張全逾 陳毅曼 茂立梅 彥利 承德石油高等?？茖W(xué)校

天然氣專用發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪的優(yōu)化*

張全逾 陳毅曼 茂立梅 彥利 承德石油高等?？茖W(xué)校

建立天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模擬仿真模型，分析氣門重疊角、進(jìn)氣遲閉角、排氣提前角對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律，得出配氣相位的優(yōu)化結(jié)果。依據(jù)優(yōu)化后的配氣相位重新設(shè)計(jì)了凸輪型線，并新加工了凸輪軸，在臺(tái)架上對(duì)重新更換凸輪軸的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。從優(yōu)化前、后的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，配氣凸輪經(jīng)優(yōu)化后天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性提高約5%，燃?xì)庀穆式档?%，NOx排放率大幅降低。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；配氣凸輪；模型；優(yōu)化

配氣凸輪是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其性能的好壞對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)有重要影響，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣凸輪勢(shì)在必行。首先建立天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模擬仿真模型，分析氣門重疊角、進(jìn)氣遲閉角、排氣提前角對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律，得出配氣相位的優(yōu)化結(jié)果。最后加工新凸輪軸并更換到天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上，在臺(tái)架上對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 建立仿真模型

1.1 一維工作模型的建立

運(yùn)用AVL公司的BOOST軟件建立天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)一維工作模型，模型參數(shù)均根據(jù)實(shí)際測(cè)試選取，較難通過實(shí)測(cè)的部分參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取。建立的一維工作模型如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)一維工作模型

1.2 一維工作模型的驗(yàn)證

通過調(diào)整模型參數(shù)，對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)選取9個(gè)轉(zhuǎn)速（900、1100、1300、1500、1700、1900、2100、2300、2500r/min）來進(jìn)行仿真計(jì)算外特性，并與實(shí)際測(cè)量值作對(duì)比。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)其功率、扭矩、耗氣量等特性參數(shù)的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的誤差除怠速油耗誤差在6%外，其他均在5%以內(nèi)，可以認(rèn)為此模型基本符合原機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作過程，模型可用。

2 配氣相位的優(yōu)化

配氣相位中對(duì)充氣效率影響較大的參數(shù)有氣門重疊角、進(jìn)氣遲閉角、排氣提前角，本文就這3個(gè)參數(shù)在全負(fù)荷工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，最終得到了合適的配氣相位。

2.1 氣門重疊角的優(yōu)化

較大的氣門重疊角有利于掃除缸內(nèi)的殘余廢氣，增加氣缸充量，同時(shí)還有助于降低燃燒室內(nèi)氣缸蓋、排氣門、活塞頂、缸套的溫度。但對(duì)采用缸外預(yù)混合的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)來說采用較大氣門重疊角，一方面會(huì)增加HC的排放，造成燃料的浪費(fèi)；另一方面未燃HC流經(jīng)高溫的排氣管和渦輪時(shí)，有可能產(chǎn)生后燃現(xiàn)象，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫，降低排氣系統(tǒng)的可靠性。為此設(shè)計(jì)出以下5種重疊角的配氣相位方案：30°、20°、10°、5°、0°CA。分別將5種配氣相位輸入所建立的工作模型，經(jīng)計(jì)算得到不同重疊角方案的外特性曲線。

從外特性曲線可以看出，隨氣門重疊角的減小，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩總體呈下降趨勢(shì)，但不成線性比例關(guān)系。這一點(diǎn)也可以從充氣效率的曲線對(duì)比來直觀地印證，說明較大的重疊角確實(shí)對(duì)廢氣的掃除有利，從而利于提高充氣效率。對(duì)燃?xì)庀穆蕘碚f，減小氣門重疊角意味著直接排放的HC可以減少，這樣利于減小耗氣率。但另一方面，隨重疊角的減小，殘余廢氣系數(shù)增大，使得燃燒變得惡化，這樣會(huì)增加耗氣率。從計(jì)算結(jié)果可以看出，燃燒惡化導(dǎo)致的耗氣率增大，最終致使燃?xì)庀穆孰S重疊角減小而增大。綜合考慮動(dòng)力性和排放性能最終選取了5°CA的氣門重疊角。

2.2 進(jìn)氣遲閉角的優(yōu)化

為了選擇一個(gè)較為合適的進(jìn)氣遲閉角，這里選取5種方案，分別為下止點(diǎn)后41.65°、45.65°、49.65°、53.65°、57.65°CA。模型計(jì)算結(jié)果表明，隨進(jìn)氣遲閉角的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩減小較明顯，燃?xì)庀穆试黾?。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)氣遲閉角增大到一定角度后將會(huì)發(fā)生進(jìn)氣倒流現(xiàn)象，并且越來越嚴(yán)重，這樣會(huì)使充氣效率逐漸減小，對(duì)于缸外預(yù)混合的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)來說這意味著燃料的供給減小并同時(shí)造成耗氣率的增大?？紤]到減小氣門重疊角時(shí)采取了減小進(jìn)氣提前角的方法，為了不使進(jìn)氣凸輪工作段半包角減小過多，選取41.65°CA的進(jìn)氣遲閉角。

2.3 排氣提前角的優(yōu)化

排氣提前角影響做功沖程的膨脹功損失和排氣沖程的推出損失，對(duì)缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)也有非常大的影響，而殘余廢氣系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有很大影響，因此要選擇一個(gè)最佳值。這里選取5種排氣提前角方案：分別為下止點(diǎn)前52.35°、56.35°、60.35°、64.35°、68.35° CA。模型計(jì)算結(jié)果表明，隨排氣提前角的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩略有降低，燃?xì)庀穆事杂性黾?。這是因?yàn)樵?2.35°CA的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大排氣提前角會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹功逐漸減小，同時(shí)排氣時(shí)的泵氣損失也隨之減小，且膨脹功的減小量逐漸大于泵氣損失的減小量，這樣導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率減小而燃?xì)庀穆试黾?。因此這里選用52.35° CA排氣提前角。

2.4 對(duì)優(yōu)化結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)優(yōu)化后的配氣相位重新設(shè)計(jì)了凸輪型線，并新加工了凸輪軸，在臺(tái)架上對(duì)重新更換凸輪軸的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。從優(yōu)化前、后的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，配氣凸輪經(jīng)優(yōu)化后天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性提高約5%，燃?xì)庀穆式档?%，NOx排放率大幅降低。

3 結(jié)論

通過對(duì)配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性均得到了提高。

采用BOOST軟件建立天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一維工作模型，對(duì)配氣凸輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以大大節(jié)約開發(fā)周期，其模擬計(jì)算精度基本滿足工程需要。

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.068

基金論文：河北省教育廳資助科研項(xiàng)目（Z2014174）。