油机配气相位分析与优化[J]. 机械设计与制造，2014（2）：17-20.

[责任编辑    田    丰]