基于GT-Power仿真的2.0L汽油机动力性能分析与优化

基于GT-Power仿真的2.0L汽油机动力性能分析与优化李明;许敏;赵金星;徐宏昌;李冕
【摘要】利用GT-Power仿真工具建立了某2.0L汽油机性能仿真模型.并利用原机台架试验数据验证了该模型的正确性.分析了两阶段可变进气歧管长度和可变进气门正时方案对发动机性能的影响.并对原机进气歧管长度、配气相位、稳压腔容积和点火角等参数进行了优化.结果表明,优化后汽油机最大转矩从180 N·m提高到196.5 N·m,额定功率达到102kW,而油耗与原机基本保持一致.%The performance model of a 2.0L engine is established using GT-Power, and the effectiveness of this model is verified by using rig test data of the 2.0L engine. The effect of two-stage variable intake manifold length and variable intake valve timing plan on engine performance has been analyzed, and related parameters, including the intake manifold length, valve timing, intake chamber volume, and ignition angle, etc., are optimized in this work. The optimized results show that the engine performance has been improved significantly,with the largest torque increases to 196.5 N ·m from 180 N·m, and the rated power increases to 102 kW while the fuel consumption is almost kept unchanged.
【期刊名称】《汽车技术》
【年(卷),期】2011(000)003
【总页数】7页(P5-11)
【关键词】汽油机;可变进气歧管;可变气门正时;优化
【作者】李明;许敏;赵金星;徐宏昌;李冕
【作者单位】上海交通大学,汽车电子控制技术国家工程实验室;上海交通大学,汽车电子控制技术国家工程实验室;上海交通大学,汽车电子控制技术国家工程实验室;上海交通大学,汽车电子控制技术国家工程实验室;上海交通大学,汽车电子控制技术国家工程实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U464.171
1 前言
为了更好地适应市场竞争和满足配套车辆的要求，很多发动机厂商都纷纷致力于对原有发动机的性能进行优化改进。

本文研究的主要目的在于保持发动机原机油耗基本不变的前提下提高发动机动力性能。

影响发动机性能的最主要因素之一就是发动机的换气过程，它由进、排气系统和配气系统共同协调完成，能够直接影响汽油机的动力性、经济性和排放性能。

采用可变进气歧管长度的进气系统可以使发动机更好地利用气体的动态效应，进而提高充气效率，使发动机在较宽的转速范围内具有更好的动力性能[1]。

而可变进气门正时（VVT）技术的应用则可以改变原机中配气相位固定不变的状态，在发动机整个运转工况范围内提供最佳的配气正时，提高发动机各个转速下的充气效率，从而进一步改善发动机的动力性。

本文利用GT-Power软件建立了发动机性能仿真模型，详细地分析了采用两阶段可变进气歧管长度和可变进气正时方案对提高发动机充气效率的有效性。

并同时优化了稳压腔容积、点火角、排气门正时等参数，以更大程度地改善发动机的动力性能。

2 发动机性能仿真模型的建立和验证
所研究对象为一台2.0 L SI发动机，在其基本技术参数的基础上建立发动机性能仿真模型。

原机的基本技术参数见表1所列。

表1 发动机基本技术参数发动机型式直列四缸燃烧系统汽油机，MPFI缸径/mm 85行程/mm 88排量/L 1.997压缩比 10:1点火顺序 1-3-4-2进气凸轮升程/mm 9.31排气凸轮升程/mm 9.1最大转矩/N·m 180最大转矩转速/r·min-1 4000标
定功率/kW 92.4标定功率转速/r·min-1 5500
由于在分析、优化的过程中需要对多个控制参数进行调整，因此在燃烧计算模型中选择了GTPower工具包中更加准确的准三维可预测燃烧模型SITurb。

该模型可
以考虑气缸内部的几何形状、点火时间、空气运动及燃料属性等因素，较之于常用的SIWiebe燃烧模型能够更加准确地预测几何压缩比、VVT操作、空燃比和点火角等性能参数对缸内燃烧放热率的影响。

性能分析中的流动计算一般采用容积法和一维非定常流动方法[2]。

GT-Power中进气管内的流动计算是采用有限容积法的
数值方法对方程进行求解,以得到进气管系中压力波的变化规律。

在模型中，通过
气门的工质流动过程使用了喷嘴流量公式；热传导模拟采用woschni传热模型。

在摩擦损失压力计算中模型采用Chen-Flynn的关系式，摩擦损失压力为活塞速度和峰值压力的函数[2]。

根据上述原理，利用GT-Power仿真工具建立了该发动机性能仿真模型，如图1
所示。

图1 发动机性能仿真模型
运用原机的气缸压力、转矩和有效油耗率等台架试验数据对所建立的仿真模型进行了验证。

例如，图2为全负荷工况下转速分别在1 500 r/min、3 000 r/min和5 500 r/min时缸内压力曲线的仿真与试验结果对比。

可以发现，仿真所得到的气缸压力曲线和试验测试结果基本保持一致。

原机外特性转矩和有效油耗率的仿真和试验结果对比如图3所示，通过比较验证，发动机外特性转矩的计算误差在3%以下，
有效油耗率的计算误差在4%以下。

因此，所建立的GT-Power模型与原机具有很好的一致性，可以以该模型为分析基础对原机进行优化设计。

图2 气缸压力的仿真结果与试验结果对比
图3 仿真结果与试验结果的对比
3 可变进气歧管长度对发动机性能的影响
由于发动机进气流动是典型的不定常流动，这种不定常流动使得进气门处的压力和流速不断改变，从而对充气效率以及各缸进气的均匀性都有不同程度的影响，这一般被称为进气系统的动态效应[3]。

这种动态效应在很大程度上受进气歧管长度的影响，从而影响充气效率，进而影响发动机的性能。

为了分析管内压力波的动态效应，分别计算了低、中、高转速时不同进气歧管长度下进气入口处的压力波，如图4、图5和图6所示。

图中AB段所包含的曲轴转角表示进气冲程阶段，BC段表示进气门晚关阶段，这两个阶段内进气入口处压力波的波动情况对进气充量有着重要的影响。

图4 转速为1 500 r/min时进气入口处压力波
图5 转速为4 000 r/min时进气入口处压力波
图6 转速为5 500 r/min时进气入口处压力波
从图4可以看出，在1 500 r/min低转速下，AB段和BC段的压力在90～110 kPa之间很窄的范围内波动，并且不同歧管长度下的压力波的波形和频率等变化不明显，对充气效率的影响不大。

从图5可以看出，在4 000 r/min中高转速下，AB段和BC段的压力在75～128 kPa较宽的范围内波动，并且不同歧管长度下的压力波形和频率有明显的变化，如长度为520 mm的进气歧管较之长度为320 mm的进气歧管，在进气后期，尤其
是在进气门晚关阶段的进气入口处的压力波明显增大，有利于进气；而当进气歧管长度增加到920 mm时，进气后期的压力波明显低于520 mm进气歧管长的压力波，甚至低于320 mm进气歧管长时的压力波。

此外，当进气歧管长度为920 mm时，压力波的峰值在进气门关闭后才到达，不能改善充气效率。

可见，适当
加长进气歧管长度对提高中高转速工况的动力性有利，但歧管过长会使动力性下降。

对于图6中所示的5500 r/min高转速工况，进气歧管长度的增加会使进气中后期的压力波急剧下降，减少进气充量。

此时短管下的压力波动更为有利。

尤其是在AB段的后半段和BC段，即进气冲程的后期和进气门晚关阶段，短管内的压力波
明显大于长管，这也与在高速下采用较短进气歧管并且适当地推迟进气门关闭角来更好地利用压力波和气流惯性增加进气充量的理论相一致[3]。

在保持管径不变的前提下，分别分析、计算了不同进气歧管长度对发动机充气效率的影响。

如图7所示，适当加长进气歧管，可以使进气系统的高速谐振点向低转
速区移动[4]，这对提高中高转速下的充气效率有着明显的效果。

计算结果表明，
在3 000 r/min、3 500 r/min和4 000 r/min下，长度为 720 mm的进气歧管
较之长度为320 mm的进气歧管充气效率分别提高了10.2%、17.6%和14.5%。

图7 进气歧管长度对充气效率的影响
从图7可以看出，当转速在4 500 r/min以上时，长进气歧管的充气效率急剧下降。

这主要是由于充气效率受管道内沿程流动阻力的影响比较大，且阻力大小与转速平方成正比，因此长进气歧管在高速时的充气效率下降很快[2]。

在4500r/min、5000 r/min和5 500 r/min高转速范围内，长度为720 mm的进气歧管较之长
度为320 mm的进气歧管充气效率分别下降了6.6%、5.8%和6.8%，这对发动机高转速工况的动力性能很不利。

因此，如果要求发动机在整个运转范围内都有较高的充气效率，可以采用两阶段可变进气歧管长度结构：在低转速工况采用较长的进气歧管，而在高转速工况采用较
短的进气歧管，以保证各个转速下较好的充气效率。

4 可变进气门正时对发动机性能的影响
配气相位是控制发动机进、排气过程的重要环节，进、排气门的开关时刻选择与进气压力波峰出现的时刻密切相关，因此，配气相位与进排气系统的合理匹配是提高发动机动力性能的关键因素[5]。

每个转速都对应着一个最佳的进气门晚关角，使进气压力波的波峰在进气后期到达，这样在进气过程的后半部分便成为正压状态，使进入气缸的新鲜工质的密度增加，从而提高了充气效率。

如果进气门晚关角过小，进气门将在进气压力波峰到达前关闭，使一部分本来可以利用气流惯性进入气缸的气体被关在气缸之外，导致充气效率下降。

如果进气门晚关角过大，进气压力波峰过去后，进气压力已下降时，进气门仍然还开启，又可能使一部分已进入气缸的混合气被推回进气管，也可以导致充气效率下降[6]。

图8是拟采用的高、低转速工况下进气门关闭角的控制策略示意。

高速时，推迟
进气门关闭角可以充分利用下止点时高速进气气流的惯性，增大进气充量。

进气门若能推迟到气缸压力接近气门外背压时关闭，将获得最大的惯性利用[4]。

低速时，进气惯性不明显，为了保证最大有效压缩比，需要适当减小进气门晚关角。

图8 发动机在高、低转速下进气门关闭策略
如图9和图10所示，在相同进气门相位下，随着发动机转速的增加，进入气缸内的质量流量明显增加，同时在压缩冲程所引起的进气回流部分所占比例明显减少，这是由于高转速时进气气流的速度和惯性都很大，提高了进气充量。

图9 1 500 r/min时发动机缸内充量的质量流量对比
图10 4 500 r/min时发动机缸内充量的质量流量对比
如图9所示，在低转速1 500 r/min时，随着进气门相位的提前，进气门早开和
排气门晚关所形成的气门重叠角加大，由此所引起的废气回流加大，对充气效率有
一定程度的不利影响；不过同时由压缩冲程所引起的进气回流明显减少，几乎没有回流，对充气效率有明显改善[7]。

此外，在进气冲程后期，进气门早关可以形成
更大的进气压力峰值，增加进气量。

这也与上述的在低速时应该适当减小进气门晚关角的结论相一致。

如图10所示，在高转速4500 r/min时，随着进气门相位的
推迟，由废气回流所引起的对充气效率的不利影响减小。

尽管在压缩冲程所引起的进气回流偏高，但所占比例很小。

此外，推迟进气门相位使得在进气冲程阶段第一个压力波峰处的峰值明显加大，有利于进气。

总体来说，高速时适当推迟进气门相位有利于提高充气效率。

因此，采用进气VVT技术可以使发动机在全转速范围内
都可以获得较高的充气效率，从而改善发动机整个转速范围内的动力性。

本文中原机所采用的进气门关闭角为592°。

将进气歧管长度取为固定值570 mm，并将进气门相位设定为可变参数，通过GT-Power仿真计算来分析上述不同进气
门相位对发动机性能的影响，计算结果如图11所示。

图11 不同进气门相位对发动机性能的影响
5 稳压腔容积对发动机性能的影响
除了分析可变进气歧管长度和可变进气门正时两种技术对发动机性能的影响之外，本文中也考虑了稳压腔容积大小对进气谐振效应的影响。

合适的稳压腔容积不仅可以消除各缸进气相互干扰，提高进气均匀性[8]，而且可以充分利用气体波动的动
态效应提高充气效率。

研究表明，在低速工况下，稳压腔容积的不同对充气效率影响很小；而在高速工况下，增加稳压腔容积对提高发动机充气特性非常有利。

但在稳压腔容积达到一定程度（发动机排量的55%左右)后，其影响不大[9]。

原机的
稳压腔容积为1.6 L，如图12所示，经优化计算后当稳压腔容积为1.8 L时对充气效率更为有利，此时只需要对原机稳压腔做较小的改动即可实现。

图12 稳压腔优化前、后充气效率对比
6 优化结果
通过采用两阶段可变进气歧管长度和可变进气VVT技术，对稳压腔容积等设计参
数以及进气VVT正时、点火角等运行参数同时进行优化，并通过采用降低活塞压
缩高度和使用低张力活塞环等方法将摩擦功降低了7%左右，以获得最佳的发动机动力性能。

优化前进气歧管长度为420 mm，采用两阶段可变进气歧管方案仿真
优化后，在转速低于4 500 r/min时进气歧管长为570 mm，高于4 500 r/min
时进气歧管长为390 mm。

原机排气门开启相位为126°，同时考虑低速大转矩和高速高功率的要求，经折中优化后，确定新的排气门开启角为134°。

其他参数仿
真优化结果如图13所示。

图13 优化前、后参数对比
图14 为采用仿真优化后的设计和运行参数计算所得到的发动机性能与原机的对比。

从图14中可以看出，由于优化后发动机中、高转速下的充气效率得到了大幅提高，在全负荷工况下发动机的最大转矩在4 000～4500 r/min转速范围内可达到196.5 N·m，5 500 r/min下的额定功率达到了102 kW，并且油耗与原机基本保持一致。

图14 原机与优化后结果对比
7 结束语
以一台2.0 L汽油机为研究对象，应用GTPower仿真工具建立发动机性能仿真模型并进行了分析与优化。

结果表明，采用两阶段可变进气歧管长度技术可以有效地利用管内压力波的动态效应提高充气效率，尤其对中高转速下的充气效率改善明显；采用可变进气门正时技术并对配气相位优化后，使充气效率进一步得到提高，解决了发动机配气相位固定时高、低转速下的矛盾。

同时对稳压腔容积及点火提前角等参数进行了仿真优化。

综合以上方案，并通过合理降低摩擦功，使发动机在保证其经济性不恶化的前提下有效地改善了动力性。

参考文献
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