【《气门多变运动规律研究现状的文献综述》5100字】

气门多变运动规律研究现状的文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u3096气门多变运动规律研究现状的文献综述 1175891.1可变气门技术研究现状 1128321.2多变气门升程研究现状 423952参考文献 71.1可变气门技术研究现状在研究气门多变运动规律的众多途径中，可变气门技术占有重要地位。使用可变气门技术不仅能使气门升程、启闭时刻和开启持续期连续变化，还能够根据发动机实际运行情况实现气门的多次开启。此外，可变气门技术在提高充气效率，减小泵气损失[12]、改善怠速稳定性、实现废气再循环[13]、可变排量、可变压缩比、米勒循环[14]以及均质混合气压燃[15]等方面具有显著优势，已经成为现在车用发动机的关键技术之一。早在十九世纪九十年代，世界上第一次出现了可变气门技术的相关专利，经过了一百多年的发展，可变气门技术已经发展得日益成熟[16]。根据实现途径的差异，可变气门可以分为不同的种类，如图1-2所示。可变气门首先可以根据驱动方式分为凸轮轴式和无凸轮轴式[17]，凸轮轴式采用凸轮来驱动气门开启，无凸轮轴式不包括任何凸轮机构，而是使用电磁、液压或者气动的方式来控制气门升程。图1-2可变气门分类（1）基于凸轮驱动的可变气门机构在凸轮轴式可变气门机构中，可变配气正时技术（VVT）是最成熟的技术，其代表作是丰田公司开发的VVT-i凸轮机构系统[18]。该系统通过安装在传动端的液压驱动机构来调节气门正时，通过与ECU相配合，能够使凸轮轴在特定角度范围转动从而改变进气门的配气相位。可变凸轮轮廓技术是依据不同转速和负荷，选择使用不同的配气凸轮驱动气门启闭的技术，这类技术最典型的代表是本田Honda的VTEC[19]系统。VTEC系统是世界上第一个可以控制气门升程和启闭相位的气门控制系统，在中低转速时，该系统选择使用普通凸轮驱动气门开启；当发动机转速升高时，该系统选择包角和升程更大的高速凸轮驱动气门启闭，使发动机进气量更大，输出扭矩更强。与VTEC系统原理和结构相类似的可变气门系统还有三菱的MIVEC系统[20]，奥迪的AVS系统[21]等等。可变凸轮从动件技术能够改变凸轮与气门之间的传动机构来间接地改变气门升程。此类机构最经典的作品当属德国宝马公司设计开发的Valvetronic[22]机械式可变气门结构，如图1-3所示。该机构通过利用气门升程控制进气量从而取消了节气门，是世界上首款实现无节气门负荷控制的汽油机可变气门技术。该技术能够实现气门升程从最小到最大区间内的连续变化，用来匹配怠速工况到全负荷工况的进气量。此外，该项技术与宝马可变配气相位Vanos[23]技术相结合，能够实现配气相位在0°CA-60°CA内连续变化，由此实现了机械式的全可变配气控制。图1-3宝马VaIvetronic机构示意图但是由于Valvetronic机械结构过于复杂，造成系统刚度和最高许用转速降低等问题[24]，一些公司便开始尝试使用柔性连接方式来代替凸轮和气门之间的传动，其中便出现了FIAT公司开发的Multiair可变气门[25]。该机构使用液压油作为传动介质，利用电磁阀作为液压腔内的泄油开关。当电磁阀关闭时，凸轮驱动活塞运动，活塞利用液压油打开气门；当电磁阀打开时，液压腔内的油液泄出，凸轮便无法驱动气门，在气门关闭时刻由气门关闭制动器控制落座速度，实现气门平稳落座[26]。除了各大汽车公司不断致力于可变气门的研发之外，国内外高校及研究机构也在积极进行相关课题研究。山东大学谢宗法[27]等人以BJ486EQ汽油机为试验样机设计开发了一种全可变液压气门机构，该机构通过进气门早关来对进气量加以控制，从而实现了对无节气门汽油机的负荷调节。（2）无凸轮轴驱动的可变气门机构无凸轮轴驱动的可变气门机构主要分为电磁式、电液式和电气式[28]，由于其取消了凸轮轴驱动，使得气门升程具有更大的变化空间，因此在国内外学者针对无凸轮轴式可变气门机构开展了许多研究工作。电磁式可变气门机构的设计是建立在电磁理论的基础上，国内南京理工大学[29]和台北理工大学[30]对于该机构的研究较为深入。其驱动机构一般由电磁铁，弹簧和中部衔铁组成。电磁铁和弹簧分别有两个，分布在衔铁的上部和下部。当机构不工作时，电磁铁上的线圈不通电，衔铁受弹簧力处于中间平衡位置，气门处于半开状态；当气门需要打开时，下部电磁铁线圈通电而上部电磁铁线圈不通电，衔铁在磁力的作用下往下运动到最底部，使气门升程逐渐到最大；当气门需要关闭时，上部电磁铁线圈通电而下部电磁铁线圈断电，衔铁在磁力的作用下往上运动到气门座圈处，气门逐渐关闭。电磁式可变气门机构的气门落座速度与衔铁同磁铁的接触速度对于气门磨损、噪声以及机构的可靠性影响较大，因此对于磁铁通电时的电流曲线的控制至关重要。电液式可变气门机构大多通过液压油和电磁阀相互配合来实现对气门升程的灵活控制，利用电磁阀来控制高低压油路的通断，以此来实现气门的启闭。电液式液压气门机构的气门运动规律较为灵活多变，福特公司[31]、本田公司[32]、路特斯公司[33]和通用公司[34]均对电液式可变气门进行了研发，但其主要的挑战是系统的能量消耗和可靠性。电气式可变气门以空气等气体为传动介质[35]，其工作原理与电液式相似。不同于液压油等液体传动介质，选择气体作为介质可以省略对温度、粘度和惯性等因素的考虑，但是要考虑气体可压缩性强，密封要求高等不足[36]。Gould[37]等人对电气式可变气门机构进行了研究，通过电磁阀控制活塞上下腔的气流来使气门启闭，但是其也存在着气门落座速度大、响应慢和驱动系统昂贵复杂等问题。1.2多变气门升程研究现状随着可变气门技术的发展，使得气门升程不再拘泥于单一的形式。得益于仿真软件的进步，研究人员能够更方便地对不同配气相位的气门运动规律进行计算探索。对于配气相位而言，对发动机性能影响最大的是进气迟闭角。根据气门运动规律和配气相位的不同，可以将多变气门升程的研究主要分为三类：进气门早关或晚关（米勒循环）、进气门多次开启和排气门多次开启。（1）进气门早关或晚关米勒循环是通过调整进气迟闭角来使膨胀比大于有效压缩比的一种热力循环形式。米勒循环的实现方式有两种，一种是在下止点之前完成进气门落座（EIVC），通过减少缸内的新鲜充量来使有效压缩比降低；另一种是使进气门在下止点之后延迟关闭（LIVC），通过活塞上行将缸内的部分气体排回进气管内，直到进气门完全落座之后活塞才开始将缸内气体进行压缩，使有效压缩比降低。针对米勒循环的两种实现方式，Li[38]等人研究了EIVC和LIVC对于高增压高压缩比直喷汽油机燃烧性能的影响，研究表明EIVC在减少泵气损失方面比LIVC更有优势，但是其放热速率比LIVC慢；在小负荷工况下由于降低了泵气损失，使得EIVC和LIVC都能够提高燃油经济性，但在大负荷工况LIVC比EIVC的抗爆性和燃油经济性更好。Hasan[39]等人研究了进气门早关对于排气温度的影响，通过采用可变正时技术改变进气门关闭时刻，研究结果表明由于容积效率的降低使得排气温度提高了65°C，它能够将排气温度能够达到250°C以上。此外，由于吸入气缸内的空气较少，泵气损失降低的同时提高了系统的燃油效率。上海理工大学褚超美[40]等人提出了一种利用柴油机米勒循环来降低缸内充量温度升高的方法。通过进气门晚关米勒循环与排气门二次开启相结合的方式，利用仿真软件对进气门晚关时刻对缸内温度的影响进行了探究。研究结果表明选择合理的米勒循环LIVC相位能够降低压缩终点的缸内温度，同时能够使氮氧化物的排放降低19.6%。（2）进气门多次开启针对进气门多次开启技术，目前多数学者是对进气门在排气冲程二次开启进行了研究。通过在排气冲程中使进气门二次开启，能够将缸内部分高温废气被活塞强制推回进气道内，并在随后的进气冲程中与新鲜空气一起流回气缸内，参与下一循环的燃烧。Peter[41]以一台V6柴油发动机为研究对象，采用可变气门正时的方法对几种内部废气再循环策略进行了初步研究，以匹配不同负荷和转速下的运行条件。他认为，采用进气门在排气冲程二次开启策略能够有效实现内部EGR。其余国外学者[42-44]也对不同EGR策略进行了对比研究，研究结果表明在一定负荷下采用进气门二次开启策略能够有效实现燃油消耗率和氮氧化物排放的折中关系。通过采用进气门二次开启策略实现内部EGR与外部EGR耦合控制能够更好地控制柴油机燃烧和排放特性[45]。南京理工大学孙宾宾[46]等人通过使用AVLBOOST仿真软件，在进排气门正常开启的基础上，仿真计算了单进气门在排气冲程二次开启来实现内部EGR以降低NOx排放的方案。结果表明，该方案与进气门早关策略相配合能够大幅度降低NOx的排放。昆明理工大学的陈贵升[47]等人研究了进气门二次开启对柴油机性能及排放的影响，研究表明使用进气门二次开启能够降低缸内最大燃烧压力，降低幅度随着气门升程的增大和开启时刻的推迟而增大。当二次开启升程为2.4mm，开启相位为210°CA时，能够减少58%氮氧化物的排放量，但代价是有效热效率降低了2.8%，有效燃油消耗率增加了2.9%。（3）排气门多次开启内部EGR是降低NOx排放的有效措施之一[48]，目前关于排气门多次开启技术的研究主要是用来实现内部EGR[49][50]及排气制动[51]。循环废气量的自动调节是内部EGR技术推广应用的关键，为了解决柴油机IEGR率精确控制的难题，上海理工大学的申震[52]等人提出了一种利用排气凸轮副凸起控制排气门在进气冲程中二次开启的方法（如图1-4）。他们利用仿真软件计算了二次开启的升程、开启相位以及开启持续期对IEGR率的影响。仿真结果表明，影响IEGR率的最主要因素是二次开启的气门升程，在一定的相位区间内，IEGR率随着气门升程的增大而明显增加；开启持续期和开启相位对于调控IEGR率的影响微乎其微。褚超美[53]、谭建勋[54]、李文祥[55]等人也进行了相似的研究，他们通过建立GT-Power模型对排气管内废气流动状况进行计算，从而得到了排气副凸起设计参数的选择范围，仿真计算了副凸起升程、相位和持续期等参数对柴油机动力性、经济性和内部EGR的影响规律。图1-4能够实现排气门二次开启的排气凸轮吉林大学韩林沛[56]等人研究了排气门二次开启不同参数对于EGR分层效果的影响。研究表明，当排气门在进气冲程前期开启时，回流废气的运动不规则，其与新鲜充量的分层效果较差；当排气门在进气冲程后期开启时，回流废气会与新鲜充量的分层效果较好；当排气门在排气冲程后期开其升程较大时，缸内滚流运动减弱，从而降低了回流废气在滚流外围的旋转幅度。吉林大学刘发发[57]、潘曦曦[58]等人利用GT-Power等仿真软件，研究了排气门二次开启策略对可控自燃燃烧的影响。计算结果表明排气门二次开启相位和进气门关闭时刻对可控自燃燃烧的影响较大。排气门多次开启的另一个用途是实现排气制动，皆可博[59]就是其中的典型代表。图1-5示出了皆可博排气制动原理：排气门在压缩冲程中后期开始打开，缸内气体经过压缩后释放到排气管内，这样在膨胀冲程中便没有燃油燃烧给与曲轴的动能，从而达到柴油机减速的目的。如果能够配合排气门在排气上止点前提前关闭的方式，便能够实现二冲程制动，提高发动机制动效率。图1-5皆可博排气制动气门升程中国一汽的邓金金[60]等人开发了一种专用制动凸轮技术，其所用方式是在凸轮轴上增设了一个制动凸轮，并在此凸轮上面设置了两个凸起，分别能够使排气门在进气冲程接近下止点和压缩冲程上止点时再次开启，如图1-6所示。经过发动机性能仿真和实验结果证明，这种将排气门三次开启的方式能够使驾驶员踩制动踏板的次数降低75%。图1-6专用制动凸轮技术参考文献唐葆君,刘江鹏.中国新能源汽车产业发展展望[J].北京理工大学学报(社会科学版),2015,17(02):1-6.刘春辉.2019年中国汽车市场发展回顾及2020年展望[J].汽车与配件,2020,4:50-53.何沙,吉安民,杨喆.基于我国石油对外依存度的石油安全策略研究[J].西南石油大学学报(社会科学版),2011,13(03):1-6+8.张文亮,武斌,李武峰,等.我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式的探讨[J].电网技术,2009,33(04):1-5.李洪言,赵朔,刘飞,等.2040年世界能源供需展望——基于《BP世界能源展望(2019年版)》[J].天然气与石油,2019,37(06):1-8.ReitzRD,OgawaH,PayriR,etal.IJEReditorial:Thefutureoftheinternalcombustionengine[J].InternationalJournalofEngineResearch,2020,21(1):3-10.KwanheeC,HyungminL,InGH,etal.Effectsofvariousintakevalvetimingsandsparktimingsoncombustion,cyclicTHCandNOXemissionsduringcoldstartphasewithidleoperationinCVVTengine[J].JournalofMechanicalScienceandTechnology,2008,22(11):2254-2262.韦夏夏,谭宗勇,陈梦寅,等.应对国六排放的柴油机尾气NOX催化转化剂的试制研[J].车用发动机,2021,252(01):69-74+81.LiQY,LiuJP,FuJQ,etal.Comparativestudyonthepumpinglossesbetweencontinuousvariablevalvelift(CVVL)engineandvariablevalvetiming(VVT)engine[J].AppliedThermalEngineering,2018,137:710-720.何仁,沈海军,杨效军.商用汽车辅助制动技术综述(英文)[J].交通运输工程学报,2009,9(02):50-59.DallaN,Macklini,ThompsonDM,etal.Effectsofvalvetiming,valveliftandexhaustbackpressureonperformanceandgasexchangingofatwo-strokeGDIenginewithoverheadvalves[J].EnergyConversionandManagement.2016,123:71-83.魏枫展,张晋群,常英杰,等.全可变液压气门运动特性及其泵气损失[J].内燃机学报,2020,38(01):57-63.JesúsB,SantiagoM,RicardoN,etal.EvaluationofmassiveexhaustgasrecirculationandMillercyclestrategiesformixing-controlledlowtemperaturecombustioninaheavydutydieselengine[J].Energy,2014,71:355-366.YanBW,WangH,ZhengZQ,etal.TheeffectsofLIVCMillercycleonthecombustioncharacteristicsandthermalefficiencyinastoichiometricoperationnaturalgasenginewithEGR[J].AppliedThermalEngineering,2017,122:439-450.CanC,AhmetU,HamitS,etal.EffectsofvalveliftonthecombustionandemissionsofaHCCIgasolineengine[J].EnergyConversionandManagement,2015,94:159-168.陈勤学,崔可润,朱国伟.可变气门系统的研究与发展[J].车用发动机,2002,139(03):1-5.王天友,刘大明,张学恩,等.可变气门升程下汽油机缸内气体流动特性的研究[J].内燃机学报,2008,26(05):420-4