电磁驱动配气机构发动机起动过程气门运行策略研究

徐亚旋刘梁胡茂杨常思勤（

2020-12-24 -

徐亚旋刘梁胡茂杨常思勤210094）（南京理工大学，南京主题词：汽油机发动机起动电磁驱动配气机构气门运行策略联合仿真TK413.7 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20200393中图分类号：文献标识码： DOI:

Valve Operation Strategy of Engine Starting Based on EMVT

Xu Yaxuan, Liu Liang, Hu Maoyang, Chang Siqin Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094）（ Abstract A valve operation strategy of engine starting has been proposed based on a fully flexible Electromagnetic【】Valve Train (EMVT) to improve engine starting performance. The intake valve is kept open and the exhaust valve is kept closed when the starter motor cranks the engine. After the engine speed reaches the target speed, intake and exhaust valves of every cylinder return to normal operation mode according to the firing order. Engine model is constructed in GT- Power. The EMVT is controlled dynamically based on the co- simulation of GT- Power and MATLAB/Simulink. The result shows that start- up time and energy consumption of the proposed valve operation strategy can be reduced effectively.When igniting at low speed, the start- up time is reduced by 12.9% to 23.8%, and the energy consumption is reduced by 8.7% to 9.5%; when igniting at high speed, the start-up time is reduced by 10.2% to 12.4%. And the intake valve lift is set to 1 mm under the starting strategy.

Key words: Gasoline engine, Engine starting, Electromagnetic Valve Train (EMVT), Valve operation strategy, Co-simulation 1 前言

为改善发动机的起动性能，传统汽油机采用了较多

的起动技术，包括起动机加强技术、带传动一体化起动

Belt- driven Starter Generator，BSG）

发电机（起动技术和燃烧起动技术等。起动机加强技术通过使用增强型起

BSG动电机或常啮合起动电机实现发动机快速起动[1]。起动技术有利于降低起动过程的能耗，同时使起动过程的平顺性达到混合动力汽车的水平[2]。燃烧起动技术通过直接向处于压缩行程或膨胀行程的气缸喷油和点火

50%[来提升转速，起动时间缩短约 3]。然而，该起动方式控制较为复杂[3- 4]，目前仅马自达公司装备了燃烧起动系统。

除采用上述方式外，配气机构对改善起动性能也具有重要意义。发动机起动时，在起动电机拖动下转速快速上升至点火转速。然而，在拖动过程中，压缩行程作

【摘要】基于全柔性化的电磁驱动配气机构（ EMVT），提出了一种改善发动机起动性能的气门运行策略。在起动电机拖动过程中，控制进气门保持开启、排气门保持关闭，当发动机转速到达目标点火转速时，各缸进、排气门按点火顺序恢复正常工作。在GT-Power软件中建立发动机模型，并与 MATLAB/Simulink联合仿真实现对EMVT的动态控制。结果表明，在低转速和高转速点火时，起动过渡时间分别缩短 12.9%~23.8%和 10.2%~12.4%，低转速点火时过渡阶段能耗降低8.7%~9.5%。最后，权衡时间、能耗与温度等目标后确定了该起动策略下的进气门升程为1 mm。

用于活塞上的较高气体压力减缓了转速的上升。柴油机因其较高的压缩比使得这一现象更加明显。因而，起动时降低有效压缩比有利于改善发动机起动性能。在冷起动时，由于可变配气机构液压系统工作油压尚未建立，难以在起动瞬间调节气门正时。针对这类问题，

Liu[ 1

5]等基于博格华纳的双峰相位调节器，在起动的第个循环控制进气门推迟关闭，实现有效压缩比降低至

3.5， Jacque[

从而改善起动振动问题。此外， 6]等研究的电动相位调节器克服了液压相位调节器的不足，能够在起动瞬间近似零转速的情况下调节相位，从而降低起动过程中的有效压缩比，实现快速起动。丰田公司和马自达公司已经将电动相位调节器应用于产品，在起动时控制电动相位调节器实现进气门提前关闭来减少进气量。相对于推迟关闭，该方式能够进一步缩短起动时间[7]。

Electromagnetic Valve Train，电磁驱动配气机构（

EMVT）

是一种新型的全柔性化配气机构，能够独立、连

EMVT续且实时地调节气门运动参数[8]。本文基于提出一种起动过程气门运行策略。避免发动机在拖动过程

GT中经历压缩行程，实现发动机快速起动。通过在

Power MATLAB/Simulink

中建立发动机模型，与联合仿真实现对进、排气门的实时控制，并在此基础上研究所提出的起动过程气门运行策略对发动机起动性能的改善效果。

2 EMVT全可变特性

EMVT

自行研发的动圈式具备高动态响应、缓气门落座以及低功耗等特点[9- 10]。目前，通过对原型机改

EMVT EMVT

装，在缸盖上完成了安装布置，并构建了

发动机试验台架，如图所示。

EMVT

试验研究表明：能够独立、连续地调节气门EMVT升程、气门正时、过渡时间等参数[11-12]。本文应用这一优势，开展起动过程气门运行策略研究。

3 起动过程气门运行策略与发动机模型建立3.1起动过程气门运行策略

在发动机起动时，通过可变配气机构降低有效压缩比，能够缩短起动时间、降低能耗，但幅度有限。因而，如何进一步降低拖动过程中的气缸压力是实现快速起

EMVT，

动的关键。本文基于全柔性化提出一种起动过程气门运行策略，实现拖动过程中缸内压力始终为大气压，从而避免气缸经历压缩行程，使转速快速上升至点

2，

火转速。气门控制策略见图起动后，控制进气门开启、排气门关闭，发动机在起动电机拖动下转速快速上升；当转速达到目标转速时，控制喷油和点火系统开始工作；首个做功气缸完成进气后，进气门正常关闭，排气

门按相应的正时开启和关闭。其他个气缸进、排气门也采用同样的控制方式，按点火顺序依次过渡到正常工作。在此气门运行策略下，各缸首次点火前避免了压缩行程，最大程度地减缓起动阻力，使转速快速平顺上升。其中，从起动开始至首次点火的拖动过程称为起动过渡阶段。对于本文研究的发动机，在活塞处于上止点时，若

5 mm，

气门开启升程超过则气门将与活塞发生干涉。

EMVT

考虑发动机试验时的安全性，设定在上止点时气

4 mm

门升程不超过。3.2 发动机模型建立1.8 L

发动机仿真模型基于进气道喷射汽油机试验

数据建立，发动机参数如表所示。根据试验数据，在

GT-Power

中建立发动机一维仿真模型。

Chen- Flynn

摩擦模型采用经验模型，平均有效摩Friction Mean Effective Pressure，FMEP） Fmep

擦压力（计算公式为：

Fmep = Fcon + APcyl. + Bcp. + 1）

Cc2 （ max m p.m

式中， Fcon为平均有效摩擦压力常数； Pcyl. max为缸内最大压力； cp. m为活塞平均速度； A为缸内最大压力系数； B为活塞平均速度系数； C为活塞速度平方系数。

Woschni

缸内传热模型采用模型，传热系数hc为：

hc = 3.26D- 2） 0.2 p0.8T- 0.55w0.8 （式中， D为气缸直径； p为缸内压力； T为缸内温度； w为缸内气体平均速度。

EngCylCombSITurb

燃烧模型采用预测燃烧模型。该模型为分区模型，计算公式为： ddMt = e ρu Ae( ST + SL) dMb =

Me - Mb 3） dt （

τ λ

式中， Me、ρu分别为未燃混合气的质量和密度； Ae为火焰前缘的卷吸表面积； ST、SL分别为湍流、层流火焰速度； Mb为已燃混合气体的质量；为时间常数； τ λ为泰勒微尺度。

不同转速满负荷下，发动机扭矩及有效燃油消耗

量的仿真结果与原型机试验数据对比如图所示。由

图可以看出，满负荷工况下模型的仿真结果与试验结

5%，

果的最大误差均不超过可以满足进一步计算研究的要求。

动机起动性能的提升效果，需在原型机模型基础上建立

EMVT EMVT

发动机模型。发动机取消了节气门，通过

GT- Power

进气门提前关闭控制进气量。中提供了

ValveSolSignalConn 0 1

模块，该模块通过逻辑信号和的切换，实现气门的开启和关闭。模型中根据试验数据设

GT- Power

置气门开启和关闭过渡时间。通过中的

SimulinkHarness MATLAB/Simulink

模块向提供转速、曲

MATLAB/Simulink

轴位置等信号，在中建立气门控制系

GT-Power，

统，将气门控制信号反馈给实现发动机起动

EMVT

过程的气门运行策略。原型机模型和发动机模

25 ℃， 0.1 MPa，

型，环境温度设为环境压力设为模拟常温常压下的冷起动。

4 气门运行策略对发动机起动性能的影响

起停系统已越来越广泛地装备于汽车。采用低成

BSG

本增强型起停系统和起停系统时，起动电机拖动发

300 r/min

动机转速到达附近喷油点火[13]。强混合动力汽车由于频繁起动，对起动舒适性提出了更高的要求。起动时，发动机在大功率电机作用下被快速拖动至怠速转速附近喷油点火[14]，从而缩短了起动时间，同时，较高

的点火转速避免了混合气加浓过程。图所示为本文模

6 1~3

型中设定的种起动电机转矩特性，其中转矩特性

4~6

用于模拟低点火转速时的起动电机转矩，转矩特性用于模拟高点火转速时的起动电机转矩。

EMVT

仿真中，控制常规起动模型和基于的起动模型在相同起动转矩作用下被拖动至相同的转速后点火。通过对比起动过渡时间、起动能耗以及缸内混合气

EMVT

温度等，分析基于的起动过程气门运行策略对起

EMVT

动性能的提升效果。其中，基于的发动机起动模

4 mm， 0.01 s

型进气门升程为仿真模型中设定从时刻起，起动电机拖动发动机转动。4.1 起动过渡时间5 EMVT

图所示为常规起动模型与基于的起动模2 5

型在起动转矩和起动转矩作用下的转速曲线。在低

EMVT

点火转速时，常规起动方式与基于的起动方式首

292.7 r/min 289.3 r/min，

次点火时刻的转速分别为、近似相等。常规起动方式的进、排气门由凸轮轴驱动，各缸

EMVT

交替完成四冲程，导致转速呈波浪式上升。基于的起动方式，在各缸首次点火前控制进气门开启、排气门关闭，避免压缩行程，减小起动阻力，使转速能够快

646.3 ms

速、平顺地上升。过渡时间由常规起动方式的

543.5 ms 5

缩短至。在起动转矩作用下，高点火转速起

EMVT

动时，常规起动方式与基于的起动方式首次点火

794.5 r/min 829.6 r/min，

时刻的转速分别为、过渡时间分

318.4 ms 282.1 ms EMVT

别为、。可以看出，基于的起动

35 r/min

方式在首次点火时刻转速高出常规起动方式约的情况下，过渡时间仍然小于常规起动方式。4.2 起动过渡阶段能耗6 2

图所示为种起动方式下过渡阶段起动电机的功率，通过积分可得到过渡阶段的能耗。在低点火转速时，

642.2 J， EMVT

常规起动方式过渡阶段能耗为基于的起

581.9 J，

动方式过渡阶段能耗为较常规起动方式降低

9.4% EMVT

。尽管基于的起动方式在过渡阶段的大部分时间内功率大于常规起动方式，但更短的过渡时间使得其能耗更低。高点火转速时，常规起动方式过渡阶段能

1020.3 J， EMVT

耗为基于的起动方式过渡阶段能耗为

998.8 J， 2.1%

较常规起动方式降低。相对而言，此时基

EMVT

于的起动方式能耗减少并不明显，这主要是因为

35 r/min

高出的约点火转速额外消耗了一部分能量。

4.3 缸内混合气温度

发动机冷起动时，提高进气温度有利于混合气雾化

7 2与燃烧，改善发动机排放性能[15]。图所示为种起动

4 7

方式下首循环个气缸在点火时刻的缸内温度。由图

EMVT 4

可见，与常规起动方式相比，基于起动方式的个气缸点火时刻缸内混合气温度均有所降低。其中，低

3 ℃， 15 ℃

点火转速时下降约高点火转速时下降约。这

EMVT

主要是基于的起动方式采用进气门提前关闭来控制进气量，有效压缩比降低所致[16]。

4.4 不同起动电机转矩作用下起动性能变化

EMVT

为确定基于的起动过程气门运行策略对起动性能的影响，在不同起动转矩作用下对起动性能作进

8 2 1

一步分析。图所示为种起动方式在起动转矩和起

3 9

动转矩作用下低点火转速起动时的转速曲线，图所

2 4 6

示为种起动方式在起动转矩和起动转矩作用下高点火转速起动时的转速曲线，点火时刻转速、过渡时间

2 3

以及过渡阶段能耗如表、表所示。

2 3 EMVT

由表和表数据可得：低转速点火时，基于

12.9%~23.8%

的起动方式过渡时间缩短约、过渡阶段能

8.7%~9.5%； EMVT

耗降低约高转速点火时，基于的起动

35 r/min

方式在点火转速高出常规起动方式约的情况

10.2%~12.4%

下，过渡时间缩短约、过渡阶段能耗降低较小。

5 进气门升程对起动性能的影响

采用进气门提前关闭方式控制进气量导致缸内混合气温度略有下降，不利于冷起动时混合气的雾化，影响起动着火稳定性和排放性能。针对这一不足，通过减小进气门升程来增强气体流动阻力，使气体在进气管道和气缸间循环流动升温。同时，减小进气门升程减少了有效流通面积，提高气体流速，有利于混合气雾化[17- 18]。针对本文提出的起动过程气门运行策略，进一步分析进气门升程对起动性能的影响。

以起动转矩为例，在该起动转矩作用下起动时，

10 10

不同进气门升程下的转速如图所示。由图可见，

4 mm 1 mm

进气门升程从降低到后，首次点火时刻转速略有下降，但可近似认为与常规发动机起动点火转速相

0.8 mm 0.6 mm

近。当进气门升程减小至和时，如果仍

0.55 s

在时刻附近点火，则点火转速较低，这主要因为过小的气门升程使气体在进气管道和气缸间循环流动的阻力急剧变大，导致点火时刻转速明显下降。为了保

0.8 mm 0.6 mm

证进气门升程为和时可在相近的点火转

1 4