基于GT-power的柴油机可变配气正时仿真研究

SHANDONG毕业设计说明书基 于 GT-power 的 柴 油 机可 变 配 气 正 时 仿 真 研 究学 院 ：专 业 ：学 生 姓 名 ：学 号：指 导 教 师 ：2016 年 6 月 摘 要摘要I摘 要目前汽车行业的发展面临着石油资源的匮乏和全球环境的恶化这两大难题。为了缓解我国石油资源匮乏和需求之间的矛盾、减少汽车排放对环境的污染以及人们对汽车性能要求越来越高，所以就需要提高发动机的工作效率，而可变配气正时技术可以改善发动机的燃油经济性和提高发动机的排放性能。因此可变配气正时技术逐渐的受到人们的重视。本文是围绕着柴油机的可变配气正时技术展开，讲述了发动机可变气门技术的历史、发展，而且详细的阐述了可变气门技术的结构以及原理。GT-POWER 软件是现在汽车行业仿真模拟的主要软件，所以本文应用 GT-POWER软件来仿真模拟可变配气正时技术对柴油机性能的影响。通过 GT-POWER 软件建立柴油机模型，并且用已有的数据来验证所建模型的精确性。然后在原来模型的基础上对柴油机的配气相位进行优化，仿真模拟了可变配气正时技术。对比优化前后，可以发现改进之后的柴油机的性能有了很大的提高，验证了可变配气正时技术可以大大的提高柴油机的性能。详细的分析了柴油机性能提升的原因以及可变配气正时技术的控制策略。关键词：可变配气正时，GT-power，仿真模拟，柴油机AbstractIIAbstractThe current development of the automotive industry is facing shortage of petroleum resources and the deterioration of the global environment, these two problems. In order to ease the contradiction between Chinas oil resources are scarce and demand, reduce vehicle emissions on the environment pollution as well as people become increasingly demanding performance of the car, so we need to improve the engine - the efficiency of the machine, and variable valve timing technology can improve engine fuel economy and improve the emissions performance of the engine. Therefore, variable valve timing technology gradually peoples attention.This paper is built around a diesel engine variable valve timing technology expansion, about the history of the engine variable valve timing technology, development, and detail the structure and the principle of variable valve technology. GT-power software is the main software simulation now the automotive industry, so this paper, GT-power software to simulate variable valve timing impact of technology on diesel engine performance.Diesel model established by GT-power software, and use existing data to verify the accuracy of the model. Then, based on the original model of diesel engine valve timing to optimize the simulation of the variable valve timing technology. Before and after optimization can be found to improve the performance of diesel engine has been greatly improved after the verified variable valve timing technology can greatly improve the performance of diesel engine. Detailed analysis of the performance of the diesel engine as well as the reasons for the variable valve timing control technology policy.Key words：variable valve timing, GT-power, simulation, diesel engine目录 III目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 可变配气正时技术的概述 .31.3 本文主要的研究内容和目的 .12第二章 基于 GT-power 软件建立柴油机的模型 .142.1 GT-power 软件的介绍 .142.2 柴油机整机模型的建立 .152.3 模型的验证 .16第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析 .183.1 引言 .183.2 进气门关闭角 .193.3 排气门开启角 .223.4 气门重叠角 .26第四章 总结与展望 .30参考文献 .31致 谢 .33第一章 绪论1第一章 绪 论1.1 引言随着社会的发展，发动机经过不断的优化创新已经具有非常高的效率。发动机有很多方面的优点，为人们带来很多方便，成为人们生活不可替代的工具。与此同时使用发动机的带来了一些问题，主要是石油能源的短缺和环境的破坏，所以要求提高发动机的经济性、动力性还有排放性，可变配气正时技术应运而生。1.1.1 汽车引发的环境和能源问题发动机是全球范围内应用最广的动力机械，它消耗了世界上绝大部分的石油资源，而这其中又主要是汽车行业消耗为主。自 1886 年生产出第一辆汽车开始，全球范围内就争相发展汽车工业。特别是 20 世纪，全球汽车保有量的增长速度很大的超过了人口的增加速度。根据欧洲汽车研发委员会的推测，在 2030年之前，提供汽车动力的来源仍然主要是内燃机，可以达到 95%。随着世界汽车数量的迅速增加，石油资源消耗也在快速上涨，这引发了世界范围内严重的石油资源供需矛盾。根据BP 世界能源统计报告的推测可以了解到，在2010 年，全球范围内的一次性能源的消耗较去年已经增加了 5.6%，超过了2008 年经济衰退前所到达的峰值，是从 1973 年以来消耗的最高水平 1。根据BP 能源 2030 世界能源展望 报告的推测可以了解到， 21 世纪的主要能源依然是石油。根据 2012 的数据统计展示，我国汽车的保有量增长了 27.5%。其中私有汽车就达到了 8650 万辆，是全球最大的汽车生产销售国。所以随着我国汽车数量的急剧增加，能源问题也日益突出。汽车行业是我国经济的主要产业，由于我国汽车行业与其他发达国家相比较为落后，所以要改革创新研发新型的符合时代要求的发动机。发动机在全力发展的过程中，也带来了一些环境问题。汽车尾气的排放对环境有很大影响，主要的污染物有：氮氧化物、碳氧化物、一氧化碳以及微粒等 2。其中一氧化碳是无色无臭的一种窒息性的有毒气体，由于一氧化碳与血液里有输氧能力的血红蛋白的亲和力比氧气和血红蛋白的亲和力打 200300 倍，因此一氧化碳可以很快的和血红蛋白结合，是血液的输氧能力大大的降低。高浓度的一氧化碳可以使人们的心脏、-头脑等一些重要的器官严重缺少氧气，引第一章 绪论2起头晕、恶心、头疼等，严重时会使心血管工作困难，直至死亡。碳氢化合物可以引起食欲不振、体重减轻、易倦、头晕、头疼、呕吐、失眠、粘膜出血等，还能引起白血病以及致癌，同时它还可以在光的作用下产生光化学烟雾。氮氧化物与血红蛋白结合的能力比一氧化碳还要强，也是引起光化学烟雾的重要物质。而且还是产生酸雨和气候变化的主要原因。研究表明，大气中的微粒可以引起人的呼吸道感染、支气管炎、肺炎等疾病。还有大气中十分平常的二氧化碳，它导致了全球变暖。全球因为燃烧能源产生的一氧化碳、氮氧化物以及碳氢化合物的排放量，几乎 50%来自于汽油机和柴油机。不难看出，汽车尾气中的污染物的确给人们的生活环境带来了严重的威胁。我们不仅仅要认清它的危害，而且还要采取科学的方法来逐渐改善汽车的排放性能，使其日益完善。1.1.2 柴油机的发展趋势随着环境和能源的问题日益突出，人们在寻找一些可以代替石油的清洁能源的同时，对内燃机的各项要求也越来越高。各国根据大气环境的情况，制定了一些与环境保护相关的法律，而且还对不同车型的汽车制定了不同的排放标准，这也就是排放法规，所以必须遵守。从上个世纪九十年代欧洲实施了排放法规，至今已经达到了欧标准。下表 1.1 为欧洲汽车排放标准。表 1.1 欧洲汽车排放标准（g/km）由于我国的经济制约和汽车行业技术的限制，所以我国在这方面做得比较晚，然而环境问题日益突出，我国的汽车排放法规主要是参照借鉴了欧洲的排放法规。在 1999 年对小型机动车制定了排放法规，2004 年出台了我国机动车污染物的排放法规，2007 年 7 月份对轻型的汽车实行了等同于欧的排放法规，接着在 2008 年 1 月份制定了重型柴油机的排放法规，2010 年实行了等同于欧第一章 绪论3的排放法规，2016 年底我国将实行世界上最严格的排放法规也就是欧的排放标准。除了汽车排放的尾气污染之外，还有另一种不起眼的气体二氧化碳，它是温室气体可以导致全球变暖。因为汽油机与柴油机相比较，汽油机的热效率比较低，经济性也没有柴油机好，重要的是柴油二氧化碳的排放量也更低。所以，近几年来柴油的研发应用更加普遍，也正是这样需要严格要求柴油机的排放标准。表 1.2 比较了最近几年中国、日本、欧洲以及美国四个地区两种柴油机的有害排放物标准。表 1.2 最近几年中国、日本、欧洲以及美国四个地区两种柴油机的有害排放物标 准综上所述，在全球能源短缺和环境污染的压力下，世界各国都相继制定了一些严格的排放法规来控制汽车行业，而且还大力支持开发研究低成本、高效以及清洁的新能源的同时，内燃机行业有了新的目标，那就是开发燃烧过程又环保又节能的柴油机。近几年来，出现了许多可以改善燃烧过程的技术，例如：可变配气正时技术（VVT）、可变进气歧管长度或者直径技术、可变压缩比技术（VCR）、以增压为基础的可变几何形状的涡轮增压（VGT）、废气再循环技术（EGR）以及有高压共轨燃油喷射技术。还有致力于后处理的技术，例如：选择性催化还原（SCR）、连续再生颗粒捕集器（CRT ）以及柴油机颗粒捕集器（DPF）。在这众多的技术中，可变配气正时技术既提高了柴油机的性能，还降低了排放的污染物，是一种重要的技术手段。1.2 可变配气正时技术的概述1.2.1 可变配气正时技术的发展柴油机的配气机构是发动机内重要的组件，它能直接影响柴油机的进排气第一章 绪论4门开启和关闭的时刻进而影响柴油机的进排气性能，从而影响柴油机的燃烧过程，改变柴油机的经济性、动力性以及排放性。可变气门技术本身有许多优点，所以近几年来得到许多的关注，并对它进行了大量的研发。远在 1880 年，美国人就发明了第一个有关于发动机的可变气门技术的专利。在这三十几年来，能源和环境问题日益加剧，现在发动机的主要目标就是减少汽车尾气有害物的排放以及提高发动机的燃油消耗率，正因为这样，促使了发动机可变气门技术的快速发展。在 1880 年到 20 世纪 90 年代这长达 110 多年期间，光是美国就有八百多项发动机可变气门技术的专利 3。图 1.1 展示了从 1976 年之后美国关于可变配气正时技术的专利的发展情况，由于电子行业的快速发展，使可变配气正时技术真实的应用到了汽车行业当中。图 1.2 是可变气门技术的发展历史 4。图 1.1 从 1976 年之后美国关于可变配气正时技术的专利的发展情况图 1.2 可变气门技术的发展历史第一章 绪论5最近几年来，世界上各国都对可变气门技术做出了很多贡献，研究出了很多不同的可变气门系统，这些系统可以有的能达到上面讲述的部分功能，有些只是简单的使配气系统中的几个参数可变。其中只有很少的可以应用在发动机上，他们成本很低、结构十分简单。大多部分的可变配气系统因为它们的结构十分复杂，成本还很高，或者做了一些研究仅限于理论专利的阶段。一直到了1981 年，凯迪拉克公司第一次在柴油机上应用了可变气门定时机构提高了发动机的效率。后来，有个日本公司在发动机上应用了可变气门机构 5。由于严格要求发动机的经济性和排放性，在上个世纪 90 年代，各式各样的可变配气正时技术大量的出现，如雨后春笋一般。在这众多的可变配气正时技术中，擅长可变凸轮型线技术的公司是三菱和本田，宝马和丰田公司的可变气门相位技术也很出名。还有，全可变气门机构最著名的是宝马公司的 Valvetronic 机构 6。后来在世界各国内燃机行业的研发人员的辛苦研究下，开发了一种无凸轮的气门机构，它主要有如下几种：电磁气门驱动、电液气门驱动 7以及电气气门驱动 8等等机构。1.2.2 可变配气技术的分类可变配气系统已经有上百年的历史，各式各样的，五花八门。根据它们控制气门参数的不同，大体可以分为如下两类 9：（1）可变气门正时（VVT，Variable Valve Timing）,可以根据实际需求调整气门的开启和关闭的时刻。按照气门开启时的持续时间的不同，可变气门正时还可以细分为下面两种类型：可变气门相位（VP，Variable Phase），这种技术即为在保持进气门和排气门开启的持续时间不变，也就是不改变升程曲线的基础上，只改变进排气门开启和关闭的时刻 10。如下图 1.3 所示。第一章 绪论6图 1.3 可变气门相位可变气门相位与持续期（VET，Variable Event Timing），可变气门相位与持续期就是在可变气门相位的基础上，根据不同的工况，改变进排气门开启持续的时间 10，如下图 1.4 所示。图 1.4 可变相位及持续期（2）可变气门升程（VVL,Variable Valve Lift），这项技术是根据发动机的运行工况，来确定此时发动机最适合的气门开启的最大升程，从而提高了充气效率。这项技术还可以根据进排气门的开启时刻和开启的持续时间是否变化分为两类：可变气门升程与正时以及气门升程单独可变。可变气门升程与正时（VLT，Variable Lift and Timing），这项技术是依据实际的发动机工况，来确定最适合的气门升程，还有最合适的进排气门开启时刻和持续时间。它的气门升程曲线如下图 1.5 所示。第一章 绪论7图 1.5 可变气门升程气门升程单独可变，这项技术是依据实际的发动机工况来确定最合适的气门升程，但是它的进排气门的开启时刻和持续时间不发生改变。下图 1.6 显示了它的气门升程曲线。图 1.6 单独可变气门升程1.2.3 实现可变配气技术的方式可变气门技术实现途径有很多种，可以根据它们的驱动类型分成两种，分别是：无凸轮驱动和凸轮驱动。凸轮驱动可变配气技术已经发展了较长一段时间，它的结构相对来说比较简单实用。如今已经在汽车行业广泛的应用。最近几年，随着电子技术的迅速发展，无凸轮驱动的可变气门技术也有了巨大的进步，图 1.7 展示了可变气门技术的分类和实现途径 11。第一章 绪论8图 1.7 可变配气技术的分类和实现方式1.2.3.1 基于凸轮驱动的可变配气系统这种系统是通过凸轮轴或者是凸轮的从动组件（例如摇臂或者是挺柱）驱动，来改变进排气门的相位以及气门升程。（1）变凸轮机构1）可变凸轮轴相位这种类型的机构是在进排气门开启的持续时间不变的前提下，依据发动机的实际工况，改变曲轴以及凸轮轴相位的一个角度，从而获得最佳配气正时。这种类型的系统虽然对发动机的改变比较小，结构也十分简单，但是它能有效的提升发动机的各项性能。Alfa Romeo,Nissan,Atsugi,还有奔驰和丰田公司已经在车用发动机上正式应用 12-13。Alfa Romeo 公司在 1983 年将可变凸轮轴相位技术应用到实际的生产当中。它是利用液压活塞的机构来转动凸轮轴，使其转过一定的角度。图 1.8 展示了它的机构。上面另外三家公司的可变配气系统的基本原理也跟这个差不多。第一章 绪论9图 1.8 Alfa Romeo 可变凸轮轴相位系统结构还有一种可变配气正时系统就是利用惰轮来改变凸轮轴的角度，内燃机的曲轴利用正时皮带驱动凸轮。在曲轴和凸轮中有一个张紧轮，他能使皮带紧绷。在上面的基础上，在增加一个张紧惰轮，图 1.9 是调整惰轮可变凸轮轴相位系统。张紧惰轮通过自身的移动具有改变正时皮带两边长度的作用，从而使凸轮轴旋转达到改变内燃机配气正时相位的目的。一些公司，例如：Audi 和Volkswagen 等公司，它们都拥有这项技术。图 1.9 调整惰轮可变凸轮轴相位系统在 2000 年，一种叶片式凸轮相位调节机构出现，慢慢的成为可变配气技术中的主流。它是由 TOYOTA 公司研发出来的第三代可变凸轮轴相位系统，也就是 VVTL-i。由于它的结构很紧凑，还有较好的可靠性以及安装布置很简单等一些优点，所以现在在车用内燃机上应用很普遍。第一代是在 1993 年推出：VVT 系统 ,第二代是在 1995 年推出：VVT-i 系统。2）三维凸轮Fiat 公司的三维凸轮技术研发的最好，图 1.10 是 Fiat 公司三维凸轮可变气门机构的示意图 14。这种机构的凸轮轴可以轴向的移动，从而可以使三维凸轮和可倾斜导板相互接触的部位不一样。能够到达改变配气正时和气门升程的目的。但是它有一定的缺点，那就是几何结构制约了配气正时和气门升程变化的范围以及三维凸轮和可倾斜导板相互接触的部位可能会严重的磨损。第一章 绪论10图 1.10 Fiat 公司三维凸轮可变气门机构3）多凸轮机构这种可变配气技术的机构的特点就是通常至少两个凸轮来驱动气门，但是这些凸轮不能同时驱动气门，只能单独一个驱动气门。凸轮轴在轴向移动或者是工作摇臂的改变来选择一个最适合的凸轮用来驱动气门，以达到配气正时和气门升程改变的目的。这种可变配气技术机构最著名的就是本田公司的 VTEC 系统。如图 1.11 所示，这个系统每个气缸都有三个几何构造不一样的进气凸轮，它们各自拥有控制自己的摇臂，而摇臂里面装有一个小型的同步活塞，通过油压控制，而 ECU控制着油压。但是这个系统也有着自己的缺点，在不同的凸轮变换时有显著的分界点，不能连续的控制配气正时。为了解决这个问题，Honda 公司根据VTEC 系统，研发出 i-VTEC 系统。它是在 VTEC 原有的基础上加上了一个新的系统，叫做 VTC（variable timing control ）。从而可以自如的控制配气正时和气门升程，根据实时的工况的要求，调整出了最合适的气门正时和升程。图 1.11 可变凸轮升程曲线系统第一章 绪论11（2）可变凸轮从动件这种类型的系统是不改变凸轮的轮廓，改变凸轮的从动机构，从而使配气正时可变，并且只需要对发动机稍作改动，所以应用在部分内燃机上。这种类型的机构的代表技术宝马公司研究的机械式全可变气门机构，也就是 Valvetronic 机构，如图 1.12 所示。现在已经普遍的应用到发动机上。这个系统有一些明显的优势，没有了节气阀，然后运用可变电阻，依据油门的踩得高低，调整去最合适的进气，使进气更加顺畅以及泵气损失变少，从而改善了经济性。而且还可以使气门升程可变 15。图 1.12 宝马公司 Valvetronic 系统Hyundai 公司研发推出了一种电控气门正门系统，简称 EVT（Electronic Valve Timing)。图 1.13 展示了这个可变气门系统的机构原理。这个机构可以通过液压系统使气门顶杆的长度改变，从而使配气正时和气门升程可变。现在，这项技术已应用在 Hyundai 2.0L DOHC 内燃机上 16。图 1.13 Hyundai 公司 EVT 系统示意图第一章 绪论121.2.3.2 无凸轮驱动的可变气门系统这种类型的可变配气系统将凸轮轴改除了，用另外的方法来驱动气门，例如：电磁驱动或者是液压驱动。这个系统是根据内燃机的实际运行工况反馈出信号，然后系统根据之前储存的信息来发出信号，控制配气正时和气门升程。这种系统十分的灵活，不用受到凸轮轴结构的制约。（1）电磁驱动可变气门系统电磁驱动气门机构（electromagnetic valve actuation）是通过电磁铁产生的磁场来控制气门的关闭时刻。一开始的设计者，并没有回收能量的弹簧或者只是一种很简单的，能量损失比较严重，还有气门落座也容易冲撞受损。Aura Systems 以及 FEV 这两家公司都推出了工作原理差不多的双弹簧的电磁驱动气门机构 17，如图 1.14 所示。图 1.14 电磁驱动气门机构这种机构有两个一样的电磁铁、弹簧以及气门和一块衔铁组合而成。不工作时电磁体不通电，气门在两个弹簧的中间。发动机工作时，若要气门开启，线圈一不通电，根据此时发动机的运行工况，将线圈 2 进行通电。如果磁力比弹簧的弹力大或者刚好相等，气门就会打开。如果要气门关闭，线圈二需要断，此时就没有磁力，气门在弹簧的作用下向上移动。当气门将要关闭时，将线圈一通电。这时就会产生磁力，可以快速的关闭气门，并且维持这个状态。（2）电液驱动可变气门系统电液气门驱动是通过液压油来驱动液压活塞，液压活塞能够打开气门。如果气门要闭合，就让液压油流出来，气门就能关闭。近年来，世界各大发动机公司都研究了这类系统。图 1.15 展示了福特公司的电液驱动气门机构的原理图7。这种机构可以自如的控制配气正时和气门升程，而且结构简单。但是它也有比较明显的缺点，比如：响应有点缓慢、能源的消耗比较高等等。所以这种第一章 绪论13系统还需要进一步的研发。图 1.15 福特公司电液驱动气门机构1.3 本文主要的研究内容和目的本文主要是介绍了发动机可变气门技术的发展历程、分类以及目前的发展状况。可以总结出可变配气正时技术有如下几项优势：（1）可变配气正时技术的机构比较简单，只需要对凸轮轴稍作改动就可以完成。（2）可变配气正时技术已经实际应用到了车用发动机上，而且效果还不错，所以比较可靠。（3）可变配气正时技术的控制方法比较容易实现而且可以达到很高的控制精度。鉴于可变配气正时技术有以上优点。所以本文主要就是研究可变配气正时技术。本文主要是对柴油机的可变配气正时技术进行仿真研究，建立柴油机的GT-power 的仿真模型，对应用可变配气正时技术的柴油机和普遍的柴油的各项性能进行对比分析，并分析提高发动机性能的原因，然后提出一种柴油机的控制策略，来改善柴油机的动力性、经济性和排放性。主要的研究目的如下所示：(1)简单的介绍一下发动机可变配气技术的结构和原理，再分析一下发动机可变配气技术的控制策略。(2)建立一个柴油机的 GT-power 仿真模型，用已有的试验数据来验证建立柴油机模型的误差程度。第一章 绪论14(3)仿真计算并分析可变配气正时技术对柴油机性能的影响。第二章 基于 GT-power 软件建立柴油机的模型15第二章 基于 GT-power 软件建立柴油机的模型2.1 GT-power 软件的介绍随着社会的快速发展，计算机技术日益强大，开发了大量的仿真计算软件。运用仿真技术可以对研究对象进行理论分析和性能评估，大大减少了研发时间，减少了研究成本。GT-power 仿真软件是在汽车行业中主要的发动机模拟分析工具，几乎适用于分析所有发动机领域中的问题。GT-power 仿真软件是用来分析工作中发动机的瞬态过程或者是稳态过程，而且软件也提供了许多部件的模型，操作简单。计算的速度快而且精度也很高，为发动机的研发提供了便利。GT-power 软件的模型是一维气体流动模型，所以可以模拟管道里面的气体流动以及热量传递的过程，当然可以模拟发动机系统中与气体流动和热量传递有关的部件。GT-power 软件功能强大，除了可以仿真模拟气体流动和热量传递模型外，还可以分析发动机其他特殊的模型。例如：燃烧、废弃排放、热力学分析以及电控等模型。这个软件对使用者来十分方便，它已经建好了气缸模型。增压器模型、气门模型、以及曲轴箱模型等等。只需要简单的设置所需要的数据就可以直接在发动机整机模型中使用，大大减少了建模所用的时间。GT-power 软件可以用来分析计算发动机的性能、排放以及噪音方面，可以设计发动机的控制系统，并可以在软件中开发和优化发动机。GT-power 软件可以模拟大多数的发动机，例如：火花塞点燃式发动机、直喷压燃式发动机、二冲程或者是四冲程发动机、单缸、多缸发动机、直列、V 型发动机等等。本文主要是参照 4102BG 柴油数据，运用 GT-power 软件建立柴油机整机模型，仿真模拟了可变配气正时对柴油机性能的影响的。活塞在工作的过程中，会同时承受着循环交变的热负荷、机械负荷的作用。通过进行液压加载的疲劳试验，可以判定活塞销孔部位的可靠性。这对于发动机活塞销孔的结构设计、材料的选择、销孔衬套的结构的设计改进、疲劳寿命的预测等方面均有重要的现实意义 8,9。第二章 基于 GT-power 软件建立柴油机的模型162.2 柴油机整机模型的建立用 GT-power 软件建立了一个四缸机模型然后参照 4102BG 型柴油机参数，修改一些主要参数。建立的模型如图 2.1 所示，然后进行仿真模拟研究。由表 2.1中进排气门开启角度可以计算出进排气门最大升程时对应的曲轴转角是分别是：468和 250，也就是凸轮轴转角的 234和 125，如图 2.2-2.3 所示。还可以得出进气持续期是 244，排气持续期是 252。图 2.1 是柴油机的仿真模型表 2.1 4102BG 柴油机主要参数图 2.2 进气门升程随曲轴转角的变化第二章 基于 GT-power 软件建立柴油机的模型17图 2.3 排气门升程随曲轴转角的变化2.3 模型的验证进行可变配气正时仿真研究之前首先要保证所用 GT-power 模型的准确性 18。所以在不改变数据的前提下，利用 GT-power 软件对柴油机整机进行了仿真模拟计算。选取了一些主要的特性曲线进行比较：有效功率、有效转矩以及燃油消耗率。我们可以从图 2.4 到图 2.6 观察得出，应用 GT-power 仿真计算出的数据与原机实际的数据基本上相同，尤其是运行在中低速时与实际测出的数据基本吻合，也就是在 2100r/min 之前的数据误差都低于 5%。但是运行在高速时也就是运行在 2100r/min 之后的工况，模拟计算出有效功率和有效转矩的数据与实际测出的数据出现了一丝偏差，稍微比实际值高。造成误差在 5%以上的主要原因是：一些管道造成的节流损失，还有在模型数据的标定中，一些数值是动态的，而软件设置的是稳态情况下测得的数值。所以可能与高转速运转下的数值不太一样但是最大的误差保持在 10%以内。经过以上的分析可以看出，建立的 4102BG 柴油机模型产生的误差处于允许的范围之内，所以，可以在接下来的可变配气正时模拟计算中使用 19-20。第二章 基于 GT-power 软件建立柴油机的模型18图 2.4 4102BG 柴油机有效功率对比图 2.5 4102BG 柴油机有效转矩对比图图 2.6 4102BG 柴油机燃油消耗率对比图第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析19第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析3.1 引言进气门与排气门的开启和关闭的时刻直接影响了柴油机的充气效率和氮氧化物的排放，进气和排气过程的好坏又可以影响燃烧过程。所以进、排气门的开启和关闭角度对柴油机的动力性、经济性以及污染物的排放有着非常重要的影响。在高速运转时，气体的充气速率很快，要比低转速运行时的换气时间少，所以需要进气门推迟开启、提前关闭。在低转速运转时，气体的充气速率比较慢，要较长的换气时间，所以较高速运转，需要较长的持续期，进气门提前开启、推迟关闭。也就是说柴油机在不同工况下运转，要达到最佳的发动机性能，需要配气相位可变，不能一成不变 25-26。在传统的发动机中，配气相位一般是不改变的，它的相位角是通过大量的试验测试出来的，不能兼顾到所有的工况，只是一个折中的方案。所以柴油机在不是最优的配气相位下，不能发挥出其性能最大的潜力。随着内燃机行业的发展，固定的配气相位的缺点越来越突出。运用可变配气正时技术可以改善以上的一些缺点没提高。从四冲程柴油机充气效率的高低可以看出柴油机换气过程完善的程度，它对柴油机的动力性能、污染物的排放以及发动机的噪音都有影响。可变配气正时技术主要是通过可变进气门关闭角度、可变排气门开启角度以及气门重叠角度去影响柴油机的充气效率，其中进气门关闭角度对内燃机的充气效率影响最大 27。下面我们就运用GT-power 软件来模拟计算可变配气技术技术对发动机性能的影响。图 3.1 Cam Timing Angle 参数示意图在 GT-power 软件中模拟实现可变配气正时，是通过改变在进气门和排气门的模块中的“Cam Timing Angle”数据，如图 2.5 所示。这个“Cam Timing Angle”代表着气门升程达到最大值时凸轮的转角，也就是当气门升程达到最大第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析20值时的曲轴转角的一半。由于这个只是改变气门升程达到最大值时的凸轮转角，所以只是将行程整体提前或推迟，也就是改变进气门和排气门开启的时刻而持续期不变。在上面已经计算出初始的进排气门最大升程时对应的凸轮转角：234和 125，所以只要在原来的基础上增减角度，就可以模拟可变配气正时技术。3.2 进气门关闭角在柴油机中，合理的进气门关闭时刻可以在进气行程的最后阶段使进气管道里流动的气流形成流动惯性，实现了气缸的过后充气，增大了充气效率。其实发动机运转过程中，实现最高的充气效率时的进气门的关闭角是随转速改变而改变的，但是在利用凸轮轴驱动气门正时的传统发动机中，凸轮轴的型线是不改变的，所以进气门关闭角是固定不变的。出厂设置的进气门关闭角是经过试验测试，在低速、中速和高速中折中选择一种比较合适的进气门关闭角，而这可能会影响低速运转下经济性和高速运转下动力性的问题。为了研究进气门关闭时刻与柴油机性能之间的关系，鉴于额定工况和最大转矩工况是柴油机重要的运行工况，所以本文首先选用了这三种典型的运行工况：1100r/min( 低速工况)、1600r/min（最大转矩工况）以及 2300r/min（额定工况）。然后模拟计算分析，进气门延迟关闭角从 0到 80范围内变化 21-24，每隔 10计算进气门迟闭角度对柴油机性能的影响。计算结果如图 2.6-2.8 所示。得出的数据可以看出，在低速工况（1100r/min）、最大转矩工况（1600r/min ）以及额定工况（2300r/min）下：充气效率随着进气门延迟关闭角度的增大，先缓慢增大到最大值然后开始逐渐减小。柴油机的燃油消耗率随着进气门延迟关闭角度的增大，先减小再逐渐上升。输出的有效功率和有效转矩也都随着柴油机进气门延迟关闭角度的增大，先增大后降低。通过以上数据可以观察得出，每个工况下都有一个可以使柴油机性能达到最佳的进气门延迟关闭角度，它们各不相同。图 2.9 展示了使柴油机性能达到最佳的进气门延迟关闭角和转速的关系。从图中可以看出，在低速工况下达到最佳的柴油性能的进气门延迟关闭角度是 4，最大转矩工况下的最佳进气门延迟关闭角是 12，额定工况下就上升到了 20。综合观察发现，使柴油机性能达到最佳的进气门迟闭角度随着转速的增快而慢慢变大 28。第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析21图 3.2 进气门迟闭角度对低速工况的影响第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析22图 3.3 进气迟闭角度对最大转矩工况的影响第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析23图 3.4 进气迟闭角度对额定工况的影响这主要是因为柴油机运转在高速工况下气体流动的速度比较高，惯性力也比较大，所以进气门迟闭角应该增大一点。而在低速工况下运转时，气缸的活塞运动速度要比高速工况下慢很多，原始的凸轮型线在高速工况时的进气门关闭角能够充分利用气体的惯性来提高充气效率，在低速工况时，活塞速度比较慢，如果保持进气门关闭角不变，气缸内滞留的气体就会在缸内较高压力的作用下回流入进气道，造成充气量减少。所以应该有较小进气门迟闭角，这就可以大大的减轻缸内气体回流入进气道的现象，增加了缸内滞留的空气量，提高了充气效率。 结合以上三种工况下发动机的性能变化，本台柴油机最佳的进气门迟闭角的范围应该是 4到 20左右。由于模拟进气门迟闭角度是每隔 4模拟计算一次，有一定的间隔，所以得出的数据可能存在一定的误差。图 3.5 进气门延迟关闭角与转速的关系第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析243.3 排气门开启角排气门开启的时刻能够使内燃机内部的废气再循环，提高发动机怠速的稳定性，降低了氮氧化物的排放，还能优化膨胀比，改善了柴油机的动力性以及经济性。通常上，排气门开启的时刻应为柴油机转速的函数。在低转速工况下运转，需要的排气时间较长，所以应该推迟排气门的开启，也就是减小排气门提前开启的角度。本文在低转速工况、最大转矩工况以及额定工况下，在排气门提前开启角度从 24到 80范围内，每隔 4计算排气门提前开启角度对柴油机性能的影响，在图 2.10 到 2.12 是在低速工况、最大扭矩工况、额定工况下，的排气门开启角度与转速的关系。其主要的比较对象为燃油消耗率、有效扭矩和充气效率，计算数据如下图所示。第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析25图 3.6 低速工况下排气门提前开启角度对性能的影响图 3.7 最大转矩工况下排气门提前开启角度对性能的影响第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析26图 3.8 额定工况下排气门提前开启角度对性能的影响从上图可以看出，在低速工况（1100r/min）、最大转矩工况（1600r/min ）和额定工况（2300r/min）下，充气效率和有效转矩随着排气门提前开启角度的增大，先增大再慢慢减小。柴油机的燃油消耗率随着排气门提前开启角度的增大，先逐渐下降在升高。在一定转速下，使发动机各项性能达到最优的排气门提前开启角度各不相同。而且随着转速的变化，最优的排气门提前开启角度具体变化如图 2.13 所示。从图中可以看出，在低速工况下使有效转矩和燃油消耗率达到最优的排气门开启角度是 40，使充气效率达到最佳的排气门开启角度是 48。在最大转矩工况下，使充气效率、有效转矩以及燃油消耗率达到最优的排气门开启角度分别是：56、48以及 44。在额定工况下，充气效率、有效转矩以及燃油消耗率最优时相对应的排气门开启角度分别是：64、52 以及 48。并且随着柴油机转速的增加，最佳的排气门提前开启角度就需要增大。第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析27图 3.9 最佳排气门提前开启角与转速的关系这是因为随着柴油机转速的增加，相同的排气门提前角对应的排气时间就会变短，通过排气门排出的废气量就会减少，同时膨胀损失会减少，可是会使缸内的压力增大，因而使活塞的推出功大大的增加 29。一般来说，柴油机转速变快时排气损失在总体上呈现逐渐增加的趋势, 所以排气提前角应随着转速的增加而增大。所以在确定排气门开启角度随转速的调整上，应该以动力性和经济性为主，其他性能为辅，确定了最佳的排气门开启角度的范围应为 40到52。由于模拟排气门提前开启角度是每隔 4模拟计算一次，有一定的间隔，所以得出的数据可能会有一定的误差。这是因为随着柴油机转速的增加，相同的排气门提前角对应的排气时间就会变短，通过排气门排出的废气量就会减少，但膨胀损失会减少，可是会使缸内的压力增大，因而使活塞的推出功大大的增加 29。一般来说，柴油机转速变快时排气损失在总体上呈现逐渐增加的趋势, 所以排气提前角应随着转速的增加而增大。3.4 气门重叠角在柴油机配气系统中，进气门相对上止点提前开启，排气门相对上止点滞后关闭，成了气门重叠角，气门重叠角是进排气门同时打开的角度，调节进、排气门的相对位置可得到不同的气门重叠角。气门叠开期间,通常进气管压力大于排气管压力,新鲜充量在压力差的作用下流入气缸，并与缸内的残余废气进行混合后，部分可以同时排入排气管中。这样,有利于扫除缸内的废气，增加缸内的新鲜充量，达到扫气的目的。推迟排气门关闭、提早进气门开启，气门重叠第三章 可变配气正时技术对柴油机性能的影响分析28角增大，有利于在中高速范围内的换气和充气，进气量增加，从而使动力性能得到改善。但并不是气门重叠角越大越有利于充气过程，不同的转速对气门重叠角的要求也不一样。如果气门叠开角度过小，将使缸内残余废气系数过大。如果气门重叠角度过大，将使柴油机在低负荷运转时，造成部分新鲜空气随着废气排除或者残余废气进入进气管，污染和稀释进入气缸内的新鲜气体，导致燃烧不良，性能恶化，启动困难怠速不稳定 30。本文选定了低速、最大扭矩、额定转速三种工况为研究对象，排气门关闭角度的变化范围为 0-50，进气门开启角的变化范围为 0到 50，相对应的气门重叠角的变化范围为 0-100，仿真得到的充气效率和燃油消耗率变化如表 2.1-2.6 所示。表 3.1 1100r/min 气门重叠角对充气效率的影响表 3.2 1100r/min 气门重叠角对油耗g/（kW.h）的影响进排0 10 20 30 40 500 0.743 0.743 0.737 0.726 0.711 0.69110 0.785 0.786 0.783 0.775 0.761 0.74320 0.801 0.814 0.817 0.814 0.804 0.78730 0.818 0.830 0.839 0.838 0.836 0.82440 0.821 0.836 0.838 0.833