許江濤，常思勤，王天波，劉梁

(1.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210091；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

基于電磁驅(qū)動配氣機構(gòu)的發(fā)動機燃油經(jīng)濟性研究

許江濤1,2，常思勤1，王天波1，劉梁1

(1.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210091；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

基于全柔性化的電磁驅(qū)動配氣技術(shù)，針對發(fā)動機低轉(zhuǎn)速小負荷工況工質(zhì)運動強度不足的問題，提出了一種新的進氣策略以有效改善發(fā)動機的經(jīng)濟性。其機理是調(diào)節(jié)氣門開啟規(guī)律使進氣初期完成絕大部分充氣量，抑制泵氣損失的過度增加，進氣后期采用較低的升程以保證缸內(nèi)較高的工質(zhì)運動強度。通過與其他策略的對比分析可知，新策略在泵氣損失和工質(zhì)運動強度的變化上達到一個良好的平衡，更有利于改善發(fā)動機中低轉(zhuǎn)速中小負荷工況的燃油經(jīng)濟性。

電磁驅(qū)動配氣機構(gòu)；湍動能；泵氣損失；控制策略；燃油經(jīng)濟性

對于基于凸輪軸的可變氣門技術(shù)而言，負荷控制依然通過節(jié)氣門的節(jié)流實現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速小負荷工況依然造成明顯的泵氣損失，由此可見已應(yīng)用到汽車上的可變氣門技術(shù)如VVTI和VVA等對于發(fā)動機性能的改善尚存在提升的空間[1-2]，而取消節(jié)氣門的全柔性可變配氣技術(shù)被認為是提高汽油機經(jīng)濟性的有效手段[3]。全柔性閥驅(qū)動系統(tǒng)相比節(jié)氣門控制，可以獨立控制氣門的開啟相位、升程和工作模式，通過控制氣門參數(shù)來調(diào)節(jié)發(fā)動機的充氣量，從而調(diào)節(jié)發(fā)動機的負荷。

針對發(fā)動機低轉(zhuǎn)速小負荷工況，國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在改善工質(zhì)運動和減少泵氣損失的策略上。天津大學(xué)的王天友等[4]在1臺4氣門可視化光學(xué)發(fā)動機上，研究了可變氣門升程下缸內(nèi)氣體流動特性，結(jié)果表明，降低氣門最大開啟升程能有效提高發(fā)動機壓縮終了的湍動能，隨氣門升程的降低和轉(zhuǎn)速的提高，湍動能的提高更加明顯。Fabio等[5]在1臺小型渦輪增壓發(fā)動機上對不同氣門策略下的發(fā)動機性能進行優(yōu)化計算，結(jié)果表明，應(yīng)用氣門早開并結(jié)合進氣門二次開啟的策略可以有效改善發(fā)動機的有效燃油消耗率，相比傳統(tǒng)的節(jié)氣門發(fā)動機油耗下降了5.7%。Adrian等[6]在某汽油機怠速工況下應(yīng)用低的氣門升程，通過改善工質(zhì)運動強度能夠改善發(fā)動機的經(jīng)濟性。

本研究針對發(fā)動機低轉(zhuǎn)速小負荷工況工質(zhì)運動強度不足的問題，開發(fā)了一種新的進氣門工作策略，來滿足適度提高缸內(nèi)工質(zhì)運動強度和降低泵氣損失的需求和矛盾，并與其他典型策略進行對比，研究新策略在改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢所在。

1 研究方案

1.1氣門運行策略

本研究主要針對低轉(zhuǎn)速小負荷工況(選取發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，循環(huán)進氣量為0.44 g)，保證所需的進氣量不變，兼顧提高工質(zhì)運動強度與降低泵氣損失，規(guī)劃進氣門運動規(guī)律。國內(nèi)外研究表明，無凸輪發(fā)動機主要通過進氣門早關(guān)來實現(xiàn)充氣量的調(diào)節(jié)，通過推遲氣門開啟相位、降低氣門升程來提高工質(zhì)運動強度[7-9]。本研究據(jù)此提出了一種新的氣門運行方案，為了對比分析，在相同的發(fā)動機工作參數(shù)(點火提前角、空燃比等)下，探討了4種氣門技術(shù)策略的優(yōu)劣。

1) 進氣門早關(guān)，即在氣門開啟相位不變的前提下，改變氣門關(guān)閉時刻，如圖1a所示(后文簡稱策略a)，選擇360°曲軸轉(zhuǎn)角開啟，426°曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)閉，最大升程為2.5 mm。

2) 進氣門晚開，即在保證氣門升程和開啟響應(yīng)時間不變的前提下推遲氣門的開啟時刻，并適當(dāng)微調(diào)氣門開啟持續(xù)時間，滿足進氣量的需求，如圖1b所示(后文簡稱策略b)，本研究選擇370°開啟，428°關(guān)閉，最大升程為2.5 mm。

3) 降低進氣門升程，即在保持氣門的正時和開啟持續(xù)期不變的條件下，降低氣門的最大升程，從而獲得所需的進氣量，如圖1c所示(后文簡稱策略c)，本研究選擇360°曲軸轉(zhuǎn)角開啟，540°關(guān)閉，此時最大升程為0.42 mm。

4) 進氣門晚開并以小升程保持，即氣門以LIO技術(shù)開啟，然后以VVL技術(shù)持續(xù)并關(guān)閉，獲得所需進氣量，如圖1d所示(后文簡稱策略d)，本研究選擇選擇370°開啟，540°關(guān)閉，最大升程為2.5 mm (404°之后以0.4 mm開啟)。

1.2研究樣機

發(fā)動機樣機進氣側(cè)應(yīng)用電磁驅(qū)動配氣機構(gòu)，通過控制進氣門的開閉來實現(xiàn)對發(fā)動機負荷的調(diào)節(jié)。由于電磁驅(qū)動配氣機構(gòu)全柔性可變[10-11]，氣門開啟次數(shù)、氣門升程、響應(yīng)時間以及氣門工作模式均可靈活可調(diào)，充氣流速可以結(jié)合單氣門工作模式和降低氣門升程來得到補償。圖2示出研究樣機的性能測試結(jié)果。

圖2 電磁驅(qū)動配氣機構(gòu)性能測試曲線

2 模型基礎(chǔ)

2.1CFD模型

不同氣門工作策略下缸內(nèi)工質(zhì)運動強度的變化規(guī)律采用三維CFD的方法進行研究。

氣道及缸內(nèi)氣流運動的控制方程包括守恒的偏微分方程、狀態(tài)方程和湍流模型方程。其中守恒的偏微分方程包括連續(xù)性方程、動量方程及能量方程。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型[12]完成能量的輸運。介質(zhì)為理想可壓縮空氣，壓力速度耦合采用PISO算法，采用默認的欠松弛因子。

2.2一維仿真模型

基于原型機的參數(shù)，采用一維數(shù)值仿真軟件AVL-Boost建立發(fā)動機性能仿真模型，研究方案僅在進氣系統(tǒng)中應(yīng)用電磁驅(qū)動配氣機構(gòu)，排氣門仍采用原機的凸輪驅(qū)動方式。其中氣門端口處流量系數(shù)通過穩(wěn)流試驗得到，燃燒模型采用Fractal模型[13-14]，傳熱模型采用Woschni1978模型。電磁驅(qū)動配氣機構(gòu)氣門開啟/關(guān)閉過渡時間為3.5 ms，氣門最大開啟升程為8 mm。所研究汽油機的主要參數(shù)見表1。

表1 汽油機主要參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.14種氣門策略下的缸內(nèi)工質(zhì)運動強度

本研究從進氣門開啟初期、進氣門關(guān)閉和壓縮行程末缸內(nèi)工質(zhì)湍動能的變化研究4種典型進氣策略對缸內(nèi)工質(zhì)運動強度的影響。

1) 進氣初期

為了研究4種策略下進氣初期(氣門打開后)缸內(nèi)工質(zhì)運動規(guī)律，對曲軸轉(zhuǎn)角為400°時沖入氣缸工質(zhì)的流速和流動狀態(tài)進行分析(見圖3和圖4)。

圖3 缸內(nèi)湍動能的分布

圖4 缸內(nèi)速度場的分布

從圖3和圖4可以看出：小升程和推遲氣門開啟都會提高缸內(nèi)工質(zhì)的湍動能，這是由于節(jié)流造成的高速氣流在進氣口產(chǎn)生的剪切效應(yīng)使工質(zhì)動能向湍動能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化，但會使缸內(nèi)工質(zhì)宏觀運動減弱。采用策略c時進氣初期充入氣缸工質(zhì)的湍動能最大，但很難形成大規(guī)模的宏觀工質(zhì)運動。采用其他3種策略時由于進氣初期氣門升程相對較大，形成的宏觀工質(zhì)運動強度更大。采用策略d不僅提高缸內(nèi)工質(zhì)的湍動能，也能保證工質(zhì)宏觀運動，一定程度減少了動能向內(nèi)能的耗散。

2) 氣門關(guān)閉后

為了研究4種策略下氣門關(guān)閉后缸內(nèi)工質(zhì)的運動特性，對缸內(nèi)工質(zhì)的溫度變化進行分析。

氣門關(guān)閉后，4種方案下缸內(nèi)湍動能均迅速衰竭(見圖5)，這是由于本方案選擇的負荷較低，進氣過程湍動能高的工質(zhì)不再充入氣缸，而進入氣缸的工質(zhì)隨著活塞的下移而擴散，由湍動能高的區(qū)域(進氣口附近)向低的區(qū)域(靠近活塞區(qū)域)擴散，使湍動能整體分布均勻。采用策略c時氣門關(guān)閉前缸內(nèi)壓差較大，擴散造成劇烈的湍動能變化。而采用策略d時后期仍有少量的工質(zhì)補充，擴散引起的湍動能變化相比策略c較弱。

圖5 進氣壓縮過程湍動能的變化

氣門關(guān)閉后湍動能的衰竭主要反映在隨活塞移動與難免的接觸碰撞而向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，即湍動能越高(且宏觀工質(zhì)運動較弱)，衰竭時間越長，湍動能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化越多，表現(xiàn)為缸內(nèi)工質(zhì)的溫度就越高(見圖6)。策略c下由于進氣過程缸內(nèi)的湍動能最高，而同時宏觀運動強度最低，從而衰竭造成缸內(nèi)溫度最高。

圖6 進氣壓縮過程工質(zhì)的溫度變化

3) 圧縮行程末

從圖7和圖8可以看出，在圧縮行程末(680°附近)，由于活塞上移的擠壓作用，宏觀的工質(zhì)運動將破碎成湍流，使湍動能出現(xiàn)一定程度的升高。策略c由于宏觀的工質(zhì)運動最弱，湍動能的后期升高不明顯。策略a雖然宏觀工質(zhì)運動較強，但是在426°曲軸轉(zhuǎn)角氣門就關(guān)閉了，衰減時間過長，且進入氣缸工質(zhì)的湍動能強度偏小，所以圧縮行程末湍動能也偏小。

圖7 缸內(nèi)壓縮行程末的湍動能

圖8 壓縮行程末的平均湍動能

策略d由于進氣初期氣門升程較大，部分工質(zhì)運動以渦/滾流的方式得以保存，且進氣后期采用較低的升程，在補充湍動能的同時又使得缸內(nèi)工質(zhì)衰減的時間相對縮短，因此壓縮行程末湍動能達到4.81 s2/m2，相比策略c下降了19.7%，但相比早關(guān)策略提高了49.8%。

3.2工質(zhì)運動強度對燃燒的影響

發(fā)動機性能采用一維發(fā)動機模型仿真得到。前文分析了4種策略下工質(zhì)運動強度(湍動能)的差異，為驗證湍動能對缸內(nèi)燃燒的影響，取燃燒持續(xù)時間和燃燒最高壓力作對比分析。從圖9可以看出，策略c下燃燒持續(xù)時間最短，策略d次之，這反映出湍動能越高燃燒速度越快，壓縮末期缸內(nèi)平均湍動能越大燃燒最高壓力越高，燃燒持續(xù)時間越短。但考慮到過度節(jié)流提高工質(zhì)運動強度的同時也會造成泵氣損失(PMEP)的增加，因此必須結(jié)合泵氣損失的變化來權(quán)衡最適合研究工況的氣門策略。

圖9 4種策略下的燃燒性能

3.3進氣策略對泵氣損失的影響

從4種策略下發(fā)動機的示功圖(見圖10)可以看出，過度降低氣門升程雖提高了工質(zhì)運動強度，也帶來進氣壓力線整體下降，同時由于耗散引起工質(zhì)溫度的增加會造成壓縮初期壓力偏高，從而帶來了泵氣損失的明顯增加；推遲氣門開啟將引起進氣初期壓力下降，泵氣損失也會一定程度地增加。

如果出血時間符合排卵期那幾天，一般量不多，持續(xù)三五天，那么就可能是了。有些會伴有一側(cè)下腹不適或疼痛，這可能是排卵痛。有些夫妻因為排卵期出血，會避開出血時間同房，那么就降低了受孕的概率，可能會不孕。

圖10 4種策略下的示功圖

圖11示出泵氣損失的定量分析，可以看出策略c泵氣損失最大，是策略a的4.4倍，占平均指示功耗(IMEP)的13.5%；策略b和策略d相對策略a泵氣損失增加幅度分別為26.6%和64.4%。

結(jié)合圖10和11分析，策略d能在進氣初期完成工況所需空氣量的90%以上，剩余所需空氣以較高的流速充入氣缸，從而既改善了缸內(nèi)工質(zhì)運動強度，又避免了泵氣功耗的過度增加。

圖11 泵氣損失分析

3.4經(jīng)濟性及排放性

經(jīng)過上述分析可知，策略d在兼顧泵氣損失和燃燒質(zhì)量上得到了平衡，下面對4種策略下發(fā)動機有效燃油消耗率(BSFC)和尾氣中HC的含量進行分析(見圖12和圖13)。

圖12 有效燃油消耗率分析

可以看出，缸內(nèi)工質(zhì)運動強度越大，發(fā)動機尾氣中HC含量越少(即燃燒越充分)，發(fā)動機燃油經(jīng)濟性越差。這是由于湍動能提高的同時造成了泵氣損失的增加，策略c盡管燃燒最充分，但有效燃油消耗率達到了460.3 g/(kW·h)(泵氣損失占有用功的13.5%)，相比策略d高出10.9%。策略d能夠很好地兼顧泵氣損失和工質(zhì)湍動能的變化，兩者綜合的結(jié)果使發(fā)動機的經(jīng)濟性達到最佳，結(jié)果顯示發(fā)動機的有效燃油消耗相比早開晚關(guān)策略改善了2.8%，而HC的排放量也降低了56%。

4 結(jié)論

a) 研究工況下，小氣門升程和推遲開啟相位均能改善缸內(nèi)工質(zhì)運動強度，但采用小的氣門升程改善幅度更顯著(策略c)，壓縮行程末湍動能最大(5.99 s2/m2)；策略d也可以使湍動能維持在較高的水平，研究工況下達到4.81 s2/m2，相比策略c下降了19.65%，但比策略a提高了49.8%；

b) 策略d可以兼顧較小泵氣損失和適度增強缸內(nèi)工質(zhì)運動強度的需求；

c) 策略d相比其他3種策略發(fā)動機燃油經(jīng)濟性更優(yōu)，相比策略c燃油消耗率降低了10.9%，相比策略a降低了4.1%。

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EngineFuelEconomyBasedonElectromagneticValveTrain

XU Jiangtao1，2,CHANG Siqin1,WANG Tianbo1,LIU Liang1

(1.Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210091，China; 2.Nanjing Institute of Industry Technology,Nanjing 210023，China)

For the problem of insufficient movement intensity of working substance at low engine speed and low load, the new intake strategy based on electromagnetic valve train was put forward to improve engine fuel economy. The strategy allowed the most charge air into cylinder at the early stage of intake to prevent the pumping loss and used the small lift to improve the movement intensity of gas. Compared with other strategies, the new strategy could lead to a better balance between pumping loss and movement intensity so that engine fuel economy and emissions could improve at low and medium engine speed and load.

electromagnetic valve train；turbulent kinetic energy;pumping loss;control strategy;fuel economy

2017-03-22;

2017-09-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(50876043);江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20130762)

許江濤(1982—)，男，講師，博士，主要研究方向為發(fā)動機性能仿真與優(yōu)化；xutaowang007@163.com。

常思勤(1954—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為車輛動力裝置設(shè)計與優(yōu)化；changsq@mail.njust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.006

TK413.4

B

1001-2222(2017)05-0027-07

[編輯: 李建新]