孙培岩， 李翔， 万怡， 满长忠， 唐运榜

(大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室, 辽宁 大连　116024)



新型无节气门进气系统
——串联气门速度控制系统

孙培岩， 李翔， 万怡， 满长忠， 唐运榜

(大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室, 辽宁 大连116024)

为了改善车用汽油机在城市路况下(即中小负荷的工况下)的燃油经济性，设计了一种由两个串联进气门组成的进气控制系统(SVSC)，采用全新的进气控制原理，不通过节气门的操控来降低部分负荷工况下发动机进气损失并提高燃油经济性。仿真计算与试验表明，SVSC系统可大幅减少发动机部分负荷下的进气损失，并且不需要对发动机的尺寸或结构作较大改动。

点燃式发动机； 节气门； 进气损失； 进气系统； 仿真

能源与环境问题是目前汽车工业面临的两个主要问题。为了在提高汽油机燃油经济性和动力性的同时满足越来越严格的排放法规要求，配气控制技术的研究备受关注[1]。如何有效地根据发动机的运行状态改变进气量，如何有效地减小发动机中低负荷工况下的泵气损失等，都是进一步提高汽油机燃油经济性需要考虑的问题。

各国学者正在广泛研究可变气门执行器(VVA)，并且已经发表了一系列与可变气门升程、可变气门开启持续时间以及气门正时控制策略相关的研究文献[2]。比如：NISSAN公司[3]在3.0 L V6发动机平台上推出了一种二阶凸轮限位机构来实现全转速范围内扭矩的提升，并降低了燃油经济性；Toyota[4]，Ford[5]，Porsche[6]公司相继推出了凸轮相位可以连续改变的机构。此后日本的Honda[7]公司与德国BMW[8]公司相继开发了可以使气门升程与进排气相位均可变的机构。但以上这些机构都没有完全取消节气门，进气损失依然存在。基于此，德国BMW[9]公司推出了一种可以改变进气量的机构——Valvetronic机构，取消了节气门，机构中凸轮不直接控制进排气门，而是通过一种传动机构间接地实现进气门升程的连续改变，该机构已投入生产。瑞典学者Shahnawaz Ahmed Khan和Prajod Ayyappath[10]开发了一种高转速与低转速可以相应改变进气量的机构，取消了节气门，此外，天津大学[11]研究了一种可以取消节气门的机构，而且取消凸轮，但这两种机构均存在装置庞大复杂，安装过程繁琐且成本非常高的弊端。

考虑到大部分汽车经常工作在城市工况下，本研究特别设计了一种由2个串联进气门构成的串联气门速度控制系统(SVSC)来降低发动机进气损失，该系统没有采用现有的改变发动机即时进气量的方法。理论计算与试验验证表明，在中小负荷工况下，SVSC系统对进气损失的降低效果尤为明显，节油率平均可达5%～6%,且对发动机的功率特性基本没有影响。

1　串联气门速度控制系统(SVSC)

1.1SVSC系统结构

SVSC系统由2个串联的进气门组成进气控制系统，取消了传统点燃式内燃机的节气门(见图1)。 两个进气门串联连接，后面的气门(称后进气门)的结构和控制方式与传统的发动机进气门一致；前面的气门(称前进气门)的进气持续角一定，但开启时刻是可变的，即关闭时刻也是可变的，前进气门的开启频次与后进气门的开启频次一致。前进气门与后进气门须有同时打开的角度，或称重叠角，控制重叠角的大小，即控制了发动机的进气量。前进气门的进气持续角大于后进气门的进气持续角。前进气门与后进气门之间组成燃料混合室，燃料喷射进混合室与空气混合。混合室内的空气量应不大于发动机怠速时所需空气量，即燃料混合室容积应尽量小。

图1　SVSC系统的整体结构

装有SVSC系统的汽油机只是在原机的进气部分作了一定的改进，将原机的节气门取消，加装SVSC系统作为进气构件，其余都一样，不涉及对原机进气门的更改。

1.2SVSC系统工作原理

前、后进气门的工作原理见图2。从图2中可以看出SVSC系统的实际工作过程：起初前、后进气门均关闭，在某一时刻前进气门开启，空气通过前进气门进入混合室，燃料混合室内空气压力为前进气门前的压力；随后后进气门打开，此时前进气门依然打开，空气从前进气门直接进入气缸；前进气门关闭，空气停止进入燃料混合室和气缸，直到后进气门关闭，完成气缸进气过程。

图2　SVSC系统工作原理

图3示出了改变前进气门进气开启角时对应的发动机进气持续时间以及相应的通气面积，从左到右依次为进气部分重叠到进气完全重叠过程中相应的进气门通气面积曲线集；其中Φa表示前进气门的进气持续相位，Φb表示后进气门的进气持续相位；Φ1，Φ2，Φ3表示前进气门与后进气门的不同进气重叠角，每一条曲线描述了不同进气重叠角对应的通气面积。改变前进气门进气开启角，继而改变前后气门的开启重叠角，即改变了实际进气持续的时间。

图3　不同工况下SVSC系统前进气门与后进气门的相对位置示意

2　模型建立与计算

本次仿真使用GT-Power软件，基于LIFAN 175 mL单缸发动机进行。原发动机参见表1。

表1　基础发动机参数

2.1仿真模型

图4示出了传统基础汽油机模型中各元件的位置及相应的名称与作用，箭头对应模型中的各种管道，箭头的方向表示气体流动的方向。图4中每条箭头线上都分布有测量点。模拟过程中，新鲜空气进入系统，流经管道系统进入发动机气缸中，燃烧后的废气流经排气道通过排气管排出。

图4　基础汽油机GT-Power仿真模型

图5示出了装有SVSC系统的汽油机模型中各元件的位置及相应的名称与作用。在建模过程中，两种模型除了进气门前的元件与参数设置不同，其余都相同，仿真过程也相同。

图5　SVSC系统汽油机GT-Power仿真模型

2.2参数确定

参数包括管道模型参数和气缸模型参数[12-13]。

1) 管道模型参数进气环境和排气环境的参数主要包括入口处空气压力、空气温度及该处的流量系数等；流动管道参数包括管道长度、直径、壁温、热传导参数等，均根据试验数据确定；

2) 气缸参数主要包括气缸缸径、活塞行程、平均曲轴箱压力、气门座直径及配气相位等，这些参数都是根据发动机实际参数设定的。本研究因加入前进气门，其运动规律设置见图2和图3。

2.3计算模型标定

在试验的基础上，根据发动机的结构参数及工作特征使用GT-Power建立基础发动机的换气和热力学模型，并对发动机的运算模型进行标定。

主要标定对象为SVSC发动机的进排气部分以及燃烧过程。进排气部分主要包括质量流量、进气背压和排气背压，燃烧过程主要包括功率、扭矩以及缸内压力，使计算值与基础发动机的试验数据相符，趋势相同， 且两者的最大误差不超过5%。部分标定数据见图6和图7。

图6　发动机质量流量试验数据与计算结果对比

图7　发动机速度特性试验数据与计算结果对比

3　计算结果分析

本计算取消节气门，通过设定不同的气门运动规律，得到不同运动规律下的循环进气量；调整SVSC系统前、后进气门的进气重叠角使之与基础发动机的循环进气量相同[14-15]，从而获得气缸内压力变化曲线(注：本文只讨论发动机进气过程压力曲线)。

3.1无节气门控制发动机的节油原理

图8示出在部分负荷下SVSC系统汽油机与基础汽油机进气量相同时的进气p-V示功图对比。SVSC汽油机由于取消节气门，大大降低了进气道内空气流动的阻力，与传统结构汽油机相比，在部分负荷的进气过程中可以减小很大一部分节流损失。此外燃料混合室容积很小，前进气门相当于直接与外界相通，所以初始进气压力接近于外界大气压值，这样可以减小活塞完成进气过程需要克服的阻力，大幅度减小发动机的进气损失。而传统汽油机因为有节气门的存在，在节气门未打开或者开度很小时，节气门本身会引起很大的空气流动阻力，造成节流损失，并且由于进气初始进气歧管内背压很低，活塞需要克服较大的阻力来完成进气过程，从而引起泵气损失。

图8　SVSC汽油机与基础汽油机进气p-V示功图的对比

从图8中可知，SVSC发动机缸内进气压力较基础发动机的缸内进气压力有明显提升。在保证两种方式的缸内进气量相同的情况下，纵轴0.1 MPa横线下方两条进气压力曲线所围成的面积即可反映SVSC系统可节省的进气损失功。

3.2部分负荷下两种发动机进气损失的比较计算

图9示出SVSC系统汽油机与原机进气压力曲线对比。图中1—2—3—4—1所围成部分为基础汽油机的进气损失功，1—2—3—1所围成部分为SVSC系统汽油机的进气损失功，则阴影部分为SVSC系统可以减小的进气损失功。

图9　SVSC汽油机与基础汽油机进气压力对比

应用十等分法[16]，将示功图长L分为10等份，量出各等分点上的示功图高度(示功图边缘与等分线上下交点间的线段长度)y1,y2,y3,…y9(mm)。在上、下止点附近，距上、下止点L/40处再附加两个示功图高度y0和y10,示功图平均高度可用下式得到：

(1)

(2)

Pi=cpin。

(3)

式中：hi为平均高度；pi为平均指示压力； M为示功器的弹簧比例；c为气缸常数；n为发动机转速；Pi为平均指示功率。

由于两者时间t相同，则

(4)

进气损失功减小率为

(5)

3.3SVSC系统前、后进气门进气重叠角不同时的进气p-V示功图对比

图10至图13示出前、后进气门气门重叠角由小到大，且保证两者循环进气量相同时，SVSC系统汽油机与基础汽油机进气p-V示功图的对比，发动机的转速均为2 500 r/min。图中的阴影部分均表示SVSC系统可节省的进气损失功。

图11　前、后进气门开启重叠角为145°时的进气p-V示功图

图12　前、后进气门开启重叠角为185°时的进气p-V示功图

图13　前、后进气门开启重叠角为230°时的进气p-V示功图

图10、图11、图12中的实线分别描述了前、后进气门进气重叠角依次为55°，145°和185°时发动机对应的p-V示功图，此时基础发动机节气门开度相应为5%，28%和61%，由图中虚线表示。从图10至图12中可以看出，前进气门开启角越大，即前、后进气门进气重叠角越大，进气持续时间越长，SVSC系统发动机相比于基础发动机的进气损失功减少率越大。经过计算得知，当前、后进气门进气重叠角分别为55°，145°，185°时，SVSC系统汽油机对比于基础汽油机可节省的进气损失功依次为48.83%，79.37%和87.29%。

图13示出当前、后进气门进气重叠角为230°，即前、 后进气门完全开启时，SVSC系统发动机与基础发动机的缸内压力曲线对比。从图中可以看出二者几乎重合，这是因为此时基础发动机的节气门几乎完全开启，进气损失接近于0，而SVSC系统的前、后进气门开启重叠角也在此时达到最大值，所以无从谈论进气损失可以节省多少。此外，由于两条进气压力曲线几乎重合，可以说明SVSC系统在前、 后进气门开启重叠角达到最大值时，与原机在满负荷下的进气情况无差别，即不会影响发动机的动力性。

4　试验结果分析

通过台架试验得到了SVSC系统发动机和基础发动机的燃油消耗率MAP图(见图14)。图14中颜色较浅的部分为基础发动机燃油消耗率、功率、转速三特性曲线，颜色较深的为SVSC发动机的燃油消耗率、功率、转速三特性曲线。从图15中可以看出，在相同的转速与功率条件下，除了某几个特殊点外，SVSC发动机相比于原机消耗的燃油更少。相同转速下，随着功率的增加，SVSC发动机燃油消耗率的变化趋势更为柔和。相同功率条件下，随着发动机转速的增加，SVSC发动机相比于原机油耗降低的较缓慢，低负荷区域与高负荷区域油耗差值较小。由此，在低负荷区域，SVSC系统发动机的油耗比原机低很多，然而在高负荷区域两者几乎持平，尤其是在小功率条件下，SVSC系统发动机的省油效果更为明显。

图14　SVSC发动机与原机三维燃油消耗率对比

此外，从图14中还可以看出，SVSC发动机的最大功率与基础发动机的最大功率均在9 kW左右，差别不大。

图15示出在发动机转速为3 000 r/min不变时，两种发动机的平均燃油消耗率随功率的变化曲线。从图中可以看出，在发动机功率为1.0～2 kW时，SVSC系统的节油效果最为明显，随着发动机功率的增加，相比于原机，SVSC系统发动机的燃油消耗率降幅变小。

图15　 3 000 r/min转速下两种发动机的燃油消耗率曲线

试验中，转速从2 000 r/min变化到6 000 r/min，在转速为3 000 r/min左右时SVSC系统具有最佳节油效果，节油率高达10%；节油效果随着发动机转速的增加成比例下降，当发动机转速达到6 000 r/min时，二者燃油消耗率已几乎相同。全转速范围内的平均节油率可达5%～6%。

5　结论

a) 发动机串联气门速度控制系统(SVSC)在减小发动机进气损失方面效果显著，平均节油率可达5%～6%，对提高车用汽油机在城市路况下的燃油经济性具有重要意义；

b) 在2 500 r/min时，随着SVSC系统发动机前、后进气门进气重叠角的增大，SVSC系统可减小的进气损失功增大，但当重叠角达到最大值时，基础发动机的节气门完全开启，两种发动机的进气损失功相当；

c) 满负荷工况下，SVSC发动机的最大功率与基础发动机相比差别不大，说明SVSC系统在节油的同时不会损失发动机的动力性。

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[编辑: 李建新]

New-typed Intake System without Throttle:Series Valve Speed Control System

SUN Peiyan, LI Xiang, WAN Yi, MAN Changzhong, TANG Yunbang

(Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, Dalian116024， China)

In order to improve the fuel economy of vehicle gasoline engine in city cycle with medium and low load, the series valve speed control (SVSC) system was designed. Based on the new intake control principle, the throttle was not used to reduce the intake loss and improve fuel economy at partial load. The comparison between simulation and test results show that the system can greatly reduce the intake loss at partial load without large change of engine size and structure.

spark ignition engine; throttle; intake loss; intake system； simulation

2016-04-05;

2016-09-28

孙培岩(1962—)，男，副教授，博士，研究方向为内燃机电子控制、压缩空气与燃油混合动力发动机、汽油机的进气系统优化等；sunpy@dlut.edu.cn。

李翔(1991—)，男，硕士，研究方向为点燃式发动机可变气门的研究实现与优化；lx1540704308@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.004

TK414.32

B

1001-2222(2016)05-0017-06