【《可变进气门的排气热管理性能分析案例》3900字（论文）】

致谢可变进气门的排气热管理性能分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u31596可变进气门的排气热管理性能分析案例 1312281.1进气门早关策略对排气温度的影响 1269771.1.1仿真参数的设定 140681.1.2进气门早关策略仿真结果分析 2236701.2进气门二次开启策略对排气温度的影响 671351.2.1仿真参数的设定 7322451.2.2进气门二次开启策略仿真结果分析 719721.3进气门可变功能验证及升程测量结果分析 9265301.4小结 10可变气门是实现柴油机低速小负荷排气热管理的有效途径，本章以FHVVS能够实现的多种进气门开启方式为功能基础，如进气门早关（EIVC）、进气门二次开启（IVRO）及正常开启快速平稳转换等，通过仿真计算对基于可变进气门的排气热管理性能进行研究，以此来指导进气门开启控制策略的结构匹配设计，并使用倒拖试验对可变进气门的功能进行验证和分析。1.1进气门早关策略对排气温度的影响目前发动机控制进气采用的最普遍方法是节气门调节，汽油机通过节气门实现量调节的缺点是带来了进气损失；部分柴油机为满足国六排放标准也开始配备节气门，但这无疑也给柴油机增加了进气损失。而利用可变气门技术中的进气门早关恰好可以克服这一不足，代替节气门调节进气量以实现排气热管理。1.1.1仿真参数的设定为了探究进气门早关对排气温度的影响，使用验证后的仿真模型进行相关性能的计算。在配气机构升程设置方面，使用通过液压仿真软件AMESim计算获得的进气提前关闭升程曲线（如图4-1所示）作为输入参数，其中进气门关闭时刻（IVCT）在570°CA至441°CA之间变化；仿真工况设置方面，通过调节模型中的喷油量等参数使柴油机保持在800r/min和1000r/min时的怠速/小负荷工况，即此时发动机的平均有效压力（BMEP）为零。图4-1进气门早关（EIVC）仿真输入升程曲线1.1.2进气门早关策略仿真结果分析图4-2为不同进气门早关时刻对应的排气温度曲线，可以看出两种转速下随着进气门关闭时刻的提前，排气温度出现逐渐增加的趋向；并且在相同进气门关闭角度下，转速越高排气温度也相对更高；同时发现进气门关闭时刻在475°CA之前角度关闭时的排温较其之后关闭的增幅大，且其能达到的排气温度与实际运行情况明显存在差异，结合气门升程曲线分析这种情况是不能实现的。图4-2进气门早关时刻与排气温度的关系曲线为此通过后处理软件GT-POST获得不同进气门早关情况下的充量系数，如图4-3为进气门早关时刻与充量系数关系曲线。图4-3进气门早关时刻与充量系数的关系曲线通过分析文献[15]中充量系数与缸内燃烧情况的关系可知，当充量系数小于0.6时会出现压缩终点压力和温度过低的情况，无法满足柴油机正常压燃着火条件从而产生燃烧不稳定的异常工作状态。因此，两种转速下进气门关闭角度为486°CA时的充量系数均在0.6左右，只有晚于该角度的工况（图中右上角区域）才能够实现正常稳定点火燃烧，而更早的进气门关闭时刻（图中左下角区域）在发动机实际运行中是不允许出现的。根据以上对满足正常燃烧条件的判断，绘制如图4-4的充量系数与排气温度关系曲线，以充量系数值等于0.6作为进气门早关的极限位置。怠速工况下，转速在800r/min时的排气温度由原来的124℃上升到168℃，升高了44℃；转速在1000r/min时的排气温度由原来的135℃上升到185℃，升高了50℃。显然这两种转速下的最高排温均未达到后处理系统正常工作所需的最低温度200℃，因此仅通过进气门早关来实现排气热管理，其排气升温的能力是有限的。图4-4充量系数与排气温度的关系曲线图4-5不同早关时刻的压缩终点压力图4-5为不同早关时刻对应的压缩终点压力曲线，可以看出两种转速下的压力变化趋势基本相同，在由正常开启到逐渐早关的过程中，压缩终点的压力值先保持稳定然后才有较大幅度下降。当进气门关闭时刻为486°CA时，两种转速下能够维持稳定运行的压缩冲程终点压力值分别为3.15MPa和3.07MPa。图4-6为不同早关时刻的压缩终点温度曲线，能够看出两种转速下的压缩终点温度随着关闭角度的提前总体呈现下降趋势，但也有部分关闭时刻出现了不同不同的变动趋势。在转速800r/min时，较晚关闭角度的压缩终点温度变化出现先上升后下降的情况，这是因为较低的转速与相对而言较大的进气延迟关闭角度会造成部分气体回流。当486°CA关闭时，压缩终点温度值降低至950K左右。图4-6不同早关时刻的压缩终点温度图4-7和图4-8是为了进一步探究进气门提前关闭对柴油机整个工作循环影响，选取图4-3中A工况点绘制的不同转速时的P-φ图和T-φ图。（a）P-φ图（b）T-φ图图4-7转速800r/min时A点对应的P-φ图和T-φ图（a）P-φ图（b）T-φ图图4-8转速1000r/min时A点对应的P-φ图和T-φ图从P-φ图中不难看出，由于应用进气门提前关闭方法调整进气量，导致两种转速下的缸内压力值在发动机四个冲程（以压缩、做功行程最为明显）中均低于原机，这种差异是从进气门提前关闭后开始产生的，主要是由进气门关闭后活塞仍处于下行阶段造成。而从T-φ图的曲线中看出，进气门早关（此时气缸内活塞下行）后的缸内温度开始出现降低，而经过压缩做功后的缸内温度又较原机有一定程度升高，这归因于进气门早关使进入气缸内的工质缩减，相同产热情况下对较少工质进行加热可以使气缸获得更高的整体温度。1.2进气门二次开启策略对排气温度的影响上节中通过进气门早关减少进入气缸内的新鲜充量来提高整体排气温度，受到柴油机压燃着火条件的限制其升温幅度有限。而进气门二次开启（IVRO）作为可变进气的另一个功能，主要是由此生成内部废气再循环（iEGR）来进行排气热管理，该气门启闭调控策略对排温影响的研究同样借助仿真计算来完成。1.2.1仿真参数的设定在气门升程设置时保持原机排气门升程不变，通过修改进气门理论设计升程作为仿真输入，其升程如图4-9所示，其中进气门理论升程包括两部分：一部分为进气门主开启升程，它的持续开启期、配气相位及最大升程等配气机构参数与原机保持一致；另一部分为二次开启小升程，仿真过程中为避免多次、重复进行凸轮型线设计工作，采用固定开启气门持续期、最大升程仅以开启时刻作为变量的方式进行研究，其开启持续期根据文献[58]和控油阀结构限制确定为140°CA，最大升程则在满足凸轮型线设计前提下确定为2.4mm，二次开启时刻在133°CA至193°CA间进行变化，以每10°CA为一间隔。同时，选择柴油机转速1000r/min时的怠速/小负载工况作为仿真计算工况。图4-9进气门二次开启（IVRO）仿真输入升程曲线1.2.2进气门二次开启策略仿真结果分析图4-10为进气门二次开启时刻与排气温度、充量系数的关系曲线，从中可以看出：二次开启过程的充量系数较原机有一定幅度降低，这是因为进气门在排气冲程中开启使得局部废气回流进到进气道，而在下一循环又重新回到气缸，占据部分新鲜充量的容积使得充量系数减小；随着二次开启角度的推迟，充量系数呈现先升高后下落的趋势，而排气温度则表现为先下滑后上升并在达到最大值后再次出现下降趋势，这些现象的产生与活塞运动状态及进、排气门的开启状态有关；在进气门二次开启时刻为183°CA时，排气温度达到最大值为150.3℃，与原机135℃相比仅提高了15.3℃，进一步对比发现不同二次开启时刻的温差仅为2.8℃。因此仅通过单独使用进气门二次开启的升温措施效果有限。图4-10进气门二次开启时刻与排气温度、充量系数的关联曲线图4-11是进气门二次开启时刻为183°CA时的P-φ图和T-φ图，能在一定程度上反映出气门二次开启（产生内部EGR效果）对发动机工作循环的影响。（a）P-φ图（b）T-φ图图4-11进气门二次开启时刻为183°CA时的P-φ图和T-φ图从P-φ图中可显现出，进气门二次开启对缸内气压的扰动较小，与原机大体保持一致；但在T-φ图中可观察到明显差异，其在整个工作循环中的缸内气体温度均高于原机，这是因为高温废气的加入对缸内工质产生了一定加热作用。1.3进气门可变功能验证及升程测量结果分析通过以上仿真发现，进气门早关（EIVC）及进气门二次开启（IVRO）均能在一定程度上提升排气温度，但升温效果有限，为此需要在FHVVS功能集成过程中进行一定取舍。归因于进气门提前关闭不仅能够实现排气热管理，并且对柴油机实现Miller循环同样具有重要意义，因此在进气门可变功能设计中保留进气门提早关闭功能，而对其在排气冲程二次开启功能不进行匹配设计。如图4-12为三种转速下的实际测量进、排气门升程曲线。（a）转速800r/min（b）转速1200r/min（c）转速1600r/min图4-12不同转速下实际测量的进、排气门升程曲线从曲线中能总结出，对于进气门升程曲线，仅选取控制角度10~45°范围内的实测升程进行研究，三种转速下均实现了较好的气门早关功能，并且早关最大升程、开启持续期在相同控制角度下随转速升高逐渐增大。进一步分析气门开启过程发现，随着转速降低（特别是在低转速情况），进气门开启出现明显延后现象。根据FHVVS的基本工作原理可知，当凸轮开始上升阶段控油阀接通泄油会发生气门开启滞后，这种滞后会因为转速降低导致泄油时间延长而更加明显，这与实测升程的变动规律刚好相符。1.4小结本章对基于可变进气门的排气热管理性能进行研究，分别就FHVVS可实现的进气门早关、进气门二次开启两种功能进行仿真计算，进而利用仿真结果指导最佳进气门开启控制策略的设计，并通过测量可变气门机构的实际运行状况来验证和分析其功能。主要内容如下：（1）采用进气门早关理论升程曲线进行仿真，发现在发动机运转稳定（充量系数不低于0.6）的前提下，进气门早关可提升排气温度至185℃（较原机升高了50℃，此时转速为1000r/min，进气门完全落座角度为486°CA），因此仅通过进气门早关方式无法满足柴油机排气热管理需求。（2）采用进气门在排气冲程二次开启升程进行仿真，结果表明怠速工况下（转速为1000r/min，BME