文森淼

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030061）

汽油機(jī)可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)的數(shù)值模擬

文森淼

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030061）

可變配氣正時(shí)系統(tǒng)是汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要的技術(shù)成果。目前，它已作為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能運(yùn)用的最廣泛通用技術(shù)運(yùn)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上。進(jìn)氣氣流在進(jìn)氣道和氣門附近受到的阻力較大，直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)，只能優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)在某些特定工況（如高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷）下的性能。相較傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣正時(shí)相位不改變的狀態(tài)，可變氣門正時(shí)技術(shù)可以有效適配發(fā)動(dòng)機(jī)所有運(yùn)作工況。這對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，具有十分明顯的好處。

可變配氣正時(shí)系統(tǒng) 數(shù)值模擬 發(fā)動(dòng)機(jī)

目前，可變正時(shí)氣門研究的主要方向?yàn)榭勺儦忾T零部件的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以及可變配氣正時(shí)系統(tǒng)的控制策略對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。通常既是本文所采用的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能模擬運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的研究途徑。這就要求建立正確的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型。

本課題可利用AVL BOOST軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建立模型，并通過循環(huán)模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比驗(yàn)證模型的正確性。本文主要利用一維發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)過程仿真軟件——AVL BOOST軟件，構(gòu)建長安某型發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模型，從而為以后的模型優(yōu)化工作打下基礎(chǔ)[1-4]。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本數(shù)據(jù)模型的建立

發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)模擬過程包括的相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試、各種理論基礎(chǔ)知識(shí)、循環(huán)試驗(yàn)方法以及技術(shù)手段的相互關(guān)系，如圖1所示。

圖1 循環(huán)數(shù)字模擬的原理和方法

在BOOST軟件中，構(gòu)建氣缸系統(tǒng)、進(jìn)排氣裝置的前處理模塊模型。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的充氣效率受氣門數(shù)的影響，所以在多氣門研究時(shí)設(shè)立比例因數(shù)k：

式中：n為進(jìn)、排氣門數(shù)；k為比例因數(shù)；dvi為進(jìn)、排氣門直徑；dpi為進(jìn)、排氣管徑。

進(jìn)氣系統(tǒng)：進(jìn)氣道、進(jìn)氣歧管、外界管、空濾器、容積腔。

排氣系統(tǒng)：排氣管、排氣歧管、排氣管、催化器、消聲器、排氣總管。

發(fā)動(dòng)機(jī)BOOST模型如圖2所示。其中，CL1為空氣過濾器總成；PL1為進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔；SB1、SB2為—系統(tǒng)邊界；I1～I(xiàn)4為模擬點(diǎn)火器；C1～C4為氣缸；CAT1為三元催化器；PL2、PL3為消聲器；3DG1～3DG3為多管道連接腔；MP1～MP6為測量點(diǎn)；R1～R20為限制點(diǎn)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)BOOST模型

一臺(tái)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)，在建模中需要的數(shù)據(jù)包括三類：結(jié)構(gòu)參數(shù)；熱力學(xué)參數(shù)，參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，如通過[氣道穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)]獲得進(jìn)排氣道的流量系數(shù)；傳熱系數(shù)，由AVL2000提出的經(jīng)驗(yàn)值獲得。建模時(shí)，所需各模塊的賦值為長安某型發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。

2 氣缸模型

氣缸模型是BOOST中最重要的一個(gè)模型。這是因?yàn)楣べ|(zhì)的進(jìn)入、壓縮、燃燒、排放等過程，都是氣缸與汽缸頭所形成的燃燒室產(chǎn)生，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作影響很大，運(yùn)行參數(shù)見下。

2.1 燃燒模塊參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱的過程是一個(gè)較為復(fù)雜的綜合放熱過程。求出燃燒放熱流率，是較為簡單的模擬燃燒過程的一種方法。在模擬仿真中，一個(gè)重要的步驟是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的模擬計(jì)算與優(yōu)化，這需要找到一個(gè)準(zhǔn)確的燃燒放熱率曲線。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，利用余弦函數(shù)與韋伯函數(shù)等，可以較為準(zhǔn)確地?cái)M合燃燒放熱率曲線。這里，利用BOOST模型，通過韋伯函數(shù)，進(jìn)行燃燒放熱率的測算。

單韋伯函數(shù)：

式中：Q為輸入燃料的總能量，m為燃燒品質(zhì)指數(shù)、α為曲軸轉(zhuǎn)角，α0為燃燒起始角，?ac為燃燒持續(xù)角，a為韋伯參數(shù)（完全燃燒a=6.908）。

2.2 缸內(nèi)傳熱模型參數(shù)

其中：Qwi為熱損失；Ai為換熱面積；αw為換熱系數(shù)；Tc為缸內(nèi)工質(zhì)的溫度；Twi為壁面溫度。

2.3 進(jìn)排氣流量系數(shù)

在BOOST模型測試中，把經(jīng)過進(jìn)氣道的質(zhì)量流率以及經(jīng)過小孔的氣流是等熵流動(dòng)作為假設(shè)的基礎(chǔ)來模擬分析。流量方程：

式中：p2為氣門后工質(zhì)壓力；k為絕熱指數(shù)。有效流通面積：

式中：μσ為流量系數(shù)；dvi為氣門座直徑。

可以知道，氣流在氣門附近的流動(dòng)不穩(wěn)態(tài)，因?yàn)闅忾T閥開度不斷變化產(chǎn)生壓力波動(dòng)，影響進(jìn)去的過程。為了模擬計(jì)算的方便和降低難度，這里將以上氣體流動(dòng)視為以后總準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)來研究。也就是說，在任意時(shí)刻，氣流流過氣門閥的流動(dòng)都是穩(wěn)定流動(dòng)。

2.4 進(jìn)、排氣系統(tǒng)模型參數(shù)

空氣濾清器的空氣動(dòng)力學(xué)性能與它的幾何尺寸和進(jìn)排口的壓降有關(guān)。壓力降由實(shí)驗(yàn)測試而得。同時(shí)，軟件在進(jìn)行氣道模擬時(shí)，需要對(duì)長度和壓力波的相位進(jìn)行考慮。由于流量系數(shù)對(duì)氣道形狀以及氣門的升程的影響，分別選擇進(jìn)氣道入口位置直徑以及排氣道出口位置的直徑。

在BOOST模型中建立簡化模型。進(jìn)排氣道的模擬模型均是一條直線，通過三維軟件計(jì)算出缸蓋的三維模型的氣道長度以及直徑，用以確定模擬氣道各項(xiàng)參數(shù)，并將氣缸部分參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整。

同時(shí)，氣道并不完全是管道，氣體流速較大時(shí)，模擬值會(huì)產(chǎn)生誤差，這時(shí)就需要利用Zapf模型進(jìn)行氣道傳熱計(jì)算，其對(duì)應(yīng)的管道的heat transfer factor可以設(shè)置為0。同時(shí)，還需要調(diào)整不同工況下的空燃比，并將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)中。

在BOOST和GT-POWER模型中，要先確定平均摩擦力損失功（FMEP），才能為接下來對(duì)有效燃油消耗率（BSFC）和平均有效壓力（BMEP）的計(jì)算打下基礎(chǔ)。所以，需要進(jìn)行氣缸的反拖實(shí)驗(yàn)，通過反拖實(shí)驗(yàn)來確定整個(gè)系統(tǒng)的摩擦損失。

3 模型驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)BOOST模型建好后，要進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算及調(diào)整，并對(duì)運(yùn)行結(jié)果及實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。通過所建模型計(jì)算的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)比較，來確認(rèn)模型的可信度。由系統(tǒng)運(yùn)行的扭矩模擬值與實(shí)驗(yàn)測得值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，扭矩趨勢基本吻合，誤差范圍平均控制在5%以內(nèi)，其中最大的誤差點(diǎn)出現(xiàn)在1500r/m，誤差是4.9%。這可能是模擬過程中的韋伯形狀參數(shù)、燃燒持續(xù)時(shí)間、燃燒起點(diǎn)以及實(shí)測數(shù)據(jù)處理等相關(guān)因素引起的。

圖3為2000r/m和5000r/m工況下，進(jìn)氣道處和排氣道處模擬與實(shí)測的壓力波動(dòng)比較。由圖3比較可得，BOOST模擬在進(jìn)氣道的趨勢稍有區(qū)別，但是總體趨勢比較吻合，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行變參數(shù)計(jì)算。

圖3 2000轉(zhuǎn)時(shí)BOOST模擬和實(shí)測進(jìn)氣道壓力波動(dòng)對(duì)比

4 結(jié)論

本文主要利用BOOST依據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)來構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)模擬模型。同時(shí)，在構(gòu)建模型的過程中，為了模型的正確性，對(duì)模型部件的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行討論。通過運(yùn)行模擬模型得出數(shù)據(jù)，進(jìn)行扭矩、功率、燃油消耗率的實(shí)測值和模擬值的比較，得出結(jié)論。在選定的轉(zhuǎn)速下，模擬值和實(shí)測值的曲線趨勢一致且最大誤差不超過5%。因此，該模型具有可信度，可以用來進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的變參數(shù)計(jì)算。循環(huán)模擬數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確反映長安某型的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和有害排放物生成，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

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Numerical Simulation of Variable Timing Timing Mechanism of Gasoline Engine

WEN Senmiao
(Shanxi Traffic Vocational and Technical College, Taiyuan 030061)

The variable timing timing system is an important technical achievement for the development of the automotive industry. At present, it has been used as the most widely used technology to improve the performance of the engine. Inlet air flow in the inlet and valve near the resistance is greater, leading to a decline in the performance of the engine directly. Traditional engine air distribution system can only optimize the performance of the engine under certain conditions (such as high speed, high load). Compared to the traditional engine valve timing phase does not change the state, variable valve timing technology can be effective for all the operating conditions of the engine. This is of great benefit to improve the performance of the engine.

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