汽油機可變配氣正時機構的數(shù)值模擬

文森淼

（山西交通職業(yè)技術學院，太原 030061）

汽油機可變配氣正時機構的數(shù)值模擬

文森淼

（山西交通職業(yè)技術學院，太原 030061）

可變配氣正時系統(tǒng)是汽車工業(yè)發(fā)展的一個重要的技術成果。目前，它已作為提高發(fā)動機性能運用的最廣泛通用技術運用在發(fā)動機上。進氣氣流在進氣道和氣門附近受到的阻力較大，直接導致發(fā)動機性能下降。傳統(tǒng)的發(fā)動機配氣系統(tǒng)，只能優(yōu)化發(fā)動機在某些特定工況（如高轉速、高負荷）下的性能。相較傳統(tǒng)的發(fā)動機配氣正時相位不改變的狀態(tài)，可變氣門正時技術可以有效適配發(fā)動機所有運作工況。這對于提高發(fā)動機的性能，具有十分明顯的好處。

可變配氣正時系統(tǒng) 數(shù)值模擬 發(fā)動機

目前，可變正時氣門研究的主要方向為可變氣門零部件的設計和改進，以及可變配氣正時系統(tǒng)的控制策略對提高發(fā)動機性能的影響。通常既是本文所采用的對發(fā)動機進行性能模擬運行實驗的研究途徑。這就要求建立正確的發(fā)動機仿真模型。

本課題可利用AVL BOOST軟件對發(fā)動機的可變氣門正時機構進行建立模型，并通過循環(huán)模擬值與實驗值的對比驗證模型的正確性。本文主要利用一維發(fā)動機流動過程仿真軟件——AVL BOOST軟件，構建長安某型發(fā)動機的數(shù)值模型，從而為以后的模型優(yōu)化工作打下基礎[1-4]。

1 發(fā)動機基本數(shù)據(jù)模型的建立

發(fā)動機的循環(huán)模擬過程包括的相關實驗測試、各種理論基礎知識、循環(huán)試驗方法以及技術手段的相互關系，如圖1所示。

圖1 循環(huán)數(shù)字模擬的原理和方法

在BOOST軟件中，構建氣缸系統(tǒng)、進排氣裝置的前處理模塊模型。由于發(fā)動機工作時的充氣效率受氣門數(shù)的影響，所以在多氣門研究時設立比例因數(shù)k：

式中：n為進、排氣門數(shù)；k為比例因數(shù)；dvi為進、排氣門直徑；dpi為進、排氣管徑。

進氣系統(tǒng)：進氣道、進氣歧管、外界管、空濾器、容積腔。

排氣系統(tǒng)：排氣管、排氣歧管、排氣管、催化器、消聲器、排氣總管。

發(fā)動機BOOST模型如圖2所示。其中，CL1為空氣過濾器總成；PL1為進氣歧管穩(wěn)壓腔；SB1、SB2為—系統(tǒng)邊界；I1～I4為模擬點火器；C1～C4為氣缸；CAT1為三元催化器；PL2、PL3為消聲器；3DG1～3DG3為多管道連接腔；MP1～MP6為測量點；R1～R20為限制點。

圖2 發(fā)動機BOOST模型

一臺完整的發(fā)動機，在建模中需要的數(shù)據(jù)包括三類：結構參數(shù)；熱力學參數(shù)，參考實驗數(shù)據(jù)選取，如通過[氣道穩(wěn)流實驗]獲得進排氣道的流量系數(shù)；傳熱系數(shù)，由AVL2000提出的經(jīng)驗值獲得。建模時，所需各模塊的賦值為長安某型發(fā)動機數(shù)據(jù)。

2 氣缸模型

氣缸模型是BOOST中最重要的一個模型。這是因為工質(zhì)的進入、壓縮、燃燒、排放等過程，都是氣缸與汽缸頭所形成的燃燒室產(chǎn)生，對發(fā)動機正常工作影響很大，運行參數(shù)見下。

2.1 燃燒模塊參數(shù)

發(fā)動機燃燒放熱的過程是一個較為復雜的綜合放熱過程。求出燃燒放熱流率，是較為簡單的模擬燃燒過程的一種方法。在模擬仿真中，一個重要的步驟是發(fā)動機工作過程的模擬計算與優(yōu)化，這需要找到一個準確的燃燒放熱率曲線。根據(jù)以往的經(jīng)驗，利用余弦函數(shù)與韋伯函數(shù)等，可以較為準確地擬合燃燒放熱率曲線。這里，利用BOOST模型，通過韋伯函數(shù)，進行燃燒放熱率的測算。

單韋伯函數(shù)：

式中：Q為輸入燃料的總能量，m為燃燒品質(zhì)指數(shù)、α為曲軸轉角，α0為燃燒起始角，?ac為燃燒持續(xù)角，a為韋伯參數(shù)（完全燃燒a=6.908）。

2.2 缸內(nèi)傳熱模型參數(shù)

其中：Qwi為熱損失；Ai為換熱面積；αw為換熱系數(shù)；Tc為缸內(nèi)工質(zhì)的溫度；Twi為壁面溫度。

2.3 進排氣流量系數(shù)

在BOOST模型測試中，把經(jīng)過進氣道的質(zhì)量流率以及經(jīng)過小孔的氣流是等熵流動作為假設的基礎來模擬分析。流量方程：

式中：p2為氣門后工質(zhì)壓力；k為絕熱指數(shù)。有效流通面積：

式中：μσ為流量系數(shù)；dvi為氣門座直徑。

可以知道，氣流在氣門附近的流動不穩(wěn)態(tài)，因為氣門閥開度不斷變化產(chǎn)生壓力波動，影響進去的過程。為了模擬計算的方便和降低難度，這里將以上氣體流動視為以后總準穩(wěn)定流動來研究。也就是說，在任意時刻，氣流流過氣門閥的流動都是穩(wěn)定流動。

2.4 進、排氣系統(tǒng)模型參數(shù)

空氣濾清器的空氣動力學性能與它的幾何尺寸和進排口的壓降有關。壓力降由實驗測試而得。同時，軟件在進行氣道模擬時，需要對長度和壓力波的相位進行考慮。由于流量系數(shù)對氣道形狀以及氣門的升程的影響，分別選擇進氣道入口位置直徑以及排氣道出口位置的直徑。

在BOOST模型中建立簡化模型。進排氣道的模擬模型均是一條直線，通過三維軟件計算出缸蓋的三維模型的氣道長度以及直徑，用以確定模擬氣道各項參數(shù)，并將氣缸部分參數(shù)做相應調(diào)整。

同時，氣道并不完全是管道，氣體流速較大時，模擬值會產(chǎn)生誤差，這時就需要利用Zapf模型進行氣道傳熱計算，其對應的管道的heat transfer factor可以設置為0。同時，還需要調(diào)整不同工況下的空燃比，并將實驗所得數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)中。

在BOOST和GT-POWER模型中，要先確定平均摩擦力損失功（FMEP），才能為接下來對有效燃油消耗率（BSFC）和平均有效壓力（BMEP）的計算打下基礎。所以，需要進行氣缸的反拖實驗，通過反拖實驗來確定整個系統(tǒng)的摩擦損失。

3 模型驗證

發(fā)動機BOOST模型建好后，要進行相應數(shù)據(jù)輸入、計算及調(diào)整，并對運行結果及實測數(shù)據(jù)進行比較。通過所建模型計算的數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)比較，來確認模型的可信度。由系統(tǒng)運行的扭矩模擬值與實驗測得值進行比較發(fā)現(xiàn)，扭矩趨勢基本吻合，誤差范圍平均控制在5%以內(nèi)，其中最大的誤差點出現(xiàn)在1500r/m，誤差是4.9%。這可能是模擬過程中的韋伯形狀參數(shù)、燃燒持續(xù)時間、燃燒起點以及實測數(shù)據(jù)處理等相關因素引起的。

圖3為2000r/m和5000r/m工況下，進氣道處和排氣道處模擬與實測的壓力波動比較。由圖3比較可得，BOOST模擬在進氣道的趨勢稍有區(qū)別，但是總體趨勢比較吻合，可以對發(fā)動機進行變參數(shù)計算。

圖3 2000轉時BOOST模擬和實測進氣道壓力波動對比

4 結論

本文主要利用BOOST依據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)來構建發(fā)動機的循環(huán)模擬模型。同時，在構建模型的過程中，為了模型的正確性，對模型部件的參數(shù)設置進行討論。通過運行模擬模型得出數(shù)據(jù)，進行扭矩、功率、燃油消耗率的實測值和模擬值的比較，得出結論。在選定的轉速下，模擬值和實測值的曲線趨勢一致且最大誤差不超過5%。因此，該模型具有可信度，可以用來進行發(fā)動機的變參數(shù)計算。循環(huán)模擬數(shù)值模型能夠準確反映長安某型的動力性、燃油經(jīng)濟性和有害排放物生成，達到了設計目的。

[1]蘇巖，李理光，肖敏，等.可變配氣相位對發(fā)動機性能的影響[J].汽車技術，2000，（10）：10-14.

[2]蘇巖，李理光，肖敏，等.國外發(fā)動機可變配氣相位研究進展一機構篇[J].汽車技術，1999，（6）：10-14.

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Numerical Simulation of Variable Timing Timing Mechanism of Gasoline Engine

WEN Senmiao
(Shanxi Traffic Vocational and Technical College, Taiyuan 030061)

The variable timing timing system is an important technical achievement for the development of the automotive industry. At present, it has been used as the most widely used technology to improve the performance of the engine. Inlet air flow in the inlet and valve near the resistance is greater, leading to a decline in the performance of the engine directly. Traditional engine air distribution system can only optimize the performance of the engine under certain conditions (such as high speed, high load). Compared to the traditional engine valve timing phase does not change the state, variable valve timing technology can be effective for all the operating conditions of the engine. This is of great benefit to improve the performance of the engine.

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