進氣控制方式對可變氣門升程汽油機性能影響機制的仿真研究

谷樂祺，解方喜，石卜從

(1. 吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室, 吉林 長春 130022； 2. 北京汽車股份有限公司 汽車研究院，北京 101300)

0 引言

隨著不斷嚴格的汽車油耗和排放法規的相繼推出，發動機節能和減排已成為眾多汽車企業生存和發展的關鍵。目前可變氣門升程技術是行業公認的一種可有效推動汽油機高效、清潔工作的技術措施。寶馬利用Valvetronic可變氣門升程系統使歐洲駕駛測試下的節油率達到了12%[1]。Fiat公司利用一種凸輪驅動電液全可變氣門機構使一1.5L增壓汽油機中小負荷時的泵氣損失顯著減小，油耗改善近10%；同時，通過預熱期間的進/排氣門優化控制，還實現了HC和CO的顯著降低[2-3]。CLEARY D等[4]利用進氣門早關策略使一單缸機部分負荷工況的燃油消耗率改善7%。王天友等[5]利用可變氣門升程與定時耦合調節方式，使一發動機部分負荷的泵氣損失降低近50%，油耗改善 5.6%；胡順堂等[6]采用進氣門升程調整的進氣控制方式，使發動機部分負荷工況的泵氣損失減小了20%～30%。同時，文獻[7]發現降低氣門最大升程有利于進氣初期缸內滾流比的提高，而在進氣后期及壓縮過程中，最大升程為1.0mm時缸內滾流比明顯低于7.7mm和4.0mm時的缸內滾流比。文獻[8]指出，使用可變氣門升程技術實現了米勒循環效果，泵氣損失及機械損失均有一定降低，燃燒效率提高，但油耗降幅不明顯。文獻[9]通過氣門正時和氣門升程聯合調整試驗研究指出，隨著氣門升程的增加，CO和比油耗表現為先下降再上升。文獻[10]指出如果保持節氣門一直全開，在發動機小負荷由于氣門升程太小，氣門處節流損失上升，燃油消耗率反而也會增加。文獻[11]也指出在發動機小負荷適當聯合節氣門控制更有利獲得較好的油耗改善效果。

通過現有研究，一方面表明可變氣門升程是一種極為有效的發動機節能減排技術策略；另一方面也注意到，要想實現可變氣門升程系統在發動機上的高效清潔應用也是一個極為復雜的工作，需要與發動機運行工況、燃燒邊界條件等進行細致的協同優化標定和匹配；特別是氣門升程與氣門啟/閉正時、節氣門開度等其他進氣控制參數之間存在著復雜的耦合作用關系。然而，當前對相關問題還未有系統的認識，亟待進一步發展。故而，本文擬以課題組開發的一種凸輪驅動液壓可變氣門升程機構為原型，在一臺1.4L的缸內直噴汽油機上系統對比探討不同進氣控制方式(節氣門控制方式、進氣門早關控制方式及節氣門和進氣門早關協同控制方式)對發動機性能的影響，并對其缸內燃燒、機械損失、泵氣損失、排氣損失等能-功轉化細節過程進行分析。本文研究對于可變氣門升程系統的優化控制及高效應用具有很好的工程和理論價值。

1 臺架搭建及試驗方法

1.1 仿真模型建立

本文以一款1.4L缸內直噴汽油機為對象進行研究，其主要技術指標參數如表1所示。基于該發動機實機結構參數及相應臺架測試數據利用 GT-Power 軟件搭建一維模擬平臺，并對其關鍵模型參數進行優化選擇。該模擬平臺噴油器模型采用InjAFSeqConn模型，燃燒室壁溫模型采用EngCylTWall模型，傳熱模型采用WoschniGT模型，燃燒模型采用Turb-flame 模型。另外，進氣系統、排氣系統、氣缸、曲軸、配氣相位等由實機值確定，所建發動機模擬平臺如圖1所示。

表1 發動機主要技術參數

圖1 仿真模型

1.2 模型驗證

為驗證所建立仿真平臺的準確性，通過臺架試驗對發動機外特性數據進行測試，并測取發動機2200 r/min轉速、118N·m轉矩工況下的缸內燃燒壓力。圖2和圖3所示為試驗和模擬結果對比。由圖可見，模擬計算結果與試驗測試結果基本一致，能夠滿足后續模擬研究的需求。

圖2 試驗與模擬發動機外特性對比圖

圖3 試驗與模擬缸壓對比圖

1.3 研究方案

文中采用本課題組開發的一款凸輪驅動可變氣門升程機構為原型進行研究，其氣門升程型線如圖4所示。基于該機構對氣門升程的控制范圍和能力，文中選取了3種進氣控制方式：節氣門進氣控制方式(TH，氣門升程型線固定為原機情況)、進氣門早關進氣控制方式(EIVC，節氣門全開)、節氣門和進氣門早關協同進氣控制方式(TE)，同時對于TE方式又進一步選擇了多種組合形式進行了對比分析。

圖4 不同節流閥開度下的氣門運動特性

選取2000 r/min發動機轉速，10%、25%、50%、75%4個負荷比工況進行研究。其中，負荷比以原機氣門升程曲線采用節氣門進氣控制方式(TH)方式的外特性轉矩為基準。研究中，針對同一負荷比工況進行仿真計算時，平均有效壓力保持相同。同時，不同進氣控制方式的點火正時均固定為相應負荷比下的TH進氣控制方式最佳點火提前角。不同進氣控制方式及負荷比下所應用的氣門升程曲線以及對應節氣門開度調整參數分別如表2和圖5所示。

表2 不同進氣方式調控參數表

圖5 不同負荷比下的氣門升程曲線表

2 研究結果及分析

圖6給出了不同負荷比下進氣控制方式對發動機缸內燃燒壓力的影響。從圖6(a)可以發現，TH控制方式的壓縮壓力和燃燒壓力較EIVC和TE顯著升高，而EIVC則相對較低，且燃燒過程相對推遲。10%負荷比工況下EIVC的最大燃燒壓力和壓縮上止點壓力分別較TH降低了約0.334MPa和0.142MPa，下降幅度達30.6%與23.2%，且最大燃燒壓力相位推遲了近8°CA。這主要因為，一方面本文在進行不同進氣方式對比研究過程中，在同一負荷比工況下其BMEP基本不變。對于TH方式，其燃燒能向發動機有效功的轉化效率可能較低，進而使得發動機需要更多的進氣和燃油才能達到預定的BMEP效果；另一方面，TH方式在發動機排氣末期及掃氣過程中的進氣管和進氣壓力相對較低，可能會使更多廢氣殘留在缸內，造成缸內工質總量增多。此外，結合圖7進氣控制方式對缸內湍動能的影響還可以發現，對于EIVC和TE方式，其壓縮過程的缸內湍動能相對減弱，這在一定程度上也不利于燃燒過程的進行，導致燃燒壓力和溫度較低。同時，對比不同負荷比下的缸壓曲線還可以看出，隨著負荷比的升高，缸壓變化差異越來越小，EIVC方式在75%負荷比下的壓縮上止點壓力和最大燃燒壓力分別較TH方式僅低約1.25%和0.31%。這主要是因為隨著發動機負荷比的增大，EIVC 與 TE 進氣控制模式下的氣門開啟持續期逐漸增加，進氣沖程狀態與原機的差異逐漸減小(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

圖6 進氣控制方式對缸內壓力的影響

圖7 進氣控制方式對缸內湍動能的影響

圖7中360°CA～540°CA為發動機的進氣沖程，540°CA～720°CA為壓縮沖程。由圖7(a)-圖7(c)可見，在發動機中、小負荷工況進氣過程中，不同進氣控制方式下其缸內湍動能均大體呈現出雙峰現象，其波峰分別出現在進氣初期和中期位置。對于EIVC 與 TE方式，其在進氣初期的湍動能波峰相對較小，但在進氣中期形成的湍動能波峰卻相對較大。同時，隨著節氣門開度的降低和氣門關閉推遲，其進氣中期形成的波峰也略有降低和推遲。通常情況下，進氣過程缸內湍動能波峰越推遲，越有助于氣流運動能量在壓縮和燃燒過程的延續。進而，10%負荷比工況下TE3進氣控制方式在壓縮上點的湍動能較EIVC方式提升了近5.6 m2/s2。

對于TH進氣控制方式，雖然其相比EIVC 與 TE 進氣控制方式在進氣初期形成的湍動能峰值明顯升高，但隨著進氣過程的進行，其會迅速衰減下來，之后在進氣中期形成的湍動能波峰卻相對較小。然而，由于TH控制模式能夠使氣缸不斷獲得新鮮充量能量的補充，其第二個湍動能波峰的衰減速度較EIVC與TE方式顯著減緩，特別在進氣下止點附近，活塞運動變向和缸內氣流可能發生了復雜的交互作用，致使其進氣下止點附近又出現了一個小的湍動能波峰，使得其在壓縮過程中反而具有相對較高氣流運動湍動能。

由圖7(d)還可發現，發動機在75%負荷比工況運轉時，雖然其整體規律與中、小負荷相類似，但不同之處在于EIVC與TE方式在壓縮沖程也仍具有相對較高的湍動能。在壓縮上止點，EIVC方式反而較TH方式升高了近15.0 m2/s2。這可能主要得益于當發動機大負荷運轉時其氣門開啟持續期延長，與TH方式之間的差異縮小，且波峰的推遲又進一步有效抵消了其由進氣過程縮短所帶來的能量補給及活塞運動擾動不足的問題。

從能量流的角度出發，在能量轉化過程中燃燒能不僅會轉換為發動機有用功，還有部分能量會通過燃燒室壁面傳熱及排氣耗散掉，進而燃燒總能量可分流為指示功、排氣損失及傳熱損失3部分。圖8所示為不同進氣控制方式對缸內燃燒能分流特性的影響。由圖可見，在2000r/min發動機轉速10%、25%及50%負荷比下，采用 EIVC和TE進氣方式時發動機均展現出了相對較高的排氣損失和相對較低的傳熱損失。然而，當發動機在大負荷運轉時(75%負荷比)，EIVC與TE方式的傳熱損失上升到了與TH大致相當的水平，但排氣損失顯著減小。同時，雖然排氣和傳熱損失變化極為復雜，但在兩者綜合作用下不同控制方式的發動機指示熱效率變化趨勢卻相對較為一致，基本上EIVC進氣方式均具有相對較高的指示熱效率，而TH方式的熱效率則相對較低。在10%、25%、50%及75%負荷比工況下，EIVC方式的指示熱效率分別較TH方式增加了 0.77%、1.21%、1.14%與1.00%。然而，也要注意到，研究中也初步展現出了在發動機某些工況下(圖8(b))，TE方式不僅達到與EIVC相當的指示熱效率水平，并且還有進一步提升的趨勢。

圖8 進氣控制方式對缸內燃燒能分流特性的影響

在發動機實際工作過程，指示功并不能完全轉化為發動機的有效輸出功，還有部分指示功會被損耗掉。泵氣損失與摩擦損失是其主要損耗類型，圖9和圖10進一步給出了不同進氣控制方式下的泵氣損失與摩擦損失變化情況。由圖可見，在研究的4個負荷比工況下，EIVC進氣方式基本顯示出了相對較低的泵氣損失和摩擦損失，而TH方式展現出了相對較高的泵氣損失和摩擦損失，在發動機中、小負荷比時表現尤為明顯。這主要是因為TH方式利用節氣門控制控制進氣，氣體在流經節氣門時會產生顯著的進氣節流損失，負荷比越小，其損失會越大，進而造成泵氣損失較高。對于摩擦損失，其主要由曲軸和連桿及活塞、活塞環和缸筒之間的相對運動產生，通常缸內壓力越高，摩擦副之間受到的擠壓力會越強，進而摩擦力和摩擦損失越大，結合圖6，EIVC 方式的缸內壓力也相對較小。

圖9 進氣控制方式對泵氣損失的影響

圖10 進氣控制方式對摩擦損失的影響

圖11進一步給出了不同進氣控制方式下的發動機3種主要效率(指示熱效率、機械效率、有效熱效率)變化情況。由圖可見，對于研究的4個負荷比工況，總體上隨著發動機負荷比的提高，其指示熱效率、機械效率及有效熱效率均呈現不斷增加的趨勢。并且，對比3種進氣控制方式，EIVC 進氣方式基本均具有相對較高的指示熱效率、機械效率和有效熱效率，而TH控制方式則相對較低，TE方式大多處于兩者之間。相關指示熱效率的變化前文已經進行論述，對于機械效率，由于EIVC 方式的泵氣損失和摩擦損失相較TH方式具有極為顯著的改善效果，進而其機械效率有所升高。同時，有效熱效率主要受指示熱效率和機械效率的影響，EIVC 方式由于具有較高的指示熱效率和機械效率，使得其有效熱效率也相對較高。4個負荷比工況下，EIVC 方式的有效熱效率相比 TH 方式分別升高了0.57%、1.15%、1%及0.84%。此外，還需進一步指出的是，文獻[12]指出，當發動機燃燒過程過于提前和退后均不利于燃燒能向發動機有效輸出功的高效轉化，當發動機燃燒中心上止點后8°CA～9°CA時發動機能夠獲得相對較佳的能-功轉化效率。結合圖6可以發現，對于EIVC和TE進氣方式，其在發動機中、小負荷工況燃燒過程均明顯推遲，燃燒滯后，故而，結合點火提前角等協同控制，EIVC和TE進氣控制模式還有望獲得更大的有效熱效率提升潛力。

圖11 進氣控制方式對發動機效率指標的影響

圖12所示為進氣控制方式對發動機燃油消耗率的影響。為更全面了解氣門控制方式對寬范圍發動機運轉工況的作用潛力，圖中又進一步給出了3500 r/min和5000 r/min發動轉速相應負荷比的燃油消耗率變化情況。并且，在表3中還給出了可使發動機各工況點獲得最佳燃油消耗率的氣門控制方式。通常，發動機燃油消耗率(BSFC)與有效熱效率基本成反比關系，進而對于2000r/min 4個負荷比工況EIVC方式均具有相對較低的燃油消耗率，相比TH 方式分別改善了約3.2%、4.3%、3.35%和 2.57%。

從圖12(b)和圖12(c)可以發現，雖然在3500r/min和5000r/min發動機轉速的大負荷比工況，EIVC方式仍能取得較低的燃油消耗率。但是在一些發動機中、高轉速小負荷比工況下，例如3500r/min轉速、10%負荷比和5000r/min轉速、10%與25%負荷工況，TE進氣方式卻獲得了相對較低的燃油消耗。研究的某些工況點EIVC方式甚至較TH方式還有顯著惡化，例如在 3500r/min、10%負荷，EIVC 負荷控制策略相比原機 TH 負荷控制策略其指示熱效率降低 3.32%。結合圖6-圖8，這可能是因為，在發動機中、高轉速和中、低負荷比工況，由于EIVC控制方式引發的缸內氣流運動減弱、燃燒過程推遲及排氣損失增加現象更為嚴重，進而燃燒能向有用功的轉化效率可能發生顯著降低，抵消了由機械效率提升所帶來的收益，使得發動機最終的有效熱效率和燃油消耗率惡化。

圖12 進氣控制方式對燃油消耗率的影響

要最終通過可變氣門技術達到提升發動機燃油經濟性的目的，需要綜合兼顧不同進氣控制方式在不同工況下的各指標益損平衡關系，不能顧此失彼。結合表3，總體上看來，對于研究樣機在發動機中、高轉速小負荷比工況采用節氣門和進氣門早關協同進氣控制方式更佳，一方面能提高進氣能量的維持和延續效果，使壓縮和燃燒過程氣缸內具有更高的氣流運動強度，提升燃燒速度、降低排氣損失；另一方面還可兼顧EIVC 方式在高機械效率方面的優勢，進而可使發動機獲得更佳的節能效果。但在發動機低轉速和中、高轉速中、高負荷比，采用EIVC方式由于可同時具有較好的指示熱效率和機械效率，進而可獲得相對更佳的油耗改善效果。

表3 不同轉速負荷下所對應較優控制策略

3 結語

本文以前期開發的一種可變氣門升程機構和四缸缸內直噴汽油機為對象，通過一維仿真研究了節氣門控制方式、進氣門早關控制方式及節氣門和進氣門早關協同控制方式等3種進氣控制方式對發動機性能的影響，并對其能-功轉化細節過程進行分析，本文的主要結論如下：

1)不同進氣控制方式的缸內湍動能存在顯著的差異，發動機中、小負荷TH方式在壓縮沖程具有較高氣流運動強度，湍動能較大，而在大負荷工況下EIVC及TE方式的湍動能卻相對較高。同時，EIVC及TE方式在中、小負荷工況下的燃燒速度較慢，燃燒過程滯后，缸壓峰值較低。

2)在中、小負荷比工況下，EIVC和TE方式的傳熱損失較TH方式顯著改善，但排氣損失增加；在大負荷比工況EIVC和TE方式與TH之間的傳熱損失差異縮小，但排氣損失改善。總體上看，在傳熱和排氣損失的耦合作用下，EIVC方式在研究的4個負荷比下均展現出了較高的指示熱銷率，而TH方式的較低。

3)EIVC方式的泵氣損失和摩擦損失較小，機械效率較高，更有利于指示功向發動機有效輸出功的傳遞和轉化。TH方式的泵氣損失和摩擦損失較高，機械效率較差。同時，在研究的2000r/min轉速4個負荷比工況，EIVC方式均獲得了相對較佳的有效熱效率，而TH方式的有效熱效率較低。

4)低轉速各負荷工況下采用 EIVC 負荷控制策略時發動機指示熱效率和機械效率均較高，因此有效熱效率較大。隨著轉速升高，EIVC 負荷控制策略適宜的應用負荷范圍逐漸減小，在中、高轉速小負荷工況，TE 負荷控制策略的能量走向分配更為合理，使有效熱效率和燃油經濟性更佳。

5)通過進氣方式的優化選擇，基本能使發動機燃油消耗率較傳統單一進氣門控制方式有所改善，最大改善效果近5%。