车用汽油机停缸时循环功耗研究

2019-02-15胡茂杨常思勤陆佳瑜徐亚旋

中国机械工程 2019年1期

胡茂杨常思勤刘梁陆佳瑜徐亚旋

南京理工大学机械工程学院，南京，210094

0 引言

停缸技术能够有效地提高发动机部分负荷下的燃油经济性[1-3]。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固定可分为两类，一类是模式固定的停缸，如V8-V4、V6-L3；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，美国福特公司研究表明[4]，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，循环功耗较低。MEGLI等[5]研究表明，停缸过程中开启非工作气缸进气门或排气门，同样也有利于降低循环功耗。MILLO等[6]基于MultiAir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，否则易造成尾气富氧。对于间歇停缸技术，ZHAO等[7]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，设计了不同发动机停缸模式[8-9]，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，从而改善换挡品质。文献[10]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、双弹簧的技术方案[11]。德国FEV公司[12]、法国Valeo公司[13]、美国密歇根大学[14]等都研制出了具有代表性的电磁驱动配气机构样机。清华大学[15]、浙江大学[16]等对双电磁铁双弹簧型的技术方案进行了相关的仿真与试验研究。天津大学[17]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一种可行的途径。SHIAO等[18]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。俞晓璇[19]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出了滞留废气、滞留空气、排气门常开3种间歇停缸方案，分析了不同控制参数对3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配气机构(图1，已在缸盖上完成了试验研究)，它具备高响应、缓气门落座以及低功耗等特点[20-22]。

图1 电磁驱动配气机构样机Fig.1 Prototype of the EMVT

电磁驱动配气机构单个执行器内部结构示意图见图2，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。试验时驱动电压为24 V，电流采用闭环控制，开启8 mm时峰值电流约为7.5 A，采用频率为10 kHz。位移传感器有效量程为10 mm，精度为0.005 mm。图3为试验所得曲线，由图3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。

图2 电磁直线执行器内部结构Fig.2 The inside structure of the EMVT

图3 测试电流和升程Fig.3 Current and valve lift of the test

1.2 模型验证

基于1.8 L四缸样机，在GT-Power中建立了一维发动机仿真模型，主要参数见表1。传热模型选用WoschniGT，传热系数

hc=3.26D-0.2p0.8T-0.55w0.8

(1)

式中，D为气缸直径,m；p缸内压力,kPa；T为缸内温度,K；w为缸内气体平均速度,m/s。

表1 发动机参数

摩擦模型采用Chen-Flynn经验模型，平均有效摩擦压力(FMEP)

(2)

式中，FC为平均有效摩擦压力常数部分；pCyl，max为缸内最大压力；vp,m为活塞平均速度；A为缸内最大压力系数；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值和试验值设定。在不同转速满负荷下，仿真结果与样机试验数据对比见图4，仿真数据与试验数据吻合度较高，误差小于3%。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。GT-Power中提供了ValveSolSignalConn模块，该模块通过逻辑信号0或1控制,当信号在0和1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。

图4 发动机仿真与试验对比Fig.4 Comparison of simulated results andexperimental results for prototype engine

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空气。根据文献[23]设定停缸循环最低压力不低于0.02 MPa。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，上止点时气门开启升程不超过4 mm可避免气门与活塞干涉。

2.2 方案

根据上述要求提出了3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，进排气门升程曲线见图5。其中，TDC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终开启，废气被反复吸入排出，缸内压力在0.1 MPa附近变化，同样也避免了机油倒吸的可能。

图5 停缸气门方案示意图Fig.5 The schematic diagrams of CDA valve strategies

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，分析停缸循环功耗与摩擦功耗。图5中除了做功循环的压缩行程和做功行程外，其余6个行程的缸内压力均受气门升程和开启关闭正时影响，这里定义单个气缸在此6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。本节将分析所提出的3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。

选取工况点如下：转速为1 600 r/min，工作气缸负荷率70%(该负荷为1 600 r/min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

图6所示为滞留废气方案循环功耗和最低压力。由图6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。最低压力也相应地随着排气门关闭时刻推迟而减小。图7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。

图6 滞留废气方案循环功耗和最低压力Fig.6 The cycle’s energy losses and minimum in-cylinder pressure for trapped exhaust gas strategy

图7 滞留废气方案停缸循环平均有效摩擦压力Fig.7 The friction mean effective pressure for trapped exhaust gas strategy

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最低压力0.02 MPa确定，约在302°CA关闭。在停缸循环末排气门约在300°CA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

图8所示为滞留空气方案循环功耗和最低压力。由图8可见，进气门关闭时刻提前有利于降低循环功耗和最低压力。图9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。

图8 滞留空气方案循环功耗和最低压力Fig.8 The cycle’s energy losses and minimum in-cylinder pressure for trapped fresh air strategy

图9 滞留空气方案停缸循环平均有效摩擦压力Fig.9 The friction mean effective pressure of deactivated cycle for trapped fresh air strategy

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1 mm，在435°CA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，允许的最大气门升程为4 mm。图10所示为排气门升程由4 mm减小至1 mm过程中，停缸循环功耗和最低压力。由图10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低，但远大于0.02 MPa。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，即可避免机油倒吸。图11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程4 mm时，对应的功耗最小；开启小升程对应的停缸循环功耗大。

图10 排气门常开方案循环功耗和最低压力Fig.10 The energy losses of cylinder and minimum in-cylinder pressure for exhaust valve opening strategy

图11 排气门常开方案停缸循环平均有效摩擦压力Fig.11 The friction mean effective pressure deactivated cycle for exhaust valve opening strategy

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

由第3节分析得到了3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，应尽量降低停缸循环功耗。图12所示为不同工况下3种停缸方案循环功耗和摩擦功耗，图中摩擦功耗为总摩擦功耗的1/4，用以表示单个气缸分担的摩擦功耗。由图12可见，在3种工况下，滞留废气方案和排气门常开4 mm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，同时该方案可避免缸内压力过低，因此确定排气门常开4 mm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缸，保证工作气缸处于最优经济性区域。图13所示为1 600 r/min下，排气门常开方案对经济性的改善情况。平均有效压力(brake mean effective pressure，BMEP)等于0.2 MPa时，有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption，BSFC)降低约20.7%。随着负荷的增加，经济性改善程度逐渐降低。在BMEP为0.4 MPa时，停缸对经济性的提升与进气门早关(early intake valve closing，EIVC)策略接近。因此当BMEP小于0.4 MPa时，采用停缸提高经济性；反之，采用EIVC控制负荷。

(a)n=1 600 r/min，工作气缸负荷率70%

(b)n=1 200 r/min，工作气缸负荷率68%

(c)n=1 200 r/min，工作气缸负荷率48%图12 不同工况下3种停缸方案总功耗Fig.12 Total energy losses of three CDA strategies under different operating conditions

图13 排气门常开停缸方案对经济性改善Fig.13 Fuel economy benefits achieved by exhaust valve opening strategy

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时获得，本文以1 mm升程为例分析其最大功耗。

图14所示为3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和。由图14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常开(1 mm)方案。

(a)n=2 000 r/min

(b)n=2 400 r/min图14 3种停缸方案累计总功耗Fig.14 Accumulative energy losses of three CDA valve strategies

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0.3 s为例，平均转速2 000 r/min和2 400 r/min下对应的循环数分别为5和6。由图14可见，2 000 r/min停缸5个循环时，排气门常开(1 mm)方案累计总功耗接近高负荷的滞留废气方案。2 400 r/min停缸6个循环时，排气门常开(1 mm)方案累计总功耗远大于其他方案。在这段时间内，排气门常开(1 mm)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。