發動機進氣門晚關對于進氣過程的影響研究

摘 要：進氣門晚關系統可以活塞上行的壓縮過程中仍然保持進氣門開啟，使一部分氣體排出缸外，從而降低進氣量和降低有效壓縮比。研究了不同的進氣門晚關角度對于進氣量的影響規律，研究結果表明進氣門關閉越遲，活塞上行過程中排出的氣量越多，相同進氣壓力下的進氣量越少。同時，在相同的進氣門晚關角度條件下，不同的氣門型線，對于進氣量的影響也有差異，氣門晚關過程中的氣門升程越高，活塞上行過程中排出的氣量也越多。

關鍵詞：發動機 進氣門晚關 進氣過程

Research on the Influence of Engine Intake Valve Late Closing on Intake Process

Zhan Qiang

Abstract：The late intake valve closing system can keep the intake valve open during the compression process when the piston moves upward， so that a part of the gas is discharged out of the cylinder， thereby reducing the intake air volume and the effective compression ratio. The influence of different intake valve late closing angles on the intake air volume is studied. The research results show that the later the intake valve closes， the more air volume is discharged during the upward movement of the piston， and the less air intake volume is at the same intake pressure. At the same time， under the same condition of the late closing angle of the intake valve， different valve profiles have different effects on the intake air volume. The higher the valve lift during the late valve closing process， the greater the amount of air discharged during the upward piston movement. many.

Key words：engine， late closing of intake valve， intake process

1 引言

可變氣門定時可以實現進氣門早關或者晚關，可以實現可變壓縮比，改變混合氣的密度和壓力，從而對燃油的自燃過程產生影響，燃燒溫度得到控制，使得NOx排放大幅降低。可變技術可以有效控制缸內的溫度、壓力變化歷程，從而實現對化學特征時間的控制，有效降低柴油機主要排放物。此外，降低有效壓縮比還可以利用保證較大的膨脹比，實現米勒（Miller）循環，提高熱效率。

日本的Daisuke Kawano等人[1]設計了進氣門晚關機構，他們在單缸發動機上研究了進氣門晚關正時等對于發動機進氣量、點火和燃燒控制的影響。Yutaka Murata等人[2]在相似的發動機上通過模擬進氣增壓，并通過仿真進行機理研究。實驗結果顯示通過進氣門晚關系統降低了進氣量，同時也降低了壓縮上止點溫度。進氣門晚關的作用表現為燃燒路徑[3]的改變，由于燃燒路徑的改變，進而改變了缸內燃燒過程。

對于重載柴油機的進氣門晚關，Ryan M. Nevin，Rolf D. Reitz等人[4]，用在進氣門關閉時刻使進氣門額外開啟一段時間的方法實現進氣門晚關，研究證明了進氣門晚關措施的好處：進氣量降低，缸內溫度、壓力明顯降低。而在保持進氣流量不變的情況下，NOx排放大幅降低，而PM排放基本不惡化。國外很多關于新概念燃燒理論的研究及可變氣門系統的研究都顯示了進氣門晚關對于降低排放的潛力[5-9]。

國內高校和研究機構對于可變氣門的結構和對于缸內燃燒過程的影響進行了研究。天津大學的蘇萬華教授對于進氣門晚關系統進行了系統研究[10-15]，表明其對于發動機進氣過程和燃燒過程有重要影響。山東大學的謝宗法教授對于全可變氣門結構也進行了很多研究[16-17]，證明了柴油發動機上進行進氣門全可變的可能性，但對于發動機整體的研究較少。

進氣門晚關系統對于發動機的工作過程有重要影響，本文將重點分析不同關閉定時和不同型線對于發動機進氣過程的影響規律。

2 模型搭建及標定

在一臺濰柴WP12發動機上，搭建了進氣門晚關系統和兩級增壓系統，系統結構如圖1所示。根據發動機實際系統圖，搭建了GTPOWER仿真模型，并通過實測的正常氣門關閉時刻的實驗數據和進氣門晚關后的實驗數據對仿真模型進行了校準，確保模型滿足計算要求[18]。

3 不進氣門晚關定時對于進氣量的影響

圖5是計算所采用的不同進氣門關閉曲線，氣門關閉角度分別為-90°CA、-65°CA和-55°CA。由于實際硬件結構的原因，氣門型線不完全一致，但在活塞下行段的曲線差異不大，最高升程的差異也不會對進氣速率造成很大影響，主要區別體現在活塞上行階段，即主要區別是氣門的晚關角度不同。

計算結果顯示，在活塞下行階段，各氣門型線對應的進氣速率一致，盡管型線略有差異進氣速率也略有差異但差異很小，主要卻別再活塞上行階段的氣流返流階段。如圖6所示。

如圖7、8是分別為2bar和3bar進氣壓力下，不同進氣門關閉定時，在活塞上行階段，由于進氣門開啟造成的進氣反向流動情況。結果顯示在同一進氣壓力下，進氣門關閉越遲，返流氣體量越多，則進氣量相應越少。不同進氣壓力下趨勢完全相同，只是更高的進氣壓力下，返流氣體的質量流率更大，這是因為較大進氣壓力下進入缸內的氣體更多，缸內壓力較大引起。

計算缸內平均溫度的結果見圖9、10。進氣門關閉越遲，進氣量越少，壓縮階段的溫度越低，燃燒后期由于熱熔較小而放熱量相同導致缸內平均溫度升高。進氣壓力大缸內平均溫度相對低，也使因為進氣量大熱熔變大的原因。

缸壓是進氣量和缸內溫度的直接反映如圖11、12，缸壓隨著進氣門關閉推遲，有效壓縮比降低，進氣量減少，缸壓明顯降低，壓縮階段缸內溫度較低。不同進氣壓力下的趨勢完全相同，只是缸壓絕對值有差異。

4 同一定時不同型線對于進氣量的影響

選取了四種可實現氣門型線進行仿真研究，如圖13所示，每組氣門型線都具有相同的氣門開啟角度和氣門關閉角度，但氣門型線的路徑不同。

在活塞上行階段，升程最低的是原機氣門型線，這時氣門升程很低，馬上過度到氣門關閉位置，起緩沖作用，這時基準型線。其次是單階段型線，這是由IVCA結構的單階段回油過程實現的型線，該型線能夠實現氣門關閉定時的延遲，但延遲階段的升程較低，對于氣流返流的阻力更大。再次是IVCA結構兩階段回油實現的型線稱為（IVCA型線），該型線將氣門關閉型線平滑延伸并實現氣門的延時關閉，且氣門型線再延遲階段的行程較高。最高的是電磁閥型線，是由額外電磁閥控制實現的氣門的二次抬起，疊加到原氣門型線上實現的型線。

以下計算對應發動機轉速1600轉/分，進氣壓力3.0bar，缸壓計算結果如圖14，每循環返流氣體質量如圖15所示。結果顯示，原氣門型線缸壓最高，此時的返流氣體質量可以忽略，說明在此工況下，原機氣門型線的設計原則是盡可能增加進氣量。其次是單階段回油缸壓最高，接近原氣門型線對應的缸壓，從返流氣體質量上也可以看到，該型線造成的返流氣體質量也較少。IVCA型線和電磁閥型線的返流氣體質量較多，缸內剩余氣體較少，故缸壓也較低，尤其是電磁閥型線對于氣量的影響最明顯。說明在相同進氣門晚關角度下，在活塞下行階段，氣門型線的差異對進氣速率的影響不大，而在活塞上行階段，氣門型線對于返流氣體質量和缸壓影響很大，且此階段的氣門升程越高，返流氣體質量越多，對應的缸壓也越低。

5 結論

本文在實際發動機試驗系統的基礎上，搭建了對應的GTPOWER仿真模型，并選取了幾種進氣門晚關型線，進行了仿真研究，已研究進氣門晚關系統對于發動機進氣過程的影響規律，并深入分析了進氣門晚關導致的瞬態返流氣體的速率和流量，主要研究結論有

1，進氣門晚關系統可以活塞上行的壓縮過程中仍然保持進氣門開啟，使一部分氣體排出缸外，從而降低進氣量和降低有效壓縮比。

2，研究了不同的進氣門晚關角度對于進氣量的影響規律，研究結果表明進氣門關閉越遲，活塞上行過程中排出的氣量越多，相同進氣壓力下的進氣量越少。

3，在相同的進氣門晚關角度條件下，不同的氣門型線，對于進氣量的影響也有差異，氣門晚關過程中的氣門升程越高，活塞上行過程中排出的氣量也越多。

參考文獻：

[1]Daisuke Kawano，Hisakazu Suzuki et al. Ignition and Combustion Control of Diesel HCCI，SAE paper 2005-01-2132.

[2]Yutaka Murata， Jin Kusaka， Achievement of Medium Engine Speed and Load Premixed Diesel Combustion with Variable Valve Timing，SAE paper 2006-01-0203.

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