航空活塞二沖程汽油機(jī)可變排氣閥控制策略研究

姜海勛

(海軍駐北京地區(qū)航空軍事代表室，北京 100041)

無人機(jī)自上世紀(jì)前半頁在英國問世以來，因其隱蔽性好、生命力強、不懼傷亡、起降簡單、操作靈活等特點廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[1-2]?；趫?zhí)行任務(wù)的需要，無人機(jī)要求其動力系統(tǒng)應(yīng)具有壽命長、油耗低、功重比高等特點[3]。除電動機(jī)外，無人機(jī)常用的動力裝置包括渦輪發(fā)動機(jī)、活塞式發(fā)動機(jī)與太陽能動力[4-5]。與其他動力裝置相比，活塞式發(fā)動機(jī)具有油耗低、故障率低、噪聲小、質(zhì)量輕的優(yōu)勢，因此，活塞式發(fā)動機(jī)已成為中低空無人機(jī)的主要動力源[6]。與車用發(fā)動機(jī)不同，旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)發(fā)動機(jī)典型工況為螺旋槳工況，且常用工作環(huán)境為高空，大氣相對稀薄，會對二沖程發(fā)動機(jī)的掃氣過程與性能產(chǎn)生較大影響。因此，對無人機(jī)用二沖程發(fā)動機(jī)的性能進(jìn)行深入研究成為當(dāng)前的一項熱點。

由于二沖程發(fā)動機(jī)的掃、排氣過程同時進(jìn)行，因此排氣過程的變化會對掃氣過程產(chǎn)生直接影響。二沖程發(fā)動機(jī)的排氣是由氣口高度決定的，傳統(tǒng)的設(shè)計采用固定排氣口高度，只能保證發(fā)動機(jī)在給定工況下的良好換氣，然而，發(fā)動機(jī)的最佳配氣相位應(yīng)隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化而不同。采用可變排氣閥結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使排氣口開啟時刻與流通面積隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷進(jìn)行不同擋位調(diào)節(jié)，一定程度上改善了發(fā)動機(jī)的動力性能。本文通過分析實驗數(shù)據(jù)并結(jié)合發(fā)動機(jī)性能仿真對可變排氣閥控制策略進(jìn)行了優(yōu)化研究。

1 發(fā)動機(jī)基本結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢

本文的研究對象為Rotax800活塞式二沖程缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，掃氣形式為曲軸箱壓縮回流掃氣。

1.1 缸內(nèi)直噴技術(shù)

缸內(nèi)直噴技術(shù)采用缸內(nèi)直接噴射的供油方式，可以實現(xiàn)純空氣掃氣，待換氣過程結(jié)束后再噴油，理論上可以完全消除新鮮充量的短路流失。發(fā)動機(jī)在高速大負(fù)荷的工況下，需要在下止點前30°曲軸轉(zhuǎn)角以后向缸內(nèi)噴射燃油，因此無法克服燃料從排氣口的逸出損失，如Orbital公司的二沖程缸內(nèi)直噴汽油機(jī)高速及90%負(fù)荷以上工況下，燃油消耗率會急劇上升。而在低速小負(fù)荷工況下缸內(nèi)直噴則可以完全抑制燃料從排氣口的逸出損失[7-9]。二沖程發(fā)動機(jī)直噴系統(tǒng)的基本方案包括：高壓燃油噴射、電控低壓燃油噴射、電控燃油夾氣噴射以及機(jī)械式空氣輔助燃油噴射[10-11]。

本文的研究對象采用的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)由電流驅(qū)動型噴油器和高壓油泵組成。電流驅(qū)動型噴油器通過減小噴油器電磁線圈電阻、增大線圈電流來實現(xiàn)電磁吸力的提高。該二沖程汽油機(jī)噴油器的噴油孔的開閉由一個音圈式線圈控制，這種方式可以實現(xiàn)噴油器的快速動作，使發(fā)動機(jī)實現(xiàn)更高轉(zhuǎn)速，并且減少未燃燃油損失量。當(dāng)發(fā)動機(jī)控制模塊(Engine Control Module，ECM)向線圈發(fā)送一個正向電流時，噴油器柱塞向針閥運動，加壓彈簧，并在噴油器油腔內(nèi)形成高壓，當(dāng)腔內(nèi)壓力達(dá)到大約17.24bar時，針閥打開；當(dāng)壓力峰值達(dá)到31.03bar時開始噴油。噴油量由柱塞行程控制。ECM向線圈發(fā)送一個反向電流，用于柱塞的回位。在柱塞接近回程終點時，ECM又會輸入一個短時的正向電流用于制動柱塞，這種控制方式可以降低噴油器的工作噪聲。發(fā)動機(jī)起動階段和怠速階段，噴油器提供分層混合氣直到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)入小負(fù)荷工況，之后轉(zhuǎn)變?yōu)榫|(zhì)混合氣燃燒，分層混合氣可以改善發(fā)動機(jī)的排放和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 掃氣形式

本文所研究機(jī)型采用了可變排氣閥實現(xiàn)了可變排氣。每個氣缸有三個并列排布的排氣口，中間為主排氣口，在主排氣口上采用了閘門式擋閥作為排氣口可變技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可同時改變排氣口流通面積與排氣正時。每個擋閥中含有兩層閘片，通過兩層閘片不同狀態(tài)的組合實現(xiàn)排氣口的三級變化?？勺兣艢忾y在不同開啟狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)和排氣口參數(shù)如表1所示。

表1 排氣閥各狀態(tài)示意圖及排氣參數(shù)

擋閥閥體由線圈驅(qū)動，其移動由一根連接桿進(jìn)行校準(zhǔn)和監(jiān)控。排氣閥位置傳感器為ECM提供當(dāng)前實際位置，包括全關(guān)、中間位置和全開三種狀態(tài)。ECM可以根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速期望的排氣閥開度和排氣閥的實際位置，對排氣閥的驅(qū)動線圈進(jìn)行控制，通過控制閥體中初級擋閥和次級擋閥的開關(guān)來改變排氣閥位置，從而改變主排氣口開啟時刻和排氣口面積。當(dāng)排氣閥的位置從關(guān)閉到中間狀態(tài)再到全開，其主排氣口依次變高，排氣相位提前，排氣時間變長，排氣更徹底。依據(jù)擋閥與發(fā)動機(jī)氣缸的幾何尺寸，結(jié)合活塞位移曲線，利用發(fā)動機(jī)三維模型確定了在排氣擋閥三個不同狀態(tài)下主排氣口實際的瞬時流通面積，變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 三種排氣閥狀態(tài)下主排氣口流通面積

從圖1中可以看出，在兩級擋閥全開時，排氣開始時刻最早，排氣口流通面積最大；當(dāng)兩級擋閥全關(guān)時，排氣口開啟時刻最晚，且排氣口流通面積最小；當(dāng)次級擋閥開，初級擋閥關(guān)閉時，排氣相位與排氣口流通面積均處于中間狀態(tài)。因此，可變排氣閥結(jié)構(gòu)可以根據(jù)發(fā)動機(jī)不同工況選擇開啟或關(guān)閉兩級排氣閥，以獲得該工況下更優(yōu)的排氣相位，從而實現(xiàn)掃氣過程的改善。

2 試驗數(shù)據(jù)與分析

二沖程發(fā)動機(jī)換氣過程主要是利用新鮮充量把廢氣擠出，且這個過程需要在120°～150°曲軸轉(zhuǎn)角的短時間內(nèi)完成，因此很難像四沖程發(fā)動機(jī)那樣完全換氣，掃氣功能是影響二沖程發(fā)動機(jī)性能的最重要因素。

通過對發(fā)動機(jī)目前的控制策略條件下的外特性實驗研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速從低到高，排氣閥依次工作在1～3檔位：啟動后排氣閥位置處于最低位置即工作在1檔位；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到4600r/min時，排氣閥動作至中間檔位；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到6000r/min時，排氣閥位置由中間檔位動作至全開狀態(tài)。該發(fā)動機(jī)的外特性實驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 發(fā)動機(jī)外特性實驗結(jié)果

在測試轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，發(fā)動機(jī)的外特性呈現(xiàn)“三階段”形式，排氣閥狀態(tài)的切換點為各階段的分界點。當(dāng)排氣閥狀態(tài)不變時，隨轉(zhuǎn)速升高，發(fā)動機(jī)輸出有效扭矩、有效功率升高，同時有效燃油消耗率下降，排氣溫度升高，這表明在每段排氣閥狀態(tài)不變的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速升高，發(fā)動機(jī)有效熱效率和缸內(nèi)充量系數(shù)升高。但當(dāng)排氣閥狀態(tài)切換時，發(fā)動機(jī)輸出的有效扭矩出現(xiàn)大幅度下降，同時有效燃油消耗率急劇升高：兩級排氣閥打開前后(4600r/min與6000r/min)，發(fā)動機(jī)有效扭矩分別降低6.7N·m和15N·m，約為排氣閥狀態(tài)切換前輸出扭矩的7.6%和14.7%；有效功率下降1.4kW和7.3kW，約為切換前的3.5%和11.8%；有效燃油消耗率分別上升54.63g/kWh和132.01g/kWh，約為切換前的12.3%和36.3%。排氣閥打開后，排氣口流通面積增大，同時排氣起始角提前，且排氣口關(guān)閉角推遲，排氣持續(xù)期延長，使氣缸工作時實際壓縮比與膨脹比均下降，且換氣過程中新鮮充量短路損失增加，缸內(nèi)充量系數(shù)下降。膨脹比的降低導(dǎo)致發(fā)動機(jī)做功能力下降，表現(xiàn)為有效功率下降，有效熱效率降低，而充量系數(shù)的下降則導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出扭矩降低。同時，由于新鮮充量短路損失的增加，尾氣中摻混了更多的未燃空氣，導(dǎo)致在排氣閥狀態(tài)切換點處排氣溫度的降低。

通過測出的發(fā)動機(jī)外特性曲線可知，可變排氣技術(shù)會對航空活塞發(fā)動機(jī)的性能產(chǎn)生明顯影響，但在現(xiàn)有控制策略下，兩次排氣閥狀態(tài)切換前，發(fā)動機(jī)輸出的有效扭矩均未進(jìn)入平臺區(qū)，說明在排氣閥狀態(tài)切換時，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的充量系數(shù)并未達(dá)到切換前狀態(tài)下的最大值，表明現(xiàn)有排氣閥控制策略存在優(yōu)化空間。

3 可變排氣閥控制策略優(yōu)化

通過分析航空活塞發(fā)動機(jī)的性能試驗結(jié)果可知，排氣擋閥狀態(tài)的切換會對發(fā)動機(jī)的性能產(chǎn)生明顯的影響，且原機(jī)排氣擋閥的切換策略存在優(yōu)化空間。本文利用GT-power軟件建立發(fā)動機(jī)性能仿真模型，通過對不同排氣擋閥狀態(tài)下發(fā)動機(jī)全負(fù)荷性能的計算，研究排氣擋閥狀態(tài)對發(fā)動機(jī)性能的影響規(guī)律，并尋求外特性上最佳的排氣閥狀態(tài)切換轉(zhuǎn)速點。

3.1 模型建立與驗證

利用發(fā)動機(jī)性能仿真軟件GT-power建立研究對象的一維仿真模型，為驗證模型的準(zhǔn)確性，對節(jié)氣門開度50%，轉(zhuǎn)速6500r/min工況點處的缸壓以及發(fā)動機(jī)外特性進(jìn)行了校核計算，并將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，對比結(jié)果如圖3所示。

(a)缸壓校核

(b)功率校核

從圖3可以看出，仿真所得缸壓值、扭矩值與實驗值基本趨勢一致，且在測量點的誤差均在5%以內(nèi)，因此可以認(rèn)為該模型的計算結(jié)果可靠。

3.2 排氣閥對發(fā)動機(jī)性能的影響分析

利用上述校核后的模型分別計算排氣閥開度保持在三個檔位(三個檔位從小到大分別命名為狀態(tài)-1、狀態(tài)-2、狀態(tài)-3)不變時發(fā)動機(jī)的性能，其中外特性計算結(jié)果如圖4所示。

(a)扭矩對比

(b)功率對比

(c)燃油消耗率對比

分析不同排氣閥狀態(tài)下發(fā)動機(jī)外特性曲線可以看出：不同排氣閥狀態(tài)所對應(yīng)的最佳工作轉(zhuǎn)速區(qū)間不同，排氣口開度增大，發(fā)動機(jī)最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間相應(yīng)升高。在4000r/min～5600r/min區(qū)間中，兩級排氣擋閥完全關(guān)閉(狀態(tài)-1)狀態(tài)下發(fā)動機(jī)性能最好；轉(zhuǎn)速超過5600r/min后，狀態(tài)-1下的發(fā)動機(jī)輸出扭矩曲線進(jìn)入平臺區(qū)，并在5800r/min時有效燃油消耗率最低，同時指示熱效率最高，出現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速點；6800r/min時，狀態(tài)-1發(fā)動機(jī)達(dá)到最大功率。只開啟第二級擋閥(狀態(tài)-2)狀態(tài)下發(fā)動機(jī)的最佳工作區(qū)間為5800r/min～6800 r/min；6800r/min之上的高轉(zhuǎn)速區(qū)間中，排氣閥完全打開(狀態(tài)-3)狀態(tài)下發(fā)動機(jī)性能最好。

根據(jù)前文對可變排氣閥的結(jié)構(gòu)與工作原理的闡述可知，可變排氣閥主要通過影響掃氣性能進(jìn)而影響該發(fā)動機(jī)的性能。因此還需計算發(fā)動機(jī)的掃氣性能參數(shù)，從換氣角度分析排氣閥對發(fā)動機(jī)的影響，圖5為研究對象在不同排氣閥開啟狀態(tài)下氣門蝶閥全開時的給氣比、捕獲率和掃氣效率。

(a)給氣比

(b)捕獲率

(c)掃氣效率

從圖5可以看出，隨轉(zhuǎn)速升高，三種排氣閥狀態(tài)下發(fā)動機(jī)的捕獲率均呈下降趨勢，在大部分轉(zhuǎn)速下，排氣擋閥完全打開時發(fā)動機(jī)的捕獲率最高，但因為給氣比相對較低，所以直到6600r/min之后，隨著給氣比超過其他兩種排氣閥狀態(tài)下的給氣比，狀態(tài)-3發(fā)動機(jī)的掃氣效率才明顯超過其他兩種狀態(tài)。在掃氣效率方面，計算結(jié)果也顯示出不同的排氣閥狀態(tài)適用于不同轉(zhuǎn)速條件的特點，轉(zhuǎn)速越高，排氣擋閥的開度也應(yīng)越大。

3.3 排氣閥控制策略優(yōu)化

從上一節(jié)的分析可知，從外特性角度看，隨著轉(zhuǎn)速升高，排氣閥開度越大，其發(fā)動機(jī)性能越好。且排氣閥開度處在檔位1時的扭矩曲線和其開度處在檔位2時的扭矩曲線在5800rpm轉(zhuǎn)速時相交；排氣閥開度處在檔位2時的扭矩曲線和其開度處在檔位3時的扭矩曲線在6800rpm轉(zhuǎn)速時相交。不同排氣閥狀態(tài)下的燃油消耗率相交點也在5800rpm和6800rpm附近。從掃氣性能角度看，排氣閥開度也應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的升高增大，且不同排氣閥狀態(tài)下的給氣比、捕獲率、掃氣效率的相交點也在5800rpm和6800rpm附近。

根據(jù)以上特點提出排氣閥切換策略的改進(jìn)方法：將發(fā)動機(jī)排氣閥檔位切換的轉(zhuǎn)速點設(shè)置在5800rpm和6800rpm，即不同開度下扭矩曲線的相交處，以實現(xiàn)扭矩曲線的在排氣閥切換時的平滑過渡，其他性能參數(shù)的過渡也有較好平滑性。

在GT-power計算模型中改變排氣閥的檔位切換時間，重新計算發(fā)動機(jī)的功率、扭矩和燃油消耗率，結(jié)果如圖6所示。

(a)有效功率

(b)有效扭矩

(c)燃油消耗率

從圖6可以看出，在排氣閥的檔位切換時間優(yōu)化后，在排氣閥檔位切換轉(zhuǎn)速點的功率、扭矩和燃油消耗率雖然還有較小的變化，但是總體變化趨勢較為平滑，很大程度上改進(jìn)了原機(jī)的功率、扭矩和燃油消耗率在排氣閥切換時的突變現(xiàn)象。

4 結(jié)語

分析了某型二沖程發(fā)動機(jī)作為航空動力的基本結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢；對某型二沖程航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行實驗研究，實驗測試了可變排氣閥對發(fā)動機(jī)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，現(xiàn)有控制策略下發(fā)動機(jī)外特性呈現(xiàn)“三階段”形式，控制策略存在優(yōu)化空間；建立了GT-Power仿真模型并與實驗結(jié)果進(jìn)行校核，基于仿真手段從理論上研究可變排氣閥對發(fā)動機(jī)性能的影響機(jī)理，得到了不同排氣閥狀態(tài)下隨轉(zhuǎn)速變化的外特性曲線；根據(jù)可變排氣閥對發(fā)動機(jī)性能的影響規(guī)律，重新設(shè)置發(fā)動機(jī)排氣閥檔位切換的轉(zhuǎn)速點，優(yōu)化設(shè)計控制策略，使發(fā)動機(jī)性能在排氣閥切換時能夠平滑過渡，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)性能的優(yōu)化。

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