循环发动机配气机构改进分析

任翠翠，张毅，杨靖，赵璐璐，唐坚，罗亚妮

(1.湖南大学机械与运载工程学院，先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙 410082; 2.湖北三江航天红阳机电有限公司，湖北 孝感 432000)

循环发动机配气机构改进分析

任翠翠1，张毅2，杨靖1，赵璐璐1，唐坚1，罗亚妮1

(1.湖南大学机械与运载工程学院，先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙 410082; 2.湖北三江航天红阳机电有限公司，湖北 孝感 432000)

基于发动机燃油经济性升级需求，将传统的Otto循环发动机改为阿特金森(Atkinson)循环发动机，其中，配气机构的改进是完成循环改型的关键。对某汽油机配气机构建立模型，并进行运动学和动力学计算分析，进而对凸轮型线进行优化设计，对配气正时进行再设计研究。利用进排气凸轮轴的双VVT机构，在不同转速和负荷下对改型后的发动机进行了双VVT的优化控制设计。台架试验结果表明，发动机成功地完成了Atkinson循环的转换，最低燃油消耗率由原机的250 g/(kW·h)降低到232 g/(kW·h)，且低油耗区向常用发动机工况移动，验证了配气机构设计方法的正确性和有效性。

Atkinson循环；凸轮型线；配气正时；可变配气机构

目前，能源短缺和环境污染威胁着人类社会发展，节能减排已成为了各国政府的工作重点。Atkinson循环通过可变气门正时并增大几何压缩比的方法，减少泵气损失，提高膨胀效率，进而提高发动机的燃油经济性[1]。Atkinson循环发动机有较高的热效率，但功率偏低。与传统汽油机相比，混合动力车用发动机只需在中低转速和负荷区域内工作，即在高效经济区内工作。混合动力车若采用“蓄电池+电动机”或电机直接驱动，则避开了Atkinson循环发动机功率下降的弱点[2]，而相对于电动车也降低了对电机和电池的负担。

Atkinson循环发动机是一个复杂的多变量系统，凸轮型线和配气正时是Atkinson循环发动机的技术核心。目前，国内Atkinson循环发动机技术基本仍处于探索阶段。王德伦等[3]只改变配气相位和几何压缩比实现Atkinson循环；朱国辉等[4]通过增加进气凸轮工作包角推迟进气阀关闭时刻，增大几何压缩比来实现Atkinson循环。本研究一方面对传统汽油机凸轮型线进行优化设计，增加进气凸轮包角推迟进气阀关闭时刻，减小排气凸轮包角推迟排气阀开启时刻，另一方面，对发动机各个运行工况下的特性进行分析研究，结合双VVT和改变活塞形状提高几何压缩比的设计方案，实现发动机Otto循环向Atkinson循环的转变。

1 Atkinson循环基本原理

膨胀比大于压缩比是Atkinson循环发动机最大的特点。通过推迟进气阀关闭来实现Atkinson循环，而进气阀关闭时刻也可用于控制负荷变化。

图1为两种循环的示意图，1—2—3—4—1为Atkinson循环,1′—2—3—4—1′为Otto循环。图中，1—2为绝热压缩过程，2—3为定容加热过程，3—4为绝热膨胀过程，4—1为定压放热过程，1′—2为绝热压缩过程，4—1′为定容放热过程[5]。

图1 Atkinson循环和Otto循环示意

理想的Atkinson循环与Otto循环的差别在于：

1) Atkinson循环发动机进气门晚关使得实际压缩起点比Otto循环迟，膨胀比大于压缩比，而理想Otto循环放热过程为定容放热，膨胀比等于压缩比。因此，与Otto循环相比，Atkinson循环可以更好地利用燃烧后的高压废气充分膨胀，将热能转化为机械能，增大膨胀功，提高指示热效率，降低燃油消耗率。

2) 最大膨胀比决定于几何压缩比，而Atkinson循环发动机通过控制进气阀晚关时刻降低有效压缩比来避免爆震，因而可提高几何压缩比，从而提高膨胀比。同时进气阀晚关可以利用气体惯性增加进气，并且增加缸内扫气。

研究对象为一款带双可变气门正时执行器的直列4缸汽油机，进排气VVT各自进行操作，可变角度范围均为30°曲轴转角。发动机具体技术参数见表1。

表1 发动机技术参数

2 凸轮型线的改进设计

2.1原机配气机构分析

原机的进、排气机构各项参数见表2和表3。

表2 原机配气机构主要技术参数

表3 原机凸轮型线运动学性能参数

由上述数据可见，原机的配气机构存在以下不足：

1) 进、排气凸轮缓冲段高度与气门间隙相比过大，严重影响了发动机的性能[6]。进、排气门气门间隙分别为0.1 mm和0.25 mm，而进、排气凸轮缓冲段的高度均为0.35 mm，都远大于进、排气门的气门间隙，这样会导致如下后果：第一，进、排气门在缓冲段内开启和落座，使得进、排气门维持在较小开度下的时间比较长，增大了泵气损失，降低了热效率；第二，凸轮实际工作段明显加大，从而使得气门工作包角增加，会造成气体倒流，缸内残余废气增多，影响发动机的动力性、经济性和排放性能；第三，排气门缓冲段高度大于排气门的气门间隙，使排气门落座速度很小，导致排气门附近积炭和密封失效。

2) 进、排气凸轮型线的跃度均过大，增大了配气机构冲击力与冲击噪声，气门的抖动不仅破坏了气流特性，而且整个配气机构的振动加剧，发动机机械效率下降，寿命缩短。

本研究针对原机配气机构存在的问题，结合Atkinson循环发动机对配气相位的要求，重新设计了进、排气凸轮型线。

2.2凸轮型线设计

凸轮型线缓冲段选择余弦缓冲段，在AVL Excite Timing Drive软件中输入缓冲段高度和角度，可以方便获得。

凸轮型线工作段采用高次多项函数设计方法。该方法考虑了配气机构存在的弹性变形，常应用于采用平面挺柱的配气机构，本研究所用发动机的配气机构正是采用平面挺柱。

工作段的气门升程函数为

h=(hmax-hr)·

(1+C2χ2+C4χ4+Cpχp+Cqχq+Crχr+Csχs)。

2.3凸轮型线相关参数设置

经过多组凸轮型线的性能分析，最终确定凸轮工作段高次多项函数各指数的取值。

进气凸轮：p=10，q=26，r=36，s=46；

排气凸轮：p=10，q=26，r=30，s=36。

配气机构各项参数见表4。

表4 优化后的配气机构主要技术参数

对比表4和表2可知，Atkinson循环发动机与原机存在如下差异：

1) 进气提前角减小，进气门滞后角大幅度加大，使进气凸轮工作段包角明显加大，这主要是为了推迟进气关闭时刻，减小实际压缩比。

2) 排气提前角减小，排气滞后角减小，使排气凸轮工作段包角减小，这主要是为了推迟排气门开启时刻，增大实际膨胀比，进而实现实际压缩比小于实际膨胀比。

3) 缓冲段适当降低，解决了原机缓冲段高度明显大于气门间隙所造成的各项问题。

2.4改进后凸轮运动学计算

图2 配气机构运动学模型

在AVL Excite Timing Drive软件中建立配气模型，设计出新的凸轮型线，并对改进后的配气机构进行运动学计算，得到其运动学特性。模型见图2，计算出的凸轮运动学性能参数见表5。

表5 优化后的凸轮型线运动学参数

由表5分析可知：

1) 原机进、排气凸轮跃度值过大，会造成气门开闭时振动加剧，平稳性差。而新设计的进、排气凸轮型线的跃度值大大减小，均在正常范围之内，可减小从动件的振动，使配气机构平稳性更好。

2) 凸轮与挺柱的许用接触应力为650 MPa[8]。改进前后进、排气凸轮与挺柱的接触应力虽然均满足工程要求，但是改进后的接触应力比原机小很多，因此可以大大减小该摩擦副的摩擦，延长零件的使用寿命。

3) 改进后的进、排气凸轮最小曲率半径均比原机大，改善了凸轮与挺柱间的润滑状态[9]。

2.5动力学计算

在动力学计算中，计算工况选取发动机标定转速5 200 r/min，取一个缸的进、排气门为研究对象。将每个零件的弹性变形考虑在内，经过动力学计算得到气门升程、速度、凸轮与挺柱间接触应力曲线以及进排气门弹簧各质点升程(见图3和图4)。

图3 进、排气门升程和速度

图4 进、排气凸轮与挺柱间接触应力和气门弹簧各质点升程

由图3可知，气门升程曲线平滑，无反跳；在气门落座时，气门速度都有一定的波动，但最大落座速度小于推荐值0.5 m/s(进、排气门最大落座速度分别为0.268 m/s，0.256 m/s)，因而不会产生较大的磨损。由图4可知，凸轮和挺柱间接触应力在整个运动过程中总是大于0，表明两者间无飞脱，且接触应力都在极限值范围内，达到设计要求；进、排气门弹簧均未出现并圈现象。

2.6VVT正时设定

配气相位对发动机的容积效率、排气能量利用和扫气均产生重要影响,在进、排气阀开闭4个时期中, 对充气效率产生最大影响的是进气迟闭角和排气提前角[8]。配气正时微小的改变量可能引起发动机扭矩、燃油消耗等变化，采用可变配气正时可更好地提高发动机的性能。

对图5和图6配气正时进行分析可知：

1) 低负荷区是发动机很少用到的工况，主要追求经济性，为减少发动机泵气损失，提高有效热效率，随着转速增大进气提前角增大。

2) 高速大负荷区主要追求动力性，此时进气提前角变小并出现负值。这是因为发动机高转速下，进气温度和压力较高，混合气偏浓，最高燃烧温度较高，排温高，爆震倾向变大，而进气提前角减小可以推迟进气门关闭时刻，在进气行程后期更多新鲜充量倒流进入进气管，加强缸内扫气，降低缸内进气温度，降低爆震倾向，降低排温。另外，Atkinson循环发动机比Otto循环多了“回流”行程，其扫气并不会将可燃混合气扫入排气道，而是推入了进气道，使进气道内的混合气达到一个平衡稳定的状态，不会降低发动机经济性和排放性。

3) 中低转速较高负荷为发动机最常运行区域，主要追求经济性，采用较稀混合气，燃烧速率较慢，容易导致排气温度过高以及NOx排放增加。此工况下气门重叠角增大，通过内部EGR来降低最高燃烧温度，从而降低排温、减少NOx排放。

图5 改进后的进气提前角

图6 改进后的气门重叠角

3 新机性能结果

将优化设计的凸轮生产加工后，安装到改型后的发动机上，进行台架试验，并对得到的试验数据与原机的试验数据进行对比分析。由图7可知，改进后燃油消耗明显降低，最低燃油消耗率从250 g/(kW·h)降到232 g/(kW·h)；改进后的发动机动力性有所降低，标定功率为65 kW，比原机降低9 kW，最大扭矩为119 N·m，比原机降低了16 N·m，但仍达到设计目标。

图7 改进前后燃油消耗率、扭矩对比

由图8可知，改进后的发动机比原机燃油消耗整体大大降低，且最低油耗区域向混合动力发动机常用的低速区域移动，最低油耗区域加宽。虽然动力性有所降低，但该发动机用于搭载混合动力汽车，只需在中低转速和负荷区域内工作，即在高效经济区内工作。

图8 改进前后万有特性对比

4 结束语

通过对原机配气机构进行运动学、动力学计算分析，发现其存在的问题，并结合Atkinson循环发动机特点对进、排气凸轮型线进行重新设计。采用新设计的凸轮型线后，解决了原机凸轮型线跃度值过大的问题，使得配气机构工作更加平稳、可靠，并且满足了Atkinson循环发动机对配气相位的要求。分析改进前后发动机性能变化可看出，改进后最低燃油消耗率大大降低，并且低油耗区更加宽泛，发动机经济性大幅提升。Atkinson循环发动机作为混合动力专用机，工作区域定义在低油耗区，动力性较Otto循环时降低，可以通过电动机助力进行弥补。

[1] 黄加胜.混合动力汽车用发动机的仿真与优化设计研究[D].北京:北京交通大学,2009.

[2] Hannibal Wilhelm,FlierlRudolf,StieglerLutz,etal.Ove-rview of current continuously variable valve lift systems for four-stroke spark-ignition engines and the criteria for their design ratings[C].SAE Paper 2004-01-1263.

[3] 王德伦,罗劲松,李朝辉，等.基于AVL-BOOST 的混合动力汽车用Atkinson循环发动机[J]. 重庆理工大学学报(自然科学版),2010,24(8):1-6.

[4] 朱国辉，夏孝朗，刘敬平，等.传统汽油机改进成混合动力Atkinson 循环专用发动机的节油效果[J].中南大学学报(自然科学版)，2014，45(4):1302-1311.

[5] 冯康.基于Atkinson循环的车用汽油机节油潜力研究[D].长沙：湖南大学，2012.

[6] 尚汉翼.发动机配气机构设计与计算[M]．上海：复旦大学出版社，1988.

[7] 仇涛，刘兴华，刘福水.摩托车配气机构的磨损分析及改进设计研究[J].内燃机工程,2008,29(4):51-54.

[8] 崔淑华,胡亚楠.车用发动机性能影响因素研究[J].林业机械与木工设备,2007,35(13):27-29.

[9] 杨靖，冯仁华，邓帮林.汽油机凸轮型线改进设计[J]. 湖南大学学报(自然科学版)，2009，36(11):1-6.

[10] 胡乐明.发动机性能参数分析及优化[J].中国高新技术企业,2010(13):40-42.

Keywords: Atkinson cycle；cam profile；valve timing；variable valve train mechanism

ValveTrainImprovementofAtkinsonCycleEngine

REN Cuicui1,ZHANG Yi2，YANG Jing1,ZHAO Lulu1,TANG Jian1，LUO Yani1

(1.College of Mechanical and Vehicle Engineering Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hu’nan University,Changsha 410082;2.Hubei Sanjiang Spaceflight Hongyang Machinery Co.,Ltd.,Xiaogan 432000)

Based on the requirements of improving fuel economy, the traditional Otto-cycle engine was changed into Atkinson-cycle engine. The design of valve train mechanism was very important for cycle modification. The model of valve train mechanism for gasoline engine was built, the kinematics and dynamics analysis were conducted, the cam profile was optimized and the valve timing was redesigned. By using DVVT of intake and exhaust camshaft, the optimal control design of DVVT for the optimized engine was conducted under different loads and speeds. Finally, the bench test results showed that the modification of engine cycle was successful. The optimal specific fuel consumption of original engine decreased from 250 g/(kW·h) to 232 g/(kW·h) and low fuel consumption area moved to the normal working area of the engine, which verified the accuracy and effectiveness of the design method of valve train.

2017-06-27；

2017-10-18

国家高新技术研究发展计划(“863”计划)项目(2012AA111703)

任翠翠(1990—)，女，硕士，主要研究方向为发动机配气机构优化；rencuicui1217@126.com。

杨靖(1957—)，女，教授，博士生导师，研究方向为发动机性能优化与匹配；yangjing10@vip.sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.004

TK413.4

B

1001-2222(2017)05-0016-05

[编辑： 潘丽丽]