基于AVL-Boost的柴油機停缸性能仿真研究

安寧，裴玉姣，董輝，周雪凱

1. 內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2. 濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

停缸(斷缸)技術(shù)也稱為可變排量技術(shù)，是指發(fā)動機在部分負荷工作時，通過特定裝置切斷部分氣缸的燃油供給，使部分氣缸停止工作，增大其余工作氣缸負荷，提高發(fā)動機熱效率、降低油耗[1-2]。停缸技術(shù)還可以減少活塞環(huán)、氣門和渦輪增壓器的積碳，降低氣缸活塞組的磨損。

汽油機在部分負荷時燃油經(jīng)濟性較差，在不影響發(fā)動機動力輸出的情況下，在汽油機上應(yīng)用停缸技術(shù)可取得良好的節(jié)油效果[3-4]。解方喜等[5]研究了4缸汽油機停缸技術(shù)節(jié)油性能及能量分配，結(jié)果表明氣門過早或過遲關(guān)閉，發(fā)動機的傳熱損失、泵氣損失和摩擦損失均有所增加，壓縮上止點前曲軸轉(zhuǎn)角30°時氣門關(guān)閉，發(fā)動機燃油經(jīng)濟性較好；楊尚升等[6]研究表明，汽油機停缸模式下，能夠縮短工作缸的滯燃期和燃燒持續(xù)期，增大最高缸內(nèi)壓力和最大瞬時放熱率，降低燃燒循環(huán)變動。

目前對柴油機停缸技術(shù)的研究較少，本文中分析停缸技術(shù)節(jié)油原理，仿真研究某6缸柴油機在3個氣缸斷油同時停止氣門運動和斷油同時控制氣門開啟2種停缸模式對燃油消耗率的影響。

1 停缸技術(shù)節(jié)油原理

1.1 停缸工作模式

停缸技術(shù)影響發(fā)動機振動與噪聲，目前停缸技術(shù)主要應(yīng)用于6缸以上的多缸發(fā)動機[7]，當發(fā)動機在部分負荷運行時切換到停缸模式，使半數(shù)的氣缸停止工作。綜合考慮直列6缸柴油機的發(fā)火順序和發(fā)火均勻性，停缸技術(shù)主要有1-3-2缸或5-6-4缸工作2種模式。柴油機工作時，飛輪端的曲軸振幅較小，自由端的曲軸振幅較大，1-3-2缸工作時氣體力對系統(tǒng)扭振的影響較大；為減少振動，6缸柴油機最優(yōu)的停缸模式為1-3-2缸停缸，5-6-4缸工作[8]。

1.2 停缸策略確定

常用的4種停缸策略及優(yōu)、缺點如表1所示。

表1 停缸策略

發(fā)動機正常狀態(tài)和僅1-3-2缸停缸的燃油消耗率試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，停缸時發(fā)動機的燃油消耗率高于正常狀態(tài)。這是由于部分負荷工況的節(jié)氣門開度較小，由于節(jié)流作用，進氣道和氣缸的壓力降低，活塞下行需要克服活塞兩端的壓力差做功，造成發(fā)動機泵氣損失[9]，因此僅停缸而不控制氣門會造成氣門節(jié)流損失，油耗惡化，不能達到節(jié)油的目的。

圖1 正常狀態(tài)和部分氣缸停止工作時燃油消耗率對比

停缸同時停止不工作氣缸氣門運動的策略通過控制不工作氣缸的氣門開啟，能夠有效避免不工作氣缸氣門節(jié)流損失，降低泵氣壓力損失，提高發(fā)動機機械效率，降低發(fā)動機油耗[10]。通過初步分析比較，本文中選擇停缸同時停止氣門運動和停缸同時控制氣門開啟2種停缸策略進行仿真研究。

2 柴油機停缸技術(shù)仿真

2.1 停缸發(fā)動機模型的建立

某直列6缸柴油機基本技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 柴油機基本技術(shù)參數(shù)

根據(jù)柴油機、進排氣管路、中冷器、增壓器等基本參數(shù)和map數(shù)據(jù)建立的柴油機一維仿真模型如圖2所示。

圖2 發(fā)動機一維仿真模型

AVL-Boost是主要針對發(fā)動機氣體交換和熱力性能分析的模塊軟件，在發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計階段能預(yù)測發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)性能[11-12]。應(yīng)用AVL-Boost軟件建立柴油機整機模型后，輸入或選取各部件參數(shù)，進行全局、氣缸、增壓器和中冷器等的設(shè)置[13]。

在AVL-Boost模型基礎(chǔ)上，將1-3-2缸的噴油量設(shè)為0 mg，燃燒模型選擇Motored模型，根據(jù)停缸的試驗結(jié)果，對模型進行標定，功率和燃油消耗率的仿真與試驗結(jié)果對比如圖3所示。由圖3可知，仿真與試驗數(shù)據(jù)接近，模型精度滿足計算要求，可用于計算分析。

a)功率 b)燃油消耗率圖3 功率和燃油消耗率仿真與試驗對比

在AVL-Boost模型上仿真實現(xiàn)停缸同時停止氣門運動和停缸同時控制氣門開啟，通過設(shè)置進、排氣模塊中的氣門升程為0 mm，關(guān)閉氣門，仿真氣門運動停止；停缸時修改進、排氣模塊中氣門升程，控制氣門在所有行程中開啟(氣門避閥時關(guān)閉除外)，仿真控制氣門開啟。

2.2 停止氣門運動的仿真分析

正常狀態(tài)、停缸不控制氣門運動以及停缸停止氣門運動3種狀態(tài)下燃油消耗率、泵氣壓力的仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，與停缸時不控制氣門運動相比，停缸時氣門關(guān)閉能有效降低泵氣壓力，減小泵氣損失，降低油耗；與原機正常狀態(tài)相比，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，停缸時氣門關(guān)閉，泵氣壓力升高，油耗升高。

a)燃油消耗率 b)泵氣壓力圖4 正常狀態(tài)、停缸不控制氣門運動、停缸停止氣門運動3種狀態(tài)下性能仿真

正常狀態(tài)、停缸時工作缸與非工作缸的缸壓對比如圖5所示。由圖5可知：停缸時工作氣缸的爆發(fā)壓力高于正常狀態(tài)，其壓力線所圍面積即指示功也大于原機；非工作的氣缸由于沒有燃燒，缸內(nèi)壓力峰值較小。

圖5 正常狀態(tài)、停缸時工作缸與非工作缸壓對比

正常狀態(tài)、停缸不控制氣門與停缸同時氣門關(guān)閉時的輸出轉(zhuǎn)矩如圖6所示。由圖6可知：由于停缸后著火間隔角增大，且爆發(fā)壓力高，使停缸時柴油機的輸出轉(zhuǎn)矩頻率減小，波幅增加，說明柴油機振動加劇。停缸同時氣門全關(guān)策略能夠降低高轉(zhuǎn)速的油耗，但是降幅不大；低轉(zhuǎn)速時油耗升高，因此該停缸策略不適用于該柴油機。

圖6 正常狀態(tài)、停缸和停缸同時氣門關(guān)閉時輸出轉(zhuǎn)矩

2.3 控制氣門開啟的仿真分析

停缸控制氣門開啟的活塞位移和氣門升程，除考慮氣門避閥的影響，在活塞運行至上止點附近時將氣門關(guān)閉外，氣門在所有行程中保持開啟。停缸控制氣門開啟時，工作氣缸的氣門升程不變，停缸斷油的氣缸代入新的氣門升程進行仿真計算。

正常狀態(tài)、停缸不控制氣門運動以及停缸控制氣門開啟3種狀態(tài)下燃油消耗率、泵氣損失如圖7所示。由圖7可知，停缸控制氣門開啟策略，能夠降低泵氣壓力，降低油耗。

a)燃油消耗率 b)泵氣壓力圖7 正常狀態(tài)、停缸不控制氣門運動、停缸控制氣門開啟3種狀態(tài)下性能仿真

停缸時非工作缸進、排氣質(zhì)量流量曲線如圖8所示。由圖8可知：活塞上行時，缸內(nèi)氣體通過氣門排出缸外，可以降低缸內(nèi)壓力，減小活塞推出功損失；活塞下行時，進、排氣管內(nèi)的氣體進入氣缸，推動活塞做功，降低整個循環(huán)內(nèi)泵氣壓力。

正常狀態(tài)和停缸控制氣門開啟的缸壓對比如圖9所示。由圖9可知，停缸后的非工作氣缸壓力較低，工作氣缸壓力峰值高于正常狀態(tài)，指示功大于原機。

圖8 停缸時非工作缸進、排氣質(zhì)量流量曲線 圖9 正常狀態(tài)和停缸控制氣門開啟的缸壓對比

3 結(jié)論

1)停缸同時停止氣門運動的策略能夠降低泵氣損失，雖然高轉(zhuǎn)速時油耗略降，但低轉(zhuǎn)速時油耗上升，整體油耗仍比原機高，且振動加劇，該策略不適用于直列6缸柴油機。

2)停缸同時控制氣門開啟的策略能夠有效降低泵氣壓力和油耗，實現(xiàn)節(jié)油的目標。