柴油機(jī)全可變配氣機(jī)構(gòu)配氣充量的優(yōu)化

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗過(guò)程有很大影響。為了保證和提高配氣質(zhì)量，配氣閥應(yīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)開(kāi)啟及關(guān)閉的時(shí)刻，以實(shí)現(xiàn)最佳配氣正時(shí)，提高充量系數(shù)，減少將泵氣損失1配氣機(jī)構(gòu)的流量模型對(duì)于全可變配氣柴油機(jī)可變配氣過(guò)程來(lái)說(shuō)，配氣過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程是在質(zhì)量守恒定律和理想氣體狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上得到的式中：h由式(1)整理可得任意一截面空氣的流速方程為依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：以及絕熱過(guò)程方程：式中：p為壓力，Pa;v是體積，m將初態(tài)和終態(tài)的壓力、比體積、溫度及理想氣體狀態(tài)方程式(3)代入式(4)，得出初態(tài)和終態(tài)溫度比與其壓力比之間的關(guān)系：在絕熱過(guò)程中，初態(tài)和終態(tài)的焓差可以用溫度差方程來(lái)表示：因此，任意一截面的流速方程還可以表示為由于理想氣體滿足：最終，氣體的流速可以用初、終態(tài)的相關(guān)參數(shù)表達(dá)：穩(wěn)定流動(dòng)中，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，任意一截面的質(zhì)量流量方程為將c式中：m由質(zhì)量流量方程可以看出某一截面的質(zhì)量流量與初態(tài)、終態(tài)的狀態(tài)參數(shù)和氣體的流通面積有關(guān)。圖1為凸輪驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)與全可變驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的氣閥升程曲線圖。通過(guò)圖1可看出電液全可變配氣機(jī)構(gòu)的充氣效率明顯優(yōu)于凸輪驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)式中：P對(duì)于自然吸氣柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，氣缸內(nèi)初始?jí)毫Φ扔谂艢獗硥海瑲飧變?nèi)的體積隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的表達(dá)式為式中：V配氣閥開(kāi)啟過(guò)程中，新鮮空氣理想的質(zhì)量流量可根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)的流量計(jì)算式(11)獲得[10]:式中：A氣閥某一時(shí)刻的有效流通面積與氣閥升程有關(guān)，它們之間的函數(shù)關(guān)系為式中：Z為氣缸的配氣閥個(gè)數(shù)；L氣閥流量函數(shù)可根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)的流量計(jì)算式(11)表達(dá)為式中：γ由于進(jìn)氣管的壓力近似等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，將上述配氣模型作進(jìn)一步簡(jiǎn)化：進(jìn)氣管內(nèi)的壓力為1×10傳統(tǒng)凸輪軸驅(qū)動(dòng)氣閥機(jī)構(gòu)的氣閥升程曲線取決于凸輪型線，而全可變驅(qū)動(dòng)的柴油機(jī)的氣閥升程曲線可以由進(jìn)氣閥開(kāi)啟時(shí)刻、氣閥升程、氣閥開(kāi)啟持續(xù)期及氣閥開(kāi)啟速度來(lái)表達(dá)，其氣閥升程曲線方程組式中：t實(shí)際新鮮空氣的質(zhì)量流量?m許多類(lèi)型的的發(fā)動(dòng)機(jī)，流量系數(shù)μ主要取決于氣閥升程L由于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，導(dǎo)致流量系數(shù)μ也差別甚大，通常來(lái)講流量系數(shù)μ值由流體實(shí)驗(yàn)確定。利用實(shí)物或物理模型進(jìn)行靜吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到瞬時(shí)的流量系數(shù)μ值，將此流體實(shí)驗(yàn)測(cè)得的流量系數(shù)μ值作為已知數(shù)據(jù)代入相關(guān)式進(jìn)行計(jì)算。在沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，流量系數(shù)μ值只能參照類(lèi)似發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型或發(fā)動(dòng)機(jī)的母型機(jī)進(jìn)行適當(dāng)選取。對(duì)于中高速柴油機(jī)推薦采用以下經(jīng)驗(yàn)式：因此進(jìn)入氣缸內(nèi)新鮮充量是質(zhì)量流量在氣閥開(kāi)啟持續(xù)期內(nèi)的積分，表達(dá)式為式(12)～(24)是發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)配氣充量的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)此模型可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速情況下的配氣充量。2氣充量模型的建模和實(shí)現(xiàn)基于Simulink仿真軟件搭建全可變驅(qū)動(dòng)氣閥柴油機(jī)缸內(nèi)配氣充量數(shù)學(xué)模型，并開(kāi)展仿真研究。2.1配氣閥仿真模型本文以東風(fēng)朝陽(yáng)柴油機(jī)廠4102系列柴油機(jī)為研究對(duì)象，開(kāi)展全可變配氣背景下的缸內(nèi)充量研究。此系列柴油機(jī)為四缸柴油機(jī)，缸徑為102mm，行程為118mm，額定功率為49/2300kW/(r·min-1)，最大扭矩/轉(zhuǎn)速為235/1600N·m/(r·min-1)，全負(fù)荷最低燃油消耗率為238g/(kW·h)，配氣門(mén)提前開(kāi)啟位置上止點(diǎn)前14°CA，配氣門(mén)延遲關(guān)閉位置下止點(diǎn)后50°CA，排氣門(mén)提前開(kāi)啟位置下止點(diǎn)前56°CA，排氣門(mén)延遲關(guān)閉位置上止點(diǎn)后16°CA，壓縮比為17.5∶1，氣閥座喉口直徑為40mm，氣閥座錐角為45°，配氣閥閥桿直徑危機(jī)10mm，每缸配氣閥1個(gè)。利用Simulink模塊化設(shè)計(jì)功能[13]，全可變配氣模型分為缸內(nèi)體積模型、缸內(nèi)壓力模型、氣閥升程模型、氣閥有效流通面積模型、氣閥流量函數(shù)模型、氣閥質(zhì)量流量模型[14]。搭建后的全可變配氣充量計(jì)算整體模型如圖2所示。2.2配氣閥升程曲線在1200r/min工況下，仿真得到模型曲線如圖3，可以看出缸內(nèi)體積變化的范圍是從活塞上止點(diǎn)到活塞下止點(diǎn)。由圖4缸內(nèi)壓力變化曲線可以看出，進(jìn)氣閥開(kāi)啟時(shí)刻缸內(nèi)壓力由于體積變大迅速降低。新鮮空氣吸入時(shí)，缸內(nèi)壓力有一段平穩(wěn)狀態(tài)，近似等于外界大氣壓，隨著壓縮沖程的開(kāi)始，缸內(nèi)氣壓極速上升。由圖5氣閥升程變化曲線可以看出，該模型輸出的氣閥運(yùn)動(dòng)曲線符合全可變配氣機(jī)構(gòu)的氣閥升程曲線變化規(guī)律。由圖6可以看出，在進(jìn)氣閥開(kāi)啟初期，質(zhì)量流量是負(fù)值，說(shuō)明缸內(nèi)氣體倒流入進(jìn)氣管中。因?yàn)檫M(jìn)氣閥開(kāi)啟時(shí)，缸內(nèi)的壓力大于進(jìn)氣管內(nèi)的壓力，在壓力差的作用下，缸內(nèi)氣體流入進(jìn)氣管內(nèi)。隨著氣閥升程逐漸增大，空氣的質(zhì)量流量也緩慢變大，到達(dá)峰值后，進(jìn)氣閥關(guān)閉，氣閥升程逐漸減小，空氣質(zhì)量流量也變小，氣閥關(guān)閉后質(zhì)量流量變?yōu)榱恪D7是全可變配氣柴油機(jī)同一轉(zhuǎn)速下，升程可變的質(zhì)量流量曲線。可以看出隨著氣閥升程逐漸增大，流過(guò)氣閥的空氣質(zhì)量流量也隨之增大。說(shuō)明在氣閥升程未達(dá)到飽和值11.6mm時(shí)，隨著升程變大，氣閥有效流通面積增大，為新鮮空氣進(jìn)入氣缸提供了較好的流通條件，促使質(zhì)量流量增加。圖8是全可變配氣柴油機(jī)同一轉(zhuǎn)速下，升程可變的氣閥升程曲線。可以看出氣閥升程增大，氣閥有效流通面積隨之增大。這樣有利于更多的新鮮空氣流入柴油機(jī)氣缸內(nèi)，提高柴油機(jī)的充氣效率，為缸內(nèi)燃油的燃燒提供充足的新鮮空氣，改善柴油機(jī)的燃燒。由表1可知，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，得到的結(jié)論是隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，柴油機(jī)缸內(nèi)配氣充量先緩慢增大在2000r/min附近達(dá)到峰值，隨后緩慢減小。柴油機(jī)每一工作循環(huán)，新鮮空氣充入氣缸內(nèi)的質(zhì)量約為1.11g，充量系數(shù)約為1.06，在最低噴油量的情況下，過(guò)量空氣系數(shù)約為1.80。3t-功率模型在4102系列柴油機(jī)的相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上利用GT-power軟件建立模型，以此模型對(duì)上節(jié)中Simulink仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析[15]。CY4102BG柴油機(jī)的GT-power模型見(jiàn)圖9。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為700～2400r/min，步長(zhǎng)為100r/min，設(shè)置為18個(gè)工況，并選取了其中的5個(gè)工況，得到缸內(nèi)進(jìn)氣質(zhì)量情況變化如圖10、11。如圖11，轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min到2400r/min增大的過(guò)程中除個(gè)別點(diǎn)外，氣缸內(nèi)每循環(huán)流入的空氣質(zhì)量先逐步增大，到2000r/min時(shí)達(dá)到峰值，隨后逐漸減小。通過(guò)表2GT-power模型的驗(yàn)證結(jié)果也可以得出先前搭建的Simulink模型具有良好的準(zhǔn)確度，可以作為柴油機(jī)參數(shù)優(yōu)化的模型依據(jù)。4配氣充量數(shù)學(xué)模型1)在4102柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了全可變配氣柴油機(jī)缸內(nèi)配氣充量的數(shù)學(xué)模型，相關(guān)模型和方法為柴油機(jī)缸內(nèi)充量?jī)?yōu)化提供參考。2)利用Simulink搭建了全可變配氣柴油機(jī)缸內(nèi)配氣充量的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了不同轉(zhuǎn)速下的最大配氣充量，結(jié)果分析表明：隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，柴油機(jī)缸內(nèi)配氣充量先緩慢增大在2000r/min附近達(dá)到峰值，隨后緩慢減小。柴油機(jī)每一工作循環(huán)，新鮮空氣充入氣缸