摘 要：進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)系統(tǒng)可以活塞上行的壓縮過(guò)程中仍然保持進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟，使一部分氣體排出缸外，從而降低進(jìn)氣量和降低有效壓縮比。研究了不同的進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)角度對(duì)于進(jìn)氣量的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉越遲，活塞上行過(guò)程中排出的氣量越多，相同進(jìn)氣壓力下的進(jìn)氣量越少。同時(shí)，在相同的進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)角度條件下，不同的氣門(mén)型線，對(duì)于進(jìn)氣量的影響也有差異，氣門(mén)晚關(guān)過(guò)程中的氣門(mén)升程越高，活塞上行過(guò)程中排出的氣量也越多。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)氣門(mén)晚關(guān) 進(jìn)氣過(guò)程

Research on the Influence of Engine Intake Valve Late Closing on Intake Process

Zhan Qiang

Abstract：The late intake valve closing system can keep the intake valve open during the compression process when the piston moves upward， so that a part of the gas is discharged out of the cylinder， thereby reducing the intake air volume and the effective compression ratio. The influence of different intake valve late closing angles on the intake air volume is studied. The research results show that the later the intake valve closes， the more air volume is discharged during the upward movement of the piston， and the less air intake volume is at the same intake pressure. At the same time， under the same condition of the late closing angle of the intake valve， different valve profiles have different effects on the intake air volume. The higher the valve lift during the late valve closing process， the greater the amount of air discharged during the upward piston movement. many.

Key words：engine， late closing of intake valve， intake process

1 引言

可變氣門(mén)定時(shí)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門(mén)早關(guān)或者晚關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)可變壓縮比，改變混合氣的密度和壓力，從而對(duì)燃油的自燃過(guò)程產(chǎn)生影響，燃燒溫度得到控制，使得NOx排放大幅降低?？勺兗夹g(shù)可以有效控制缸內(nèi)的溫度、壓力變化歷程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)特征時(shí)間的控制，有效降低柴油機(jī)主要排放物。此外，降低有效壓縮比還可以利用保證較大的膨脹比，實(shí)現(xiàn)米勒（Miller）循環(huán)，提高熱效率。

日本的Daisuke Kawano等人[1]設(shè)計(jì)了進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)機(jī)構(gòu)，他們?cè)趩胃装l(fā)動(dòng)機(jī)上研究了進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)正時(shí)等對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量、點(diǎn)火和燃燒控制的影響。Yutaka Murata等人[2]在相似的發(fā)動(dòng)機(jī)上通過(guò)模擬進(jìn)氣增壓，并通過(guò)仿真進(jìn)行機(jī)理研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示通過(guò)進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)系統(tǒng)降低了進(jìn)氣量，同時(shí)也降低了壓縮上止點(diǎn)溫度。進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)的作用表現(xiàn)為燃燒路徑[3]的改變，由于燃燒路徑的改變，進(jìn)而改變了缸內(nèi)燃燒過(guò)程。

對(duì)于重載柴油機(jī)的進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)，Ryan M. Nevin，Rolf D. Reitz等人[4]，用在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻使進(jìn)氣門(mén)額外開(kāi)啟一段時(shí)間的方法實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)，研究證明了進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)措施的好處：進(jìn)氣量降低，缸內(nèi)溫度、壓力明顯降低。而在保持進(jìn)氣流量不變的情況下，NOx排放大幅降低，而PM排放基本不惡化。國(guó)外很多關(guān)于新概念燃燒理論的研究及可變氣門(mén)系統(tǒng)的研究都顯示了進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)對(duì)于降低排放的潛力[5-9]。

國(guó)內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)于可變氣門(mén)的結(jié)構(gòu)和對(duì)于缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響進(jìn)行了研究。天津大學(xué)的蘇萬(wàn)華教授對(duì)于進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究[10-15]，表明其對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程和燃燒過(guò)程有重要影響。山東大學(xué)的謝宗法教授對(duì)于全可變氣門(mén)結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了很多研究[16-17]，證明了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行進(jìn)氣門(mén)全可變的可能性，但對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)整體的研究較少。

進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)系統(tǒng)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程有重要影響，本文將重點(diǎn)分析不同關(guān)閉定時(shí)和不同型線對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程的影響規(guī)律。

2 模型搭建及標(biāo)定

在一臺(tái)濰柴WP12發(fā)動(dòng)機(jī)上，搭建了進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)系統(tǒng)和兩級(jí)增壓系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際系統(tǒng)圖，搭建了GTPOWER仿真模型，并通過(guò)實(shí)測(cè)的正常氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行了校準(zhǔn)，確保模型滿足計(jì)算要求[18]。

3 不進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)定時(shí)對(duì)于進(jìn)氣量的影響

圖5是計(jì)算所采用的不同進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉曲線，氣門(mén)關(guān)閉角度分別為-90°CA、-65°CA和-55°CA。由于實(shí)際硬件結(jié)構(gòu)的原因，氣門(mén)型線不完全一致，但在活塞下行段的曲線差異不大，最高升程的差異也不會(huì)對(duì)進(jìn)氣速率造成很大影響，主要區(qū)別體現(xiàn)在活塞上行階段，即主要區(qū)別是氣門(mén)的晚關(guān)角度不同。

計(jì)算結(jié)果顯示，在活塞下行階段，各氣門(mén)型線對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣速率一致，盡管型線略有差異進(jìn)氣速率也略有差異但差異很小，主要卻別再活塞上行階段的氣流返流階段。如圖6所示。

如圖7、8是分別為2bar和3bar進(jìn)氣壓力下，不同進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉定時(shí)，在活塞上行階段，由于進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟造成的進(jìn)氣反向流動(dòng)情況。結(jié)果顯示在同一進(jìn)氣壓力下，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉越遲，返流氣體量越多，則進(jìn)氣量相應(yīng)越少。不同進(jìn)氣壓力下趨勢(shì)完全相同，只是更高的進(jìn)氣壓力下，返流氣體的質(zhì)量流率更大，這是因?yàn)檩^大進(jìn)氣壓力下進(jìn)入缸內(nèi)的氣體更多，缸內(nèi)壓力較大引起。

計(jì)算缸內(nèi)平均溫度的結(jié)果見(jiàn)圖9、10。進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉越遲，進(jìn)氣量越少，壓縮階段的溫度越低，燃燒后期由于熱熔較小而放熱量相同導(dǎo)致缸內(nèi)平均溫度升高。進(jìn)氣壓力大缸內(nèi)平均溫度相對(duì)低，也使因?yàn)檫M(jìn)氣量大熱熔變大的原因。

缸壓是進(jìn)氣量和缸內(nèi)溫度的直接反映如圖11、12，缸壓隨著進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉推遲，有效壓縮比降低，進(jìn)氣量減少，缸壓明顯降低，壓縮階段缸內(nèi)溫度較低。不同進(jìn)氣壓力下的趨勢(shì)完全相同，只是缸壓絕對(duì)值有差異。

4 同一定時(shí)不同型線對(duì)于進(jìn)氣量的影響

選取了四種可實(shí)現(xiàn)氣門(mén)型線進(jìn)行仿真研究，如圖13所示，每組氣門(mén)型線都具有相同的氣門(mén)開(kāi)啟角度和氣門(mén)關(guān)閉角度，但氣門(mén)型線的路徑不同。

在活塞上行階段，升程最低的是原機(jī)氣門(mén)型線，這時(shí)氣門(mén)升程很低，馬上過(guò)度到氣門(mén)關(guān)閉位置，起緩沖作用，這時(shí)基準(zhǔn)型線。其次是單階段型線，這是由IVCA結(jié)構(gòu)的單階段回油過(guò)程實(shí)現(xiàn)的型線，該型線能夠?qū)崿F(xiàn)氣門(mén)關(guān)閉定時(shí)的延遲，但延遲階段的升程較低，對(duì)于氣流返流的阻力更大。再次是IVCA結(jié)構(gòu)兩階段回油實(shí)現(xiàn)的型線稱(chēng)為（IVCA型線），該型線將氣門(mén)關(guān)閉型線平滑延伸并實(shí)現(xiàn)氣門(mén)的延時(shí)關(guān)閉，且氣門(mén)型線再延遲階段的行程較高。最高的是電磁閥型線，是由額外電磁閥控制實(shí)現(xiàn)的氣門(mén)的二次抬起，疊加到原氣門(mén)型線上實(shí)現(xiàn)的型線。

以下計(jì)算對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1600轉(zhuǎn)/分，進(jìn)氣壓力3.0bar，缸壓計(jì)算結(jié)果如圖14，每循環(huán)返流氣體質(zhì)量如圖15所示。結(jié)果顯示，原氣門(mén)型線缸壓最高，此時(shí)的返流氣體質(zhì)量可以忽略，說(shuō)明在此工況下，原機(jī)氣門(mén)型線的設(shè)計(jì)原則是盡可能增加進(jìn)氣量。其次是單階段回油缸壓最高，接近原氣門(mén)型線對(duì)應(yīng)的缸壓，從返流氣體質(zhì)量上也可以看到，該型線造成的返流氣體質(zhì)量也較少。IVCA型線和電磁閥型線的返流氣體質(zhì)量較多，缸內(nèi)剩余氣體較少，故缸壓也較低，尤其是電磁閥型線對(duì)于氣量的影響最明顯。說(shuō)明在相同進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)角度下，在活塞下行階段，氣門(mén)型線的差異對(duì)進(jìn)氣速率的影響不大，而在活塞上行階段，氣門(mén)型線對(duì)于返流氣體質(zhì)量和缸壓影響很大，且此階段的氣門(mén)升程越高，返流氣體質(zhì)量越多，對(duì)應(yīng)的缸壓也越低。

5 結(jié)論

本文在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，搭建了對(duì)應(yīng)的GTPOWER仿真模型，并選取了幾種進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)型線，進(jìn)行了仿真研究，已研究進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)系統(tǒng)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程的影響規(guī)律，并深入分析了進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)導(dǎo)致的瞬態(tài)返流氣體的速率和流量，主要研究結(jié)論有

1，進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)系統(tǒng)可以活塞上行的壓縮過(guò)程中仍然保持進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟，使一部分氣體排出缸外，從而降低進(jìn)氣量和降低有效壓縮比。

2，研究了不同的進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)角度對(duì)于進(jìn)氣量的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉越遲，活塞上行過(guò)程中排出的氣量越多，相同進(jìn)氣壓力下的進(jìn)氣量越少。

3，在相同的進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)角度條件下，不同的氣門(mén)型線，對(duì)于進(jìn)氣量的影響也有差異，氣門(mén)晚關(guān)過(guò)程中的氣門(mén)升程越高，活塞上行過(guò)程中排出的氣量也越多。

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