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APC2008-05 基于GT-Power 的相同可变配气相位摩托车发动机性能研究

芜湖，2008年9月中国内燃机学会第八届学术年会论文集35

APC2008－005 基于GT-Power的相同可变配气相位

摩托车发动机性能研究

王雪雁，夏淑敏

（天津大学内燃机研究所，天津 300072）

摘要：针对装有相同可变配气相位系统的3气门、顶置凸轮轴、小排量摩托车发动机1P39QMB进行了分析，利用GT-Power软件建立了发动机的模型，并进行了配气相位对摩托车发动机性能影响的仿

真分析研究。研究表明，配气相位参数优化后，发动机的动力性和经济性有明显改善，进而也证

实了利用模拟计算来优化的工作是可行的。

关键词：摩托车发动机；相同可变配气相位；仿真研究；单顶置凸轮轴；GT-Power单顶置凸轮轴

Performance of Motorcycle Engine with Dual Equal Variable Valve

Timing on GT-Power

Wang Xue-yan Xia Shu-min

(Tianjin internal combustion engine research institute Tianjin University 300072) Abstract:In allusion to the structure characteristics of small-medium displacement of 1P39QMB motorcycle engine with a dual equal variable valve timing, 3 valve, SOHC, a dual equal variable valve timing (VVT) system was developed. A simulation model of motorcycle engine is established based on GT-Power software. The influences of dual equal VVT on performance of the engine are discussed .the result demonstrate that by optimization the valve timing, the power and fuel consumption are improver greatly. At the same time, it is proved that the use of optimization techniques is feasible.

Key words: motorcycle engine; dual equal variable valve timing; simulating study; SOHC; GT-Power

可变气门技术已成为改善发动机性能的关键技术之一，可以提高发动机的动力性和经济性、改善废气排放、改善怠速稳定性和低速时的平稳性、提高充气效率和低速扭矩[1-2]。随着VVT技术的日趋成熟，近年来VVT技术己经开始应用到摩托车发动机产品上，它可使发动机在很大使用转速范围内的动力性和经济性同时得到改善，特别明显地改善中低速的经济性和稳定性。可变气门技术在工业发达国家，特别是在日本欧美的摩托车上得到了广泛的应用，取得了显著的效果[3-4]。

1P39QMB发动机是国内摩托车发动机基本机型，在国内具有相当高的市场占有率，本文在1P39QMB

发动机结构主体的基础上，针对该类中小排量摩托车发动机的结构特点，开发了适合于中小排量摩托车发动机的相同可变VVT机构。并以内燃机工作过程的数学计算模型为基础，以实验数据为依据，建立了VVT系统的内燃机GT-power 仿真模型，着重对配气相位参数进行选优计算，研究其对摩托车发动机动力性和经济性的影响。

1 相同可变气门系统

本田公司在2000年推出了CB400 SUPER FOUR新机型，其发动机为DOHC，采用了HYPER 的VTEC机构。本田HYPER VTEC在日本国内获得了相当高的评价，被认为是当今摩托车发动机具有代表性的重要技术特征。

针对1P39QMB发动机，本文采用凸轮轴调相法中相同可变凸轮轴配气相位法的可变气门机构，即保持发动机原有的凸轮轮廓线不变，改变凸轮轴相对曲轴的角度的可变配气相位技术进行研究。这样

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我们的VVT通过进气相位和排气相位相同方向相同大小的改变来实现发动机在部分负荷时发动机性能的提高。

1P39QMB发动机配气系统见图1。相位器直接与凸轮轴相连，相位器可通过链条、齿轮或齿形带与曲

轴相连。由于为单凸轮轴，相位器能实现相位重迭角的提前或滞后，同时对原机的改动较小，可大幅节约成本。

图2为相位器外形图。

图1 配气系统图

图2 相位器 2 VVT系统发动机模型的建立及验证

2.1 模型的建立

1P39QMB汽油机的主要技术参数如表1所示。

表1 发动机主要技术参数

参数名称参数

发动机型号1P39QMB

型式3气门、VVT系统、单缸

凸轮轴形式顶置单凸轮轴

缸径×冲程39mm×41.5mm

压缩比10.9

最大功率 2.8 KW (8000 r/min)

最大扭矩 3.4 N·m (7000 r/min)

建立的最终仿真模型如图3所示，该模型主要由气缸、进气系统和排气系统三大部分组成。进气系统主要包括空气滤清器、进气管、化油器等模块；排气系统主要由排气管、流动约束和消音器等组成。在本模型中，将催化器简化为一个

流动约束；气缸内的燃烧模型采用较为简单的单区韦伯函数[5-9]，热换系数选用沃西尼1978 年提出的经验公式。

该模型的输入参数包括结构参数和热力学参数(初始条件、边界条件)，进、排气道几何形状复杂，且几何形状对流体流动影响较大，节气门模块与气门模块的discharge coefficient与相应的节气门开度和气门升程的关系是GT-POWER仿真的重要边界条件。结构参数均可通过查阅该发动机的设计图纸得到，而热力学参数需要根据试验资料来确定。

图3 仿真模型图

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2.2 模型验证

在模型建立后，通过试验和计算结果的对比，来验证所建模型的可靠性。首先模拟计算发动机全负荷状态下的速度特性，相关试验数据是在发动机外特性工况下获得的。

图4、图5、图6分别为循环仿真与试验测试的扭矩、功率以及比油耗对比图。从图中可以看出，功率和扭矩的模拟结果与试验值基本吻合；比油耗对比曲线模拟值与实验值非常接近。可见，所建仿真模型具有较高的计算精度和可靠性，能够正确反映发动机工作过程的特征，可以用来对发动机进行变参数计算。

扭矩/N ·m

转速/r·min -1

图4 扭矩对比图

转速/r·min -1

扭矩/N ·m

图5 功率对比图

比油耗/g (k W ·h )-1

转速/r·min -1

图6 比油耗对比图

3 配气相位对发动机性能的影响

配气机构是发动机的重要组成部件之一，合理的配气相位是提高功率、降低油耗的一种有效方法。配气相位对发动机排气能量的利用、容积效率以及扫气均有重要影响。气门的提前开启和延迟关闭，使气缸在进气时能吸进尽可能充足的空气，在排气时使废气尽可能排除干净，以提高发动机的动力性和经济性。

本文在不同转速条件下分别对配气相位进行优化。为了研究部分负荷情况下，相同可变配气相位对摩托车的作用效果，研究了不同发动机转速下具有代表性的在50%节气门开度等情况下的发动机性能特征。图7、图8、图9、图10分别为仿真50%节气门开度的扭矩、功率、比油耗对比图以及优化后的相位图。从图中可以看出，在中等负荷下，通过优化相位角，可在全速范围内普遍提高发动机

的扭矩和功率，而比油耗变化很小，最大扭矩可提高5.2%，功率可提高2-5.2%。这主要是因为相位重迭角延迟到进气冲程，这时吸气冲程已经开始，进气气门仍然关闭而排气气门仍然开启，随着活塞下行，废气通过排气门被倒吸回气缸，从而实现发

动机性能的提高。

扭矩/N ·m

转速/r·min

-1

图7

扭矩对比图

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扭矩/N ·m

转速/r·min -1

图8 功率对比图

转速/r·min -1

比油耗/g (k W ·h )-

图9 比油耗对比图

开启相位/C A

转速/r·min -1

图10 相位优化图

4 结论

配气相位也是影响发动机工作性能的主要参

数，而其中的进气门迟闭角和排气门早开角对发动

机性能的影响更为明显。本文利用GT-Power 软件进行了相同配气相位对发动机性能影响的模拟计算，研究表明，装载VVT 系统的摩托车，可有效提高了发动机整个转速工况范围的动力性和经济

性。

发动机的仿真计算模型的开发为进一步提高发动机的性能提供了手段。只需改变模型的参数便能够利用模型分析的方法进行有关性能的预测，可

大大缩短开发周期，一定程度上减少系统的试验调整的工作量。

参考文献

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大学,2006,5

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System of the Ford 5.4L 3-Valve Engine. SAE Paper No.960584,1996

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