電磁驅動配氣機構發動機起動過程氣門運行策略研究＊

徐亞旋 劉梁 胡茂楊 常思勤

（南京理工大學，南京 210094）

主題詞：汽油機 發動機起動 電磁驅動配氣機構 氣門運行策略 聯合仿真

1 前言

為改善發動機的起動性能，傳統汽油機采用了較多的起動技術，包括起動機加強技術、帶傳動一體化起動/發電機（Belt-driven Starter Generator，BSG）起動技術和燃燒起動技術等。起動機加強技術通過使用增強型起動電機或常嚙合起動電機實現發動機快速起動[1]。BSG起動技術有利于降低起動過程的能耗，同時使起動過程的平順性達到混合動力汽車的水平[2]。燃燒起動技術通過直接向處于壓縮行程或膨脹行程的氣缸噴油和點火來提升轉速，起動時間縮短約50%[3]。然而，該起動方式控制較為復雜[3-4]，目前僅馬自達公司裝備了燃燒起動系統。

除采用上述方式外，配氣機構對改善起動性能也具有重要意義。發動機起動時，在起動電機拖動下轉速快速上升至點火轉速。然而，在拖動過程中，壓縮行程作用于活塞上的較高氣體壓力減緩了轉速的上升。柴油機因其較高的壓縮比使得這一現象更加明顯。因而，起動時降低有效壓縮比有利于改善發動機起動性能。在冷起動時，由于可變配氣機構液壓系統工作油壓尚未建立，難以在起動瞬間調節氣門正時。針對這類問題，Liu[5]等基于博格華納的雙峰相位調節器，在起動的第1個循環控制進氣門推遲關閉，實現有效壓縮比降低至3.5，從而改善起動振動問題。此外，Jacque[6]等研究的電動相位調節器克服了液壓相位調節器的不足，能夠在起動瞬間近似零轉速的情況下調節相位，從而降低起動過程中的有效壓縮比，實現快速起動。豐田公司和馬自達公司已經將電動相位調節器應用于產品，在起動時控制電動相位調節器實現進氣門提前關閉來減少進氣量。相對于推遲關閉，該方式能夠進一步縮短起動時間[7]。

電磁驅動配氣機構（Electromagnetic Valve Train，EMVT）是一種新型的全柔性化配氣機構，能夠獨立、連續且實時地調節氣門運動參數[8]。本文基于EMVT提出一種起動過程氣門運行策略。避免發動機在拖動過程中經歷壓縮行程，實現發動機快速起動。通過在GTPower 中建立發動機模型，與MATLAB/Simulink 聯合仿真實現對進、排氣門的實時控制，并在此基礎上研究所提出的起動過程氣門運行策略對發動機起動性能的改善效果。

2 EMVT全可變特性

自行研發的動圈式EMVT 具備高動態響應、緩氣門落座以及低功耗等特點[9-10]。目前，通過對原型機改裝，在缸蓋上完成了EMVT 安裝布置，并構建了EMVT發動機試驗臺架，如圖1所示。

圖1 EMVT布置情況和發動機試驗臺架

試驗研究表明：EMVT 能夠獨立、連續地調節氣門升程、氣門正時、過渡時間等參數[11-12]。本文應用EMVT這一優勢，開展起動過程氣門運行策略研究。

3 起動過程氣門運行策略與發動機模型建立

3.1 起動過程氣門運行策略

在發動機起動時，通過可變配氣機構降低有效壓縮比，能夠縮短起動時間、降低能耗，但幅度有限。因而，如何進一步降低拖動過程中的氣缸壓力是實現快速起動的關鍵。本文基于全柔性化EMVT，提出一種起動過程氣門運行策略，實現拖動過程中缸內壓力始終為大氣壓，從而避免氣缸經歷壓縮行程，使轉速快速上升至點火轉速。氣門控制策略見圖2，起動后，控制進氣門開啟、排氣門關閉，發動機在起動電機拖動下轉速快速上升；當轉速達到目標轉速時，控制噴油和點火系統開始工作；首個做功氣缸完成進氣后，進氣門正常關閉，排氣門按相應的正時開啟和關閉。其他3個氣缸進、排氣門也采用同樣的控制方式，按點火順序依次過渡到正常工作。在此氣門運行策略下，各缸首次點火前避免了壓縮行程，最大程度地減緩起動阻力，使轉速快速平順上升。其中，從起動開始至首次點火的拖動過程稱為起動過渡階段。

圖2 起動過程氣門運行策略

對于本文研究的發動機，在活塞處于上止點時，若氣門開啟升程超過5 mm，則氣門將與活塞發生干涉。考慮EMVT發動機試驗時的安全性，設定在上止點時氣門升程不超過4 mm。

3.2 發動機模型建立

發動機仿真模型基于1.8 L進氣道噴射汽油機試驗數據建立，發動機參數如表1 所示。根據試驗數據，在GT-Power中建立發動機一維仿真模型。

表1 發動機參數

摩擦模型采用Chen-Flynn 經驗模型，平均有效摩擦壓力（Friction Mean Effective Pressure，FMEP）Fmep計算公式為：

式中，Fcon為平均有效摩擦壓力常數；Pcyl.max為缸內最大壓力；cp.m為活塞平均速度；A為缸內最大壓力系數；B為活塞平均速度系數；C為活塞速度平方系數。

缸內傳熱模型采用Woschni模型，傳熱系數hc為：

式中，D為氣缸直徑；p為缸內壓力；T為缸內溫度；w為缸內氣體平均速度。

燃燒模型采用EngCylCombSITurb 預測燃燒模型。該模型為分區模型，計算公式為：

式中，Me、ρu分別為未燃混合氣的質量和密度；Ae為火焰前緣的卷吸表面積；ST、SL分別為湍流、層流火焰速度；Mb為已燃混合氣體的質量；τ為時間常數；λ為泰勒微尺度。

不同轉速滿負荷下，發動機扭矩及有效燃油消耗量的仿真結果與原型機試驗數據對比如圖3 所示。由圖3可以看出，滿負荷工況下模型的仿真結果與試驗結果的最大誤差均不超過5%，可以滿足進一步計算研究的要求。

圖3 原型機仿真結果與試驗結果對比

為分析基于EMVT 的起動過程氣門運行策略對發動機起動性能的提升效果，需在原型機模型基礎上建立EMVT 發動機模型。EMVT 發動機取消了節氣門，通過進氣門提前關閉控制進氣量。GT-Power 中提供了ValveSolSignalConn 模塊，該模塊通過邏輯信號0 和1 的切換，實現氣門的開啟和關閉。模型中根據試驗數據設置氣門開啟和關閉過渡時間。通過GT-Power 中的SimulinkHarness 模塊向MATLAB/Simulink 提供轉速、曲軸位置等信號，在MATLAB/Simulink中建立氣門控制系統，將氣門控制信號反饋給GT-Power，實現發動機起動過程的氣門運行策略。原型機模型和EMVT 發動機模型，環境溫度設為25 ℃，環境壓力設為0.1 MPa，模擬常溫常壓下的冷起動。

4 氣門運行策略對發動機起動性能的影響

起停系統已越來越廣泛地裝備于汽車。采用低成本增強型起停系統和BSG起停系統時，起動電機拖動發動機轉速到達300 r/min 附近噴油點火[13]。強混合動力汽車由于頻繁起動，對起動舒適性提出了更高的要求。起動時，發動機在大功率電機作用下被快速拖動至怠速轉速附近噴油點火[14]，從而縮短了起動時間，同時，較高的點火轉速避免了混合氣加濃過程。圖4所示為本文模型中設定的6 種起動電機轉矩特性，其中轉矩特性1～3用于模擬低點火轉速時的起動電機轉矩，轉矩特性4～6用于模擬高點火轉速時的起動電機轉矩。

圖4 不同起動電機轉矩

仿真中，控制常規起動模型和基于EMVT的起動模型在相同起動轉矩作用下被拖動至相同的轉速后點火。通過對比起動過渡時間、起動能耗以及缸內混合氣溫度等，分析基于EMVT的起動過程氣門運行策略對起動性能的提升效果。其中，基于EMVT的發動機起動模型進氣門升程為4 mm，仿真模型中設定從0.01 s 時刻起，起動電機拖動發動機轉動。

4.1 起動過渡時間

圖5 所示為常規起動模型與基于EMVT 的起動模型在起動轉矩2和起動轉矩5作用下的轉速曲線。在低點火轉速時，常規起動方式與基于EMVT的起動方式首次點火時刻的轉速分別為292.7 r/min、289.3 r/min，近似相等。常規起動方式的進、排氣門由凸輪軸驅動，各缸交替完成四沖程，導致轉速呈波浪式上升。基于EMVT的起動方式，在各缸首次點火前控制進氣門開啟、排氣門關閉，避免壓縮行程，減小起動阻力，使轉速能夠快速、平順地上升。過渡時間由常規起動方式的646.3 ms縮短至543.5 ms。在起動轉矩5 作用下，高點火轉速起動時，常規起動方式與基于EMVT的起動方式首次點火時刻的轉速分別為794.5 r/min、829.6 r/min，過渡時間分別為318.4 ms、282.1 ms。可以看出，基于EMVT的起動方式在首次點火時刻轉速高出常規起動方式約35 r/min的情況下，過渡時間仍然小于常規起動方式。

圖5 不同起動轉矩作用下轉速曲線

4.2 起動過渡階段能耗

圖6所示為2種起動方式下過渡階段起動電機的功率，通過積分可得到過渡階段的能耗。在低點火轉速時，常規起動方式過渡階段能耗為642.2 J，基于EMVT的起動方式過渡階段能耗為581.9 J，較常規起動方式降低9.4%。盡管基于EMVT的起動方式在過渡階段的大部分時間內功率大于常規起動方式，但更短的過渡時間使得其能耗更低。高點火轉速時，常規起動方式過渡階段能耗為1020.3 J，基于EMVT 的起動方式過渡階段能耗為998.8 J，較常規起動方式降低2.1%。相對而言，此時基于EMVT的起動方式能耗減少并不明顯，這主要是因為高出的約35 r/min點火轉速額外消耗了一部分能量。

圖6 過渡階段起動電機功率

4.3 缸內混合氣溫度

發動機冷起動時，提高進氣溫度有利于混合氣霧化與燃燒，改善發動機排放性能[15]。圖7 所示為2 種起動方式下首循環4個氣缸在點火時刻的缸內溫度。由圖7可見，與常規起動方式相比，基于EMVT 起動方式的4個氣缸點火時刻缸內混合氣溫度均有所降低。其中，低點火轉速時下降約3 ℃，高點火轉速時下降約15 ℃。這主要是基于EMVT 的起動方式采用進氣門提前關閉來控制進氣量，有效壓縮比降低所致[16]。

圖7 首循環4個氣缸點火時刻的缸內混合氣溫度

4.4 不同起動電機轉矩作用下起動性能變化

為確定基于EMVT 的起動過程氣門運行策略對起動性能的影響，在不同起動轉矩作用下對起動性能作進一步分析。圖8所示為2種起動方式在起動轉矩1和起動轉矩3作用下低點火轉速起動時的轉速曲線，圖9所示為2種起動方式在起動轉矩4和起動轉矩6作用下高點火轉速起動時的轉速曲線，點火時刻轉速、過渡時間以及過渡階段能耗如表2、表3所示。

圖8 起動轉矩1、3作用下2種起動方式轉速變化

圖9 起動轉矩4、6作用下2種起動方式轉速變化

表2 起動轉矩1、3作用下2種起動方式起動性能

表3 起動轉矩4、6作用下2種起動方式起動性能

由表2和表3數據可得：低轉速點火時，基于EMVT的起動方式過渡時間縮短約12.9%～23.8%、過渡階段能耗降低約8.7%～9.5%；高轉速點火時，基于EMVT的起動方式在點火轉速高出常規起動方式約35 r/min 的情況下，過渡時間縮短約10.2%～12.4%、過渡階段能耗降低較小。

5 進氣門升程對起動性能的影響

采用進氣門提前關閉方式控制進氣量導致缸內混合氣溫度略有下降，不利于冷起動時混合氣的霧化，影響起動著火穩定性和排放性能。針對這一不足，通過減小進氣門升程來增強氣體流動阻力，使氣體在進氣管道和氣缸間循環流動升溫。同時，減小進氣門升程減少了有效流通面積，提高氣體流速，有利于混合氣霧化[17-18]。針對本文提出的起動過程氣門運行策略，進一步分析進氣門升程對起動性能的影響。

以起動轉矩2 為例，在該起動轉矩作用下起動時，不同進氣門升程下的轉速如圖10所示。由圖10可見，進氣門升程從4 mm降低到1 mm后，首次點火時刻轉速略有下降，但可近似認為與常規發動機起動點火轉速相近。當進氣門升程減小至0.8 mm 和0.6 mm 時，如果仍在0.55 s 時刻附近點火，則點火轉速較低，這主要因為過小的氣門升程使氣體在進氣管道和氣缸間循環流動的阻力急劇變大，導致點火時刻轉速明顯下降。為了保證進氣門升程為0.8 mm和0.6 mm時可在相近的點火轉速下對比起動性能，推遲1個行程點火。表4所示為不同進氣門升程下點火時刻轉速、過渡時間以及過渡階段能耗，可以看出，當氣門升程為0.8 mm 和0.6 mm 時，推遲1個行程點火造成過渡時間和能耗明顯增加。

圖11所示為常規方式起動和基于EMVT 的氣門運行策略在不同進氣門升程下起動時，首循環4個氣缸點火時刻缸內溫度的變化情況。由圖11 可見，隨著進氣門升程的減小，溫度逐步上升。為平衡過渡時間、過渡階段能耗以及點火時刻缸內溫度，將基于EMVT的氣門運行策略起動時進氣門升程設定為1 mm。與常規起動方式相比，過渡時間縮短15.6%，過渡階段能耗降低8.5%，首循環點火時刻缸內平均溫度略有提高。對于環境溫度較低的冷起動，進氣門升程可以進一步減小，以犧牲起動時間和起動能耗來獲得較高進氣溫度，保證發動機順利起動。

圖10 不同進氣門升程下起動的發動機轉速變化

表4 不同進氣門升程下起動性能對比

圖11 首循環4個氣缸點火時刻缸內混合氣溫度

6 結束語

本文基于EMVT 提出了一種發動機起動過程氣門運行策略，通過GT-Power 與MATLAB/Simulink 聯合仿真分析該氣門運行策略對起動性能的影響。結果表明，提出的起動策略能夠有效縮短起動時間、降低能耗。針對進氣門提前關閉造成缸內溫度下降的不足，采用減小進氣門升程的方法提高缸內混合氣溫度，但過低的進氣門升程會導致起動時間及能耗增加。通過綜合考慮起動過渡時間、起動過渡階段能耗和缸內混合氣溫度，能夠確定該起動策略中合適的進氣門升程。