循環發動機配氣機構改進分析

任翠翠，張毅，楊靖，趙璐璐，唐堅，羅亞妮

(1.湖南大學機械與運載工程學院，先進動力總成技術研究中心，湖南 長沙 410082; 2.湖北三江航天紅陽機電有限公司，湖北 孝感 432000)

循環發動機配氣機構改進分析

任翠翠1，張毅2，楊靖1，趙璐璐1，唐堅1，羅亞妮1

(1.湖南大學機械與運載工程學院，先進動力總成技術研究中心，湖南 長沙 410082; 2.湖北三江航天紅陽機電有限公司，湖北 孝感 432000)

基于發動機燃油經濟性升級需求，將傳統的Otto循環發動機改為阿特金森(Atkinson)循環發動機，其中，配氣機構的改進是完成循環改型的關鍵。對某汽油機配氣機構建立模型，并進行運動學和動力學計算分析，進而對凸輪型線進行優化設計，對配氣正時進行再設計研究。利用進排氣凸輪軸的雙VVT機構，在不同轉速和負荷下對改型后的發動機進行了雙VVT的優化控制設計。臺架試驗結果表明，發動機成功地完成了Atkinson循環的轉換，最低燃油消耗率由原機的250 g/(kW·h)降低到232 g/(kW·h)，且低油耗區向常用發動機工況移動，驗證了配氣機構設計方法的正確性和有效性。

Atkinson循環；凸輪型線；配氣正時；可變配氣機構

目前，能源短缺和環境污染威脅著人類社會發展，節能減排已成為了各國政府的工作重點。Atkinson循環通過可變氣門正時并增大幾何壓縮比的方法，減少泵氣損失，提高膨脹效率，進而提高發動機的燃油經濟性[1]。Atkinson循環發動機有較高的熱效率，但功率偏低。與傳統汽油機相比，混合動力車用發動機只需在中低轉速和負荷區域內工作，即在高效經濟區內工作。混合動力車若采用“蓄電池+電動機”或電機直接驅動，則避開了Atkinson循環發動機功率下降的弱點[2]，而相對于電動車也降低了對電機和電池的負擔。

Atkinson循環發動機是一個復雜的多變量系統，凸輪型線和配氣正時是Atkinson循環發動機的技術核心。目前，國內Atkinson循環發動機技術基本仍處于探索階段。王德倫等[3]只改變配氣相位和幾何壓縮比實現Atkinson循環；朱國輝等[4]通過增加進氣凸輪工作包角推遲進氣閥關閉時刻，增大幾何壓縮比來實現Atkinson循環。本研究一方面對傳統汽油機凸輪型線進行優化設計，增加進氣凸輪包角推遲進氣閥關閉時刻，減小排氣凸輪包角推遲排氣閥開啟時刻，另一方面，對發動機各個運行工況下的特性進行分析研究，結合雙VVT和改變活塞形狀提高幾何壓縮比的設計方案，實現發動機Otto循環向Atkinson循環的轉變。

1 Atkinson循環基本原理

膨脹比大于壓縮比是Atkinson循環發動機最大的特點。通過推遲進氣閥關閉來實現Atkinson循環，而進氣閥關閉時刻也可用于控制負荷變化。

圖1為兩種循環的示意圖，1—2—3—4—1為Atkinson循環,1′—2—3—4—1′為Otto循環。圖中，1—2為絕熱壓縮過程，2—3為定容加熱過程，3—4為絕熱膨脹過程，4—1為定壓放熱過程，1′—2為絕熱壓縮過程，4—1′為定容放熱過程[5]。

圖1 Atkinson循環和Otto循環示意

理想的Atkinson循環與Otto循環的差別在于：

1) Atkinson循環發動機進氣門晚關使得實際壓縮起點比Otto循環遲，膨脹比大于壓縮比，而理想Otto循環放熱過程為定容放熱，膨脹比等于壓縮比。因此，與Otto循環相比，Atkinson循環可以更好地利用燃燒后的高壓廢氣充分膨脹，將熱能轉化為機械能，增大膨脹功，提高指示熱效率，降低燃油消耗率。

2) 最大膨脹比決定于幾何壓縮比，而Atkinson循環發動機通過控制進氣閥晚關時刻降低有效壓縮比來避免爆震，因而可提高幾何壓縮比，從而提高膨脹比。同時進氣閥晚關可以利用氣體慣性增加進氣，并且增加缸內掃氣。

研究對象為一款帶雙可變氣門正時執行器的直列4缸汽油機，進排氣VVT各自進行操作，可變角度范圍均為30°曲軸轉角。發動機具體技術參數見表1。

表1 發動機技術參數

2 凸輪型線的改進設計

2.1原機配氣機構分析

原機的進、排氣機構各項參數見表2和表3。

表2 原機配氣機構主要技術參數

表3 原機凸輪型線運動學性能參數

由上述數據可見，原機的配氣機構存在以下不足：

1) 進、排氣凸輪緩沖段高度與氣門間隙相比過大，嚴重影響了發動機的性能[6]。進、排氣門氣門間隙分別為0.1 mm和0.25 mm，而進、排氣凸輪緩沖段的高度均為0.35 mm，都遠大于進、排氣門的氣門間隙，這樣會導致如下后果：第一，進、排氣門在緩沖段內開啟和落座，使得進、排氣門維持在較小開度下的時間比較長，增大了泵氣損失，降低了熱效率；第二，凸輪實際工作段明顯加大，從而使得氣門工作包角增加，會造成氣體倒流，缸內殘余廢氣增多，影響發動機的動力性、經濟性和排放性能；第三，排氣門緩沖段高度大于排氣門的氣門間隙，使排氣門落座速度很小，導致排氣門附近積炭和密封失效。

2) 進、排氣凸輪型線的躍度均過大，增大了配氣機構沖擊力與沖擊噪聲，氣門的抖動不僅破壞了氣流特性，而且整個配氣機構的振動加劇，發動機機械效率下降，壽命縮短。

本研究針對原機配氣機構存在的問題，結合Atkinson循環發動機對配氣相位的要求，重新設計了進、排氣凸輪型線。

2.2凸輪型線設計

凸輪型線緩沖段選擇余弦緩沖段，在AVL Excite Timing Drive軟件中輸入緩沖段高度和角度，可以方便獲得。

凸輪型線工作段采用高次多項函數設計方法。該方法考慮了配氣機構存在的彈性變形，常應用于采用平面挺柱的配氣機構，本研究所用發動機的配氣機構正是采用平面挺柱。

工作段的氣門升程函數為

h=(hmax-hr)·

(1+C2χ2+C4χ4+Cpχp+Cqχq+Crχr+Csχs)。

2.3凸輪型線相關參數設置

經過多組凸輪型線的性能分析，最終確定凸輪工作段高次多項函數各指數的取值。

進氣凸輪：p=10，q=26，r=36，s=46；

排氣凸輪：p=10，q=26，r=30，s=36。

配氣機構各項參數見表4。

表4 優化后的配氣機構主要技術參數

對比表4和表2可知，Atkinson循環發動機與原機存在如下差異：

1) 進氣提前角減小，進氣門滯后角大幅度加大，使進氣凸輪工作段包角明顯加大，這主要是為了推遲進氣關閉時刻，減小實際壓縮比。

2) 排氣提前角減小，排氣滯后角減小，使排氣凸輪工作段包角減小，這主要是為了推遲排氣門開啟時刻，增大實際膨脹比，進而實現實際壓縮比小于實際膨脹比。

3) 緩沖段適當降低，解決了原機緩沖段高度明顯大于氣門間隙所造成的各項問題。

2.4改進后凸輪運動學計算

圖2 配氣機構運動學模型

在AVL Excite Timing Drive軟件中建立配氣模型，設計出新的凸輪型線，并對改進后的配氣機構進行運動學計算，得到其運動學特性。模型見圖2，計算出的凸輪運動學性能參數見表5。

表5 優化后的凸輪型線運動學參數

由表5分析可知：

1) 原機進、排氣凸輪躍度值過大，會造成氣門開閉時振動加劇，平穩性差。而新設計的進、排氣凸輪型線的躍度值大大減小，均在正常范圍之內，可減小從動件的振動，使配氣機構平穩性更好。

2) 凸輪與挺柱的許用接觸應力為650 MPa[8]。改進前后進、排氣凸輪與挺柱的接觸應力雖然均滿足工程要求，但是改進后的接觸應力比原機小很多，因此可以大大減小該摩擦副的摩擦，延長零件的使用壽命。

3) 改進后的進、排氣凸輪最小曲率半徑均比原機大，改善了凸輪與挺柱間的潤滑狀態[9]。

2.5動力學計算

在動力學計算中，計算工況選取發動機標定轉速5 200 r/min，取一個缸的進、排氣門為研究對象。將每個零件的彈性變形考慮在內，經過動力學計算得到氣門升程、速度、凸輪與挺柱間接觸應力曲線以及進排氣門彈簧各質點升程(見圖3和圖4)。

圖3 進、排氣門升程和速度

圖4 進、排氣凸輪與挺柱間接觸應力和氣門彈簧各質點升程

由圖3可知，氣門升程曲線平滑，無反跳；在氣門落座時，氣門速度都有一定的波動，但最大落座速度小于推薦值0.5 m/s(進、排氣門最大落座速度分別為0.268 m/s，0.256 m/s)，因而不會產生較大的磨損。由圖4可知，凸輪和挺柱間接觸應力在整個運動過程中總是大于0，表明兩者間無飛脫，且接觸應力都在極限值范圍內，達到設計要求；進、排氣門彈簧均未出現并圈現象。

2.6VVT正時設定

配氣相位對發動機的容積效率、排氣能量利用和掃氣均產生重要影響,在進、排氣閥開閉4個時期中, 對充氣效率產生最大影響的是進氣遲閉角和排氣提前角[8]。配氣正時微小的改變量可能引起發動機扭矩、燃油消耗等變化，采用可變配氣正時可更好地提高發動機的性能。

對圖5和圖6配氣正時進行分析可知：

1) 低負荷區是發動機很少用到的工況，主要追求經濟性，為減少發動機泵氣損失，提高有效熱效率，隨著轉速增大進氣提前角增大。

2) 高速大負荷區主要追求動力性，此時進氣提前角變小并出現負值。這是因為發動機高轉速下，進氣溫度和壓力較高，混合氣偏濃，最高燃燒溫度較高，排溫高，爆震傾向變大，而進氣提前角減小可以推遲進氣門關閉時刻，在進氣行程后期更多新鮮充量倒流進入進氣管，加強缸內掃氣，降低缸內進氣溫度，降低爆震傾向，降低排溫。另外，Atkinson循環發動機比Otto循環多了“回流”行程，其掃氣并不會將可燃混合氣掃入排氣道，而是推入了進氣道，使進氣道內的混合氣達到一個平衡穩定的狀態，不會降低發動機經濟性和排放性。

3) 中低轉速較高負荷為發動機最常運行區域，主要追求經濟性，采用較稀混合氣，燃燒速率較慢，容易導致排氣溫度過高以及NOx排放增加。此工況下氣門重疊角增大，通過內部EGR來降低最高燃燒溫度，從而降低排溫、減少NOx排放。

圖5 改進后的進氣提前角

圖6 改進后的氣門重疊角

3 新機性能結果

將優化設計的凸輪生產加工后，安裝到改型后的發動機上，進行臺架試驗，并對得到的試驗數據與原機的試驗數據進行對比分析。由圖7可知，改進后燃油消耗明顯降低，最低燃油消耗率從250 g/(kW·h)降到232 g/(kW·h)；改進后的發動機動力性有所降低，標定功率為65 kW，比原機降低9 kW，最大扭矩為119 N·m，比原機降低了16 N·m，但仍達到設計目標。

圖7 改進前后燃油消耗率、扭矩對比

由圖8可知，改進后的發動機比原機燃油消耗整體大大降低，且最低油耗區域向混合動力發動機常用的低速區域移動，最低油耗區域加寬。雖然動力性有所降低，但該發動機用于搭載混合動力汽車，只需在中低轉速和負荷區域內工作，即在高效經濟區內工作。

圖8 改進前后萬有特性對比

4 結束語

通過對原機配氣機構進行運動學、動力學計算分析，發現其存在的問題，并結合Atkinson循環發動機特點對進、排氣凸輪型線進行重新設計。采用新設計的凸輪型線后，解決了原機凸輪型線躍度值過大的問題，使得配氣機構工作更加平穩、可靠，并且滿足了Atkinson循環發動機對配氣相位的要求。分析改進前后發動機性能變化可看出，改進后最低燃油消耗率大大降低，并且低油耗區更加寬泛，發動機經濟性大幅提升。Atkinson循環發動機作為混合動力專用機，工作區域定義在低油耗區，動力性較Otto循環時降低，可以通過電動機助力進行彌補。

[1] 黃加勝.混合動力汽車用發動機的仿真與優化設計研究[D].北京:北京交通大學,2009.

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[4] 朱國輝，夏孝朗，劉敬平，等.傳統汽油機改進成混合動力Atkinson 循環專用發動機的節油效果[J].中南大學學報(自然科學版)，2014，45(4):1302-1311.

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Keywords: Atkinson cycle；cam profile；valve timing；variable valve train mechanism

ValveTrainImprovementofAtkinsonCycleEngine

REN Cuicui1,ZHANG Yi2，YANG Jing1,ZHAO Lulu1,TANG Jian1，LUO Yani1

(1.College of Mechanical and Vehicle Engineering Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hu’nan University,Changsha 410082;2.Hubei Sanjiang Spaceflight Hongyang Machinery Co.,Ltd.,Xiaogan 432000)

Based on the requirements of improving fuel economy, the traditional Otto-cycle engine was changed into Atkinson-cycle engine. The design of valve train mechanism was very important for cycle modification. The model of valve train mechanism for gasoline engine was built, the kinematics and dynamics analysis were conducted, the cam profile was optimized and the valve timing was redesigned. By using DVVT of intake and exhaust camshaft, the optimal control design of DVVT for the optimized engine was conducted under different loads and speeds. Finally, the bench test results showed that the modification of engine cycle was successful. The optimal specific fuel consumption of original engine decreased from 250 g/(kW·h) to 232 g/(kW·h) and low fuel consumption area moved to the normal working area of the engine, which verified the accuracy and effectiveness of the design method of valve train.

2017-06-27；

2017-10-18

國家高新技術研究發展計劃(“863”計劃)項目(2012AA111703)

任翠翠(1990—)，女，碩士，主要研究方向為發動機配氣機構優化；rencuicui1217@126.com。

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

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.004

TK413.4

B

1001-2222(2017)05-0016-05

[編輯： 潘麗麗]