16V190发动机配气相位设计

摘要：

通过boost一维分析软件建立16V190一维分析模型，输入初选的进排气管路尺寸、输入主要阻力元器件的阻力特性曲线、输入初选的增压器性能参数、输入预估的放热规律，进行分析计算，通过调整不同的配气相位角度，看性能指标是否达到要求，看爆发压力、排气温度能否控制在可接受范围内，再查看热平衡数据和重要部位测点上的压力、温度、是否合理,从而实现配气相位的优化。

关键词：16V190；配气相位；boost

1、前言

配气机构是发动机的重要组成部分，直接关系到发动机运转的可靠性、振动和噪声，并影响发动机的动力性、经济性和排放等基本性能。配气机构必须根据发动机工作循环及工作顺序的要求，按规律开启、关闭进、排气门，保证正确的配气相位。合理的配气相位是提高功率、降低油耗和排放的一种有效方法，对改善发动机技术状况，节约能源，提高经济效益，都有十分重要的现实意义[1]。

本文主要对16V190燃气机在1000rpm转速下的配气相位进行优化设计。其中主要用到了AVL BOOST 发动机工作循环模拟计算软件。AVL BOOST 发动机工作循环模拟计算软件是分析发动机性能的重要的现代化工具，在开发新产品和改造老产品过程中，发挥着巨大的作用[2]。

2、模型建立

采用AVL BOOST发动机工作循环模拟计算软件，以16V190发动机为原型进行建模，在建模时主要考虑发动机进气系统、排气系统、燃烧模型、摩擦功、加载热传递等重要边界条件 [3]。

图1为16V190燃气发动机的BOOST计算模型。图中，C1—C16为气缸， PL1、PL2为稳压腔，TC1、TC2为涡轮增压器，CO1是中冷器，CL1、CL2为空气滤清器，1—60为管道，J1—J15为管路接头，MP1—MP47为测点，SB1、SB2、SB3、SB4为系统边界。

图1 16V190燃气发动机的BOOST计算模型

3、数据输入

BOOST 整机分析模型包括进气系统、排气系统、气缸、中冷器、空气滤清器、涡轮增压器等。在进行模拟计算前，必须应用试验数据对模型进行校准，需要校准下列参数：功率、空气质量流量、燃气流量、空燃比、缸内压力曲线，以及进排气管道的压力和温度等。在12V190燃气机燃烧分析和试验验证的基础上对该模型进行数据输入。通过12V190燃气机燃烧分析，确认了初始场的影响和敏感度，选择了合适的燃烧模型。

首先输入系统边界条件，包括发动机转速、燃料的混合方式、燃料的性质、管道网格划分、点火顺序、摩擦功的设定等。然后输入各元件数据，在此模型中燃烧放热率计算选择维伯函数（Vibe Function）如图2所示，其中（1）为燃烧始点，（2）为燃烧持续期，（3）为放热形状因子，这三项表征了燃烧放热规律；传热计算采用Woschni1978公式，输入活塞、气缸及缸套的相关参数；输入初选的进排气管路尺寸，包括管路直径、管长及管道流量系数等；输入主要阻力元器件的阻力特性曲线（这些部位包括中冷器、空气滤、气道、节气门等）；输入初选的增压器性能参数，包括增压压比、流量、效率等；输入燃烧室的结构参数；输入配气机构参数，如图2所示，其中（4）为气道部分的参数，主要包括配气相位、气门升程、气道流量系数曲线等。

图2 参数输入

4、配气相位优化

配气相位优化主要是确认进气门早开角（IVO），进气门晚关角（IVC），排气门早开角（EVO），排气门晚关角（EVC）。通过发动机配气相位的优化能提高发动机的经济性、动力性、排放等性能。通过设定不同的进气包角、排气包角、气门重叠角进行了匹配计算，结果如表1所示。表2为不同配气相位对应的进、排气相位角度。表1及表2中1-15号配气相位是在排气门早开角、排气门晚关角及排气包角不变，通过改变进气门相位及气门重叠角来分析发动机性能参数的变化。表1及表2中16-20号配气相位是在进气门早开角、进气门晚关角及进气包角不变，通过改变排气门相位及气门重叠角来分析发动机性能参数的变化。

4.1 进气相位优化

进气过程压力曲线对比如图3所示，对应的进气流量曲线为图4所示。进气门早开角度主要取决于进气道压力与气缸内压力状态，进气门晚关角度取决于压差状态和流速。进气晚关角对补充进气充量和进气效率的影响因素最明显，当增大进气晚关角时，也就增大了补充进气比和充气系数，有利于低速扭矩的增加，而过分增大进气晚关角则会引起空气倒流，降低充气效率。由序号1、4、7、10、13所对应的发动机性能参数可知，进气门早开角不变，进气门晚关角由31°增加到71°，排气歧管的温度和燃气消耗率是递增的，而功率是递减的。

表1 配气相位匹配结果

表2 不同配气相位对应的进、排气相位角度

图3 进气过程压力曲线对比

图4 进气流量曲线

4.2 排气相位优化

排气过程压力曲线如图5所示，对应排气流量曲线如图6所示，排气门提前开启主要是为了减小排气平均有效压力，这是一个重要的控制参数。排气提前角越大，排气门开启越早，自由排气损失就越大，但此时缸内压力在下止点前已降得足够低，所以强制排气损失减少。反之，排气提前角减小，强制排气损失会增加，而自由排气损失则会减少。一般转速越高，最佳排气提前角也应当越大。排气门推迟关闭是为了避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的增加；另一方面还可以利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分废气，实现过后排气[1]。由序号16、17、18、19、20所对应的发动机性能参数可知，排气门晚关角不变，排气门早开角由-2°增加到38°，排气歧管的温度和有效功率是递增的，而燃气消耗率是递减的。

图5 排气过程压力曲线

图6 排气流量曲线

4.3 气门重叠角优化

排气门晚关角与进气门早开角组成气门重叠角，气门重叠角的最主要作用是为了扫气和冷却。对于燃气机，由于燃烧温度较高，需要更多的扫气和冷却，同时由于混合方式的限制，过多的扫气又使得燃气白白排掉而影响燃气消耗量，所以需要确定一个合理的气门重叠角来折中排气冷却和燃气浪费。由序号1、2、3所对应的发动机性能参数可知，进、排气门包角不变，气门重叠角由35°增加到54°，排气歧管的温度和燃料留存比例有明显的递减。燃气流出比例随气门重叠角变化关系如图7所示，排气歧管温度随气门重叠角变化关系如图8所示。

图7 燃气流出比例随气门重叠角变化关系

图8 排气歧管温度随气门重叠角变化关系

综合考虑16V190燃气机的经济性、动力性以及吸气能力等多方面性能，通过对比分析表1，当进气包角232deg，排气包角232deg，气门重叠角48deg时，气耗较低，排气歧管温度也较低。建议配气相位采用进气包角232deg，排气包角232deg，气门重叠角48deg，即19号配气相位。

5、结论

经过仿真计算分析了16V190燃气机在1000rpm转速下的运行性能参数随进气早开角、进气晚关角、排气早开角、排气晚关角的变化情况，综合考虑16V190燃气机的经济性、动力性以及吸气能力等多方面性能，最终确定优化后的配气相位参数为：进气早开24°曲轴转角，进气晚关28°曲轴转角，排气早开28°曲轴转角，排气晚关24°曲轴转角。优化后的配气相位使16V190燃气机的经济性、动力性以及吸气能力得到了一定的保证，为发动机的设计和参数优化提供了参考。

参考文献：

[1] 周龙保.内燃机学（第2版）.北京：机械工业出版社，2005.1

[2] 隆曙红，龚金科，刘孟祥.AVL BOOST 软件应用于HD6105ZLQ 柴油机的性能分析与研究.兰州：移动电源与车辆，2002

[3] 王永升.配气机构优化设计与仿真.天津：天津大学，2007

16V190发动机配气相位设计