（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

隨著汽油機(jī)的高速化，配氣相位固定不變的缺點(diǎn)越來越突出，如高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷與小負(fù)荷汽油機(jī)的性能之間，矛盾越來越突出。為了獲得不同轉(zhuǎn)速下適合的配氣相位，解決發(fā)動機(jī)在高低轉(zhuǎn)速、大小負(fù)荷性能之間的矛盾，現(xiàn)在越來越多的發(fā)動機(jī)上采用可變配氣相位機(jī)構(gòu)。

GT-POWER軟件采用現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)技術(shù)等最新開發(fā)的關(guān)于內(nèi)燃機(jī)性能模擬與仿真軟件，是目前國內(nèi)外汽車廠和內(nèi)燃機(jī)制造公司理想的實(shí)驗(yàn)?zāi)M工具。

本文以一臺465QE廢氣渦輪增壓汽油機(jī)為例，對進(jìn)、排氣配氣相位進(jìn)行優(yōu)化研究。本次優(yōu)化研究是基于GT-POWER軟件為研究工具建立模型，經(jīng)過計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)、排氣配氣相位的最佳值，最終使配氣相位得到最佳優(yōu)化。

1 可變配氣相位技術(shù)簡介

根據(jù)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等參數(shù)的變化，來調(diào)節(jié)合適的配氣相位，發(fā)動機(jī)不僅能獲得很好的充量系數(shù)，而且還能改善發(fā)動機(jī)動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)。傳統(tǒng)的汽油機(jī)的氣門開啟和關(guān)閉，是由凸輪驅(qū)動和控制的，其配氣相位是固定不變的，這樣的話，就不能夠在各種情況下提供出最佳正時，汽油機(jī)的性能潛力就不能夠得到完全地發(fā)揮[1~3]。

若采用可變配氣相位技術(shù)，則可以使汽油機(jī)在不同工況下采用不同的配氣相位，以此來滿足汽油機(jī)在高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷與小負(fù)荷時的要求，從整體上去提高汽油機(jī)的綜合性能。同時，增壓汽油機(jī)的試驗(yàn)表明：氣門疊開角每增加10°（CA），活塞平均溫度降低4℃。合理地增大氣門疊開角，除了可降低發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷以外，還有利于增大充量系數(shù)和降低排氣溫度，改善了渦輪的工作條件[4~5]。

可變配氣相位有很多種形式，一般按照驅(qū)動方式分為機(jī)械式和電控?zé)o凸輪式兩類。目前使用比較廣泛的方法，還是使用機(jī)械式的方法調(diào)節(jié)配氣相位，用改變凸輪機(jī)構(gòu)或氣門正時的方法來改變氣門正時、氣門升程或氣門持續(xù)角。

2 優(yōu)化方法的選擇

本型LJ465QE增壓汽油機(jī)，大部分時間工作在中、低速和中、低負(fù)荷區(qū)。低速時，扭矩的改善，將可以降低汽油機(jī)的最低轉(zhuǎn)速，因此能夠擴(kuò)大轉(zhuǎn)速范圍，還能夠提高汽油機(jī)的怠速穩(wěn)定性，并進(jìn)一步降低本汽油機(jī)的油耗。故在本型LJ465QE增壓汽油機(jī)上，應(yīng)用可變配氣相位技術(shù)，可以提高中、低負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩，增加高速工況下的最大功率。

綜合參考目前國內(nèi)外可用的可變配氣相位技術(shù)的特點(diǎn)，本文選用的可變配氣相位技術(shù)是：在保持進(jìn)排氣門升程特性和持續(xù)期不變的條件下，改變氣門開啟時的曲軸角度。

選用這種技術(shù)，是因?yàn)椋焊鶕?jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)，對進(jìn)氣和排氣凸輪軸實(shí)行調(diào)節(jié)相位，能夠非常顯著地提高汽油機(jī)的性能。這類機(jī)構(gòu)在國外也有了非常成熟的機(jī)構(gòu)，這也驗(yàn)證了這種組合方式的可行性。同時若采用這種組合方式，則對原汽油機(jī)的改動不多，只需加一套附加機(jī)構(gòu)，同時不需要對原有凸輪軸作太大的改動，相對而言較好實(shí)現(xiàn)，原理也相對簡單[6]。

3 優(yōu)化模型建立

本文對進(jìn)排氣配氣相位的優(yōu)化計(jì)算，采用GT-POWER軟件自帶的“Optimizer”模塊進(jìn)行。進(jìn)氣閥門和排氣閥門模塊，在GT-POWER軟件中可設(shè)定為“Cam Timing Angle”參數(shù)?！癈am Timing Angle”參數(shù)能夠決定排氣門開啟角（EVO）、排氣門關(guān)閉角（EVC）、進(jìn)氣門開啟角（IVO）、進(jìn)氣門關(guān)閉角（IVC）。這個參數(shù)在數(shù)值上，等于氣門最大升程時的凸輪轉(zhuǎn)角，即氣門最大升程時曲軸轉(zhuǎn)角的一半。

由于進(jìn)、排氣配氣正時，能夠?qū)ζ蜋C(jī)的充氣效率起到很重要的影響，因此配氣相位的優(yōu)化在GT-POWER軟件中，表現(xiàn)為進(jìn)排氣閥門模塊中的“Cam Timing Angle”參數(shù)值的優(yōu)化。原機(jī)的“Cam Timing Angle”進(jìn)氣閥門設(shè)定為 460°（CA），排氣閥門設(shè)定為250°（CA）。優(yōu)化變量設(shè)定為“進(jìn)氣Cam Timing Angle”（簡稱“intake-time”）和“排氣 Cam Timing Angle”（簡稱“exhaust-time”）這兩個變量，優(yōu)化的目標(biāo)設(shè)定為“扭矩最大”，優(yōu)化的范圍設(shè)定為“±20°（CA）”，步長設(shè)定為“0.5°（CA）”。

本論文僅研究在外特性下的可變配氣相位隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。

4 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果及分析

優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，如表1所示。

表1 可變配氣相位優(yōu)化結(jié)果

分析表1發(fā)現(xiàn)，在低速段（1 000～3 500 r/min）應(yīng)適當(dāng)提前開閉進(jìn)氣門和延遲開閉排氣門；在中速段（4 000～5 000 r/min）進(jìn)排氣正時角基本不需要調(diào)整，維持原機(jī)的參數(shù)即可；在高速段（5 600～6 250 r/min）應(yīng)適當(dāng)延遲開閉進(jìn)氣門，排氣門正時基本維持不變。

優(yōu)化配氣相位后的計(jì)算對比如圖1所示。

圖1 配氣相位優(yōu)化方案與原機(jī)方案的性能對比圖

對圖1的分析可知：在低速段（1 000～3 000 r/min）增壓基礎(chǔ)再加上可變配氣正時后，汽油機(jī)的充氣效率、扭矩和功率都較單純的增壓和原機(jī)都有大幅度增加；在中速段（3 500～5 000 r/min）增壓基礎(chǔ)再加上可變配氣正時后，汽油機(jī)的充氣效率、扭矩和功率較單純增壓略微提高；在高速段（5 600～6 250 r/min）增壓基礎(chǔ)再加上可變配氣正時后，汽油機(jī)的扭矩和功率，都較單純增壓和原機(jī)都有大幅度增加，但充氣效率略微有所提高。整體來看，優(yōu)化后增壓汽油機(jī)的性能，在低速段和高速段改善得相對中速段要明顯，其中充氣效率、功率、扭矩的最大增加量，分別為13.4%、20.2%和19.7%，增壓汽油機(jī)的性能得到很大的提高。

5 結(jié)束語

在本章完成了可變配氣相位優(yōu)化的工作，配氣相位優(yōu)化后得到以下結(jié)論：

其一，是在低速段（1 000～3 500 r/min）應(yīng)該適當(dāng)提前開閉進(jìn)氣門和延遲開閉排氣門；在中速段（4 000～5 000 r/min）進(jìn)排氣正時角基本不需要調(diào)整，維持原機(jī)的參數(shù)即可；在高速段（5 600～6 250 r/min）應(yīng)該適當(dāng)延遲開閉進(jìn)氣門，而排氣門正時基本維持不變。

其二，是經(jīng)過對配氣相位的優(yōu)化，優(yōu)化后增壓汽油機(jī)的性能在低速段和高速段改善得相對中速段要明顯，其中充氣效率、功率、扭矩的最大增加量，分別為13.4%、20.2%和19.7%，增壓汽油機(jī)性能參數(shù)更進(jìn)一步得到改善。

[1]Martain Scheidt.Timed to perfection-the variable cam timer:technology for clean exhausts and a greener environment[J].Engine Technology International，2001，(3)：62-65.

[2]李理光，肖 敏.車用高速汽油機(jī)電控可變配氣系統(tǒng)[J].汽車工程，2001，(4)：274-278.

[3]肖 敏，李理光，曾朝陽.可變配氣相位對發(fā)動機(jī)性能的影響[J].機(jī)車技術(shù)，2000，(1)：10-14.

[4]張德惠.連續(xù)可變相位配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2005，(12)：78-79.

[5]姚春德，劉小平.基于模糊PID控制的可變配氣相位控制系統(tǒng)仿真研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2007，(9)：1025-1029.

[6]褚超美，等.進(jìn)排氣管結(jié)構(gòu)與配氣系統(tǒng)匹配對汽油機(jī)性能的影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2003，(5)：55-58.