引言

为了提高研发质量和效率，快速经济的研发满足设计和市场需求的产品，需要在研发阶段对各个设计方案进行仿真分析计算，软件计算的使用可以快速获得仿真结果，从而缩短开发周期，降低开发成本。根据市场要求，安徽江淮汽车股份有限公司欲将某排量发动机去掉现有的VVT装置，需要进行性能预测分析，并对配气正时及凸轮型线进行优化计算，以确定可行的开发方案。

其中，热力学循环计算采用AVL的气体交换模拟软件BOOST进行气体动态模拟计算。其核心是通过调整设计参数，对发动机的换气进行优化，从而达到发动机性能优化的目的。

EXCITE TIMING DRIVE为AVL阀系计算软件，将BOOST提供的理想气门升程曲线反过来设计与之相对应的凸轮型线。主要根据气门最大升程及其对应的曲轴转角来确定凸轮桃尖位置，然后采用气门分段加速度函数的方法，根据气门包角大小，最终设计出凸轮型线，使之对应的气门升程曲线与理想气门升程曲线基本相符合。

计算模型的建立

1. 模型搭建

图1是发动机的BOOST计算模型。环境气体从边界SB1吸入，通过管1到空滤器CL1，再通过管2进入节气门R1，出来再通过管9接入进气歧管的谐振腔，进气歧管的谐振腔用PL1代替。

图1  热力学模型

管子3～8代表进气歧管和气道，通过气道将气引到气缸C1～C3。考虑到排气歧管较短，将排气歧管和排气道简化成10～15，交汇处通过接头J1连接，通过J1经管子18连接到三元催化器Cat1，再通过管道16连到谐振腔PL2，模拟排气系统的管路和消声器，最后由管17通向大气边界SB2。

2.边界条件的确定

（1）压力损失

为了发动机达到更好的性能，进气系统的压力损失、排气背压要尽可能地小。

在计算模拟中，我们假设了下列的压力损失（一般发动机应可以达到）：

进气系统的压力降<4kPa（标定点）；

排气背压<40kPa（标定点）。

（2）发动机的摩擦

FMEP：摩擦平均有效压力，仅考虑机械损失，比如所有轴瓦的摩擦；活塞、活塞环和缸筒的摩擦；气门系统的摩擦；驱动动力附件的损失，比如水泵、机油泵和发电机。

IMEP：指示平均有效压力，考虑了热量损失和泵气损失。

BMEP：制动平均有效压力。

三者的关系为：

BMEP= IMEP –FMEP。

FMEP可以通过测量IMEP和BMEP来得到。在下列计算中，我们采用了试验测得的发动机摩擦水平，并对发动机的换气进行优化，即使有一定偏差，也不会影响优化结果。

（3）气道流量系数

流量系数mσ：是指实际流量和理论流量的比值，无量刚。

实际流量mmean：是通过在指定压降下，测量在不同气门升程下的流量。

理论流量mth：是通过理论计算得到在不同气门面积下的流量。

公式：

mσ——流量系数，mmean——实际流量（kg/s），mth——理论流量（kg/s）

Av——气门座面积（m2），P——压力降（Pa），ρm——平均密度（kg/m3）

气道的流通特性需要通过气道稳流试验台架进行测量，实际测量得到的流量和压差通过换算转换成流量系数。如果没有试验测量手段，当气道的形状与一个已知流通特性的气道结构相似时，也可以根据相似原理，采用无量刚的气门升程定义的方法，对气道的流通特性进行定义。当然，也可以通过CFD分析软件，通过三维建模分析的方法计算得到气道的流量系数。进、排气道的流量系数作为循环模拟计算输入值，会影响到充气效率和泵气损失。

（4）气门升程曲线

气门正时影响充气效率，从而影响扭矩特性、高压循环的指示效率和发动机的泵气损失。高速时，IVC迟关在高速时有利于充分利用气体运动动量，提升充气效率，但过迟会发生倒流；但迟关则不利于低速。EVO迟开有利于充分利用气体膨胀功能量，但同时会增加泵气损失功，所以是一个折中的选择，因此正时是优化发动机性能的重要参数。表1为各个方案气门的详细信息。

（5）燃烧数据

随着发动机工况的改变，燃烧放热规律也是随着变化的，并且燃烧特性的好坏对发动机性能有很重要的影响。热力学循环计算需要输入燃烧热量释放率曲线。在数学上，该曲线可以通过VIBE函数来模拟，VIBE函数的主要参数为燃烧区间和形状参数。燃烧热量释放率曲线影响缸内压力和温度，从而就影响了循环效率、爆发压力和排气温度。

计算结果分析及方案的确立

1． 配气正时（VVT）的研究

在原来VVT发动机的基础上去掉VVT后，就要求确定配气正时，通过在原VVT机构能够执行的配气正时范围内建立多个CASE，利用AVL热力学计算软件进行计算，最终选取了结果比较理想的一个方案，图2显示了VVT和不带VVT的发动机性能曲线。

图2  有无VVT性能比较

2. 排气开启时刻（EVO）的研究

在上述确定的配气正时基础上对EVO进行优化计算。早开的EVO会影响膨胀功，在下个循环形成较大的缸内负压，影响油耗，从图3看出EVO推后使中高速扭矩减小，低速扭矩略有上升。

图3  排气开启时刻性能对比

3. 进排气重叠角（VO）的研究

气门重叠角过小，会使废气流通不畅，导致缸内残余废气系数过大；气门重叠角过大，会出现废气倒流，导致燃烧不良，性能降低。低速时进气压力较小，过大的重叠角会使废气回流到气缸，影响燃烧。

图4  进排气重叠角性能对比

4. 进气关闭时刻（IVC）的研究

由于进气的惯性作用，在活塞到达下止点后的压缩冲程中，仍然有部分空气进入气缸，从而提高了充气效率，对于低速进气门早关有利于提高动力性，而对于高速由于进气的速度比较大，进气门迟关有利于提高进气效率。

图5  进气关闭时刻性能对比

5. 各个方案的建立

根据以上的研究，将排气关闭延迟5deg&进气关闭提前5deg（方案一）；以及排气关闭延迟10deg&进气关闭提前5deg（方案二）作为我们的选择方案，选择的依据进气关闭提前有利于低速的性能，而排气关闭延迟即增大重叠角能够弥补高速的损失。利用AVL EXCITE Timing Drive软件计算出满足加工和应用要求凸轮，再将这两个凸轮对应的气门升程带入BOOST软件进行计算，得到的结果与优化前的性能如图6所示。

图6  各个方案性能对比结果

结论

新设计的各方案中，进排气凸轮型线均满足运动学与动力学的性能要求；凸轮型线无负曲率，易加工；气门与活塞运动学最小间隙满足>1mm的要求，不会发生气门撞活塞的现象；气门落座平稳无冲击。

根据计算结果：方案二能够很好地提高发动机的中低速性能，同时高速没有恶化很多，达到了优化的目的。