进气门晚关与高压缩比技术在汽油机上的应用

秦 静，李云龙，张少哲，裴毅强，尚 宇，赵 焕，吴学松，刘 斌，胡铁刚，詹樟松

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学内燃机研究所，天津 300072；3. 长安汽车工程研究院，重庆 510000)

进气门晚关与高压缩比技术在汽油机上的应用

秦 静1,2，李云龙1，张少哲1，裴毅强1，尚 宇3，赵 焕3，吴学松3，刘 斌3，胡铁刚3，詹樟松3

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学内燃机研究所，天津 300072；3. 长安汽车工程研究院，重庆 510000)

针对混合动力汽车用发动机的特点，通过模拟和试验相结合的方法，研究了进气门晚关与高压缩比对汽油机部分负荷性能的改善作用以及由于发动机参数变化对外特性的影响．研究结果表明：部分负荷应用进气门晚关与高压缩比可在排放变化不大的前提下使发动机油耗降低4%～10%；进气门晚关控制负荷有效降低了泵气损失，配合几何压缩比的提高和点火提前角的优化，实现了较好的燃烧性能，提高了膨胀比；综合作用下使得有效热效率提高；较长进气持续期和较大几何压缩比的应用使得外特性扭矩降低2%～5%的同时，油耗平均5%．

进气门晚关；几何压缩比；泵气损失；燃油经济性；燃烧

混合动力汽车由于良好的节能减排特性而备受关注．利用电动机补充动力输出，混合动力汽车用发动机可以牺牲部分外特性转矩，对常用工况进行效率优化．汽油机是目前混合动力汽车广泛匹配的发动机[1]，泵气损失较大是影响其热效率的重要因素．因此，降低汽油机部分负荷的泵气损失对于提高混合动力汽车整车燃油经济性具有重要意义．可变气门技术是目前用于降低汽油机泵气损失的主要手段之一[2-4]，尤其是进气门晚关(late intake valve closure，LIVC)技术[5-6]．然而，进气关闭时刻推迟太多，有效压缩比过低限制了热效率的提高[7].在进气门晚关的同时提高几何压缩比，可以保证足够的有效压缩比，提高膨胀比，从而提高热效率[8-11]．但相应发动机参数的变化会影响全负荷动力输出．因此，研究进气门晚关与高压缩比在汽油机上的匹配优化，对于混合动力汽车用发动机的开发和匹配具有重要的指导意义．笔者在一台气门相位可变的汽油机上，首先建立了原机仿真模型，计算了进气关闭时刻、进气持续期和几何压缩比对发动机部分负荷性能的影响规律，以及相关参数变化对全负荷性能的影响，确定了用于试验的进气关闭时刻范围、进气持续期和几何压缩比．进而重新研制了进气凸轮轴和活塞，进行了进气门晚关与高压缩比优化匹配对发动机部分负荷性能改善以及对全负荷性能影响的试验研究．

1 发动机关键参数的模拟优化

1.1 模型建立

图1为利用GT-power软件[12]建立的发动机一维仿真模型，发动机参数见表1．在模型中，缸内瞬时放热率计算采用EngCylCombSITurb燃烧模型；缸内传热计算采用Woschni热传导模型；摩擦计算采用Chen-Flynn模型．利用试验数据对模型进行了标定．发动机全负荷扭矩、油耗模拟值与试验值的对比如图2所示．转速为2,000,r/min，平均有效压力为0.2,MPa、0.4,MPa和0.6,MPa 3个工况性能数据模拟值与试验值对比如表2所示．可以看到，与试验值相比，模拟值误差均在5%以内，表明所建模型的精度满足要求，可用于进一步的开发研究．

图1 发动机仿真模型Fig.1 Engine simulation model

表1 发动机参数Tab.1 Engine specification

1.2 模拟方法

为了解进气关闭时刻、进气持续期和几何压缩比对发动机部分负荷性能的影响规律，在原机进气关闭时刻为进气下止点后(ABDC)66°～96°CA、进气持续期为265°CA的基础上，选取进气关闭时刻范围为101°～151°CA(ABDC)，每隔5°CA进行1次模拟，并从中确定用于试验的最晚进气关闭时刻．设计了持续期为285°、295°、305°CA，最大升程与原机相同的3条进气门升程曲线如图3所示．在转速为2,000,r/min、平均有效压力为0.2,MPa工况点，通过调节节气门开度保持与原机相同的进气量；点火时刻调至最大扭矩(MBT)点；最后改变几何压缩比保持与原机相同扭矩，计算不同进气持续期和进气关闭时刻对发动机性能的影响．另外选择部分负荷性能较好的进气门升程曲线，通过调节进、排气相位，在保持有效压缩比不小于原机的条件下，对全负荷工况进行最大进气量的模拟．根据综合性能确定相关参数用于试验研究．

图2 全负荷扭矩和油耗的模拟值与试验值对比Fig.2 Comparison of full load torque and fuel consumption between simulation and experiment

表2 2,000,r/min部分负荷性能数据模拟值与试验值对比Tab.2 Comparison of engine performance at 2,000,r/min between simulation and experiment

图3 不同持续期的进气门升程曲线对比Fig.3 Intake valve lift curve of different duration

1.3 模拟结果与分析

图4给出在不同进气持续期和进气关闭时刻对发动机泵气损失、总指示热效率和油耗的影响以及所需的最小几何压缩比．总指示热效率表示不包含泵气损失功的循环指示功与燃料放热量之比．模拟过程中发现，进气关闭时刻大于131°,CA(ABDC)时，由于过多的进气回流，使用进气持续期小于305°,CA的进气门升程曲线发动机无法通过加大节气门开度获得足够进气量．因此进气关闭时刻限定在131°,CA (ABDC)以内．从图4(a)可以看到，进气关闭时刻越推迟，泵气损失越小．随着进气关闭时刻的推迟，压缩行程进气门保持开启的时间增加，更多的缸内气体流回进气管，为保持进气量必须加大节气门开度．进气持续期越短，相同进气关闭时刻对应的进气开启时刻越推迟，气门重叠角越小，进气初期的泵吸作用越大，越不利于泵气损失降低[3,7]．从图4(b)～(d)可以看到，进气持续期和进气门晚关幅度的增加使得总指示热效率降低．可见更多的进气回流和有效压缩比的降低对着火燃烧过程造成了不利的影响．泵气损失和总指示热效率的双重变化使得油耗先降低后增加，最佳油耗区域为持续期285°、295°,CA的进气门升程曲线和117°～127°,CA(ABDC)进气关闭时刻对应的范围．相应地，持续期越长，在相同推迟角时泵气损失越小，指示功的损失也较小，对应较小的几何压缩比．对发动机部分负荷性能较好的持续期为285°、295°,CA的进气门升程曲线进行全负荷性能模拟．图5是全负荷充气效率模拟值与原机试验值的对比．可以发现，在低速和高速段，进气持续期越长，充气效率越低．持续期为285°,CA的进气门升程曲线最大降幅约为12%，持续期为295°,CA的气门升程曲线最大降幅达23%．综合部分负荷与全负荷的性能表现，最终确定进气持续期为285°,CA，最晚进气关闭时刻为121°,CA(ABDC)，几何压缩比为12.6，用于试验研究．

图4 进气持续期和进气关闭时刻对发动机性能的影响Fig.4 Effects of intake duration and intake valve closing timing on engine performance

2 试验与结果分析

2.1 试验方法与结果

根据模拟结果研制了新的进气凸轮轴和高压缩比活塞．通过改变活塞顶面形状来提高几何压缩比，如图6所示．试验过程中，发动机油耗测量使用AVL 7351,CME型油耗仪．气缸压力测量使用AVL ZI31-Y5S型传感器．进气量测量使用ToCeiL20N热式气体质量流量计．空燃比测量使用ETAS LA4型空燃比仪．排气测量使用HORIBA MEXA-7100DEGR型排气分析仪．点火角、气门相位和空燃比的调节使用Delphi MT22.1型开放式ECU．将发动机上的爆震传感器信号接到爆震音箱进行爆震监测．部分负荷工况以数值模拟得到的规律为基础，对进、排气相位以及点火提前角、节气门开度等参数均进行了针对油耗的优化调整，λ保持为1．所测试工况以及原机与优化后的进气关闭时刻对比如表3所示．在进行全负荷试验时，调整进、排气相位使进气量最大，点火角调整到爆震边缘1°～2°,CA，空燃比以扭矩最大为目标，监测排温低于850,℃以保护三效催化转化器．

图6 原机活塞与12.6压缩比活塞对比Fig.6 Pistons of baseline engine and new designed engine with compression ratio of 12.6

图7是进气门晚关前后油耗对比．与原机相比，进气门晚关与压缩比优化后油耗降幅达4%～10%.在相同转速下，负荷越小降幅越大．模拟结果与试验结果基本一致．图8给出2,000,r/min测试工况进气门晚关前后催化前的CO、HC和NOx排放对比．除平均有效压力为0.2,MPa时NOx排放降幅达35%以外，其余排放变化均在10%以内．从图9可以看到，全负荷扭矩分别在1,000,r/min、2,000,r/min和6,000,r/min降低了2.9%、4.7%和2.5%；中速段有所增加，3,000,r/min增加了4.2%．油耗则出现了较大改善，平均降幅约5%．

表3 部分负荷测试工况和进气关闭时刻Tab.3 Testing points and intake valve closing timing at part load

图7 进气门晚关前后油耗对比Fig.7 Comparison of fuel consumption with/without LIVC

图8 进气门晚关前后排放对比Fig.8 Comparison of emissions with/without LIVC

图9 全负荷工况扭矩和油耗对比Fig.9 Comparison of full load torque and fuel consumption

2.2 分析与讨论

为解释上述试验结果，特别是部分负荷进气门晚关与高压缩比优化匹配对发动机燃油经济性的影响机理，对部分测试工况的热力循环和缸内燃烧特性数据进行进一步深入分析．

2.2.1 部分负荷工况

图10给出汽油机的典型工况点(转速为2,000,r/min，平均有效压力为0.2,MPa)时进气门晚关前后热力循环和燃烧特性的对比．图10(a)、(b)是用试验结果标定的模型计算的进气门流量和进气歧管压力曲线，图10(c)是实测缸压示功图．可以看到，进气门晚关后，进气初期质量流量和后期的回流量明显增加，进气歧管压力约增大了10,kPa，进气行程缸内压力线整体上移，排气压力基本不变，从而使得进、排气压力线所包围的示功图面积减小，泵气损失由-0.045,MPa降低为-0.032,MPa，降低幅度达30%.进、排气行程缸内压力主要与进气流量以及残余废气量有关．在排气后期以及进气前期，进气门晚关前后缸内压力基本相同，模拟结果显示进气门晚关前后发动机残余废气系数分别为12.6%和11.9%，差别较小．因此泵气损失降低主要是由于进气门晚关后，更多的进气流回至进气管，为了保持足够的进气量，必须加大节气门开度，使得进气过程始终保持较大的进气质量流量，相应地提高了进气行程缸内压力．

图11给出进气门晚关前后缸压、放热率曲线以及点火提前角和有效压缩比对燃烧参数的影响．图11(a)、(b)分别是固定点火提前角为36°,CA以及MBT点火提前角时，不同进气关闭时刻对应的燃烧参数．其中LIVC对应表3中的进气关闭时刻．LIVC-10、LIVC-20分别表示相对LIVC提前10°,CA和20°,CA关闭；LIVC0是应用12.6压缩比和285°,CA进气持续期后，通过调节进气相位保持与原机相同有效压缩比时对应的进气关闭时刻．原机、LIVC0和LIVC按进气门关闭时刻计算的有效压缩比分别为5.95、5.91和5.52. 可以发现，随着进气关闭时刻的推迟，滞燃期、燃烧持续期和循环波动均增加，燃烧相位滞后．利用点火提前可以改善燃烧相位和循环波动，但滞燃期和燃烧持续期均增加．因此最佳油耗的进气门定时需要综合考虑泵气损失与燃烧过程．

图10 进气门晚关前后热力循环对比Fig.10 Comparison of thermodynamic cycle with/without LIVC

图12 给出发动机转速为2,000,r/min，平均有效压力分别为0.2,MPa、0.4,MPa和0.6,MPa，进气门晚关前后的泵气损失、总指示热效率以及有效热效率的对比．负荷越小，泵气损失降低值越大；负荷越大，总指示热效率增幅越大．较大几何压缩比的使用，保证了足够的有效压缩比，提高了膨胀比．混合气燃烧和膨胀做功更加充分，未燃混合气的后期氧化更加完全，综合作用使得有效热效率提高了1%～2%．并使得HC、CO排放维持在与原机相当的水平．由于最佳油耗点对应比原机更低的有效压缩比，总体上混合气燃烧变慢，温度降低，NOx排放得到一定的抑制．结合表3可以发现，负荷越大，对应最佳油耗的进气关闭时刻越提前，但在较低的1,000,r/min转速小负荷时，进气关闭时刻也相对较提前．可见，虽然进气门晚关降低了泵气损失，但同时使得有效压缩比降低，导致着火和燃烧过程的恶化，循环波动增加．转速和负荷较低时，进气量较小，缸内温度较低，因此对进气门晚关带来的不利影响更为敏感．负荷较大时，原有节气门开度较大，泵气损失较小，通过进气门晚关带来的泵气损失降低量相对较小．最佳进气门关闭时刻是泵气损失和有效压缩比对油耗的最佳折中．负荷越小，泵气损失降低对油耗改善的贡献率越大；负荷越大，有效压缩比和膨胀比增加对油耗改善的贡献率越大．其中，泵气损失降低是油耗改善的主要因素．

图11 进气门晚关前后燃烧特性对比Fig.11 Comparison of combustion characteristics with/without LIVC

2.2.2 全负荷工况

图12 进气门晚关前后泵气损失、总指示热效率和有效热效率对比Fig.12Comparison of puming loss，indicated efficiencygross and brake efficiency with/without LIVC

图13 给出全负荷工况进气门晚关与压缩比匹配优化后进气量、过量空气系数λ、点火提前角和燃烧参数的变化．可以看到，与模拟结果基本一致，低速和高速段充气性能变差．有效压缩比均有所增加，低速段点火稍微提前，3,000,r/min以上受爆震影响点火均比原机推迟．50%放热率位置与点火时刻的变化基本一致．随着点火推迟，燃烧持续期增大．使用较长进气持续期后，进气提前开启会增加气门重叠角，增大废气回流的可能性，推迟开启则增加了进气回流量. 随着转速增加，气流速度加快，进气初期扫气和过后充气效应增强．因此随着转速增加充气性能先提高后降低．提高压缩比减少了燃烧室容积，对进气量也有一定影响．有效压缩比和膨胀比的增加，提高了循环热效率，一定程度提高了动力性和燃油经济性．中高速段进气量降幅较小，有效压缩比增幅较大，导致爆震可能性增加，点火推迟，低速时由于进气量降幅较大，虽然有效压缩比增加，但由于最大放热率降低，点火时刻没有明显滞后．图14给出2,000,r/min节气门全开时缸压、放热率曲线和循环示功图的变化．应用12.6压缩比和285°,CA进气持续期后，最大放热率位置提前1°CA，燃烧放热更靠近上止点．进气量有所减少，使得放热率变小，但最小压缩容积变小，因此最大气缸压力变大．膨胀比和有效压缩比均增大，使得油耗改善，扭矩降幅变小．可见全负荷扭矩降低主要是进气持续期变长充气效率下降导致的．利用可变气门持续期[7]可以改善这种情况．

图13 全负荷工况进气量、过量空气系数和燃烧特性对比Fig.13 Comparison of full load air-intake，λ and combustion characteristics

图14 ,2,000,r/min节气门全开时缸压、放热率曲线和示功图对比Fig.14Comparison of cylinder pressure，heat release rate curve and P-V diagram at 2,000,r/minand wide open throttle

3 结 论

(1) 在汽油机部分负荷应用进气门晚关与高压缩比技术，油耗可降低4%～10%；负荷越低效果越明显，但在较低和较高的转速时，不同负荷间降幅的差别变小．

(2) 进气门晚关提高了进气行程缸内压力，有效降低泵气损失；但有效压缩比降低使燃烧滞后，火焰传播变慢，循环波动增加．增大点火提前角改善了燃烧相位和循环波动，但对火焰传播速度改善较小；提高几何压缩比能提高膨胀比，有效改善了燃烧性能．

(3) 减少泵气损失是部分负荷油耗改善的主要原因．负荷越小，泵气损失降低对油耗改善的贡献率越大；负荷越大，增大几何压缩比对油耗改善的贡献率越大．

(4) 进气门晚关与高压缩比技术对排放的影响较小．较长进气持续期和较大几何压缩比使得全负荷低速和高速扭矩降低2%～5%，平均油耗降低5%．

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(责任编辑：孙立华)

Application of Late Intake Valve Closure(LIVC)Strategy Combined with High Compression Ratio in a Gasoline Engine

Qin Jing1,2，Li Yunlong1，Zhang Shaozhe1，Pei Yiqiang1，Shang Yu3，Zhao Huan3，Wu Xuesong3，Liu Bin3，Hu Tiegang3，Zhan Zhangsong3
(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3. Chang′an Automotive Engineering Research Institute，Chongqing 510000，China)

Base on the needs of hybrid vehicle engines, this paper studies the effects of late intake valve closure (LIVC) strategy and compression ratio optimization on engine performance at part load, as well as the effects of changing engine parameters on full load performance through both simulation and experiment. The experimental results indicate that through combining LIVC with compression ratio optimization,the fuel consumption at part load decreased by 4%—10% when the emission keeps at a stable level. By raising the intake pressure in cylinder, LIVCcan significantly reduce the pumping loss. And increasing the geometric compression ratio and spark timing optimization resulted in better combustion efficiency and longer expansion ratio. The above effects combined result in a higher thermal efficiency. Meanwhile, the full load torque was lowered by 2%—5% while decreasing fuel consumption by 5% with the newly designed engine parameters.

late intake valve closure(LIVC)；geometric compression ratio；pumping loss；fuel economy；combustion

TK411

A

0493-2137(2014)11-1008-09

10.11784/tdxbz201308024

2013-08-12；

2013-09-15.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA111703)；内燃机燃烧学国家重点实验室开放基金资助项目(SKLE201210)．

秦 静（1979— ），女，博士，副研究员，qinjing@tju.edu.cn．

裴毅强，peiyq@tju.edu.cn．

时间：2013-11-08.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20131108.1129.004.html.