致謝可變進(jìn)氣門的排氣熱管理性能分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31596可變進(jìn)氣門的排氣熱管理性能分析案例 1312281.1進(jìn)氣門早關(guān)策略對排氣溫度的影響 1269771.1.1仿真參數(shù)的設(shè)定 140681.1.2進(jìn)氣門早關(guān)策略仿真結(jié)果分析 2236701.2進(jìn)氣門二次開啟策略對排氣溫度的影響 671351.2.1仿真參數(shù)的設(shè)定 7322451.2.2進(jìn)氣門二次開啟策略仿真結(jié)果分析 719721.3進(jìn)氣門可變功能驗證及升程測量結(jié)果分析 9265301.4小結(jié) 10可變氣門是實現(xiàn)柴油機(jī)低速小負(fù)荷排氣熱管理的有效途徑，本章以FHVVS能夠?qū)崿F(xiàn)的多種進(jìn)氣門開啟方式為功能基礎(chǔ)，如進(jìn)氣門早關(guān)（EIVC）、進(jìn)氣門二次開啟（IVRO）及正常開啟快速平穩(wěn)轉(zhuǎn)換等，通過仿真計算對基于可變進(jìn)氣門的排氣熱管理性能進(jìn)行研究，以此來指導(dǎo)進(jìn)氣門開啟控制策略的結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計，并使用倒拖試驗對可變進(jìn)氣門的功能進(jìn)行驗證和分析。1.1進(jìn)氣門早關(guān)策略對排氣溫度的影響目前發(fā)動機(jī)控制進(jìn)氣采用的最普遍方法是節(jié)氣門調(diào)節(jié)，汽油機(jī)通過節(jié)氣門實現(xiàn)量調(diào)節(jié)的缺點是帶來了進(jìn)氣損失；部分柴油機(jī)為滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)也開始配備節(jié)氣門，但這無疑也給柴油機(jī)增加了進(jìn)氣損失。而利用可變氣門技術(shù)中的進(jìn)氣門早關(guān)恰好可以克服這一不足，代替節(jié)氣門調(diào)節(jié)進(jìn)氣量以實現(xiàn)排氣熱管理。1.1.1仿真參數(shù)的設(shè)定為了探究進(jìn)氣門早關(guān)對排氣溫度的影響，使用驗證后的仿真模型進(jìn)行相關(guān)性能的計算。在配氣機(jī)構(gòu)升程設(shè)置方面，使用通過液壓仿真軟件AMESim計算獲得的進(jìn)氣提前關(guān)閉升程曲線（如圖4-1所示）作為輸入?yún)?shù)，其中進(jìn)氣門關(guān)閉時刻（IVCT）在570°CA至441°CA之間變化；仿真工況設(shè)置方面，通過調(diào)節(jié)模型中的噴油量等參數(shù)使柴油機(jī)保持在800r/min和1000r/min時的怠速/小負(fù)荷工況，即此時發(fā)動機(jī)的平均有效壓力（BMEP）為零。圖4-1進(jìn)氣門早關(guān)（EIVC）仿真輸入升程曲線1.1.2進(jìn)氣門早關(guān)策略仿真結(jié)果分析圖4-2為不同進(jìn)氣門早關(guān)時刻對應(yīng)的排氣溫度曲線，可以看出兩種轉(zhuǎn)速下隨著進(jìn)氣門關(guān)閉時刻的提前，排氣溫度出現(xiàn)逐漸增加的趨向；并且在相同進(jìn)氣門關(guān)閉角度下，轉(zhuǎn)速越高排氣溫度也相對更高；同時發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣門關(guān)閉時刻在475°CA之前角度關(guān)閉時的排溫較其之后關(guān)閉的增幅大，且其能達(dá)到的排氣溫度與實際運(yùn)行情況明顯存在差異，結(jié)合氣門升程曲線分析這種情況是不能實現(xiàn)的。圖4-2進(jìn)氣門早關(guān)時刻與排氣溫度的關(guān)系曲線為此通過后處理軟件GT-POST獲得不同進(jìn)氣門早關(guān)情況下的充量系數(shù)，如圖4-3為進(jìn)氣門早關(guān)時刻與充量系數(shù)關(guān)系曲線。圖4-3進(jìn)氣門早關(guān)時刻與充量系數(shù)的關(guān)系曲線通過分析文獻(xiàn)[15]中充量系數(shù)與缸內(nèi)燃燒情況的關(guān)系可知，當(dāng)充量系數(shù)小于0.6時會出現(xiàn)壓縮終點壓力和溫度過低的情況，無法滿足柴油機(jī)正常壓燃著火條件從而產(chǎn)生燃燒不穩(wěn)定的異常工作狀態(tài)。因此，兩種轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣門關(guān)閉角度為486°CA時的充量系數(shù)均在0.6左右，只有晚于該角度的工況（圖中右上角區(qū)域）才能夠?qū)崿F(xiàn)正常穩(wěn)定點火燃燒，而更早的進(jìn)氣門關(guān)閉時刻（圖中左下角區(qū)域）在發(fā)動機(jī)實際運(yùn)行中是不允許出現(xiàn)的。根據(jù)以上對滿足正常燃燒條件的判斷，繪制如圖4-4的充量系數(shù)與排氣溫度關(guān)系曲線，以充量系數(shù)值等于0.6作為進(jìn)氣門早關(guān)的極限位置。怠速工況下，轉(zhuǎn)速在800r/min時的排氣溫度由原來的124℃上升到168℃，升高了44℃；轉(zhuǎn)速在1000r/min時的排氣溫度由原來的135℃上升到185℃，升高了50℃。顯然這兩種轉(zhuǎn)速下的最高排溫均未達(dá)到后處理系統(tǒng)正常工作所需的最低溫度200℃，因此僅通過進(jìn)氣門早關(guān)來實現(xiàn)排氣熱管理，其排氣升溫的能力是有限的。圖4-4充量系數(shù)與排氣溫度的關(guān)系曲線圖4-5不同早關(guān)時刻的壓縮終點壓力圖4-5為不同早關(guān)時刻對應(yīng)的壓縮終點壓力曲線，可以看出兩種轉(zhuǎn)速下的壓力變化趨勢基本相同，在由正常開啟到逐漸早關(guān)的過程中，壓縮終點的壓力值先保持穩(wěn)定然后才有較大幅度下降。當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉時刻為486°CA時，兩種轉(zhuǎn)速下能夠維持穩(wěn)定運(yùn)行的壓縮沖程終點壓力值分別為3.15MPa和3.07MPa。圖4-6為不同早關(guān)時刻的壓縮終點溫度曲線，能夠看出兩種轉(zhuǎn)速下的壓縮終點溫度隨著關(guān)閉角度的提前總體呈現(xiàn)下降趨勢，但也有部分關(guān)閉時刻出現(xiàn)了不同不同的變動趨勢。在轉(zhuǎn)速800r/min時，較晚關(guān)閉角度的壓縮終點溫度變化出現(xiàn)先上升后下降的情況，這是因為較低的轉(zhuǎn)速與相對而言較大的進(jìn)氣延遲關(guān)閉角度會造成部分氣體回流。當(dāng)486°CA關(guān)閉時，壓縮終點溫度值降低至950K左右。圖4-6不同早關(guān)時刻的壓縮終點溫度圖4-7和圖4-8是為了進(jìn)一步探究進(jìn)氣門提前關(guān)閉對柴油機(jī)整個工作循環(huán)影響，選取圖4-3中A工況點繪制的不同轉(zhuǎn)速時的P-φ圖和T-φ圖。（a）P-φ圖（b）T-φ圖圖4-7轉(zhuǎn)速800r/min時A點對應(yīng)的P-φ圖和T-φ圖（a）P-φ圖（b）T-φ圖圖4-8轉(zhuǎn)速1000r/min時A點對應(yīng)的P-φ圖和T-φ圖從P-φ圖中不難看出，由于應(yīng)用進(jìn)氣門提前關(guān)閉方法調(diào)整進(jìn)氣量，導(dǎo)致兩種轉(zhuǎn)速下的缸內(nèi)壓力值在發(fā)動機(jī)四個沖程（以壓縮、做功行程最為明顯）中均低于原機(jī)，這種差異是從進(jìn)氣門提前關(guān)閉后開始產(chǎn)生的，主要是由進(jìn)氣門關(guān)閉后活塞仍處于下行階段造成。而從T-φ圖的曲線中看出，進(jìn)氣門早關(guān)（此時氣缸內(nèi)活塞下行）后的缸內(nèi)溫度開始出現(xiàn)降低，而經(jīng)過壓縮做功后的缸內(nèi)溫度又較原機(jī)有一定程度升高，這歸因于進(jìn)氣門早關(guān)使進(jìn)入氣缸內(nèi)的工質(zhì)縮減，相同產(chǎn)熱情況下對較少工質(zhì)進(jìn)行加熱可以使氣缸獲得更高的整體溫度。1.2進(jìn)氣門二次開啟策略對排氣溫度的影響上節(jié)中通過進(jìn)氣門早關(guān)減少進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮充量來提高整體排氣溫度，受到柴油機(jī)壓燃著火條件的限制其升溫幅度有限。而進(jìn)氣門二次開啟（IVRO）作為可變進(jìn)氣的另一個功能，主要是由此生成內(nèi)部廢氣再循環(huán)（iEGR）來進(jìn)行排氣熱管理，該氣門啟閉調(diào)控策略對排溫影響的研究同樣借助仿真計算來完成。1.2.1仿真參數(shù)的設(shè)定在氣門升程設(shè)置時保持原機(jī)排氣門升程不變，通過修改進(jìn)氣門理論設(shè)計升程作為仿真輸入，其升程如圖4-9所示，其中進(jìn)氣門理論升程包括兩部分：一部分為進(jìn)氣門主開啟升程，它的持續(xù)開啟期、配氣相位及最大升程等配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)與原機(jī)保持一致；另一部分為二次開啟小升程，仿真過程中為避免多次、重復(fù)進(jìn)行凸輪型線設(shè)計工作，采用固定開啟氣門持續(xù)期、最大升程僅以開啟時刻作為變量的方式進(jìn)行研究，其開啟持續(xù)期根據(jù)文獻(xiàn)[58]和控油閥結(jié)構(gòu)限制確定為140°CA，最大升程則在滿足凸輪型線設(shè)計前提下確定為2.4mm，二次開啟時刻在133°CA至193°CA間進(jìn)行變化，以每10°CA為一間隔。同時，選擇柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1000r/min時的怠速/小負(fù)載工況作為仿真計算工況。圖4-9進(jìn)氣門二次開啟（IVRO）仿真輸入升程曲線1.2.2進(jìn)氣門二次開啟策略仿真結(jié)果分析圖4-10為進(jìn)氣門二次開啟時刻與排氣溫度、充量系數(shù)的關(guān)系曲線，從中可以看出：二次開啟過程的充量系數(shù)較原機(jī)有一定幅度降低，這是因為進(jìn)氣門在排氣沖程中開啟使得局部廢氣回流進(jìn)到進(jìn)氣道，而在下一循環(huán)又重新回到氣缸，占據(jù)部分新鮮充量的容積使得充量系數(shù)減??；隨著二次開啟角度的推遲，充量系數(shù)呈現(xiàn)先升高后下落的趨勢，而排氣溫度則表現(xiàn)為先下滑后上升并在達(dá)到最大值后再次出現(xiàn)下降趨勢，這些現(xiàn)象的產(chǎn)生與活塞運(yùn)動狀態(tài)及進(jìn)、排氣門的開啟狀態(tài)有關(guān)；在進(jìn)氣門二次開啟時刻為183°CA時，排氣溫度達(dá)到最大值為150.3℃，與原機(jī)135℃相比僅提高了15.3℃，進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn)不同二次開啟時刻的溫差僅為2.8℃。因此僅通過單獨使用進(jìn)氣門二次開啟的升溫措施效果有限。圖4-10進(jìn)氣門二次開啟時刻與排氣溫度、充量系數(shù)的關(guān)聯(lián)曲線圖4-11是進(jìn)氣門二次開啟時刻為183°CA時的P-φ圖和T-φ圖，能在一定程度上反映出氣門二次開啟（產(chǎn)生內(nèi)部EGR效果）對發(fā)動機(jī)工作循環(huán)的影響。（a）P-φ圖（b）T-φ圖圖4-11進(jìn)氣門二次開啟時刻為183°CA時的P-φ圖和T-φ圖從P-φ圖中可顯現(xiàn)出，進(jìn)氣門二次開啟對缸內(nèi)氣壓的擾動較小，與原機(jī)大體保持一致；但在T-φ圖中可觀察到明顯差異，其在整個工作循環(huán)中的缸內(nèi)氣體溫度均高于原機(jī)，這是因為高溫廢氣的加入對缸內(nèi)工質(zhì)產(chǎn)生了一定加熱作用。1.3進(jìn)氣門可變功能驗證及升程測量結(jié)果分析通過以上仿真發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣門早關(guān)（EIVC）及進(jìn)氣門二次開啟（IVRO）均能在一定程度上提升排氣溫度，但升溫效果有限，為此需要在FHVVS功能集成過程中進(jìn)行一定取舍。歸因于進(jìn)氣門提前關(guān)閉不僅能夠?qū)崿F(xiàn)排氣熱管理，并且對柴油機(jī)實現(xiàn)Miller循環(huán)同樣具有重要意義，因此在進(jìn)氣門可變功能設(shè)計中保留進(jìn)氣門提早關(guān)閉功能，而對其在排氣沖程二次開啟功能不進(jìn)行匹配設(shè)計。如圖4-12為三種轉(zhuǎn)速下的實際測量進(jìn)、排氣門升程曲線。（a）轉(zhuǎn)速800r/min（b）轉(zhuǎn)速1200r/min（c）轉(zhuǎn)速1600r/min圖4-12不同轉(zhuǎn)速下實際測量的進(jìn)、排氣門升程曲線從曲線中能總結(jié)出，對于進(jìn)氣門升程曲線，僅選取控制角度10~45°范圍內(nèi)的實測升程進(jìn)行研究，三種轉(zhuǎn)速下均實現(xiàn)了較好的氣門早關(guān)功能，并且早關(guān)最大升程、開啟持續(xù)期在相同控制角度下隨轉(zhuǎn)速升高逐漸增大。進(jìn)一步分析氣門開啟過程發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速降低（特別是在低轉(zhuǎn)速情況），進(jìn)氣門開啟出現(xiàn)明顯延后現(xiàn)象。根據(jù)FHVVS的基本工作原理可知，當(dāng)凸輪開始上升階段控油閥接通泄油會發(fā)生氣門開啟滯后，這種滯后會因為轉(zhuǎn)速降低導(dǎo)致泄油時間延長而更加明顯，這與實測升程的變動規(guī)律剛好相符。1.4小結(jié)本章對基于可變進(jìn)氣門的排氣熱管理性能進(jìn)行研究，分別就FHVVS可實現(xiàn)的進(jìn)氣門早關(guān)、進(jìn)氣門二次開啟兩種功能進(jìn)行仿真計算，進(jìn)而利用仿真結(jié)果指導(dǎo)最佳進(jìn)氣門開啟控制策略的設(shè)計，并通過測量可變氣門機(jī)構(gòu)的實際運(yùn)行狀況來驗證和分析其功能。主要內(nèi)容如下：（1）采用進(jìn)氣門早關(guān)理論升程曲線進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定（充量系數(shù)不低于0.6）的前提下，進(jìn)氣門早關(guān)可提升排氣溫度至185℃（較原機(jī)升高了50℃，此時轉(zhuǎn)速為1000r/min，進(jìn)氣門完全落座角度為486°CA），因此僅通過進(jìn)氣門早關(guān)方式無法滿足柴油機(jī)排氣熱管理需求。（2）采用進(jìn)氣門在排氣沖程二次開啟升程進(jìn)行仿真，結(jié)果表明怠速工況下（轉(zhuǎn)速為1000r/min，BME