摘要：通過仿真計(jì)算的方式，對某款四缸小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化及其改裝技術(shù)進(jìn)行研究。經(jīng)研究可知，在對此類發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行中低速性能優(yōu)化的過程中，進(jìn)氣歧管長度、管徑、壓損、凸輪線型與相位優(yōu)化是最為關(guān)鍵的改裝技術(shù)措施。研究結(jié)論可以為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)改裝技術(shù)的合理應(yīng)用及其性能優(yōu)化效果的提升提供一定參考。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；仿真計(jì)算；歧管長度；歧管管徑；改裝技術(shù)

中圖分類號(hào)：U464 收稿日期：2024-01-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.011

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化需求

在當(dāng)今的低碳環(huán)保理念下，能耗與排放的優(yōu)化已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中重點(diǎn)關(guān)注的一項(xiàng)內(nèi)容。因此，作為汽車運(yùn)行中主要的耗能與排放設(shè)備，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)化也受到了相關(guān)企業(yè)、研究者和技術(shù)人員的高度重視。就目前的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能改造來看，燃燒噴射結(jié)構(gòu)的合理改裝是一個(gè)主要策略。

采用信息化系統(tǒng)對其噴油頻率和噴油時(shí)間進(jìn)行合理計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與改裝處理，使氣缸中的油和氣平衡混合[1]。通過這樣的方式，可顯著降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的能耗及其有害氣體排量，從而為現(xiàn)代汽車的低碳環(huán)保發(fā)展提供有力支持。

在具體的性能優(yōu)化與改裝設(shè)計(jì)過程中，為進(jìn)一步簡化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，降低樣機(jī)試驗(yàn)方面的工作量，并為后續(xù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化及其改裝質(zhì)量提升提供科學(xué)指導(dǎo)，研究者可通過數(shù)字化仿真計(jì)算模型建立的方式來實(shí)施汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化的仿真模擬和計(jì)算分析，從而使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的中低速性能得到合理優(yōu)化。這對于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的提升、運(yùn)行質(zhì)量的保障，以及現(xiàn)代汽車的低碳節(jié)能化發(fā)展具有積極影響。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化計(jì)算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

本次研究，主要通過單區(qū)燃燒模型對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程與影響因素變化進(jìn)行計(jì)算分析。具體分析時(shí)，將理想氣體方程、質(zhì)量守恒定律以及能量守恒定律作為依據(jù)，確定以下的數(shù)學(xué)模型：

在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造時(shí)，將廠家提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對其一維仿真分析模型進(jìn)行構(gòu)建，并通過該模型對其進(jìn)氣歧管長度、管徑與壓損進(jìn)行優(yōu)化，以此來優(yōu)化該發(fā)動(dòng)機(jī)的中低速性能[2]。對于其缸內(nèi)燃燒熱量釋放規(guī)律，可通過韋伯函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其公式為：

式中，x為燃料燃燒百分?jǐn)?shù)；α為曲軸轉(zhuǎn)角；m為燃燒中的品質(zhì)指數(shù)；y為無因次時(shí)間函數(shù)；[Δαc]為燃燒持續(xù)時(shí)間。

2.2 計(jì)算模型

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化及其改裝技術(shù)研究中，可通過一維熱力學(xué)模型的構(gòu)建來分析其中低速性能。就目前的一維熱力學(xué)仿真軟件來看，F(xiàn)lownex使最為常用的一款軟件?；诖耍蓪l(fā)動(dòng)機(jī)模型建立在該軟件中，以此來完成其中低性能的分析及其優(yōu)化仿真計(jì)算模擬。本次所研究的是四缸水冷型自然吸氣式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，其各個(gè)氣缸的點(diǎn)火順序是1#氣缸-3#氣缸-2#氣缸-4#氣缸。表1是該發(fā)動(dòng)機(jī)主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

在其計(jì)算模型構(gòu)建時(shí)，不僅要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將其結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入，還要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果將氣缸壁溫度、活塞頭部溫度以及氣缸蓋溫度等熱力學(xué)參數(shù)輸入。同時(shí)還需要通過專用穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)獲得其進(jìn)氣道以及排氣道中的流量系數(shù)。通過該仿真計(jì)算模型的建立，便可實(shí)現(xiàn)該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況的科學(xué)仿真模擬，從而為其性能優(yōu)化與相應(yīng)的改裝技術(shù)應(yīng)用提供有力參考。

2.3 模型驗(yàn)證

在通過該模型進(jìn)行計(jì)算、標(biāo)定以及分析之后，便可實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)模型的精準(zhǔn)獲取，并實(shí)現(xiàn)其動(dòng)力性能與缸壓曲線對比的科學(xué)模擬。經(jīng)模型計(jì)算可知，在1 000～6 000 r/min這一區(qū)間內(nèi)，經(jīng)模擬計(jì)算出的扭矩和實(shí)際測量修正之后的扭矩基本一致，其差值最大在0.6%左右。同時(shí)，其最大功率點(diǎn)5 500 r/min缸壓曲線也十分接近于實(shí)測值。由此可判斷出，本次所建立的模型計(jì)算精度很高。借助于該模型，便可對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行中低速性能的合理優(yōu)化。

3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化改裝技術(shù)方案

就目前的四缸小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來看，在對其中低速性能進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，進(jìn)氣歧管長度優(yōu)化、進(jìn)氣歧管管徑優(yōu)化、進(jìn)氣歧管壓損優(yōu)化、凸輪線型與相位優(yōu)化都是其改裝技術(shù)的主要實(shí)施策略?；诖?，在具體的性能優(yōu)化與改裝仿真模擬計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)以此為依據(jù)，結(jié)合實(shí)際情況，對其改裝技術(shù)方案進(jìn)行合理確定，以此來滿足其實(shí)際的性能優(yōu)化目標(biāo)。

3.1 進(jìn)氣歧管長度優(yōu)化

在分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管長度優(yōu)化時(shí)，主要將上述仿真計(jì)算模型作為基礎(chǔ)，對進(jìn)氣歧管管徑和壓損相同、僅長度不同的幾個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)模型扭矩及其運(yùn)行功率進(jìn)行仿真模擬。經(jīng)上述模型對該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其進(jìn)氣歧管的管徑與壓損均保持一致時(shí)，隨著進(jìn)氣歧管長度的不斷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)中低速區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)出顯著增大的變化趨勢，其轉(zhuǎn)矩最大點(diǎn)逐漸從高速平移向低速。而在其高速區(qū)域內(nèi)，在進(jìn)氣歧管長度的不斷增加中，扭矩則呈現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢。在進(jìn)氣歧管的不斷加長中，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率最大值有所下降，且下降幅度呈顯著逐漸增加的趨勢[3]。

經(jīng)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩處于5 000 r/min以下的情況時(shí)，隨著進(jìn)氣歧管長度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)功率呈現(xiàn)出的是逐漸增大的變化趨勢，即低速功率逐漸增加。根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的空間布設(shè)情況，并結(jié)合具體的仿真計(jì)算結(jié)果，本次性能優(yōu)化中，決定將原來長度是400 mm的進(jìn)氣歧管改裝為長度是560 mm的進(jìn)氣歧管，以此來滿足其實(shí)際的性能優(yōu)化需求。

3.2 進(jìn)氣歧管管徑優(yōu)化

同上文歧管長度優(yōu)化相似，在對該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其進(jìn)氣歧管的長度與壓損保持一致時(shí)，隨著進(jìn)氣歧管管徑的不斷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)高速區(qū)域內(nèi)的扭矩呈現(xiàn)出了逐漸增大的變化趨勢，低速區(qū)域內(nèi)的扭矩則呈現(xiàn)出了逐漸減小的變化趨勢；而隨著進(jìn)氣歧管管徑的不斷減小，發(fā)動(dòng)機(jī)中低速區(qū)域內(nèi)的扭矩呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，且扭矩最大點(diǎn)偏移向低速區(qū)域，高速區(qū)域內(nèi)的扭矩則呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢。同時(shí)，在進(jìn)氣歧管管徑的不斷增加中，高速區(qū)域內(nèi)的功率呈現(xiàn)出逐漸增加的變化趨勢，低速區(qū)域內(nèi)的功率呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢。

因該發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的中低速性能需要合理提升，且在此過程中還需要兼顧到高速區(qū)域內(nèi)的性能，所以在本次性能優(yōu)化中，研究者決定將原來管徑是29 mm的進(jìn)氣歧管改裝成管徑是31 mm的進(jìn)氣歧管，以此來滿足其實(shí)際的性能優(yōu)化需求。

3.3 進(jìn)氣歧管壓損優(yōu)化

同上文歧管長度優(yōu)化相似，在對該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其進(jìn)氣歧管的長度與管徑保持一致時(shí)，不同壓損對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的影響也存在較大差異性。因?yàn)闅怏w流動(dòng)中會(huì)伴隨著波動(dòng)效應(yīng)的產(chǎn)生，所以在整體的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程中，并不能僅對比其某一個(gè)轉(zhuǎn)矩角度條件下的進(jìn)氣歧管壓損比，而是應(yīng)該對比其整體進(jìn)氣過程中的壓損比平均值。基于此，本次性能優(yōu)化仿真分析中，將原來的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，對長度均為560 mm、管徑均為31 mm、只有進(jìn)氣歧管彎曲半徑不同的發(fā)動(dòng)機(jī)壓損進(jìn)行對比分析。經(jīng)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在彎曲半徑是（400+160）mm的情況下，其進(jìn)氣歧管的壓損值是2 983 Pa；在彎曲半徑是560 mm的情況下，其進(jìn)氣歧管的壓損值是53 007 Pa。由此可見，（400+160）mm彎曲半徑條件下的進(jìn)氣歧管壓損值比560 mm彎曲半徑條件下的進(jìn)氣歧管壓損值小[4]。

進(jìn)一步仿真模擬計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，不同壓損值對于該發(fā)動(dòng)機(jī)高速區(qū)域內(nèi)的影響更加顯著，其扭矩都呈現(xiàn)出了不同程度的上升趨勢，最大扭矩點(diǎn)是4 500 r/min，且（400+160）mm彎曲半徑的進(jìn)氣歧管較560mm彎曲半徑的進(jìn)氣歧管扭矩高出2.4 N·m左右。但是不同壓損值對于該發(fā)動(dòng)機(jī)低速區(qū)域內(nèi)的扭矩影響程度比較小，其扭矩基本沒有發(fā)生顯著變化[5]。同時(shí)，不同壓損值對于該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率也具有比較顯著的影響，其高速區(qū)域內(nèi)的功率呈現(xiàn)出不同程度的上升趨勢，最大功率點(diǎn)是6 000 r/min，且（400+160）mm彎曲半徑的進(jìn)氣歧管較560 mm彎曲半徑的進(jìn)氣歧管功率高出1 kW左右。但是不同壓損值對于該發(fā)動(dòng)機(jī)低速區(qū)域內(nèi)的功率影響程度比較小，其功率基本沒有發(fā)生顯著變化。

3.4 進(jìn)氣歧管優(yōu)化總結(jié)

將上述仿真模擬計(jì)算分析作為依據(jù)，結(jié)合該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用需求，在可供選擇的進(jìn)氣歧管中，選擇了長度是560mm、管徑是31mm的進(jìn)氣歧管。而在對其壓損進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使其和400 mm長度進(jìn)氣歧管的壓損接近。在此種改裝配置與組合模式下，該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能得到了有效提升。經(jīng)運(yùn)行仿真模擬分析發(fā)現(xiàn)，相比較改裝之前的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其扭矩提升了4.4 N·m左右，最大扭矩可達(dá)94.4 N·m，其扭矩點(diǎn)處在4 000 r/min處；功率提升了2.6 kW左右，最大功率可達(dá)49.6 kW，其功率點(diǎn)處在6 000 r/min處。

3.5 凸輪線型與相位優(yōu)化

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)化中，凸輪線型優(yōu)化和相位優(yōu)化也是最為重要的兩個(gè)優(yōu)化措施。其中，凸輪線型優(yōu)化主要是對其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行優(yōu)化；相位優(yōu)化主要是對其進(jìn)氣開閉角以及排氣開閉角進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)上述模型仿真模擬與計(jì)算分析之后發(fā)現(xiàn)，將該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原有的氣門升程作為基礎(chǔ)，按照提前5°對其進(jìn)氣開啟角進(jìn)行優(yōu)化改裝；按照提前15°對其進(jìn)氣遲閉角進(jìn)行優(yōu)化改裝；按照滯后10°對其排氣開啟角進(jìn)行優(yōu)化改裝，便可使該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)具有最高的中低速性能[6]。在通過上述措施進(jìn)行優(yōu)化改裝之后，該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩值是97.6 N·m，其扭矩點(diǎn)在4 500 r/min處；最大功率值是48.5 kW，其功率點(diǎn)在6 000 r/min位置。

4 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化改裝后的性能驗(yàn)證

為確定本次汽車發(fā)動(dòng)機(jī)改裝之后的性能優(yōu)化效果，在通過上述措施對仿真模型中的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改裝之后，研究者將具體的優(yōu)化數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改裝，并將改裝之后的發(fā)動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行試驗(yàn)，以此來驗(yàn)證其優(yōu)化改裝之后的實(shí)際性能。之后通過實(shí)際性能驗(yàn)證結(jié)果和模擬仿真計(jì)算結(jié)果的對比來判斷其性能優(yōu)化效果。表2為本次汽車發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化改裝后的性能驗(yàn)證及其仿真模擬結(jié)果對比情況。

通過以上的兩組數(shù)據(jù)對比分析可知，在本次的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化與改裝研究中，經(jīng)上述模型模擬分析的優(yōu)化改裝效果與實(shí)際優(yōu)化改裝效果基本一致。說明經(jīng)本次模擬仿真計(jì)算之后，確定的性能優(yōu)化與改裝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可充分滿足該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際中低速性能優(yōu)化需求，整體模擬分析的精準(zhǔn)性十分良好。

5 結(jié)語

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能改造是當(dāng)今汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域中最為關(guān)鍵的一項(xiàng)工作內(nèi)容?；诖?，生產(chǎn)企業(yè)、研究者與技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)情況及其應(yīng)用需求等，合理設(shè)計(jì)其性能優(yōu)化仿真模擬計(jì)算模型。將設(shè)計(jì)圖紙中的相關(guān)參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)等合理導(dǎo)入其中，通過主要結(jié)構(gòu)參數(shù)變化仿真模擬的方式來確定其性能優(yōu)化方案，并通過實(shí)體改裝的方式來驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。這樣不僅可有效簡化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)化及其改裝設(shè)計(jì)流程，同時(shí)也可以獲得足夠精準(zhǔn)的性能優(yōu)化效果，可充分滿足現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能優(yōu)化需求，促進(jìn)現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的低碳節(jié)能化發(fā)展。

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作者簡介：

顏天敏，女，1980年生，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等。