许江涛，常思勤，王天波，刘梁

(1.南京理工大学，江苏 南京 210091；2.南京工业职业技术学院，江苏 南京 210023)

基于电磁驱动配气机构的发动机燃油经济性研究

许江涛1,2，常思勤1，王天波1，刘梁1

(1.南京理工大学，江苏 南京 210091；2.南京工业职业技术学院，江苏 南京 210023)

基于全柔性化的电磁驱动配气技术，针对发动机低转速小负荷工况工质运动强度不足的问题，提出了一种新的进气策略以有效改善发动机的经济性。其机理是调节气门开启规律使进气初期完成绝大部分充气量，抑制泵气损失的过度增加，进气后期采用较低的升程以保证缸内较高的工质运动强度。通过与其他策略的对比分析可知，新策略在泵气损失和工质运动强度的变化上达到一个良好的平衡，更有利于改善发动机中低转速中小负荷工况的燃油经济性。

电磁驱动配气机构；湍动能；泵气损失；控制策略；燃油经济性

对于基于凸轮轴的可变气门技术而言，负荷控制依然通过节气门的节流实现，在低转速小负荷工况依然造成明显的泵气损失，由此可见已应用到汽车上的可变气门技术如VVTI和VVA等对于发动机性能的改善尚存在提升的空间[1-2]，而取消节气门的全柔性可变配气技术被认为是提高汽油机经济性的有效手段[3]。全柔性阀驱动系统相比节气门控制，可以独立控制气门的开启相位、升程和工作模式，通过控制气门参数来调节发动机的充气量，从而调节发动机的负荷。

针对发动机低转速小负荷工况，国内外相关研究主要集中在改善工质运动和减少泵气损失的策略上。天津大学的王天友等[4]在1台4气门可视化光学发动机上，研究了可变气门升程下缸内气体流动特性，结果表明，降低气门最大开启升程能有效提高发动机压缩终了的湍动能，随气门升程的降低和转速的提高，湍动能的提高更加明显。Fabio等[5]在1台小型涡轮增压发动机上对不同气门策略下的发动机性能进行优化计算，结果表明，应用气门早开并结合进气门二次开启的策略可以有效改善发动机的有效燃油消耗率，相比传统的节气门发动机油耗下降了5.7%。Adrian等[6]在某汽油机怠速工况下应用低的气门升程，通过改善工质运动强度能够改善发动机的经济性。

本研究针对发动机低转速小负荷工况工质运动强度不足的问题，开发了一种新的进气门工作策略，来满足适度提高缸内工质运动强度和降低泵气损失的需求和矛盾，并与其他典型策略进行对比，研究新策略在改善发动机燃油经济性方面的优势所在。

1 研究方案

1.1气门运行策略

本研究主要针对低转速小负荷工况(选取发动机转速为1 500 r/min，循环进气量为0.44 g)，保证所需的进气量不变，兼顾提高工质运动强度与降低泵气损失，规划进气门运动规律。国内外研究表明，无凸轮发动机主要通过进气门早关来实现充气量的调节，通过推迟气门开启相位、降低气门升程来提高工质运动强度[7-9]。本研究据此提出了一种新的气门运行方案，为了对比分析，在相同的发动机工作参数(点火提前角、空燃比等)下，探讨了4种气门技术策略的优劣。

1) 进气门早关，即在气门开启相位不变的前提下，改变气门关闭时刻，如图1a所示(后文简称策略a)，选择360°曲轴转角开启，426°曲轴转角关闭，最大升程为2.5 mm。

2) 进气门晚开，即在保证气门升程和开启响应时间不变的前提下推迟气门的开启时刻，并适当微调气门开启持续时间，满足进气量的需求，如图1b所示(后文简称策略b)，本研究选择370°开启，428°关闭，最大升程为2.5 mm。

3) 降低进气门升程，即在保持气门的正时和开启持续期不变的条件下，降低气门的最大升程，从而获得所需的进气量，如图1c所示(后文简称策略c)，本研究选择360°曲轴转角开启，540°关闭，此时最大升程为0.42 mm。

4) 进气门晚开并以小升程保持，即气门以LIO技术开启，然后以VVL技术持续并关闭，获得所需进气量，如图1d所示(后文简称策略d)，本研究选择选择370°开启，540°关闭，最大升程为2.5 mm (404°之后以0.4 mm开启)。

1.2研究样机

发动机样机进气侧应用电磁驱动配气机构，通过控制进气门的开闭来实现对发动机负荷的调节。由于电磁驱动配气机构全柔性可变[10-11]，气门开启次数、气门升程、响应时间以及气门工作模式均可灵活可调，充气流速可以结合单气门工作模式和降低气门升程来得到补偿。图2示出研究样机的性能测试结果。

图2 电磁驱动配气机构性能测试曲线

2 模型基础

2.1CFD模型

不同气门工作策略下缸内工质运动强度的变化规律采用三维CFD的方法进行研究。

气道及缸内气流运动的控制方程包括守恒的偏微分方程、状态方程和湍流模型方程。其中守恒的偏微分方程包括连续性方程、动量方程及能量方程。湍流模型采用标准的κ-ε模型[12]完成能量的输运。介质为理想可压缩空气，压力速度耦合采用PISO算法，采用默认的欠松弛因子。

2.2一维仿真模型

基于原型机的参数，采用一维数值仿真软件AVL-Boost建立发动机性能仿真模型，研究方案仅在进气系统中应用电磁驱动配气机构，排气门仍采用原机的凸轮驱动方式。其中气门端口处流量系数通过稳流试验得到，燃烧模型采用Fractal模型[13-14]，传热模型采用Woschni1978模型。电磁驱动配气机构气门开启/关闭过渡时间为3.5 ms，气门最大开启升程为8 mm。所研究汽油机的主要参数见表1。

表1 汽油机主要参数

3 结果分析

3.14种气门策略下的缸内工质运动强度

本研究从进气门开启初期、进气门关闭和压缩行程末缸内工质湍动能的变化研究4种典型进气策略对缸内工质运动强度的影响。

1) 进气初期

为了研究4种策略下进气初期(气门打开后)缸内工质运动规律，对曲轴转角为400°时冲入气缸工质的流速和流动状态进行分析(见图3和图4)。

图3 缸内湍动能的分布

图4 缸内速度场的分布

从图3和图4可以看出：小升程和推迟气门开启都会提高缸内工质的湍动能，这是由于节流造成的高速气流在进气口产生的剪切效应使工质动能向湍动能和内能转化，但会使缸内工质宏观运动减弱。采用策略c时进气初期充入气缸工质的湍动能最大，但很难形成大规模的宏观工质运动。采用其他3种策略时由于进气初期气门升程相对较大，形成的宏观工质运动强度更大。采用策略d不仅提高缸内工质的湍动能，也能保证工质宏观运动，一定程度减少了动能向内能的耗散。

2) 气门关闭后

为了研究4种策略下气门关闭后缸内工质的运动特性，对缸内工质的温度变化进行分析。

气门关闭后，4种方案下缸内湍动能均迅速衰竭(见图5)，这是由于本方案选择的负荷较低，进气过程湍动能高的工质不再充入气缸，而进入气缸的工质随着活塞的下移而扩散，由湍动能高的区域(进气口附近)向低的区域(靠近活塞区域)扩散，使湍动能整体分布均匀。采用策略c时气门关闭前缸内压差较大，扩散造成剧烈的湍动能变化。而采用策略d时后期仍有少量的工质补充，扩散引起的湍动能变化相比策略c较弱。

图5 进气压缩过程湍动能的变化

气门关闭后湍动能的衰竭主要反映在随活塞移动与难免的接触碰撞而向内能转化，即湍动能越高(且宏观工质运动较弱)，衰竭时间越长，湍动能向内能转化越多，表现为缸内工质的温度就越高(见图6)。策略c下由于进气过程缸内的湍动能最高，而同时宏观运动强度最低，从而衰竭造成缸内温度最高。

图6 进气压缩过程工质的温度变化

3) 圧缩行程末

从图7和图8可以看出，在圧缩行程末(680°附近)，由于活塞上移的挤压作用，宏观的工质运动将破碎成湍流，使湍动能出现一定程度的升高。策略c由于宏观的工质运动最弱，湍动能的后期升高不明显。策略a虽然宏观工质运动较强，但是在426°曲轴转角气门就关闭了，衰减时间过长，且进入气缸工质的湍动能强度偏小，所以圧缩行程末湍动能也偏小。

图7 缸内压缩行程末的湍动能

图8 压缩行程末的平均湍动能

策略d由于进气初期气门升程较大，部分工质运动以涡/滚流的方式得以保存，且进气后期采用较低的升程，在补充湍动能的同时又使得缸内工质衰减的时间相对缩短，因此压缩行程末湍动能达到4.81 s2/m2，相比策略c下降了19.7%，但相比早关策略提高了49.8%。

3.2工质运动强度对燃烧的影响

发动机性能采用一维发动机模型仿真得到。前文分析了4种策略下工质运动强度(湍动能)的差异，为验证湍动能对缸内燃烧的影响，取燃烧持续时间和燃烧最高压力作对比分析。从图9可以看出，策略c下燃烧持续时间最短，策略d次之，这反映出湍动能越高燃烧速度越快，压缩末期缸内平均湍动能越大燃烧最高压力越高，燃烧持续时间越短。但考虑到过度节流提高工质运动强度的同时也会造成泵气损失(PMEP)的增加，因此必须结合泵气损失的变化来权衡最适合研究工况的气门策略。

图9 4种策略下的燃烧性能

3.3进气策略对泵气损失的影响

从4种策略下发动机的示功图(见图10)可以看出，过度降低气门升程虽提高了工质运动强度，也带来进气压力线整体下降，同时由于耗散引起工质温度的增加会造成压缩初期压力偏高，从而带来了泵气损失的明显增加；推迟气门开启将引起进气初期压力下降，泵气损失也会一定程度地增加。

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图10 4种策略下的示功图

图11示出泵气损失的定量分析，可以看出策略c泵气损失最大，是策略a的4.4倍，占平均指示功耗(IMEP)的13.5%；策略b和策略d相对策略a泵气损失增加幅度分别为26.6%和64.4%。

结合图10和11分析，策略d能在进气初期完成工况所需空气量的90%以上，剩余所需空气以较高的流速充入气缸，从而既改善了缸内工质运动强度，又避免了泵气功耗的过度增加。

图11 泵气损失分析

3.4经济性及排放性

经过上述分析可知，策略d在兼顾泵气损失和燃烧质量上得到了平衡，下面对4种策略下发动机有效燃油消耗率(BSFC)和尾气中HC的含量进行分析(见图12和图13)。

图12 有效燃油消耗率分析

可以看出，缸内工质运动强度越大，发动机尾气中HC含量越少(即燃烧越充分)，发动机燃油经济性越差。这是由于湍动能提高的同时造成了泵气损失的增加，策略c尽管燃烧最充分，但有效燃油消耗率达到了460.3 g/(kW·h)(泵气损失占有用功的13.5%)，相比策略d高出10.9%。策略d能够很好地兼顾泵气损失和工质湍动能的变化，两者综合的结果使发动机的经济性达到最佳，结果显示发动机的有效燃油消耗相比早开晚关策略改善了2.8%，而HC的排放量也降低了56%。

4 结论

a) 研究工况下，小气门升程和推迟开启相位均能改善缸内工质运动强度，但采用小的气门升程改善幅度更显著(策略c)，压缩行程末湍动能最大(5.99 s2/m2)；策略d也可以使湍动能维持在较高的水平，研究工况下达到4.81 s2/m2，相比策略c下降了19.65%，但比策略a提高了49.8%；

b) 策略d可以兼顾较小泵气损失和适度增强缸内工质运动强度的需求；

c) 策略d相比其他3种策略发动机燃油经济性更优，相比策略c燃油消耗率降低了10.9%，相比策略a降低了4.1%。

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EngineFuelEconomyBasedonElectromagneticValveTrain

XU Jiangtao1，2,CHANG Siqin1,WANG Tianbo1,LIU Liang1

(1.Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210091，China; 2.Nanjing Institute of Industry Technology,Nanjing 210023，China)

For the problem of insufficient movement intensity of working substance at low engine speed and low load, the new intake strategy based on electromagnetic valve train was put forward to improve engine fuel economy. The strategy allowed the most charge air into cylinder at the early stage of intake to prevent the pumping loss and used the small lift to improve the movement intensity of gas. Compared with other strategies, the new strategy could lead to a better balance between pumping loss and movement intensity so that engine fuel economy and emissions could improve at low and medium engine speed and load.

electromagnetic valve train；turbulent kinetic energy;pumping loss;control strategy;fuel economy

2017-03-22;

2017-09-19

国家自然科学基金资助项目(50876043);江苏省自然科学基金资助项目(BK20130762)

许江涛(1982—)，男，讲师，博士，主要研究方向为发动机性能仿真与优化；xutaowang007@163.com。

常思勤(1954—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为车辆动力装置设计与优化；changsq@mail.njust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.006

TK413.4

B

1001-2222(2017)05-0027-07

[编辑: 李建新]