车用汽油机停缸时循环功耗研究
胡茂杨 常思勤 刘 梁 陆佳瑜 徐亚旋
, ,２１００９４
南京理工大学机械工程学院 南京
: ,
摘要 发动机停缸时 不同的停缸方案以及采用不同的控制参数所对应的循环功耗和摩擦功耗有较
, . , 、 、大差别 影响停缸后发动机性能 基于电磁驱动配气机构全柔性化的特点 研究了滞留废气 滞留空气
３ . , ,
排气门常开 种停缸状态下的功耗 仿真结果表明 减少停缸循环缸内气体量有利于降低功耗 排气门
.常开方案功耗随气门升程增加而降低 最后确定了以最小功耗提高经济性和最大功耗改善换挡品质的停缸方案
.
:; ; ; ;
关键词 停缸 电磁驱动配气机构 循环功耗 燃油经济性 换挡品质
:TP４１３．４中图分类号
DOI:１０．３９６９/j．issn．１００４ １３２X．２０１９．０１．００７ ( ) ( OSID):
开放科学 资源服务 标识码
０ 引言
停缸技术能够有效地提高发动机部分负荷下[ １Ｇ３].的燃油经济性 停缸后为了保证相同的动力
,
输出 需增大节气门开度来提高工作气缸的进气
, .
量 从而降低泵气损失 停缸后壁面传热损失和
.
摩擦功耗也相应减小 停缸技术按停缸模式是否
, , V８Ｇ固定可分为两类 一类是模式固定的停缸 如V４、V６ＧL３; ,另一类是间歇停缸 即工作气缸与非
, ,工作气缸是动态变化的 其优势为停缸模式多 有
,
利于进一步提高经济性 同时具有更好的热平衡
. ,性 固定模式的停缸技术研究和应用较为广泛[ ４],美国福特公司研究表明 停缸过程中关闭非工
, ,作气缸的进排气门 气缸反复经历压缩膨胀过程
.MEGLI [５] ,循环功耗较低 等 研究表明 停缸过
,程中开启非工作气缸进气门或排气门 同样也有
.MILLO [６] MultiAir利于降低循环功耗 等 基于:２０１７ １２ １５收稿日期: (５１３０６０９０);基金项目 国家自然科学基金资助项目 江苏省自然
(BK２０１３０７６２)科学基金资助项目
,配气机构提出了与废气再循环结合的停缸方案
,研究确定了最小停缸循环功耗对应的气门正时
,该方案需精准控制气门正时 否则易造成尾气富
. ,ZHAO [７] ,氧 对于间歇停缸技术 等 研究表明
, ,非工作气缸吸入空气 空气受气缸高温环境加热
,在压缩膨胀过程中实现能量回收 从而降低循环
. ,功耗 燕山大学对动态停缸技术做了相关研究[ ８Ｇ９],设计了不同发动机停缸模式 但仅通过停止喷
.油的方式实现动态停缸技术易造成尾气富氧
,停缸的应用主要为了改善经济性 停缸循环
, ,功耗越低越有利于提高经济性 但在特殊工况下
,
如车辆升挡过程中 更大的停缸循环功耗有利于
,发动机转速更迅速地降低至目标值 从而改善换
. [１０]
挡品质 文献 研究了升挡过程中通过停止喷
,油的停缸方式来降低离合器接合时的转速差 但
.仅通过停止喷油易造成尾气富氧电磁驱动配气机构是一种无凸轮全可变配气.
机构 美国通用公司较早地开始了电磁驱动配气
, 、机构的研究 并提出了典型的双电磁铁 双弹簧的
[ １１]. FEV [１２]、 Valeo技术方案 德国 公司 法国 公
[１３]、 [１４]司 美国密歇根大学 等都研制出了具有代
. [１５]、表性的电磁驱动配气机构样机 清华大学 浙
[１６]
江大学 等对双电磁铁双弹簧型的技术方案进
. [１７]行了相关的仿真与试验研究 天津大学 对动磁式电磁驱动配气机构的技术方案进行了初步
.探索应用电磁驱动配气机构能够较为便捷地实现
,各缸独立的逐循环控制 为停缸技术实现提供了
.SHIAO [１８]
一种可行的途径 等 在四缸发动机中
,应用电磁驱动配气机构实现停缸 使经济性提升
７％ ~２１％, .但没有分析停缸气门方案 俞晓
[１９] ,璇 应用电磁驱动配气机构 以单缸一个循环内
,所做负功最小为优化目标 确定了单缸停止一个
.工作循环的起始点
,本文在此基础上 应用电磁驱动配气机构提
、 、 ３出了滞留废气 滞留空气 排气门常开 种间歇停
, ３缸方案 分析了不同控制参数对 种方案停缸循
.环功耗和摩擦功耗的影响 确定了以最小功耗提
.高经济性和最大功耗改善换挡品质的停缸方案
１
试验平台与模型验证
１．１
试验平台
自主研发的电磁驱动配气机构是一种无凸轮
( １, ),配气机构 图 已在缸盖上完成了试验研究 它
、 [ ２０Ｇ２２].
具备高响应 缓气门落座以及低功耗等特点 电磁驱动配气机构单个执行器内部结构示意
２, 、 、 、图见图 主要由内磁轭 外磁轭 永磁体 动圈等
. 、组成 电磁直线执行器控制系统包括控制器 执
、 、 、 .
行器 功率驱动模块 传感器 显示模块 试验时控制器完成对各路传感器信号的采集和控制信号
, .
的输出 实现控制算法的功能 控制器输出的小
.功率信号通过功率驱动模块放大 通过控制执行
,器的电流和位移实现双闭环控制动圈运动 从而
.控制与动圈连接在一起的气门的升程 试验时驱
２４ V, , ８ mm动电压为 电流采用闭环控制 开启
７．５ A, １０kHz.时峰值电流约为 采用频率为 位
１０mm, ０．００５ mm.移传感器有效量程为 精度为
３ ,３ ,
图 为试验所得曲线 由图 可见 在开启和关闭
, ,阶段电流较大 而在气门开启保持阶段电流较小
,能耗集中消耗在开启和关闭阶段 因而应用电磁
,驱动配气机构实现停缸时 应尽量减少开启和关
.闭次数以降低气门自身功耗
１．２
模型验证
１．８L , GTＧPower
基于 四缸样机 在 中建立
, １.了一维发动机仿真模型 主要参数见表 传热
WoschniGT,
模型选用 传热系数
hc ＝ ３．２６ ０．２ p ０ ８T ０．５５w０８ (１) D ．－ ．
－
, ,m; ,kPa; ,式中 D为气缸直径 p缸内压力 T为缸内温度K; ,m/s.
w为缸内气体平均速度
表 发动机参数
ChenＧFlynn ,摩擦模型采用 经验模型 平均有
(FMEP)
效摩擦压力
(２)
F ＝＋ FC ApCyl, ＋ Bvp, ＋ max m Cv２p, m , ;
式中 FC 为平均有效摩擦压力常数部分 pCyl, 为缸内max
; ; ;最大压力vp, 为活塞平均速度 为缸内最大压力系数
m
; . B为活塞平均速度系数C为活塞速度平方系数
( 、、 )模型中几何尺寸 如管道 气门 气缸等 以
、 、
及各工况下空燃比 喷油量 点火角等参数按测量
４７
. ,值和试验值设定 在不同转速满负荷下 仿真结
４,果与样机试验数据对比见图 仿真数据与试验
, ３％.数据吻合度较高 误差小于 为研究基于电
,磁驱动配气机构的停缸方案 需在样机模型基础
.上建 立 电 磁 驱 动 配 气 机 构 发 动 机 模 型GTＧPower ValveSolSignalConn ,中提供了 模块
０１ , ０１该模块通过逻辑信号 或 控制 当信号在 和
, .
之间切换时 气门实现开启或关闭 这为本文的
.研究提供了一种可行的方法
２ 停缸气门方案
２．１ 方案要求
发动机停缸循环为了避免因缸内压力过低导
,
致机油窜入气缸 通常在缸内滞留一部分废气或
. [２３]
空气 根据文献 设定停缸循环最低压力不低
０．０２ MPa.
于 停缸气门方案要避免空气流入排
, ,
气歧管 以免尾气富氧 造成三元催化转化器效率
. ,
下降 另外 在停缸循环上止点时要避免气门与
. ,
活塞相撞 根据样机测量结果 上止点时气门开
４mm .启升程不超过 可避免气门与活塞干涉
２．２
方案
３ ,根据上述要求提出了 种停缸气门方案 分
、
别为滞留废气方案 滞留空气方案和排气门常开
. ,
方案 以停缸一个循环做功一个循环为例 进排
５. ,TDC ,气门升程曲线见图 其中 表示上止点BDC .
表示下止点 滞留废气方案在做功循环排
,气行程过程中提前关闭排气门 滞留一部分废气
; , ;于缸内 停缸过程中 废气在缸内反复压缩膨胀
, .在停缸循环末排气门再次开启 将废气排出 滞留空气方案在停缸循环进气行程吸入适量空气后
; ,
关闭进气门 停缸过程中 空气在缸内反复压缩膨
; ,
胀 在停缸循环末进气门提前开启 将空气压入进
, ,
气歧管 此时不能将空气压入排气歧管 否则尾气 ４８
３０ １ ２０１９ １中国机械工程 第 卷 第 期 年 月上半月.
富氧 以上两种方案是通过滞留气体来避免机油
. ,
倒吸 排气门常开方案中 整个停缸循环排气门始
, , ０．１ MPa终开启 废气被反复吸入排出 缸内压力在
, .附近变化 同样也避免了机油倒吸的可能
３
循环功耗与摩擦功耗分析
,本节以停缸一个循环做功一个循环为例 分
.５析停缸循环功耗与摩擦功耗 图 中除了做功循
,６环的压缩行程和做功行程外 其余 个行程的缸
,内压力均受气门升程和开启关闭正时影响 这里
６
定义单个气缸在此 个行程的传热损失与换气损
,
失总和为循环功耗 定义摩擦功耗为发动机停缸
.一个循环过程中的摩擦损失 停缸后循环功耗和
, .摩擦功耗越低 经济性提升越显著 在升挡过程
,中通过停缸降低发动机转速 因而循环功耗和摩
,
擦功耗越大 越有利于缩小离合器接合时主动盘
, .与从动盘转速差 从而改善换挡品质 本节将分
３
析所提出的 种停缸方案功耗与气门升程以及开
,
启关闭正时的关系 确定各方案最小与最大功耗
.
对应的配气相位与升程
: １６００r/min,选取工况点如下 转速为 工作
７０％( １６００r/min气缸负荷率 该负荷为 下最优
). ,燃油经济性点 当停缸多个循环时 每多停一个
, .
循环 额外增加两次压缩膨胀行程功耗 本节以
, .停缸一个循环为例 分析循环功耗与摩擦功耗
３．１
滞留废气方案
６
图 所示为滞留废气方案循环功耗和最低压. ６ ,
力 由图 可见 排气门关闭时刻推迟有利于降
, ,低循环功耗 主要因为排气门推迟关闭 缸内高温
, .
废气量减少 降低了传热损失 最低压力也相应
.７地随着排气门关闭时刻推迟而减小 图 所示为
,不同排气门关闭时刻下 停缸循环平均有效摩擦
. ,
压力 随着排气门关闭推迟 平均有效摩擦压力
,
也逐渐降低 同样是因为缸内高温废气量的减少
.
使缸内最高压力降低
, 、随着排气门关闭时刻的推迟 循环功耗 摩擦、 . ,
功耗 最低压力都随之降低 为减少功耗 排气门
.
应推迟关闭 最小功耗对应的排气门关闭时刻由
０．０２ MPa , ３０２°CA .最低压力 确定 约在 关闭 在
３００°CA停缸循环末排气门约在 开启将滞留废气
, ,
排出 而停缸循环前排气门不开启 将上一做功循
,环全部废气滞留于缸内 对应的停缸循环功耗
.
最大
３．２
滞留空气方案
８
图 所示为滞留空气方案循环功耗和最低压. ８ ,
力 由图 可见 进气门关闭时刻提前有利于降
.９低循环功耗和最低压力 图 所示为滞留空气方
,案停缸循环平均有效摩擦压力 随着进气门关闭
, .
提前 平均有效摩擦压力也降低 主要因为进气
, .量减少 缸内压力降低导致摩擦功耗下降
, ,对于滞留空气方案 为获得最小功耗 进气门
、
应采用小升程 较短的开启持续期来减少停缸循
,
环缸内滞留空气量 同时需保证最低压力不小于 ０．０２ MPa.
本例中停缸循环进气门采用小升程１mm, ４３５°CA ;
在 关闭 停缸循环末进气门在３００°CA , . ,
开启 对应停缸循环功耗最小 反之 进气门应采用大升程和较长的开启持续期来增加缸
, .
内滞留空气量 获得最大的功耗
３．３
排气门常开方案
, ,停缸过程中 该方案排气门始终开启 废气被
. ,反复吸入排出气缸 在上止点时 允许的最大气
４ mm. １０
门升程为 图 所示为排气门升程由４mm １mm ,
减小至 过程中 停缸循环功耗和最低. １０ , ,压力 由图 可见 随着排气门升程的减小 循
,
环功耗逐渐增加 这是因为升程的减小增加了节
,
流 使得每一次吸入排出废气过程中泵气损失增
.
大 最低压力也随着排气门升程的减小而略有降
, ０．０２ MPa. ,低 但远大于 与滞留气体方案相比
,排气门常开方案无需对气门正时精准控制 即可
. １１
避免机油倒吸 图 所示为不同排气门升程下
,停缸循环平均有效摩擦压力 随着排气门升程减
, , .
小 摩擦功耗相应增加 但低于滞留气体方案 由
,
上述分析可得 增大排气门升程能够同时降低循
,
环功耗和摩擦功耗 因而排气门开启最大允许升
４mm , ;
程 时 对应的功耗最小 开启小升程对应的
.
停缸循环功耗大
４
最小与最大功耗方案的确定
４．１ 停缸循环最小功耗方案
３ ３
由第 节分析得到了 种停缸方案功耗与配
. ,气相位及升程的关系 以停缸提高经济性时 应
. １２尽量降低停缸循环功耗 图 所示为不同工况
３ ,
下 种停缸方案循环功耗和摩擦功耗 图中摩擦
１/４,
功耗为总摩擦功耗的 用以表示单个气缸分
. １２ ,３ ,担的摩擦功耗 由图 可见 在 种工况下 滞
４mm留废气方案和排气门常开 方案功耗较小且
,
接近 但排气门常开方案优势在于仅需控制排气
, ,
门升程 无需对气门正时精准控制 同时该方案可
, ４ mm避免缸内压力过低 因此确定排气门常开
.方案为停缸循环最小功耗方案
,
应用排气门常开方案 可便捷地实现间歇停, . １３
缸 保证工作气缸处于最优经济性区域 图 所
１６００r/min ,
示为 下 排气门常开方案对经济性
. (brake meaneffecＧ的改善情况 平均有效压力tivepressure,BMEP) ０．２ MPa ,
等于 时 有效燃油(brakespecificfuelconsumption,BSFC)消耗率
２０．７％. ,
降低约 随着负荷的增加 经济性改善程
. BMEP ０．４ MPa ,度逐渐降低 在 为 时 停缸对经
(earlyintakevalve济性的提升与进气门早关closing,EIVC) . BMEP
策略接近 因此当 小于０．４ MPa , ; ,
时 采用停缸提高经济性 反之 采用EIVC .
控制负荷
５０
３０ １ ２０１９ １中国机械工程 第 卷 第 期 年 月上半月 (a) １６００r/min, ７０％
＝ n
工作气缸负荷率 (b) １２００r/min, ６８％
＝ n
工作气缸负荷率 (c) １２００r/min, ４８％
＝ n
工作气缸负荷率
４．２ 停缸循环最大功耗方案
,对于滞留废气或空气方案 缸内滞留气体量
.
最大时功耗最大 滞留废气方案最大滞留废气量
.与前一工作气缸负荷相关 滞留空气方案最大滞留空气量在最大升程和最长的开启持续期时获
.
得 排气门常开方案停缸循环最大功耗在小升程
, １mm .时获得 本文以 升程为例分析其最大功耗
１４ ３
图 所示为 种停缸方案在其最大功耗下
,
连续停缸多个循环 累计循环功耗和摩擦功耗总
. １４ ,
和 由图 可见 滞留废气方案停缸前负荷率越
, . ,
高 总功耗越大 同时随着停缸循环数增加 功耗
,
增长量逐渐减缓 主要因为缸内高温废气逐渐冷
,
却 温度和压力的下降使传热损失和摩擦功耗相
.
应降低 滞留空气方案和排气门常开方案功耗近
,
似直线上升 因为在停缸多个循环过程中缸内温
. ,度和压力整体变化较小 由此 总功耗较大的方案为停缸前处于高负荷的滞留废气方案和排气门
(１mm) .
常开 方案
(a) n ＝ ２０００r/min
(b) n ＝ ２４００r/min
, ,车辆升挡时 离合器从分离至接合的过程中
.
发动机已经历数个循环以升挡过程中停缸０．３s , ２０００r/min ２４００r/min为例 平均转速 和
５ ６. １４ ,下对应的循环数分别为 和 由图 可见２０００r/min ５ ,
停缸 个循环时 排气门常开(１mm)
方案累计总功耗接近高负荷的滞留废气.２４００r/min ６ ,
方案 停缸 个循环时 排气门常开(１mm) .方案累计总功耗远大于其他方案 在这, (１mm)
段时间内 排气门常开 方案更有利于转速
, .下降 确定该方案为改善升挡品质的停缸方案
５
结论
(１) , ,对于滞留气体方案 减少滞留气体量 有
.利于降低循环功耗和摩擦功耗 随排气门升程的
,
增加 排气门常开方案循环功耗和摩擦功耗逐渐
. ４ mm ,
降低 排气门升程为 时功耗最低 且停缸
０．１ MPa, .循环缸内压力约 避免了机油倒吸
(２)３ , (４ mm)种停缸方案中 排气门常开 方
、 、
案具有功耗低 无机油倒吸 气门控制简单等优
, .
点 确定该方案为提高经济性的停缸方案 在１６００r/min BMEP ０．２~０．４ MPa ,
下 为 时 经济２０．７％~７．２％.
性相应提升
(３) ,车辆升挡过程中应用停缸技术 增大循环
.功耗和摩擦功耗有利于降低发动机转速 以升挡
０．３s ,
过程中停缸 为例 滞留空气方案总功耗最
;
小 滞留废气方案总功耗随停缸前负荷率降低而
; (１ mm) ,
减少 排气门常开 方案总功耗大 随着升
, ,挡时转速的升高 功耗大的优势更为显著 确定该
.方案为改善升挡品质的停缸方案
:
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( )
编辑 袁兴玲
: , ,１９８９ , .
作者简介 胡茂杨 男 年生 博士研究生 研究方向为发动. ( ),机电磁驱动配气机构全柔性化控制技术 常思勤 通信作者
,１９５４ ,、 .男 年生 教授 博士研究生导师 研究方向为高性能电磁
、 .直线执行器及其应用车辆电子控制及机电液一体化技术EＧmail:changsq＠mail．njust．edu．cn.