基于可變壓縮比技術的均質壓燃發動機動力學研究

張超+王自勤+田豐果+陳家兌

摘 要：近期，均質壓燃技術成為國內外專家學者研究較多的一種新型燃燒方式。較高的熱效率、極低的NOx及PM排放使得這種技術的應用前景十分樂觀。但均質壓燃技術著火燃燒的過程主要受燃料與空氣反應的化學動力學所控制，只能通過間接方式控制著火時刻控制及燃燒過程，故著火時刻控制成為均質壓燃技術能否廣泛應用的關鍵。可變壓縮比技術能夠有效解決著火時刻控制的問題，本文提出了一種液壓容積調節可變壓縮比機構，能夠有效控制氣缸內壓縮比，進而控制均質壓燃著火時刻，使這一領域的研究更為深入。并建立此機構的三維模型及動力學模型，運用動力學分析，對此機構的可行性進行了驗證。

關鍵詞：可變壓縮比機構；可變連桿；機構設計；動力學分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.187

0 引言

當前，全球汽車保有量不斷增加，然而能源日趨匱乏，排放法規越來越嚴格，因此研發節能、清潔和高效的內燃機具有重要意義[1]。均質壓燃（HCCI，Homogeneous Charge Compression Ignition）作為一種全新的燃燒技術，被認為是發動機燃燒技術的一個重大進步[2]。實驗數據表明其優點是：①可以同時保持較高的動力性和燃油經濟性；②可同時降低NOX和PM [3]。

目前HCCI發動機技術還不夠成熟，尚待解決的主要技術難題主要有：著火時刻和燃燒速率的控制；高負荷下功率輸出不足；發動機變工況運行的適應性；發動機冷起動；多缸機各缸均勻性的保證等。針對HCCI發動機存在的技術問題，現解決方案主要有：可變壓縮比（VCR）；EGR（廢氣再循環）；雙模式運行等[4]。上述各種難題解決的關鍵因素是對混合氣成分、溫度和壓力的控制，其中溫度的控制尤為重要，故可變壓縮比技術是解決HCCI發動機技術難題最主要的有效手段之一[5]。精確、適時、連續、各缸獨立可調的可變壓縮比技術突破意味著HCCI發動機技術的突破，其意義非常重大。

1 可變壓縮比機構三維模型設計

本文考慮到設計的曲柄連桿機構較為復雜，研究中用三維CAD軟件來構造其幾何模型，本文選用SolidWorks三維建模軟件對其進行模型的建立[6]。

本文提出的可變壓縮比機構主要是對傳統曲柄連桿機構的改良。此曲柄連桿機構由活塞、連桿和曲軸等三大部件組成，其中連桿的結構改動最大，對連桿的建模極其重要。

圖1為連桿組三維模型的剖面圖，連桿的結構設計是整個系統功能實現的關鍵，也是該系統設計的重點，此連桿相較于傳統連桿的改變很大。由圖可以看出，偏心擺動支架與發動機連桿小端孔連接并可以繞發動機連桿小端孔中心擺動，偏心擺動支架的左、右兩側分別通過左、右連桿與左、右油缸中的左、右活塞連接；在左、右油缸的油路中設置有截止閥，截止閥底部設置的彈簧控制其關閉油壓。通過控制流入發動機外部的容積調節器油缸的油液容積，相當于控制了從發動機連桿內流出的油液容積，就可以控制油液在兩個相互聯動的具有確定流量差的左油缸和右油缸中的容積，從而控制左活塞和右活塞的位置，實現對偏心擺動支架旋轉位置的控制，進而控制連桿的有效長度，達到對壓縮比的連續可變調節及控制的目的。

2 機構動力學模型的建立

曲柄連桿機構作為該可變壓縮比系統的主要組成部分，其動力學特性對整個系統運行的可靠性、壽命、噪聲等有很大的影響。因此本文對曲柄連桿機構進行動力性能研究，論證該機構的可行性。

動力學模型建立的一般步驟是：首先建立機構三維幾何模型，并確定其質量特性和材料特性參數，然后將三維模型及特性參數通過標準數據轉換格式輸到多體系統動力學分析軟件中（本文運用ADAMS軟件），最后將各部分模型按相互裝配及運動關系連接起來，并定義起其所受的載荷、驅動運動規律[7]。

運用上述技術路線，對該曲柄連桿機構進行動力學模型的建立。

給定不同的曲軸轉速，運行ADAMS軟件就可以對系統運動過程進行仿真分析。對不同條件下的計算結果按需要進行導出、分析，就可以分析系統的運動學、動力學特性。

3 仿真結果分析

隨曲軸轉速的變化，活塞系統所受慣性力變化范圍較大，需對不同轉速下系統調節的可行性分別進行分析。

圖中，橫坐標表示曲軸轉角。其中：曲軸轉角為-90°—0°階段，為排氣過程的后半程階段；0°位置對應進氣階段活塞處于上止點位置；180°對應進氣階段活塞處于下止點位置；360°位置對應壓縮階段活塞處于上止點位置。縱坐標表示活塞系統的加速度。

圖2為曲軸轉速為1000 rpm 時活塞系統所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力變化曲線。圖中可見：由于轉速較低，慣性力較小，在進氣行程及壓縮行程的前段，活塞系統所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力較小，在調節系統適當的外部供油壓力作用下，可以對連桿內部進行補油，實現系統原理所述的調節第一階段工作要求；在活塞壓縮的中、后階段隨著活塞系統所受壓力加大，系統將按系統原理所述的調節第二階段條件工作，完成第二階段的調節動作。因此當曲軸轉速為1000 rpm 時，本項目提出的調節要求可以實現。

圖3為曲軸轉速為3000 rpm 時活塞系統所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力變化曲線。圖中可見：隨著轉速的進一步提高，慣性力也進一步加大，在排氣行程的后段及進氣行程的前段，活塞系統所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力為正值，在調節系統外部供油壓力作用下，可以對連桿內部進行補油，實現系統原理所述的調節第一階段工作要求；在進氣行程的后段及壓縮行程的前段，活塞系統所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力為負值，系統將按系統原理所述的調節第二階段條件工作，完成第二階段的調節動作。因此當曲軸轉速為3000 rpm 時，本項目提出的調節要求可以實現。

圖4為曲軸轉速為4000 rpm 時活塞系統所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力變化曲線。圖中可見：隨著轉速提高到4000 rpm，慣性力急劇加大，雖然從排氣行程的后段到壓縮行程的前段，其受力趨勢與前面較低轉速情況相似，也能完成調節的第一及第二階段條件工作，但在壓縮行程的后段，約在曲軸轉角300°附近，活塞系統所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力將再次出現正值，這將導致按系統原理所述的調節第二階段條件工作已經關閉的左截止閥被再次打開。顯然這將導致系統工作的混亂，工作不可靠。因此本系統對發動機高速工況不適應。

綜合上述分析可見，本課題提出的連續可變壓縮比的方法在低于3000 rpm 時，可以進行壓縮比的調節及鎖定。而發動機高速時只能保持鎖定狀態運轉。考慮到車用發動機的一般工作需要及該可變壓縮比方法期望用于HCCI的控制目的，對于一般發動機部分負荷，中、低速運轉時，采用HCCI燃燒模式，而高速時采用傳統燃燒模式是可行的。

4 結論

本文通過建立液壓調節可變壓縮比機構的三維模型和該機構的動力學模型，并對其進行動力學分析，可以得出，在發動機處于中低轉速和部分載荷時，該機構能有效地進行連桿長度的調節，也即是壓縮比能按要求進行調節，能夠適用于均質壓燃技術，能夠有效地控制均質壓燃著火時刻。但在高轉速時，需轉換為傳統燃燒模式。對車用發動機在部分負荷，中、低速運轉時，采用HCCI燃燒模式，而高速時采用傳統燃燒模式是合適的，所以此機構能夠在車用發動機上使用。

參考文獻：

[1]楊麗紅，孫華文.HCCI發動機研究現狀[J].建筑工程技術與設計，2016（05）.

[2]鐘紹華.內燃機均質壓燃（HCCI）的建模和試驗研究[D].華中科技大學，2006.

[3]吳宏偉.二甲醚HCCI發動機多區模型模擬及試驗研究[D].華中科技大學，2007.

[4]汪映，周龍保，蔣德明.均質充量壓縮燃燒方式的研究進展及存在問題[J].車用發動機，2002（05）：6-9.

[5]辛木.HCCI——一種大有前途但又面臨諸多挑戰的清潔汽車技術[J].交通世界：運輸車輛，2012（02）：102-107.

[6]趙麗英.內燃機曲柄連桿機構動力學研究[D].天津大學，2004.

[7]Golec K，Pesic R，Veinovic S.The concept of the variable compression ratio engine as a versatile solution for Otto and Diesel[J].IEEE.2004.

基金項目：發動機液壓容積調節式連續全可變配氣系統（省基金：黔科合LH字[2014]7626）；

高速復雜機械-液壓傳動系統壓力波動機理及抑制研究（校人才基金2015[50]）

作者簡介：張超（1990-），男，山東人，碩士研究生，研究方向：發動機可變氣門驅動技術及CAE技術。