基于液壓驅動氣門的柴油機性能優化研究

楊靖， 陳小強， 劉凱敏， 馬凱， 鄧華， 馬孝勇

(1. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室, 湖南 長沙 410082；2. 湖南大學先進動力總成技術研究中心， 湖南 長沙 410082)

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基于液壓驅動氣門的柴油機性能優化研究

楊靖1,2， 陳小強1,2， 劉凱敏1,2， 馬凱1,2， 鄧華1,2， 馬孝勇1,2

(1. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室, 湖南 長沙 410082；2. 湖南大學先進動力總成技術研究中心， 湖南 長沙 410082)

在某柴油機上將傳統凸輪驅動氣門機構改進設計為液壓驅動氣門機構，利用仿真軟件GT-Power建立液壓驅動氣門柴油機模型，分析進氣滯后角、排氣提前角和氣門重疊角對柴油機動力性的影響，然后以扭矩最大為目標對配氣正時進行聯合仿真優化，最后對比兩種內部EGR實現方法在不同負荷下的EGR率和對NOx排放量的改善效果。研究結果表明，在外特性下，液壓驅動氣門柴油機在中低轉速時的動力性和經濟性有了明顯改善，扭矩比原機提高了5.6%，燃油消耗率降低了5.1%；但由于液壓氣門響應滯后，隨著轉速的升高，改善效果逐漸降低。在轉速2 000 r/min時，排氣門晚關比排氣門早關可以獲得更大的EGR率，NOx排放量降幅也比排氣門早關的大，在50%負荷時，NOx排放量降幅最大為23.8%。

柴油機； 液壓驅動氣門； 配氣相位； 廢氣再循環

新型節能環保發動機是國家“十二五”重點支持發展的新興產業，也是世界汽車行業發展的方向。因此，世界各國的車企和研究單位正積極研究新技術以生產出更加節能、環保、高效的發動機。其中，可變氣門正時系統(VVT,Variable Valve Timing)相對于傳統機械凸輪軸機構能根據發動機的運行工況對氣門正時和升程規律作出及時調整，改善發動機動力性、經濟性和排放性能[1]，國內外許多高校和科研單位對該項技術都相繼展開了研究并取得了一定的進展[2-4]。按照驅動方式不同VVT系統可分為凸輪軸式和無凸輪軸式，其中無凸輪軸式主要采用電磁、電液、電氣等方式來驅動氣門[5-7]。除了能達到和凸輪軸式氣門機構一樣的效果以外，無凸輪驅動氣門機構還具有以下優點：1)氣門的布置更加靈活，可以根據燃燒室的實際形狀布置氣門位置，使發動機結構更加緊湊；2)可以通過實時調節進氣門遲閉角來改變發動機的有效壓縮比，更好地適應多燃料對發動機不同壓縮比的要求[8]；3)可以通過改變排氣門關閉時刻實現發動機內部EGR，降低有害氣體的排放；4)可以更加靈活地實現對任意時刻的氣門升程和氣門開啟持續期的控制。

在借鑒前人經驗的基礎上，本研究在某國產直列4缸、2氣門柴油機上改進設計了一種新型無凸輪液壓驅動氣門機構，并利用軟件仿真和臺架試驗對液壓驅動氣門柴油機性能進行研究分析。

1 液壓驅動配氣機構簡介

1.1 工作原理

本研究設計的無凸輪液壓驅動氣門機構主要由傳動皮帶、驅動軸、相位調節器、旋轉閥、高壓油泵、高壓油管、低壓油管及氣門液壓缸組成。其中旋轉閥包括旋轉軸和套筒兩部分(見圖1)，旋轉軸上安裝4個有出油孔的套筒，旋轉軸軸心有油路，并且根據發動機4個氣缸氣門開閉順序在旋轉軸上沿圓周方向依次鉆4個出油孔，出油孔兩兩之間法向夾角為90°，4個套筒通過定位銷固定在一起。旋轉軸轉動，套筒位置固定不動，保證旋轉軸上的4個出油孔能和4個套筒上的出油孔依次對應。本設計共有4個旋轉閥組件，分別為高壓油路旋轉閥a和b，低壓油路旋轉閥c和d。其中旋轉閥a、4個氣缸的進氣門液壓缸和旋轉閥c通過管子連接在一起，控制4個氣缸進氣門的開啟與關閉；同樣旋轉閥b、4個氣缸的排氣門液壓缸和旋轉閥d也通過管子連接在一起，控制4個氣缸排氣門的開啟和關閉。旋轉軸通過驅動軸由發動機曲軸帶動旋轉。

整套機構的工作原理見圖2(圖中實線為液壓油流動方向，虛線為控制信號傳遞方向)。從圖中可知該機構的工作過程如下：液壓泵在傳動帶的帶動下將液壓油泵出流入高壓油路，當高壓油路連通、低壓油路關閉時，高壓液壓油流入液壓缸并驅動缸內活塞使氣門開啟；當高壓油路和低壓油路同時關閉時，高壓液壓油被封存于液壓缸內，此時為氣門保持期；當低壓油路連通、高壓油路關閉時，液壓缸內的液壓油經低壓油路流入油箱內，氣門在彈簧的作用下回位關閉，從而完成一次氣門的開啟與關閉。當發動機的轉速發生變化時，相位調節器接收ECU發出的控制信號，帶動旋轉軸轉動相應的角度，從而改變液壓油流進或流出液壓缸的時刻，調節進排氣正時和氣門開啟持續期。相對于常見的電磁、電磁閥控制氣門系統，本套液壓驅動氣門系統采用相位調節器及旋轉閥來實現氣門正時可變。由于系統中采用機械控制液壓油路的開啟與關閉，而沒有傳統的電磁控制裝置，因此可以避免液壓油溫度、黏度變化對控制系統的影響，以及外界環境振動、沖擊導致的控制系統損壞。

1.2 液壓系統計算公式

本次設計氣門升程與原機保持一致。為保證氣門升程達到要求，液壓系統必須具有足夠高的壓力，此即為額定壓力[9-10]。由于在做功沖程末端氣缸內還具有較高壓力，排氣門開啟所需的液壓油壓力比進氣門的大，因此將排氣門開啟的液壓油壓力作為額定壓力。液壓系統的額定壓力計算公式為

(1)

式中：p為液壓系統額定壓力；α為系統壓力損失系數；β為系統安全裕度；Ap為液壓缸活塞面積；k為排氣門彈簧剛度；hmax為排氣門最大升程；pex為排氣門開啟時刻缸內壓力；ΔAe為排氣門上下兩端面面積差；F為排氣門回位彈簧預緊力；m為往復運動件總質量，包括挺柱質量、彈簧座圈質量、氣門彈簧質量和排氣門質量；a為往復運動件加速度。液壓缸活塞摩擦力忽略不計。

取液壓系統的最大工作流量為額定流量[9-10]。額定流量應保證氣門能夠正常開啟，其計算公式為

(2)

式中：Q為液壓系統額定流量；δ為液壓系統總的流量損失系數；S為液壓缸活塞行程；t為液壓缸活塞運動時間。

為降低油路中的壓力波動，穩壓腔容積應滿足如下公式：

V=N·V液壓缸。

(3)

式中：V為穩壓腔容積；N為1min氣門開閉次數；V液壓缸為液壓缸容積。

2 臺架試驗

本次試驗采用國產某自然吸氣柴油機，其主要技術參數見表1，主要試驗設備見表2。

表1 柴油機主要技術參數

表2 主要試驗設備

試驗分別測得了原機與安裝液壓驅動氣門機構時的外特性數據，發動機轉速從1 200r/min到3 600r/min(3 600r/min為發動機標定轉速)，間隔轉速為400r/min。測量參數包括發動機的功率、扭矩、燃油消耗率、缸壓等。

圖3示出在配氣相位不變的情況下測得的液壓驅動氣門柴油機外特性的扭矩和燃油消耗率與原機的對比。從圖中可以看出，液壓氣門柴油機的扭矩在低速區(轉速小于2 000r/min)和高速區(轉速大于3 200r/min)比原機扭矩降低了0.3%～1.4%，燃油消耗率比原機的增加了0.3%～2.3%；在中等轉速區的扭矩比原機增加了0.2%～0.6%，燃油消耗率比原機降低了0.9%～2.1%。

根據設計要求在軟件SimulationX中對液壓驅動氣門系統進行仿真計算。選取柴油機常用工作轉速1 600r/min進行氣門性能分析。圖4示出轉速1 600r/min時仿真計算得到的液壓驅動氣門柴油機氣門升程和原機的對比。由圖可知，改進設計的液壓驅動氣門柴油機的氣門最大升程和原機的一致。圖5示出轉速1 600r/min時仿真計算得到的氣門流通面積的對比。由圖中可以看出，兩者的氣門最大流通面積也基本一致，但在換氣過程中任意曲軸轉角下的液壓驅動氣門的流通面積均比原機的大，其中最大增幅為36.2%，時間斷面豐滿系數明顯提高，氣門通過能力大。

從以上對比可以看出，液壓驅動氣門機構的氣門性能比原機有所提高，但在配氣相位不變的情況下，改進設計的液壓驅動氣門柴油機的動力性和經濟性在整個轉速范圍內并未完全提高，為了充分發揮液壓氣門可變正時的優點，提高發動機動力性和經濟性，本研究借助一維仿真軟件GT-Power對液壓驅動氣門柴油機進行仿真優化。

3 仿真優化

3.1 仿真模型建立及校準

在GT-Power軟件中建立原機模型，建模時對一些復雜管道進行了簡化處理，其中燃燒模型采用韋伯函數，進、排氣流量系數通過搭建氣道三維模型并在AVL-Fire軟件模擬中分析氣道內流動狀況計算得到，計算結果見圖6。圖7示出外特性下仿真值與原機試驗值的對比。從圖中可看出，功率、扭矩和燃油消耗率的仿真值與試驗值的最大誤差均小于5%，兩者吻合較好，因此可以認為建立的仿真模型達到要求的精度，模型能夠用于下一步的分析計算。

在原機仿真模型的基礎上改變進排氣門模型，并輸入設計的液壓氣門升程，發動機其余結構參數保持不變，從而建立液壓驅動氣門柴油機仿真模型。由于改進后的液壓驅動氣門柴油機采用了與原機相同的配氣相位，在一定程度上阻礙了柴油機性能的提高，因此需要對液壓驅動氣門柴油機進行配氣相位優化。

圖8示出液壓驅動壓力不變，轉速為1 600r/min時不同排氣正時的氣門升程。圖中曲線1，2，3的氣門開啟時刻相同，低壓油路開啟時刻分別為307°，317°和327°曲軸轉角。由圖可知，在相同的驅動壓力下，保持排氣門的開啟關閉速率和排氣提前角不變，改變低壓油路的開啟時刻，氣門從最大升程處開始下降的時刻則不同，由此實現氣門完全關閉時刻的不同。因此本套系統能夠實現氣門正時可變，可以對配氣相位進行優化。

3.2 進氣滯后角對柴油機性能的影響

從進氣下止點至某一曲軸轉角氣門關閉，在這段曲軸轉角內，活塞雖然已經上行，但此時由進氣系統向缸內流動的氣體速度仍然較高，適當的進氣滯后角可以利用進氣氣流慣性，實現向氣缸內過后充氣，增加新鮮充量。但過大的進氣滯后角會使發動機在低速區時進氣倒流至進氣管，影響有效壓縮比，從而降低壓縮終了溫度。對于某一給定的發動機轉速，只有一個最佳進氣滯后角，轉速越高，最佳進氣滯后角也就越大。在外特性工況下，以發動機扭矩為目標，對進氣滯后角進行優化。圖9示出1 600r/min轉速下進氣滯后角對發動機扭矩的影響。從圖中可以看出，隨著進氣滯后角的增加發動機扭矩呈先遞增后減小的趨勢，當進氣滯后角為14°曲軸轉角時發動機的扭矩達到最大值，比原機扭矩提高了7.47%。

3.3 排氣提前角對柴油機性能的影響

當發動機轉速一定時，較小的排氣提前角會使發動機在自由排氣階段的膨脹損失減小，但在強制排氣階段推出功損失增加，當排氣提前角增大時，膨脹損失增大而推出功損失減小，因此在該轉速下發動機有一個最佳排氣提前角，使發動機的排氣損失最小。以同樣的優化方法對發動機的排氣提前角進行優化。圖10示出1 600r/min轉速下排氣提前角對發動機扭矩的影響。由圖可知，當排氣提前角為20°曲軸轉角時發動機的扭矩達到最大值183.15N·m，比原機扭矩提高了7.36%。

3.4 氣門重疊角對柴油機性能的影響

氣門重疊角為排氣滯后角與進氣提前角之和，原機在全轉速范圍內采用了較大的59°氣門重疊角，在中高轉速時有利于改善換氣效果，提高充量系數，但在低轉速時會導致缸內新鮮充量和排氣管內廢氣的倒流，發動機動力性下降。以相同的方法分析氣門重疊角對液壓驅動氣門柴油機動力性的影響。在發動機轉速為1 600r/min時，隨著氣門重疊角的增大，發動機扭矩先增大后減小，當氣門重疊角為30°時，發動機扭矩達到最大值，比原機扭矩提高了7.34%(見圖11)。

3.5 配氣相位聯合優化

以最大扭矩為優化目標，采用聯合仿真優化的方法在全轉速范圍內對發動機外特性下的進氣提前角、進氣滯后角、排氣提前角和排氣滯后角4個變量進行聯合仿真優化，以尋求各變量的最優值。全轉速范圍內配氣相位優化結果見圖12和圖13。

將仿真優化得到的配氣相位輸入到開放的ECU中，通過相位調節器改變液壓驅動氣門柴油機的配氣相位。試驗測量配氣相位優化前后液壓驅動氣門柴油機和原機的性能參數，對比結果見圖14至圖16。圖17示出轉速1 600r/min下的進氣質量流量對比。

從對比結果來看，優化后的液壓驅動氣門柴油機各性能參數在中低轉速時較原機和優化前的液壓驅動氣門柴油機均有明顯改善。其中優化后液壓驅動氣門柴油機的功率和扭矩變化趨勢和原機基本保持一致，在中低轉速下功率和扭矩增幅在4.1%～5.6%之間，尤其是在低轉速下有了較大的提高，在高轉速時功率和扭矩增幅較小。這主要因為液壓驅動氣門改善了原機的換氣過程(見圖17)，由于原機進氣提前角和進氣滯后角較大，在進氣門打開時由于缸內廢氣壓力較大，進氣會出現倒流；在進氣下止點后活塞上行某一時刻，進氣門還未及時關閉，缸內新鮮氣體倒流現象嚴重。采用液壓驅動氣門并優化配氣相位后，在進氣提前和進氣滯后的曲軸轉角內缸內氣體倒流明顯減少，充量系數增大，提高了發動機的動力性。在高轉速時由于液壓系統響應較差以及進氣阻力增大，改善效果不大。在中低轉速時燃油消耗率比原機下降幅度在3.9%～5.1%之間，燃油經濟性得到明顯改善；隨著轉速增加，燃油消耗率比原機略有增大。這是因為燃油消耗率be=1/ηitηm，其中指示熱效率ηit主要取決于換氣和燃燒過程，對配氣相位進行優化后，中低轉速指示熱效率增大，其次由于泵氣損失減小，發動機機械效率ηm比原機的有所提高，因此在中低轉速燃油消耗率比原機顯著降低；在高速時由于液壓系統的響應滯后導致換氣效果相對較差，加之燃燒惡化，因此燃油消耗率增加。

4 內部EGR的研究

廢氣再循環(EGR)可以有效降低柴油機NOx排放量。通過調節排氣門關閉時刻可以在液壓驅動氣門柴油機上實現內部EGR，該方法結構簡單且成本較低。本研究以柴油機最大扭矩轉速2 000 r/min為例，采用兩種方法來實現內部EGR：第1種方法是排氣門早關，早關34°曲軸轉角，使一部分廢氣殘留在氣缸中，參與到下一個循環的燃燒；第2種方法是排氣門晚關，晚關58°曲軸轉角，使排氣管中的一部分廢氣回流至氣缸內，參與到下一個循環的燃燒。內部EGR率的計算方法參考文獻[11]。圖18和圖19分別示出轉速2 000 r/min時，兩種方法在不同負荷下的EGR率和NOx排放量。從圖18可以看出，方法2在各個負荷下較方法1可以獲得更大的EGR率。從圖19可以看出，在任何負荷下方法1和方法2的NOx排放量比原機的均有所降低，但方法2的NOx排放量降幅比方法1的大，當負荷為50%時，方法2的NOx降幅最大為23.8%。這是由于方法2比方法1可以獲得較大的EGR率，降低了混合氣中氧氣濃度，同時提高混合氣的熱容量，降低最高燃燒溫度，進而對排放性能產生作用。但由于在100%和75%負荷時廢氣溫度相對較高，使得進入氣缸的新鮮充量溫度升高，因此在100%和75%負荷時方法1和方法2的NOx排放量降幅相對較小。

5 結論

a) 改進設計的液壓驅動氣門柴油機和原機相比，在轉速為1 600 r/min時，氣門最大升程和最大流通面積不變，但氣門流通面積比原機有了顯著提高，最大增幅為36.2%；

b) 在GT-Power軟件中建立液壓驅動氣門柴油機的一維仿真模型，以最大扭矩為優化目標，對配氣正時進行聯合優化，結果表明在外特性下液壓驅動氣門柴油機的動力性和經濟性在中低轉速時較原機有了明顯改善，功率最大可提高5.6%，燃油消耗率最大可降低5.1%，但由于受液壓驅動氣門響應的限制，在高速時改善效果較弱；

c) 在液壓驅動氣門柴油機上對排氣門早關和晚關兩種內部EGR實現方法進行對比分析，在轉速2 000 r/min時，排氣門晚關在任何負荷下都可以獲得較大的EGR率，NOx排放量降幅也比排氣門早關的大，當負荷為50%時，NOx排放量降幅最大為23.8%；

d) 液壓驅動氣門機構能實現氣門正時可變并且有效地改善原機性能，但本研究未對氣門落座沖擊、整套機構的可靠性和耐久性等問題作分析，需要在以后作進一步的研究。

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[編輯： 潘麗麗]

Optimization of Diesel Engine Performance Based on Hydraulic Driven Valve

YANG Jing1，2， CHEN Xiaoqiang1，2， LIU Kaimin1，2， MA Kai1，2， DENG Hua1，2， MA Xiaoyong1，2

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hu’nan University, Changsha 410082, China;2. Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hu’nan University, Changsha 410082, China)

The original cam driven valve system was replaced by a hydraulic driven valve system and the model of diesel engine was built with GT-Power. With the model, the influences of intake retarded angle, exhaust advance angle and valve overlap angle on diesel engine power performance were analyzed, the valve timing was optimized aiming at the maximum output torque, and EGR rate and NOxemission under different loads for two kinds of internal EGR were compared. The results showed that diesel engine with a hydraulic driven valve system had better power performance and fuel economy in low and medium speed with full load. The torque increased by 5.6% and the specific fuel consumption rate decreased by 5.1%. However, the improved effects would become less obvious with the increase of speed. Compared with the exhaust valve early closing, the exhaust late closing was more likely to promote the increase of EGR rate and the reduction of NOxemission at 2 000 r/min. Under the operating condition of 50% load, the maximum reduction of NOxemission was 23.8%.

diesel engine； hydraulic driven valve; valve timing; EGR

2015-06-04；

2015-07-20

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2012AA111703)；湖南省研究生科研創新項目(CX2015B088)

楊靖(1957—)，女，博士生導師，主要研究方向為發動機性能優化與匹配等；yangjing10@vip.sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.007

U464.122

B

1001-2222(2015)05-0037-07