孫培巖， 李翔， 萬怡， 滿長忠， 唐運榜

(大連理工大學(xué)海洋能源利用與節(jié)能教育部重點實驗室, 遼寧 大連　116024)

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新型無節(jié)氣門進氣系統(tǒng)
——串聯(lián)氣門速度控制系統(tǒng)

孫培巖， 李翔， 萬怡， 滿長忠， 唐運榜

(大連理工大學(xué)海洋能源利用與節(jié)能教育部重點實驗室, 遼寧 大連116024)

為了改善車用汽油機在城市路況下(即中小負荷的工況下)的燃油經(jīng)濟性，設(shè)計了一種由兩個串聯(lián)進氣門組成的進氣控制系統(tǒng)(SVSC)，采用全新的進氣控制原理，不通過節(jié)氣門的操控來降低部分負荷工況下發(fā)動機進氣損失并提高燃油經(jīng)濟性。仿真計算與試驗表明，SVSC系統(tǒng)可大幅減少發(fā)動機部分負荷下的進氣損失，并且不需要對發(fā)動機的尺寸或結(jié)構(gòu)作較大改動。

點燃式發(fā)動機； 節(jié)氣門； 進氣損失； 進氣系統(tǒng)； 仿真

能源與環(huán)境問題是目前汽車工業(yè)面臨的兩個主要問題。為了在提高汽油機燃油經(jīng)濟性和動力性的同時滿足越來越嚴格的排放法規(guī)要求，配氣控制技術(shù)的研究備受關(guān)注[1]。如何有效地根據(jù)發(fā)動機的運行狀態(tài)改變進氣量，如何有效地減小發(fā)動機中低負荷工況下的泵氣損失等，都是進一步提高汽油機燃油經(jīng)濟性需要考慮的問題。

各國學(xué)者正在廣泛研究可變氣門執(zhí)行器(VVA)，并且已經(jīng)發(fā)表了一系列與可變氣門升程、可變氣門開啟持續(xù)時間以及氣門正時控制策略相關(guān)的研究文獻[2]。比如：NISSAN公司[3]在3.0 L V6發(fā)動機平臺上推出了一種二階凸輪限位機構(gòu)來實現(xiàn)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩的提升，并降低了燃油經(jīng)濟性；Toyota[4]，F(xiàn)ord[5]，Porsche[6]公司相繼推出了凸輪相位可以連續(xù)改變的機構(gòu)。此后日本的Honda[7]公司與德國BMW[8]公司相繼開發(fā)了可以使氣門升程與進排氣相位均可變的機構(gòu)。但以上這些機構(gòu)都沒有完全取消節(jié)氣門，進氣損失依然存在?；诖?，德國BMW[9]公司推出了一種可以改變進氣量的機構(gòu)——Valvetronic機構(gòu)，取消了節(jié)氣門，機構(gòu)中凸輪不直接控制進排氣門，而是通過一種傳動機構(gòu)間接地實現(xiàn)進氣門升程的連續(xù)改變，該機構(gòu)已投入生產(chǎn)。瑞典學(xué)者Shahnawaz Ahmed Khan和Prajod Ayyappath[10]開發(fā)了一種高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)改變進氣量的機構(gòu)，取消了節(jié)氣門，此外，天津大學(xué)[11]研究了一種可以取消節(jié)氣門的機構(gòu)，而且取消凸輪，但這兩種機構(gòu)均存在裝置龐大復(fù)雜，安裝過程繁瑣且成本非常高的弊端。

考慮到大部分汽車經(jīng)常工作在城市工況下，本研究特別設(shè)計了一種由2個串聯(lián)進氣門構(gòu)成的串聯(lián)氣門速度控制系統(tǒng)(SVSC)來降低發(fā)動機進氣損失，該系統(tǒng)沒有采用現(xiàn)有的改變發(fā)動機即時進氣量的方法。理論計算與試驗驗證表明，在中小負荷工況下，SVSC系統(tǒng)對進氣損失的降低效果尤為明顯，節(jié)油率平均可達5%～6%,且對發(fā)動機的功率特性基本沒有影響。

1　串聯(lián)氣門速度控制系統(tǒng)(SVSC)

1.1SVSC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SVSC系統(tǒng)由2個串聯(lián)的進氣門組成進氣控制系統(tǒng)，取消了傳統(tǒng)點燃式內(nèi)燃機的節(jié)氣門(見圖1)。 兩個進氣門串聯(lián)連接，后面的氣門(稱后進氣門)的結(jié)構(gòu)和控制方式與傳統(tǒng)的發(fā)動機進氣門一致；前面的氣門(稱前進氣門)的進氣持續(xù)角一定，但開啟時刻是可變的，即關(guān)閉時刻也是可變的，前進氣門的開啟頻次與后進氣門的開啟頻次一致。前進氣門與后進氣門須有同時打開的角度，或稱重疊角，控制重疊角的大小，即控制了發(fā)動機的進氣量。前進氣門的進氣持續(xù)角大于后進氣門的進氣持續(xù)角。前進氣門與后進氣門之間組成燃料混合室，燃料噴射進混合室與空氣混合?；旌鲜覂?nèi)的空氣量應(yīng)不大于發(fā)動機怠速時所需空氣量，即燃料混合室容積應(yīng)盡量小。

圖1　SVSC系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

裝有SVSC系統(tǒng)的汽油機只是在原機的進氣部分作了一定的改進，將原機的節(jié)氣門取消，加裝SVSC系統(tǒng)作為進氣構(gòu)件，其余都一樣，不涉及對原機進氣門的更改。

1.2SVSC系統(tǒng)工作原理

前、后進氣門的工作原理見圖2。從圖2中可以看出SVSC系統(tǒng)的實際工作過程：起初前、后進氣門均關(guān)閉，在某一時刻前進氣門開啟，空氣通過前進氣門進入混合室，燃料混合室內(nèi)空氣壓力為前進氣門前的壓力；隨后后進氣門打開，此時前進氣門依然打開，空氣從前進氣門直接進入氣缸；前進氣門關(guān)閉，空氣停止進入燃料混合室和氣缸，直到后進氣門關(guān)閉，完成氣缸進氣過程。

圖2　SVSC系統(tǒng)工作原理

圖3示出了改變前進氣門進氣開啟角時對應(yīng)的發(fā)動機進氣持續(xù)時間以及相應(yīng)的通氣面積，從左到右依次為進氣部分重疊到進氣完全重疊過程中相應(yīng)的進氣門通氣面積曲線集；其中Φa表示前進氣門的進氣持續(xù)相位，Φb表示后進氣門的進氣持續(xù)相位；Φ1，Φ2，Φ3表示前進氣門與后進氣門的不同進氣重疊角，每一條曲線描述了不同進氣重疊角對應(yīng)的通氣面積。改變前進氣門進氣開啟角，繼而改變前后氣門的開啟重疊角，即改變了實際進氣持續(xù)的時間。

圖3　不同工況下SVSC系統(tǒng)前進氣門與后進氣門的相對位置示意

2　模型建立與計算

本次仿真使用GT-Power軟件，基于LIFAN 175 mL單缸發(fā)動機進行。原發(fā)動機參見表1。

表1　基礎(chǔ)發(fā)動機參數(shù)

2.1仿真模型

圖4示出了傳統(tǒng)基礎(chǔ)汽油機模型中各元件的位置及相應(yīng)的名稱與作用，箭頭對應(yīng)模型中的各種管道，箭頭的方向表示氣體流動的方向。圖4中每條箭頭線上都分布有測量點。模擬過程中，新鮮空氣進入系統(tǒng)，流經(jīng)管道系統(tǒng)進入發(fā)動機氣缸中，燃燒后的廢氣流經(jīng)排氣道通過排氣管排出。

圖4　基礎(chǔ)汽油機GT-Power仿真模型

圖5示出了裝有SVSC系統(tǒng)的汽油機模型中各元件的位置及相應(yīng)的名稱與作用。在建模過程中，兩種模型除了進氣門前的元件與參數(shù)設(shè)置不同，其余都相同，仿真過程也相同。

圖5　SVSC系統(tǒng)汽油機GT-Power仿真模型

2.2參數(shù)確定

參數(shù)包括管道模型參數(shù)和氣缸模型參數(shù)[12-13]。

1) 管道模型參數(shù)進氣環(huán)境和排氣環(huán)境的參數(shù)主要包括入口處空氣壓力、空氣溫度及該處的流量系數(shù)等；流動管道參數(shù)包括管道長度、直徑、壁溫、熱傳導(dǎo)參數(shù)等，均根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定；

2) 氣缸參數(shù)主要包括氣缸缸徑、活塞行程、平均曲軸箱壓力、氣門座直徑及配氣相位等，這些參數(shù)都是根據(jù)發(fā)動機實際參數(shù)設(shè)定的。本研究因加入前進氣門，其運動規(guī)律設(shè)置見圖2和圖3。

2.3計算模型標定

在試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作特征使用GT-Power建立基礎(chǔ)發(fā)動機的換氣和熱力學(xué)模型，并對發(fā)動機的運算模型進行標定。

主要標定對象為SVSC發(fā)動機的進排氣部分以及燃燒過程。進排氣部分主要包括質(zhì)量流量、進氣背壓和排氣背壓，燃燒過程主要包括功率、扭矩以及缸內(nèi)壓力，使計算值與基礎(chǔ)發(fā)動機的試驗數(shù)據(jù)相符，趨勢相同， 且兩者的最大誤差不超過5%。部分標定數(shù)據(jù)見圖6和圖7。

圖6　發(fā)動機質(zhì)量流量試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比

圖7　發(fā)動機速度特性試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比

3　計算結(jié)果分析

本計算取消節(jié)氣門，通過設(shè)定不同的氣門運動規(guī)律，得到不同運動規(guī)律下的循環(huán)進氣量；調(diào)整SVSC系統(tǒng)前、后進氣門的進氣重疊角使之與基礎(chǔ)發(fā)動機的循環(huán)進氣量相同[14-15]，從而獲得氣缸內(nèi)壓力變化曲線(注：本文只討論發(fā)動機進氣過程壓力曲線)。

3.1無節(jié)氣門控制發(fā)動機的節(jié)油原理

圖8示出在部分負荷下SVSC系統(tǒng)汽油機與基礎(chǔ)汽油機進氣量相同時的進氣p-V示功圖對比。SVSC汽油機由于取消節(jié)氣門，大大降低了進氣道內(nèi)空氣流動的阻力，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)汽油機相比，在部分負荷的進氣過程中可以減小很大一部分節(jié)流損失。此外燃料混合室容積很小，前進氣門相當(dāng)于直接與外界相通，所以初始進氣壓力接近于外界大氣壓值，這樣可以減小活塞完成進氣過程需要克服的阻力，大幅度減小發(fā)動機的進氣損失。而傳統(tǒng)汽油機因為有節(jié)氣門的存在，在節(jié)氣門未打開或者開度很小時，節(jié)氣門本身會引起很大的空氣流動阻力，造成節(jié)流損失，并且由于進氣初始進氣歧管內(nèi)背壓很低，活塞需要克服較大的阻力來完成進氣過程，從而引起泵氣損失。

圖8　SVSC汽油機與基礎(chǔ)汽油機進氣p-V示功圖的對比

從圖8中可知，SVSC發(fā)動機缸內(nèi)進氣壓力較基礎(chǔ)發(fā)動機的缸內(nèi)進氣壓力有明顯提升。在保證兩種方式的缸內(nèi)進氣量相同的情況下，縱軸0.1 MPa橫線下方兩條進氣壓力曲線所圍成的面積即可反映SVSC系統(tǒng)可節(jié)省的進氣損失功。

3.2部分負荷下兩種發(fā)動機進氣損失的比較計算

圖9示出SVSC系統(tǒng)汽油機與原機進氣壓力曲線對比。圖中1—2—3—4—1所圍成部分為基礎(chǔ)汽油機的進氣損失功，1—2—3—1所圍成部分為SVSC系統(tǒng)汽油機的進氣損失功，則陰影部分為SVSC系統(tǒng)可以減小的進氣損失功。

圖9　SVSC汽油機與基礎(chǔ)汽油機進氣壓力對比

應(yīng)用十等分法[16]，將示功圖長L分為10等份，量出各等分點上的示功圖高度(示功圖邊緣與等分線上下交點間的線段長度)y1,y2,y3,…y9(mm)。在上、下止點附近，距上、下止點L/40處再附加兩個示功圖高度y0和y10,示功圖平均高度可用下式得到：

(1)

(2)

Pi=cpin。

(3)

式中：hi為平均高度；pi為平均指示壓力； M為示功器的彈簧比例；c為氣缸常數(shù)；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；Pi為平均指示功率。

由于兩者時間t相同，則

(4)

進氣損失功減小率為

(5)

3.3SVSC系統(tǒng)前、后進氣門進氣重疊角不同時的進氣p-V示功圖對比

圖10至圖13示出前、后進氣門氣門重疊角由小到大，且保證兩者循環(huán)進氣量相同時，SVSC系統(tǒng)汽油機與基礎(chǔ)汽油機進氣p-V示功圖的對比，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速均為2 500 r/min。圖中的陰影部分均表示SVSC系統(tǒng)可節(jié)省的進氣損失功。

圖11　前、后進氣門開啟重疊角為145°時的進氣p-V示功圖

圖12　前、后進氣門開啟重疊角為185°時的進氣p-V示功圖

圖13　前、后進氣門開啟重疊角為230°時的進氣p-V示功圖

圖10、圖11、圖12中的實線分別描述了前、后進氣門進氣重疊角依次為55°，145°和185°時發(fā)動機對應(yīng)的p-V示功圖，此時基礎(chǔ)發(fā)動機節(jié)氣門開度相應(yīng)為5%，28%和61%，由圖中虛線表示。從圖10至圖12中可以看出，前進氣門開啟角越大，即前、后進氣門進氣重疊角越大，進氣持續(xù)時間越長，SVSC系統(tǒng)發(fā)動機相比于基礎(chǔ)發(fā)動機的進氣損失功減少率越大。經(jīng)過計算得知，當(dāng)前、后進氣門進氣重疊角分別為55°，145°，185°時，SVSC系統(tǒng)汽油機對比于基礎(chǔ)汽油機可節(jié)省的進氣損失功依次為48.83%，79.37%和87.29%。

圖13示出當(dāng)前、后進氣門進氣重疊角為230°，即前、 后進氣門完全開啟時，SVSC系統(tǒng)發(fā)動機與基礎(chǔ)發(fā)動機的缸內(nèi)壓力曲線對比。從圖中可以看出二者幾乎重合，這是因為此時基礎(chǔ)發(fā)動機的節(jié)氣門幾乎完全開啟，進氣損失接近于0，而SVSC系統(tǒng)的前、后進氣門開啟重疊角也在此時達到最大值，所以無從談?wù)撨M氣損失可以節(jié)省多少。此外，由于兩條進氣壓力曲線幾乎重合，可以說明SVSC系統(tǒng)在前、 后進氣門開啟重疊角達到最大值時，與原機在滿負荷下的進氣情況無差別，即不會影響發(fā)動機的動力性。

4　試驗結(jié)果分析

通過臺架試驗得到了SVSC系統(tǒng)發(fā)動機和基礎(chǔ)發(fā)動機的燃油消耗率MAP圖(見圖14)。圖14中顏色較淺的部分為基礎(chǔ)發(fā)動機燃油消耗率、功率、轉(zhuǎn)速三特性曲線，顏色較深的為SVSC發(fā)動機的燃油消耗率、功率、轉(zhuǎn)速三特性曲線。從圖15中可以看出，在相同的轉(zhuǎn)速與功率條件下，除了某幾個特殊點外，SVSC發(fā)動機相比于原機消耗的燃油更少。相同轉(zhuǎn)速下，隨著功率的增加，SVSC發(fā)動機燃油消耗率的變化趨勢更為柔和。相同功率條件下，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，SVSC發(fā)動機相比于原機油耗降低的較緩慢，低負荷區(qū)域與高負荷區(qū)域油耗差值較小。由此，在低負荷區(qū)域，SVSC系統(tǒng)發(fā)動機的油耗比原機低很多，然而在高負荷區(qū)域兩者幾乎持平，尤其是在小功率條件下，SVSC系統(tǒng)發(fā)動機的省油效果更為明顯。

圖14　SVSC發(fā)動機與原機三維燃油消耗率對比

此外，從圖14中還可以看出，SVSC發(fā)動機的最大功率與基礎(chǔ)發(fā)動機的最大功率均在9 kW左右，差別不大。

圖15示出在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min不變時，兩種發(fā)動機的平均燃油消耗率隨功率的變化曲線。從圖中可以看出，在發(fā)動機功率為1.0～2 kW時，SVSC系統(tǒng)的節(jié)油效果最為明顯，隨著發(fā)動機功率的增加，相比于原機，SVSC系統(tǒng)發(fā)動機的燃油消耗率降幅變小。

圖15　 3 000 r/min轉(zhuǎn)速下兩種發(fā)動機的燃油消耗率曲線

試驗中，轉(zhuǎn)速從2 000 r/min變化到6 000 r/min，在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min左右時SVSC系統(tǒng)具有最佳節(jié)油效果，節(jié)油率高達10%；節(jié)油效果隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加成比例下降，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到6 000 r/min時，二者燃油消耗率已幾乎相同。全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的平均節(jié)油率可達5%～6%。

5　結(jié)論

a) 發(fā)動機串聯(lián)氣門速度控制系統(tǒng)(SVSC)在減小發(fā)動機進氣損失方面效果顯著，平均節(jié)油率可達5%～6%，對提高車用汽油機在城市路況下的燃油經(jīng)濟性具有重要意義；

b) 在2 500 r/min時，隨著SVSC系統(tǒng)發(fā)動機前、后進氣門進氣重疊角的增大，SVSC系統(tǒng)可減小的進氣損失功增大，但當(dāng)重疊角達到最大值時，基礎(chǔ)發(fā)動機的節(jié)氣門完全開啟，兩種發(fā)動機的進氣損失功相當(dāng)；

c) 滿負荷工況下，SVSC發(fā)動機的最大功率與基礎(chǔ)發(fā)動機相比差別不大，說明SVSC系統(tǒng)在節(jié)油的同時不會損失發(fā)動機的動力性。

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[編輯: 李建新]

New-typed Intake System without Throttle:Series Valve Speed Control System

SUN Peiyan, LI Xiang, WAN Yi, MAN Changzhong, TANG Yunbang

(Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, Dalian116024， China)

In order to improve the fuel economy of vehicle gasoline engine in city cycle with medium and low load, the series valve speed control (SVSC) system was designed. Based on the new intake control principle, the throttle was not used to reduce the intake loss and improve fuel economy at partial load. The comparison between simulation and test results show that the system can greatly reduce the intake loss at partial load without large change of engine size and structure.

spark ignition engine; throttle; intake loss; intake system； simulation

2016-04-05;

2016-09-28

孫培巖(1962—)，男，副教授，博士，研究方向為內(nèi)燃機電子控制、壓縮空氣與燃油混合動力發(fā)動機、汽油機的進氣系統(tǒng)優(yōu)化等；sunpy@dlut.edu.cn。

李翔(1991—)，男，碩士，研究方向為點燃式發(fā)動機可變氣門的研究實現(xiàn)與優(yōu)化；lx1540704308@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.004

TK414.32

B

1001-2222(2016)05-0017-06