王軍，雷蕾，張超，王宏大，路明

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

可變進氣歧管及VVT技術(shù)在發(fā)動機上的應(yīng)用

王軍，雷蕾，張超，王宏大，路明

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

以AVL BOOST 和EXCITE Timing Drive等軟件為平臺，對某汽油機進行了優(yōu)化設(shè)計，完成了可變進氣歧管匹配/凸輪及正時優(yōu)化，達到了設(shè)計目標。

可變進氣歧管；VVT；優(yōu)化設(shè)計

Abstract:Taking AVL BOOST and EXCITE Timing Drive software as a platform, optimization design for a gasoline engine was carried out. The matching of the variable intake manifold, and optimizztion of the cam and timing were finished. The design goals are achieved.

Keywords:Variable intake manifold; VVT; Optimization design

0 引言

隨著國家節(jié)能政策越來越嚴格，提高動力性的同時要很好地關(guān)注經(jīng)濟性，為此某公司在某型號發(fā)動機上加裝可變進氣歧管及VVT裝置，以更好地提升動力性和經(jīng)濟性，為消費者提供駕乘樂趣的同時節(jié)省更多的成本。

由于在進氣過程具有間歇性和周期性，使進氣歧管內(nèi)產(chǎn)生一定幅度的壓力波，此壓力波以聲速在進氣系統(tǒng)內(nèi)傳播和往返反射?？勺冞M氣歧管就是充分利用進氣波動效應(yīng)和盡量縮小發(fā)動機在高、低轉(zhuǎn)速下的進氣速度的差別，從而達到改善發(fā)動機經(jīng)濟性及動力性的目的，因此要求發(fā)動機在高速、大負荷時用粗短的進氣歧管，在中低轉(zhuǎn)速和中小負荷用較長的進氣歧管。

發(fā)動機可變氣門正時技術(shù)是根據(jù)發(fā)動機的運行情況，調(diào)整進排氣的量和氣門開合時間、角度，使進入的空氣量達到最佳，提高燃燒效率及燃油經(jīng)濟性。

文中主要介紹了某公司正在開發(fā)的一款發(fā)動機，運用可變進氣歧管很好地提升中低速動力性及運用VVT技術(shù)提高燃油經(jīng)濟性。

1 計算模型的建立

1.1 模型搭建

圖1是發(fā)動機的BOOST的計算模型。環(huán)境氣體從邊界SB1吸入，通過管1到穩(wěn)壓腔PL4再經(jīng)管26到空濾器CL1，再通過管27后分兩路，一路通過管28連接到穩(wěn)壓腔PL25，一路通過管25進入節(jié)氣門R1，出來再通過管2接入進氣歧管的諧振腔，進氣歧管的諧振腔用PL1代替。管子3—10代表進氣歧管和氣道，通過氣道將氣引到氣缸C1—C4。

考慮排氣歧管較短，將排氣歧管和排氣道簡化成11—18，交界處分別用R2—R5連接，缸1、4和缸2、3通過管15、18及管16、17交于J1和J2，再通過管19、20匯集到J3，然后經(jīng)過管21連接到CAT1，再通過管道22連到諧振腔PL2，出來經(jīng)管23連接到PL3，最后由管24通向大氣邊界SB2。

1.2 邊界條件的確定

1.2.1 壓力損失

為了發(fā)動機達到更好的性能，進氣系統(tǒng)的壓力損失、排氣背壓要盡可能地小。

在計算模擬中，假設(shè)了下列的壓力損失(一般發(fā)動機應(yīng)可以達到)：

進氣系統(tǒng)的壓力降：<4 kPa(標定點);

排氣背壓：<50 kPa(標定點)。

1.2.2 發(fā)動機的摩擦

pIME為指示平均有效壓力，考慮了熱量損失、泵氣損失。

pBME為制動平均有效壓力。

三者的關(guān)系為：pBME=pIME-pFME

pFME可以通過測量pIME和pBME來得到。在下列計算中采用了試驗測得的發(fā)動機摩擦水平，并對發(fā)動機的換氣進行優(yōu)化，即使有一定偏差，也不會影響優(yōu)化結(jié)果[2]。

1.2.3 氣道流量系數(shù)

流量系數(shù)μσ是指實際流量和理論流量的比值，量綱為一。

實際流量mmean是在指定壓降下，測量在不同氣門升程下的流量。

卵巢癌為婦科常見惡性腫瘤之一，其死亡率位于婦科惡性腫瘤之首[1]，隨著年齡的增長，發(fā)病率明顯增高，嚴重威脅婦女健康，卵巢癌的預(yù)后同臨床分期緊密聯(lián)系，由于各種因素影響，至今缺乏有效的診斷方法，發(fā)現(xiàn)的卵巢癌多數(shù)已經(jīng)處于晚期[2]，存活率仍較低，卵巢癌及早診治能明顯提高患者的生存率，因此早期診斷卵巢癌對于患者預(yù)后的改善得尤為重要。

理論流量mth是通過理論計算得到在不同氣門面積下的流量。

μσ=mmean/mth

式中：mmean單位為kg/s；mth單位為kg/s；Av為氣門座面積(m2)；Δp為壓力降(Pa)；ρm為平均密度(kg/m3)。

氣道的流通特性需要通過氣道穩(wěn)流試驗臺架進行測量，實際測量得到的流量和壓差通過換算轉(zhuǎn)換成流量系數(shù)。如果沒有試驗測量手段，當氣道的形狀與一個已知流通特性的氣道結(jié)構(gòu)相似時，也可以根據(jù)相似原理，采用量綱一的氣門升程定義方法，對氣道的流通特性進行定義。當然，也可以通過CFD分析軟件，通過三維建模分析方法計算得到氣道的流量系數(shù)。進、排氣道的流量系數(shù)μσ作為循環(huán)模擬計算輸入值，會影響到充氣效率和泵氣損失。

1.2.4 氣門升程曲線

發(fā)動機VVT技術(shù)已成為提高發(fā)動機性能的必要手段之一，VVT技術(shù)的應(yīng)用可適當解決如何保證低轉(zhuǎn)速的扭矩輸出和高轉(zhuǎn)速時的功率輸出及在這些工況下的燃油消耗問題。該技術(shù)的特點是可變氣門正時不能改變氣門開啟持續(xù)時間，只能控制氣門提前打開或者推遲關(guān)閉的時刻。但這種技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，所以應(yīng)用比較廣泛。

氣門正時影響充氣效率，從而影響扭矩特性、高壓循環(huán)的指示效率和發(fā)動機的泵氣損失。IVC遲關(guān)有利于充分利用氣體運動動量，提升充氣效率，但過遲會發(fā)生倒流。EVO遲開有利于充分利用氣體膨脹功能量，但同時會增加泵氣損失功。所以正時是優(yōu)化發(fā)動機性能的重要參數(shù)[3]。

1.2.5 燃燒數(shù)據(jù)

隨著發(fā)動機工況的改變，燃燒放熱規(guī)律也是隨著變化的，并且燃燒特性的好壞對發(fā)動機性能有很重要的影響。熱力學(xué)循環(huán)計算需要輸入燃燒熱量釋放率曲線。在數(shù)學(xué)上，該曲線可以通過VIBE函數(shù)來模擬，VIBE函數(shù)的主要參數(shù)為燃燒區(qū)間和形狀參數(shù)。燃燒熱量釋放率曲線影響缸內(nèi)壓力和溫度，從而影響了循環(huán)效率、爆發(fā)壓力和排氣溫度。

2 計算結(jié)果分析及方案的確立

2.1 排氣時刻的研究

排氣開啟和關(guān)閉時刻性能對比分別如圖2、3所示。

早開的EVO會影響膨脹功，在下個循環(huán)形成較大的缸內(nèi)負壓，影響油耗， 排氣關(guān)閉時刻會影響氣門重疊角。

2.2 進排氣重疊角(VO)的研究

進排氣重疊角性能對比見圖4。

氣門重疊角過小，會使廢氣流通不暢，導(dǎo)致缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)過大；氣門重疊角過大，會出現(xiàn)廢氣倒流，導(dǎo)致燃燒不良，性能降低。低速時進氣壓力較小，過大的重疊角會使廢氣回流到氣缸，影響燃燒。

2.3 進氣時刻的研究

進氣開啟和關(guān)閉時刻性能對比分別如圖5、6所示。

由于進氣的慣性作用，在活塞到達下止點后的壓縮沖程中，仍然有部分空氣進入氣缸，從而提高了充氣效率，對于低速進氣門早關(guān)有利于提高動力性，而對于高速由于進氣的速度比較大，進氣門遲關(guān)有利于提高進氣效率。進氣開啟角會影響氣門重疊角。

2.4 各個方案的建立

以進氣歧管和凸輪軸為優(yōu)化目標，假設(shè)以下兩種方案進行優(yōu)化計算：

方案一：已知輸入為進氣歧管長度，長管580 mm，短管330 mm，優(yōu)化部件為凸輪軸及正時；

方案二：已知輸入為原自然進氣凸輪軸，優(yōu)化部件為進氣歧管長度。

氣門升程優(yōu)化方案對比和長短歧管長度優(yōu)化方案對比分別如圖7、8所示。

3 結(jié)論

(1)方案一計算結(jié)果，使用已有的進氣歧管(長管580 mm，短管330 mm)，優(yōu)化凸輪軸及正時，性能指標滿足設(shè)計要求，優(yōu)化后的型線見圖9。

(2)方案二計算結(jié)果，使用已有的進氣凸輪軸，優(yōu)化可變進氣歧管長度，結(jié)果為長管600 mm，短管350 mm。

根據(jù)計算結(jié)果，將分別生產(chǎn)歧管和凸輪軸樣件進行試驗驗證。

【1】 奧地利AVL公司.BOOST User’Guide[M],2008.

【2】 周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1998:20-22.

【3】 付秋陽.配氣正時與凸輪型線優(yōu)化設(shè)計的方法與實現(xiàn)[C]//2007年AVL用戶大會論文集，2007:154-157.

【4】 周旭.配氣正時對發(fā)動機工作的影響[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(30)：66.

ApplicationofVariableIntakeManifoldandVVTTechnologyontheEngine

WANG Jun, LEI Lei, ZHANG Chao, WANG Hongda, LU Ming

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Heifei Anhui 230601, China)

2014-03-24

王軍(1979—)，男，碩士，工程師，研究方向為內(nèi)燃機工作過程。E-mail:wj.dly.jszx@jac.com.cn。