基于AVL-BOOST的无节气门发动机进气过程泵气损失

第２０卷第２期　大　津　工　程　师　范　学　院　学　报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＡＮＤ　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　Ｖｏ１．２０　Ｎｏ．２　２０１０年６月　Ｊｕｎ．２０１０　基于ＡＶＬ—ＢＯＯＳＴ的无节气门发动机进气过程泵气损失　孔超　，王岩２，顾珂韬２刘春晖　３００２２２；２．山东大学机械丁程学院，济南２５００６１）　（１．天津工程师范学院汽车与交通学院，天津摘要：基于ＡＶＬ—ＢＯＯＳＴ软件，建立了发动机的倒拖计算模型，将模型与原机充气效率进行对比，验证了模型的正　确性；采用直接控制气门运动达到取消节气门的目的，通过计算无节气门发动机缸内压力，得出了进气过程泵气损　失的变化；与传统节气门发动机对比，证实取消节气门能够有效地降低泵气损失。　关键词：计算模型：无节气门：泵气损失　中图分类号：Ｕ４６４．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—１０１８（２０１０）０２—００２９—０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｉｎｔａｋｅ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｌｏｓｓｅｓ　ｏｆ　ｎｏ－ｔｈｒｏｔｔｌｅ　ＳＩ　ｅｎｇｉｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＶＬ——ＢＯＯＳＴ　ＫＯＮＧ　Ｃｈａｏ　，ＷＡＮＧ　Ｙａｎ　，ＧＵ　Ｋｅ—ｔａｏ　，ＬＩＵ　Ｃｈｕｎ—ｈｕｉ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００２２２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５００６　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＡＶＬ—ＢＯＯＳＴ，ａ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｎｏ－ｔｈｒｏｔｔｌｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｅｎｇｉｎｅ　ｉｓ　ｅｓｔａｂ—　ｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｓ　ｒｉｇｈｔ，ｃａｎｃｅｌ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏｔｔｌｅ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｂｙ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｉｎｔａｋｅ　ｖａｌｖｅ，ｇｅｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｔａｋｅ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｌｏｓｓｅｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅ—　ｔｗｅｅｎ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｃａｎｃｅｌ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏｔｔｌｅ　ｃａｎ　ｌｏｗｅｒ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｌｏｓｓｅｓ　ｏｆ　ＳＩ　ｅｎｇｉｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ；ｎｏ—ｔｈｒｏｔｔｌｅ；ｐｕｍｐｉｎｇ　ｌｏｓｓｅｓ　泵气损失指与理论循环相比，活塞在泵气过程所　造成的功的损失。泵气损失占总机械损失的１０％～　２０％ｊ・１。无节气门发动机由于取消了节气门，理论上能　够降低进气过程的流动阻力，对于降低发动机的泵气　一　×　＋　一∑　一　（１）　式中：ｄ（　为气缸内内能的变化；一　×　为活　损失、提高发动机的有效做功有很大作用＿２＿５１。本文利　用ＡＶＬ—ＢＯＯＳＴ软件根据边界条件建立单缸发动机倒　塞对外做的机械功；　为燃料释放的内能（倒拖时　拖模型，依据一维非定常流动计算发动机内流体，得　出无节气门发动机倒拖进气过程的缸内压力变化，与　有节气门发动机相比较得出进气过程泵气损失的变　化规律　为０）；∑　为壁面传热损失（壁面无导热）；ｈ船×　为进出气缸的焓流；　为曲轴转角；ｍ　为缸内气　体质量；“为内能属性。　２）气体状态方程　１模型建立　１．１数学模型　Ｐｃ＝　１　ｘ　ｍ　×Ｒ０×　（２）　式中：　为缸内压力；Ｖ为气缸容积。　１．２计算模型　基于发动机一维非定常流动理论建立数学模型　。　主要根据以下方程：　本计算根据轻骑集团Ｋ１５７ＦＭＩ发动机为原型建　立相应模型。根据实际发动机的布置，该模型主要分　１）能量守恒方程　收稿日期：２０１０—０１—１４　为３个部分：进气、气缸及排气部分，如图１所示。ＳＢ１　作者简介：孑Ｌ超（１９８３一），男，助教，丁学硕士，研究方向为车用发动机配气定时　・３０・　天　津　工　程　师　范　学　院　学　报　第２０卷　图１　Ｋ１５７发动机ＢＯｏＳＴ模型　为进气道入口，ＳＢ２为排气道出口；元件１、２、３、４、５为　进气过程中的管道，ＣＬ１为空气滤清器，Ｒ１、Ｒ２及Ｌ１　为汽油混合组件，因本模型为倒拖模型，因此此处设　置为管道属性；Ｃ１为气缸模块；元件６、７及空间ＰＬ１　组成发动机的排气系统，排气部分主要包括排气管　（在建立模型时将其简化为一个排气道和一个空间模　型）；ＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３、ＭＰ４为四个测量点，测量该处的　气体压力、流量、温度等参数。模拟过程中，新鲜空气　从ＳＢ１进入系统，流经测量点ＭＰ１、空气滤清器ＣＬ１　及管道系统进入发动机气缸ｃ１中，然后流经排气管　道及测量点４经管道口ＳＢ２排出。　１．３边界条件的确定　边界条件主要包括两类：管道模型参数和发动机　模型参数。具体的参数设定如下。　（１）气缸模型Ｃ１参数气缸中参数是复杂的，也　是非常重要的，主要包括：气缸缸径、活塞行程、平均　曲轴箱压力、气门座直径、配气相位等，根据发动机实　际参数设定；本文中采用直接控制进气门运动规律的　方式代替节气门，因此其参数设置为多组气门运动规　律，如图２所示。　曲轴转角ｐ，。ＣＡ　图２不同气门运动规律的设定　图２中，曲线３为原机气门运动曲线，通过改变　图１中Ｌ１处进气流动阻力系数模拟节气门开度；曲　线１、２．４为设定气门运动规律，计算时Ｌ１处阻力系　数不变，根据需要改变气门运动规律。　（２）管道参数ＳＢ１、ＳＢ２参数主要包括入口处空　气压力、空气温度及该处的流量系数等参数；流动管　道参数包括管道长度、直径、壁温、热传导参数等，根　据ＡＶＬ公司的相关经验参数确定。　（３）流量系数的确定具体参数根据ＡＶＬ公司　推荐经验及实验确定流量系数。　１．４模型的验证　模型建立过程中较多参数为经验及推荐值，因此　需要对计算模型进行验证。本验证采用Ｋ１５７发动机　原机倒拖循环充量与理论计算相对比的方法进行，实　验及计算结果对比如图３所示。　ｎ／（／－・ａｒｉｎ　）　图３原机理论计算与实验结果对比　可看出，计算结果与实验结果的误差在４％以内，　因此认为本模型与原机是一致的。　２计算结果及分析　２．１计算过程　本计算取消节气门，进气量通过设定不同的气门　运动规律（如图２中ｌ～４曲线），得到不同运动规律下　循环充量；有节气门发动机的调节是在原机气门运动　规律下改变节气门处气体流动系数使之与取消节气　门后的循环充量相同，从而获得气缸内压力变化曲线。　２．２结果分析　（１）对于无节气门发动机２　２００　ｒ／ｍｉｎ下气缸内压　力变化如图４中实线所示。　ｘｌ０　２广－－　１・６　芝　１．２　・　酶０．８　０．４　０　５０　１００　１５０　气缸容积／ｍｌ　图４发动机转速２　２００　ｒ／ａｒｉｎ时缸内压力变化　当活塞由下止点ｒ向下运动进入进气冲程时，缸　内压力沿卜。一ｂ曲线下降，外部空气进入气缸；由于模　第２期　孑Ｌ　超，等：基于ＡＶＬ—ＢＯＯＳＴ的无节气门发动机进气过程泵气损失　・３１・　型为倒拖模型，因此压缩冲程中缸内压力曲线沿ｂ－ａ—　Ｃ上升；传统节气门式发动机缸内压力变化如图４中　虚线所示：进气冲程中缸内压力沿曲线ｒ—ｂ　变化，压缩　发动机的进气过程泵气损失在２　２００　ｒ／ａｒｉｎ时远远小　于传统节气门发动机。　（２）无节气门发动机不同气门运动规律条件下，　调节传统发动机进气阻力使二者循环充量相同，可得　出不同转速下泵气损失的对比，如图５所示。　２广＿＿ｘｌＯ５　冲程中沿ｂ　一Ｃ　变化。图４中大气压力线以下组成的封　闭部分为泵气损失，由图４明显可以看出，无节气门　Ｉ　｛、　——无　／。７　方　７　．　＼　、　、　、　＼　＼　＼　＼　＼、　、、、～　＼＼＼　５Ｏ　１ｏｏ　５０　ｌＯ０　气缸容积／ｒｉｌＬ　（ａ）ｎ＝１　７５０　ｒ／ｍｉｎ　１　５　ｌ　气缸容积／ｍＬ　奎、　≤墨耳　０　５　０　２　（ｂ）ｎ＝２　８５０　ｒ／ｉｎｉｎ　＼　耳　ｘ１０　ｌ　５　１　Ｏ　５　０　＼＼’　——无节气门　一一＼＼＼＼　——无节气门　～一有节气门　。　、　有节气门　、、　、、　＼＼　＿———————　、、～～～～＼＼　－％　））　　／，，一一一＼＼　＼＼　＿———————　、＼、　、～～～～～一一一）　／一５Ｏ　１００　１５０　０　５０　ｌｏ０　气缸容积／ｍＬ　（ｃ）ｎ＝４１６０　ｒ／ｍｉｎ　气缸容积／　１　（ｄ）ｎ：５　０００　ｒ／ｍｉｎ　图５相同循环充量不同转速下泵气损失对比　图中ａ～ｄ转速自１　７５０　ｒ／ｍｉｎ逐渐升高至５　０００　ｒ／　ｍｉｎ。由图可以看　：ａ由于无节气门发动机取消了节　面积求得，即：　ｆ　Ｖ　＝气门，通过直接控制进气门运动规律控制进气量，大　大降低了进气道内空气流动阻力，从而降低了泵气损　失，可以看出泵气损失变化是明显的；ｂ随着发动机转　Ｊ　ｆ（ｐ）ｄ　（３）　式中：　为泵气损失；Ｖ　为开始进气时的气缸容积；Ｖ。　为进气终了时的气缸容积；ｆ（ｐ）为缸内压力变化。　速升高，无节气门机构的泵气损失也在逐渐增大，这　是因为气体流动阻力与气体流动速度的平方成正比　关系，发动机转速升高使得进气流速增加，从而使发　图６为无节气门发动机与传统发动机泵气损失　数值对比。　动机的泵气损失随之增大；同时，由于传统节气门发　动机转速升高，节气门开度逐渐增大，其泵气损失逐　渐减小，与无节气门发动机的泵气损失逐渐接近，但　仍大于无节气门机构泵气损失。由图５可以得出，不　同转速下无节气门机构可以大大降低发动机进气过　程泵气损失。　（３）图４中卜Ⅱ一ｂ—ｃ—ｒ组成无节气门发动机泵气　面积（图中Ａ区域），卜ｂ　一Ｃ　一ｒ组成了原机泵气面积　：　疆　转速／（ｒ・ｍｉｎ　）　（图中Ａ　区域），泵气损失的大小可以由图中Ａ和Ａ’　图６有、无节气门泵气损失的对比　・３２・　天　津　工　程　师　范　学　院　学　报　第２０卷　由图中可以看出，原机的泵气损失在５　Ｊ／循环左　右，且随着发动机转速的升高有所降低；无节气门系　统泵气损失在２　Ｊ／循环左右并随发动机转速的升高有　所增大。这是因为随着发动机转速的升高，原机的节　气门开度逐渐增大，因此泵气损失有所减小，而无节　气门系统随着转速的升高，进气道内空气流动速度加　快，因此泵气损失有所增加。　参考文献：　［１］周龙保．内燃机学［Ｍ】．２版．北京：机械工业出版社，２００５：　１—２，５３—５５．　［２］杨妙梁．可变排量发动机技术的发展『Ｊ］．汽车与配件，２００８　（１８）：３２—３５．　［３］谢宗法，孔超，王建昕，等．发动机全可变液压气门机构进　气性能的研究ｆＪ１．内燃机学报，２００９，２７（５）：４３５—４３９．　［４］蔡乐乐，王洪荣．单缸柴油机可变配气相位技术研究［Ｊ］．　科技信息，２００９（１７）：５４—５５．　［５］　ＭＩＣＨＡＥＬ　Ｂ　Ｒ，ＤＡＶＥ　Ｆ．Ｆｕｌｌｙ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｖａｌｖｅ　ｆｏｒ　ＳＯＨＣ　ｅｎｇｉｎｅｓ［Ｊ］．ＡｕｔｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，５（１２）：５２－５５．　由图６可看出，无节气门机构在降低泵气损失方　面作用十分明显。　３结束语　本文建立了无节气门发动机倒拖模型并验证了　［６］　刘峥，张扬军．内燃机一维非定常流动［Ｍ】．北京：清华大学　版社，２００７：１－３，１９—４２，７０—７６．　［７］朱玮飞，李明海．基于ＧＴ—ＰＯＷＥＲ的柴油机配气定时的　优化设计ＩＪｌ＿内燃机车，２００８（３）：１８－２３．　１　８　ｊ　ＭＯＲＯ　Ｄ．Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｂａｉｌａｂｌｅ　ｖａｌｖｅ　ｔｉｍｉｎｇ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ＳＩ　ｅｎｇｉｎｅ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ［Ｊ］．ＳＡＥ　Ｐａｐｅｒ．２００１—０１—　０６６７．　模型的正确性；分别对无节气门发动机、传统节气门　式发动机在相同循环充量下的缸内压力进行了计算；　通过结果分析，得出与传统发动机相比，无节气门发　动机通过直接控制气门运动规律从而取消节气门，能　有效降低发动机进气过程中的泵气损失，这对于提高　发动机充气效率及发动机效率是有益的，对于实现连　续可变配气定时及其优势提供了理论依据。　［９］顾宏中．内燃机中的气体流动及其数值分析［Ｍ］．北京：国　防Ｔ业　版社，１９８５：１－６．