基于電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性研究

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(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)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(dòng)配氣技術(shù)，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不足的問(wèn)題，提出了一種新的進(jìn)氣策略以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。其機(jī)理是調(diào)節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟規(guī)律使進(jìn)氣初期完成絕大部分充氣量，抑制泵氣損失的過(guò)度增加，進(jìn)氣后期采用較低的升程以保證缸內(nèi)較高的工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)與其他策略的對(duì)比分析可知，新策略在泵氣損失和工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的變化上達(dá)到一個(gè)良好的平衡，更有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速中小負(fù)荷工況的燃油經(jīng)濟(jì)性。

電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)；湍動(dòng)能；泵氣損失；控制策略；燃油經(jīng)濟(jì)性

對(duì)于基于凸輪軸的可變氣門(mén)技術(shù)而言，負(fù)荷控制依然通過(guò)節(jié)氣門(mén)的節(jié)流實(shí)現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況依然造成明顯的泵氣損失，由此可見(jiàn)已應(yīng)用到汽車(chē)上的可變氣門(mén)技術(shù)如VVTI和VVA等對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改善尚存在提升的空間[1-2]，而取消節(jié)氣門(mén)的全柔性可變配氣技術(shù)被認(rèn)為是提高汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的有效手段[3]。全柔性閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比節(jié)氣門(mén)控制，可以獨(dú)立控制氣門(mén)的開(kāi)啟相位、升程和工作模式，通過(guò)控制氣門(mén)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣量，從而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在改善工質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(tái)4氣門(mén)可視化光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上，研究了可變氣門(mén)升程下缸內(nèi)氣體流動(dòng)特性，結(jié)果表明，降低氣門(mén)最大開(kāi)啟升程能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮終了的湍動(dòng)能，隨氣門(mén)升程的降低和轉(zhuǎn)速的提高，湍動(dòng)能的提高更加明顯。Fabio等[5]在1臺(tái)小型渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)不同氣門(mén)策略下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果表明，應(yīng)用氣門(mén)早開(kāi)并結(jié)合進(jìn)氣門(mén)二次開(kāi)啟的策略可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率，相比傳統(tǒng)的節(jié)氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗下降了5.7%。Adrian等[6]在某汽油機(jī)怠速工況下應(yīng)用低的氣門(mén)升程，通過(guò)改善工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

本研究針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不足的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種新的進(jìn)氣門(mén)工作策略，來(lái)滿(mǎn)足適度提高缸內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和降低泵氣損失的需求和矛盾，并與其他典型策略進(jìn)行對(duì)比，研究新策略在改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)所在。

1 研究方案

1.1氣門(mén)運(yùn)行策略

本研究主要針對(duì)低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況(選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，循環(huán)進(jìn)氣量為0.44 g)，保證所需的進(jìn)氣量不變，兼顧提高工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與降低泵氣損失，規(guī)劃進(jìn)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。國(guó)內(nèi)外研究表明，無(wú)凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要通過(guò)進(jìn)氣門(mén)早關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)充氣量的調(diào)節(jié)，通過(guò)推遲氣門(mén)開(kāi)啟相位、降低氣門(mén)升程來(lái)提高工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度[7-9]。本研究據(jù)此提出了一種新的氣門(mén)運(yùn)行方案，為了對(duì)比分析，在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)(點(diǎn)火提前角、空燃比等)下，探討了4種氣門(mén)技術(shù)策略的優(yōu)劣。

1) 進(jìn)氣門(mén)早關(guān)，即在氣門(mén)開(kāi)啟相位不變的前提下，改變氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻，如圖1a所示(后文簡(jiǎn)稱(chēng)策略a)，選擇360°曲軸轉(zhuǎn)角開(kāi)啟，426°曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)閉，最大升程為2.5 mm。

2) 進(jìn)氣門(mén)晚開(kāi)，即在保證氣門(mén)升程和開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間不變的前提下推遲氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻，并適當(dāng)微調(diào)氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間，滿(mǎn)足進(jìn)氣量的需求，如圖1b所示(后文簡(jiǎn)稱(chēng)策略b)，本研究選擇370°開(kāi)啟，428°關(guān)閉，最大升程為2.5 mm。

3) 降低進(jìn)氣門(mén)升程，即在保持氣門(mén)的正時(shí)和開(kāi)啟持續(xù)期不變的條件下，降低氣門(mén)的最大升程，從而獲得所需的進(jìn)氣量，如圖1c所示(后文簡(jiǎn)稱(chēng)策略c)，本研究選擇360°曲軸轉(zhuǎn)角開(kāi)啟，540°關(guān)閉，此時(shí)最大升程為0.42 mm。

4) 進(jìn)氣門(mén)晚開(kāi)并以小升程保持，即氣門(mén)以LIO技術(shù)開(kāi)啟，然后以VVL技術(shù)持續(xù)并關(guān)閉，獲得所需進(jìn)氣量，如圖1d所示(后文簡(jiǎn)稱(chēng)策略d)，本研究選擇選擇370°開(kāi)啟，540°關(guān)閉，最大升程為2.5 mm (404°之后以0.4 mm開(kāi)啟)。

1.2研究樣機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)進(jìn)氣側(cè)應(yīng)用電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制進(jìn)氣門(mén)的開(kāi)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的調(diào)節(jié)。由于電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)全柔性可變[10-11]，氣門(mén)開(kāi)啟次數(shù)、氣門(mén)升程、響應(yīng)時(shí)間以及氣門(mén)工作模式均可靈活可調(diào)，充氣流速可以結(jié)合單氣門(mén)工作模式和降低氣門(mén)升程來(lái)得到補(bǔ)償。圖2示出研究樣機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果。

圖2 電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)性能測(cè)試曲線

2 模型基礎(chǔ)

2.1CFD模型

不同氣門(mén)工作策略下缸內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律采用三維CFD的方法進(jìn)行研究。

氣道及缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)。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(rèn)的欠松弛因子。

2.2一維仿真模型

基于原型機(jī)的參數(shù)，采用一維數(shù)值仿真軟件AVL-Boost建立發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真模型，研究方案僅在進(jìn)氣系統(tǒng)中應(yīng)用電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)，排氣門(mén)仍采用原機(jī)的凸輪驅(qū)動(dòng)方式。其中氣門(mén)端口處流量系數(shù)通過(guò)穩(wěn)流試驗(yàn)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(dòng)配氣機(jī)構(gòu)氣門(mén)開(kāi)啟/關(guān)閉過(guò)渡時(shí)間為3.5 ms，氣門(mén)最大開(kāi)啟升程為8 mm。所研究汽油機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 汽油機(jī)主要參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.14種氣門(mén)策略下的缸內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度

本研究從進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟初期、進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉和壓縮行程末缸內(nèi)工質(zhì)湍動(dòng)能的變化研究4種典型進(jìn)氣策略對(duì)缸內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的影響。

1) 進(jìn)氣初期

為了研究4種策略下進(jìn)氣初期(氣門(mén)打開(kāi)后)缸內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角為400°時(shí)沖入氣缸工質(zhì)的流速和流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析(見(jiàn)圖3和圖4)。

圖3 缸內(nèi)湍動(dòng)能的分布

圖4 缸內(nèi)速度場(chǎng)的分布

從圖3和圖4可以看出：小升程和推遲氣門(mén)開(kāi)啟都會(huì)提高缸內(nèi)工質(zhì)的湍動(dòng)能，這是由于節(jié)流造成的高速氣流在進(jìn)氣口產(chǎn)生的剪切效應(yīng)使工質(zhì)動(dòng)能向湍動(dòng)能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化，但會(huì)使缸內(nèi)工質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)減弱。采用策略c時(shí)進(jìn)氣初期充入氣缸工質(zhì)的湍動(dòng)能最大，但很難形成大規(guī)模的宏觀工質(zhì)運(yùn)動(dòng)。采用其他3種策略時(shí)由于進(jìn)氣初期氣門(mén)升程相對(duì)較大，形成的宏觀工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度更大。采用策略d不僅提高缸內(nèi)工質(zhì)的湍動(dòng)能，也能保證工質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)，一定程度減少了動(dòng)能向內(nèi)能的耗散。

2) 氣門(mén)關(guān)閉后

為了研究4種策略下氣門(mén)關(guān)閉后缸內(nèi)工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)缸內(nèi)工質(zhì)的溫度變化進(jìn)行分析。

氣門(mén)關(guān)閉后，4種方案下缸內(nèi)湍動(dòng)能均迅速衰竭(見(jiàn)圖5)，這是由于本方案選擇的負(fù)荷較低，進(jìn)氣過(guò)程湍動(dòng)能高的工質(zhì)不再充入氣缸，而進(jìn)入氣缸的工質(zhì)隨著活塞的下移而擴(kuò)散，由湍動(dòng)能高的區(qū)域(進(jìn)氣口附近)向低的區(qū)域(靠近活塞區(qū)域)擴(kuò)散，使湍動(dòng)能整體分布均勻。采用策略c時(shí)氣門(mén)關(guān)閉前缸內(nèi)壓差較大，擴(kuò)散造成劇烈的湍動(dòng)能變化。而采用策略d時(shí)后期仍有少量的工質(zhì)補(bǔ)充，擴(kuò)散引起的湍動(dòng)能變化相比策略c較弱。

圖5 進(jìn)氣壓縮過(guò)程湍動(dòng)能的變化

氣門(mén)關(guān)閉后湍動(dòng)能的衰竭主要反映在隨活塞移動(dòng)與難免的接觸碰撞而向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，即湍動(dòng)能越高(且宏觀工質(zhì)運(yùn)動(dòng)較弱)，衰竭時(shí)間越長(zhǎng)，湍動(dòng)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(jiàn)圖6)。策略c下由于進(jìn)氣過(guò)程缸內(nèi)的湍動(dòng)能最高，而同時(shí)宏觀運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度最低，從而衰竭造成缸內(nèi)溫度最高。

圖6 進(jìn)氣壓縮過(guò)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(yùn)動(dòng)將破碎成湍流，使湍動(dòng)能出現(xiàn)一定程度的升高。策略c由于宏觀的工質(zhì)運(yùn)動(dòng)最弱，湍動(dòng)能的后期升高不明顯。策略a雖然宏觀工質(zhì)運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，但是在426°曲軸轉(zhuǎn)角氣門(mén)就關(guān)閉了，衰減時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且進(jìn)入氣缸工質(zhì)的湍動(dòng)能強(qiáng)度偏小，所以圧縮行程末湍動(dòng)能也偏小。

圖7 缸內(nèi)壓縮行程末的湍動(dòng)能

圖8 壓縮行程末的平均湍動(dòng)能

策略d由于進(jìn)氣初期氣門(mén)升程較大，部分工質(zhì)運(yùn)動(dòng)以渦/滾流的方式得以保存，且進(jìn)氣后期采用較低的升程，在補(bǔ)充湍動(dòng)能的同時(shí)又使得缸內(nèi)工質(zhì)衰減的時(shí)間相對(duì)縮短，因此壓縮行程末湍動(dòng)能達(dá)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)燃燒的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)性能采用一維發(fā)動(dòng)機(jī)模型仿真得到。前文分析了4種策略下工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度(湍動(dòng)能)的差異，為驗(yàn)證湍動(dòng)能對(duì)缸內(nèi)燃燒的影響，取燃燒持續(xù)時(shí)間和燃燒最高壓力作對(duì)比分析。從圖9可以看出，策略c下燃燒持續(xù)時(shí)間最短，策略d次之，這反映出湍動(dòng)能越高燃燒速度越快，壓縮末期缸內(nèi)平均湍動(dòng)能越大燃燒最高壓力越高，燃燒持續(xù)時(shí)間越短。但考慮到過(guò)度節(jié)流提高工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)也會(huì)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(lái)權(quán)衡最適合研究工況的氣門(mén)策略。

圖9 4種策略下的燃燒性能

3.3進(jìn)氣策略對(duì)泵氣損失的影響

從4種策略下發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖(見(jiàn)圖10)可以看出，過(guò)度降低氣門(mén)升程雖提高了工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，也帶來(lái)進(jìn)氣壓力線整體下降，同時(shí)由于耗散引起工質(zhì)溫度的增加會(huì)造成壓縮初期壓力偏高，從而帶來(lái)了泵氣損失的明顯增加；推遲氣門(mén)開(kāi)啟將引起進(jìn)氣初期壓力下降，泵氣損失也會(huì)一定程度地增加。

如果出血時(shí)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(huì)伴有一側(cè)下腹不適或疼痛，這可能是排卵痛。有些夫妻因?yàn)榕怕哑诔鲅瑫?huì)避開(kāi)出血時(shí)間同房，那么就降低了受孕的概率，可能會(huì)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(duì)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(jìn)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，又避免了泵氣功耗的過(guò)度增加。

圖11 泵氣損失分析

3.4經(jīng)濟(jì)性及排放性

經(jīng)過(guò)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(duì)4種策略下發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率(BSFC)和尾氣中HC的含量進(jìn)行分析(見(jiàn)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越大，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中HC含量越少(即燃燒越充分)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性越差。這是由于湍動(dòng)能提高的同時(shí)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(dá)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(dòng)能的變化，兩者綜合的結(jié)果使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳，結(jié)果顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗相比早開(kāi)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(mén)升程和推遲開(kāi)啟相位均能改善缸內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，但采用小的氣門(mén)升程改善幅度更顯著(策略c)，壓縮行程末湍動(dòng)能最大(5.99 s2/m2)；策略d也可以使湍動(dòng)能維持在較高的水平，研究工況下達(dá)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(qiáng)缸內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的需求；

c) 策略d相比其他3種策略發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)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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[14] Bellis V D,Severi E,Fontanesi S.Hierarchical 1D/3D approach for the development of a turbulentcombustion model applied to a VVA turbocharged engine, Part I:turbulence model [J].Energy Procedia，2014，45:829-838.

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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50876043);江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20130762)

許江濤(1982—)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)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?yàn)檐?chē)輛動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)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]