基于阿特金森循环的某发动机的凸轮型线优化仿真

李浩，刘览

基于阿特金森循环的某发动机的凸轮型线优化仿真

李浩，刘览

（安徽合肥江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

针对某款阿特金森循环汽油机的开发设计，开展凸轮轴型线的设计研究；运用CAE仿真软件分析凸轮轴型线方案，比较各方案在外特性工况、部分负荷工况、低温冷启动以及增压器匹配等方面的影响，预测各方案的动力性和经济性，给出凸轮轴建议选取方案，对减少试验开发周期和工作量具有重要指导作用。

阿特金森循环；凸轮型线；发动机

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-46-03

引言

当前内燃机发展迅速，其性能指标也被要求一再提高，即动力性上更强劲、经济性上更节油。这就对发动机配气机构提出了更高的要求，而配气凸轮型线是配气机构的核心部分，是影响发动机充气效率、泵气损失以及内EGR率的重要因素。因此，选择合理的凸轮型线对于发动机动力性和经济性性能有着重要作用[1-3]。

利用CAE仿真方法可对凸轮型线进行优化，并准确预测发动机性能、挖掘其最大潜力，从而根据自身需求对方案进行选择，降低后期试验开发周期和工作量。

1 阿特金森循环

本文研究对象是由常规发动机做变型改动设计而来的阿特金森循环发动机。相比常规发动机，阿特金森循环具有进气门开启持续期较长的特点。在吸气冲程末期压缩冲程初期，活塞运动到下止点向上某一位置处，进气门才关闭；晚关进气门将导致气缸内气体回流，相当于减少了一部分油气混合物；在相同工况下，空燃比一定时，进气量减少，燃油量也相应减少。因此，阿特金森循环发动机的各项设计指标也应当适当降低，即合理牺牲部分动力性以满足开发目标要求、突出经济性上的贡献。相关PV变化可见图1，该图为阿特金森循环发动机与常规发动机PV对比图，图中1-2-3-4为传统发动机奥托循环，6-2-3-5为阿特金森循环，阴影部分可理解为阿特金森循环额外的活塞行程及其利用的能量。

图1 阿特金森循环发动机与常规发动机PV对比图

2 仿真模型标定

在进行CAE仿真的优化设计之前，须确保仿真模型本身的准确性，保证该模型能够满足工程应用要求。对于热力学仿真分析而言，汽油机分析模型的计算结果与试验结果差值在4%、关键工况点（额定转速、最大扭矩转速、最小转速）在2%以内是合格的。

图2为发动机性能仿真模型标定结果。其中，黑色曲线为试验测量值，绿色曲线为模型标定计算值。比较试验和计算的BMEP、功率、比油耗和扭矩等，差值均在4%以内，表明该模型标定准确，能够满足工程应用要求。

图2 仿真模型标定结果

3 凸轮型线优化

结合阿特金森循环特点，即进气门晚关、延长进气持续期，本文保留原排气门凸轮型线方案，运用DOE（多目标优化）软件对进气门凸轮型线进行优化，优化原则是动力性达到设计要求、经济性尽可能降低。

表1 进气凸轮优化方案

图3 进排气凸轮优化方案

优化结果如下：方案一锁止进气门开启角，延迟关闭角（角度为凸轮在某一时刻所对应的曲轴转角）；方案二锁止进气门开启角，延迟关闭角，具体可见表1。图3为气门升程方案,纵坐标为气门升程(单位mm)、横坐标为气门升程各时刻对应的曲轴转角（单位deg.CRA）（红色曲线为排气门气门升程、蓝色实线为原气门升程方案、两条蓝色虚线分别为方案一和方案二）。

4 计算结果

4.1 外特性工况比较

两套方案与原方案性能对比结果见图4（红色方块为阿特金森循环性能目标点，绿色曲线为原方案发动机性能、蓝色为方案一发动机性能、橙色为方案二发动机性能）。从结果不难发现，方案一外特性动力性与经济性均达标，方案二外特性低转速动力性不达标，因此从外特性工况上考虑应选用方案一；同时两方案在中高转速下经济性改善较为显著。

图4 各方案外特性工况对比

4.2 部分负荷工况比较

因部分负荷工况非常复杂，本文重点选取工况2000rpm/ 2bar和2000rpm/16.2bar做对比研究分析。工况点选取依据：2000rpm/2bar为低速低负荷的城市道路工况；2000rpm/ 16.2bar为比油耗最小值时的工况。

比较2000rpm/2bar两工况不难发现：残余废气系数为30%时，方案二比油耗较方案一降低约1.1%；残余废气系数为35%时，方案二比油耗较方案一降低约1.4%。方案一在残余废气系数30%的工况时比在35%工况是比油耗降低约1.6%，而方案二降低约1.9%，如图5所示。

图5 不同残余废气系数下比油耗对比（纵坐标为比油耗）

同样比较2000rpm/16.2bar两工况：高负荷时，残余废气系数对比油耗影响较小，两种方案比油耗水平相当，如图6所示。

图6 不同残余废气系数下比油耗对比（纵坐标为比油耗）

结果表明，在低速低负荷工况方案二较方案一经济性更好，且两方案受缸内不同残废系数的影响程度非常接近。

4.3 对低温启动性能影响

低温下的发动机启动性能直接影响发动机工作的可靠性、启动磨损、燃油消耗以及使用性能。因此有必要研究两种凸轮方案对低温启动性能的影响[4]。

根据开发经验，当环境温度-30℃、发动机以200rpm起动时，发动机起动所需最小IMEP限值为6bar。计算结果表明，方案一的起动性能优于方案二，如图7所示。对于阿特金森循环发动机而言，进气门持续期增加会导致气体从缸内向气道回流，充气效率降低。这就是方案二进气门开启持续期增加而IMEP减少的原因。

图7 各凸轮方案对低温启动性能影响

4.4 对增压器匹配影响

由于本文研究对象为增压型汽油机，而凸轮型线的改变会影响发动机进气，需要重新对增压器匹配以保证增压器充分发挥潜力。由于发动机与增压器是通过内燃机的进排气流动将二者联系的，判断匹配情况的基本方法是把形状完全不同的发动机运行特性曲线与增压器特性曲线放在同一坐标系下，根据两者的相对位置来进行评价分析。

图8 各凸轮方案下增压器压气机匹配图

图8 为各方案下增压器匹配状态对比（横坐标为流经增压器气体质量流量、纵坐标为压气机压比，绿色为原凸轮型线方案、蓝色为方案一、橘色为方案二）。观察图中方案二红色线框内区域，外特性曲线在低中转速区域进气压比较高，且运行在压气机低效率区域，会导致增压器运行不稳定，更易发生喘振现象。因此方案二压气机匹配效果较差，方案一较好。

5 结论

通过运用CAE仿真分析方法对阿特金森循环发动机的凸轮轴型线设计提出了两种方案，分析结论如下：

（1）外特性工况时，方案一动力性和经济性指标均达到设计要求，方案二低转速工况动力性不满足设计要求，且增压器匹配效果不及方案一。

（2）低速低负荷工况时，进气门延迟关闭时刻和增加开启持续期将会使发动机经济性更好，且受缸内不同残废系数的影响非常小。

（3）晚关进气门将造成低温冷启动性能变差，应适当选取进气门延迟关闭角以保证良好的起动。

（4）运用CAE仿真软件分析凸轮轴型线方案，比较各方案在外特性工况、部分负荷工况、低温冷启动以及增压器匹配等方面的影响，预测各方案的动力性和经济性，给出凸轮轴建议选取方案，对减少试验开发周期和工作量具有一定的指导作用。

[1] 刘惟信.机械最优化设计(第2版)(M).北京∶清华大学出版社,1994.39—226,280—287.

[2] 肖合林,李小毅[J]气油机凸轮型线的计算机优化设计[J].内燃机.2004,20(3)∶5-6,20.

[3] 张桂昌.柴油机配气机构动力学分析及凸轮型线优化设计[D].天津大学.2009.

[4] 赵琦等.低温对发动机启动的影响[J].柴油机. 2003.34(2).

Based on Atkinson cycle cam engine optimization simulation

Li Hao, Liu Lan
( Anhui Jiang huai Automobile group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

In order to investigation gasoline engine with Atkinson Cycle, this paper develops the design of cam, Using AVLBoost software to build thermodynamic analysis model, predicts and contrast the effection of all cases on WOT, part load, Start behavior and turbocharger matching,then suggests the appropriate cam case.

Atkinson Cycle; cam; engine

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-46-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.017

李浩，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。