鐘 偉 張立鵬 王雪雁 扈 嘉

（1-中國質(zhì)量認證中心廣州分中心 廣東 廣州 510620 2-天津內(nèi)燃機研究所3-國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（天津））

引言

變氣門技術(shù)已成為改善發(fā)動機性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性、改善廢氣排放、改善怠速穩(wěn)定性和低速時的平穩(wěn)性、提高充氣效率和低速轉(zhuǎn)矩[1-4]。

本文在一款強制水冷單缸摩托車發(fā)動機上，根據(jù)機型特點和空間布局，布置了適合小排量摩托車發(fā)動機的相同可變VVT機構(gòu)的運行方案，并對該VVT機構(gòu)的作用效果進行研究。本文通過搭建GT-Power仿真計算模型，配合發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)，來探討相同可變配氣相位對摩托車發(fā)動機性能的影響。

1 技術(shù)方案的確定

根據(jù)可變配氣相位技術(shù)及各種可變因素的特點，在應用時有以下幾種基本組合形式[5-6]：

1）氣門升程和持續(xù)期不變，改變氣門開啟的時刻；

2）氣門開啟時刻不變，改變氣門開啟和關(guān)閉的持續(xù)期；

3）氣門開啟角度和開啟時刻不變，改變氣門升程型線；

4）對配氣相位及氣門升程進行全面控制。

本文選定采用氣門升程和持續(xù)期不變，改變氣門開啟時刻的可變配氣相位技術(shù)進行研究，如圖1所示。

圖1 配氣VVT原理圖

2 VVT系統(tǒng)發(fā)動機模型的建立及標定

2.1 模型的搭建

1P38QMB發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

建立的仿真模型如圖2所示。該模型主要由空濾器、化油器、進氣管、發(fā)動機氣缸蓋、氣缸體、排氣管和消聲器等各個獨立的子系統(tǒng)組成。在本模型中，將催化器簡化為一個流動約束；氣缸內(nèi)的燃燒模型采用較為簡單的單區(qū)韋伯函數(shù)[7-9]，換熱系數(shù)選用沃西尼1978年提出的經(jīng)驗公式。

該模型的搭建通過發(fā)動機實體結(jié)構(gòu)參數(shù)測取而得，熱力學參數(shù)通過發(fā)動機臺架試驗測取，包括部分典型負荷特性、外特性、示功圖、氣道性能、進排氣系統(tǒng)的流通特性等。

圖2 仿真模型圖

2.2 模型標定

發(fā)動機一維熱力學仿真模型建立后，通過試驗和計算結(jié)果的對比，來驗證計算模型的準確性。首先通過臺架外特性試驗數(shù)據(jù)對模型進行狀態(tài)標定，圖3，圖4和圖5分別為循環(huán)仿真與試驗測試的轉(zhuǎn)矩、功率以及比油耗對比圖。從圖中可以看出，發(fā)動機外特性功率和轉(zhuǎn)矩的模擬結(jié)果與試驗值基本吻合；比油耗對比曲線模擬值與試驗值接近。可見，所建立的發(fā)動機仿真分析計算模型接近發(fā)動機臺架試驗的真實工作狀態(tài)，能夠用來進行性能評估分析計算。

圖3 轉(zhuǎn)矩對比圖

圖4 功率對比圖

圖5 比油耗對比圖

3 配氣相位對發(fā)動機性能的影響

改變配氣相位的目的是利用氣流的慣性和脈動性，改善換氣過程，提高動力性和經(jīng)濟性。

本文在不同轉(zhuǎn)速條件下分別對配氣相位進行優(yōu)化，進行了全負荷工況下配氣相位對發(fā)動機性能的影響研究。圖6，圖7，圖8和圖9分別為仿真全負荷的轉(zhuǎn)矩、功率、比油耗對比圖以及優(yōu)化后的相位圖。從圖中可以看出，隨著進排氣相位重疊角的滯后，發(fā)動機的比油耗有較大的提高，而轉(zhuǎn)矩及功率在中速時有一定提高，其它轉(zhuǎn)速下不明顯。

圖6 轉(zhuǎn)矩對比圖

圖7 功率對比圖

圖8 比油耗對比圖

圖9 相位優(yōu)化圖

4 結(jié)論

發(fā)動機仿真計算模型的設計和標定是現(xiàn)代設計流程的主要方法，是企業(yè)提高技術(shù)和信息化競爭力的主要手段，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少了對于設計、試制、驗證、改進等產(chǎn)品研發(fā)循環(huán)的工作量。本文對一款小排量摩托車發(fā)動機進行了配氣相位優(yōu)化的仿真分析計算，結(jié)果表明，使用仿真模擬分析軟件配合臺架試驗對小排量摩托車發(fā)動機配氣機構(gòu)的優(yōu)化設計和整機在不同工況下的性能提升是切實可行的。所進行的研究表明，裝載VVT系統(tǒng)的摩托車，可有效提高小排量摩托車發(fā)動機在整個轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)的動力性和經(jīng)濟性，在發(fā)動機上實施重疊角推遲，功率可提高2%～5.2%，轉(zhuǎn)矩最大提高5.2%，燃油經(jīng)濟性也有較大的改善。