发动机进气门晚关对于进气过程的影响研究

摘 要：进气门晚关系统可以活塞上行的压缩过程中仍然保持进气门开启，使一部分气体排出缸外，从而降低进气量和降低有效压缩比。研究了不同的进气门晚关角度对于进气量的影响规律，研究结果表明进气门关闭越迟，活塞上行过程中排出的气量越多，相同进气压力下的进气量越少。同时，在相同的进气门晚关角度条件下，不同的气门型线，对于进气量的影响也有差异，气门晚关过程中的气门升程越高，活塞上行过程中排出的气量也越多。

关键词：发动机 进气门晚关 进气过程

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

可變气门定时可以实现进气门早关或者晚关，可以实现可变压缩比，改变混合气的密度和压力，从而对燃油的自燃过程产生影响，燃烧温度得到控制，使得NOx排放大幅降低。可变技术可以有效控制缸内的温度、压力变化历程，从而实现对化学特征时间的控制，有效降低柴油机主要排放物。此外，降低有效压缩比还可以利用保证较大的膨胀比，实现米勒（Miller）循环，提高热效率。

日本的Daisuke Kawano等人[1]设计了进气门晚关机构，他们在单缸发动机上研究了进气门晚关正时等对于发动机进气量、点火和燃烧控制的影响。Yutaka Murata等人[2]在相似的发动机上通过模拟进气增压，并通过仿真进行机理研究。实验结果显示通过进气门晚关系统降低了进气量，同时也降低了压缩上止点温度。进气门晚关的作用表现为燃烧路径[3]的改变，由于燃烧路径的改变，进而改变了缸内燃烧过程。

对于重载柴油机的进气门晚关，Ryan M. Nevin，Rolf D. Reitz等人[4]，用在进气门关闭时刻使进气门额外开启一段时间的方法实现进气门晚关，研究证明了进气门晚关措施的好处：进气量降低，缸内温度、压力明显降低。而在保持进气流量不变的情况下，NOx排放大幅降低，而PM排放基本不恶化。国外很多关于新概念燃烧理论的研究及可变气门系统的研究都显示了进气门晚关对于降低排放的潜力[5-9]。

国内高校和研究机构对于可变气门的结构和对于缸内燃烧过程的影响进行了研究。天津大学的苏万华教授对于进气门晚关系统进行了系统研究[10-15]，表明其对于发动机进气过程和燃烧过程有重要影响。山东大学的谢宗法教授对于全可变气门结构也进行了很多研究[16-17]，证明了柴油发动机上进行进气门全可变的可能性，但对于发动机整体的研究较少。

进气门晚关系统对于发动机的工作过程有重要影响，本文将重点分析不同关闭定时和不同型线对于发动机进气过程的影响规律。

2 模型搭建及标定

在一台潍柴WP12发动机上，搭建了进气门晚关系统和两级增压系统，系统结构如图1所示。根据发动机实际系统图，搭建了GTPOWER仿真模型，并通过实测的正常气门关闭时刻的实验数据和进气门晚关后的实验数据对仿真模型进行了校准，确保模型满足计算要求[18]。

3 不进气门晚关定时对于进气量的影响

图5是计算所采用的不同进气门关闭曲线，气门关闭角度分别为-90°CA、-65°CA和-55°CA。由于实际硬件结构的原因，气门型线不完全一致，但在活塞下行段的曲线差异不大，最高升程的差异也不会对进气速率造成很大影响，主要区别体现在活塞上行阶段，即主要区别是气门的晚关角度不同。

计算结果显示，在活塞下行阶段，各气门型线对应的进气速率一致，尽管型线略有差异进气速率也略有差异但差异很小，主要却别再活塞上行阶段的气流返流阶段。如图6所示。

如图7、8是分别为2bar和3bar进气压力下，不同进气门关闭定时，在活塞上行阶段，由于进气门开启造成的进气反向流动情况。结果显示在同一进气压力下，进气门关闭越迟，返流气体量越多，则进气量相应越少。不同进气压力下趋势完全相同，只是更高的进气压力下，返流气体的质量流率更大，这是因为较大进气压力下进入缸内的气体更多，缸内压力较大引起。

计算缸内平均温度的结果见图9、10。进气门关闭越迟，进气量越少，压缩阶段的温度越低，燃烧后期由于热熔较小而放热量相同导致缸内平均温度升高。进气压力大缸内平均温度相对低，也使因为进气量大热熔变大的原因。

缸压是进气量和缸内温度的直接反映如图11、12，缸压随着进气门关闭推迟，有效压缩比降低，进气量减少，缸压明显降低，压缩阶段缸内温度较低。不同进气压力下的趋势完全相同，只是缸压绝对值有差异。

4 同一定时不同型线对于进气量的影响

选取了四种可实现气门型线进行仿真研究，如图13所示，每组气门型线都具有相同的气门开启角度和气门关闭角度，但气门型线的路径不同。

在活塞上行阶段，升程最低的是原机气门型线，这时气门升程很低，马上过度到气门关闭位置，起缓冲作用，这时基准型线。其次是单阶段型线，这是由IVCA结构的单阶段回油过程实现的型线，该型线能够实现气门关闭定时的延迟，但延迟阶段的升程较低，对于气流返流的阻力更大。再次是IVCA结构两阶段回油实现的型线称为（IVCA型线），该型线将气门关闭型线平滑延伸并实现气门的延时关闭，且气门型线再延迟阶段的行程较高。最高的是电磁阀型线，是由额外电磁阀控制实现的气门的二次抬起，叠加到原气门型线上实现的型线。

以下计算对应发动机转速1600转/分，进气压力3.0bar，缸压计算结果如图14，每循环返流气体质量如图15所示。结果显示，原气门型线缸压最高，此时的返流气体质量可以忽略，说明在此工况下，原机气门型线的设计原则是尽可能增加进气量。其次是单阶段回油缸压最高，接近原气门型线对应的缸压，从返流气体质量上也可以看到，该型线造成的返流气体质量也较少。IVCA型线和电磁阀型线的返流气体质量较多，缸内剩余气体较少，故缸压也较低，尤其是电磁阀型线对于气量的影响最明显。说明在相同进气门晚关角度下，在活塞下行阶段，气门型线的差异对进气速率的影响不大，而在活塞上行阶段，气门型线对于返流气体质量和缸压影响很大，且此阶段的气门升程越高，返流气体质量越多，对应的缸压也越低。

5 结论

本文在实际发动机试验系统的基础上，搭建了对应的GTPOWER仿真模型，并选取了几种进气门晚关型线，进行了仿真研究，已研究进气门晚关系统对于发动机进气过程的影响规律，并深入分析了进气门晚关导致的瞬态返流气体的速率和流量，主要研究结论有

1，进气门晚关系统可以活塞上行的压缩过程中仍然保持进气门开启，使一部分气体排出缸外，从而降低进气量和降低有效压缩比。

2，研究了不同的进气门晚关角度对于进气量的影响规律，研究结果表明进气门关闭越迟，活塞上行过程中排出的气量越多，相同进气压力下的进气量越少。

3，在相同的进气门晚关角度条件下，不同的气门型线，对于进气量的影响也有差异，气门晚关过程中的气门升程越高，活塞上行过程中排出的气量也越多。

参考文献：

[1]Daisuke Kawano，Hisakazu Suzuki et al. Ignition and Combustion Control of Diesel HCCI，SAE paper 2005-01-2132.

[2]Yutaka Murata， Jin Kusaka， Achievement of Medium Engine Speed and Load Premixed Diesel Combustion with Variable Valve Timing，SAE paper 2006-01-0203.

[3]Xin He and Russell P. Durrett， Late Intake Valve Closing as an Emissions Control Strategy at Tier 2 Bin 5 Engine-Out NOx Level，SAE paper 2008-01-0637.

[4]Ryan M. Nevin， Yong Sun， Manuel A. Gonzalez D. and Rolf D. Reitz， PCCI Investigation Using Variable Intake Valve Closing in a Heavy Duty Diesel Engine， SAE paper 2007-01-0903.

[5]Hanho Yun and Mark Sellnau， Development of Premixed Low-Temperature Diesel Combustion in a HSDI Diesel Engine， SAE paper 2008-01-0639.

[6]Yong Sun， Shi-Jin Shuai， et al. Numerical Simulation of Mixture Formation and Combustion of Gasoline Engines With Multi-Stage Direct Injection  Compression Ignition （DICI）， SAE paper 2003-01-1091.

[7]Takeda Y， Nakagome K， Niimura K. Emission characteristics of premixed lean diesel combustion with extremely early staged fuel injection. SAE Paper， 1996，961163.

[8]Nakagome K， Shimazaki N， Niimura K， et al. Combustion and emission characteristics of premixed lean diesel combustion engine. SAE Paper， 1997，970898.

[9]Yutaka Murata， Jin Kusaka and Yasuhiro Daisho， Miller-PCCI Combustion in an HSDI Diesel Engine with VVT， SAE paper 2008-01-0644.

[10]戰强，苏万华.滑阀-液压式进气门晚关机构的设计和研究，中国内燃机学会燃烧节能净化分会2010年学术年会;2010.08，723-727.

[11]刘二喜;战强;邬斌扬，等.进气门晚关与两次喷射协同作用对柴油机中转速中等负荷的影响《内燃机学报》2014年第06期.

[12]韩志强，战强，苏万华，等.进气门晚关机构与增压系统在中等负荷的优化匹配[J].农业机械学报，2013，44（3）：17-23.

[13]苏万华，鹿盈盈，于文斌，等.柴油机高密度-低温燃烧的数值模拟[J].燃烧科学与技术，2010，16（3）：191-198.

[14]韩志强、苏万华、战强，等.涡轮端旁通阀开度对增压柴油机排放和热效率的影响，中国内燃机学会燃烧节能净化分会2010年学术年会;2010.08，459-463.

[15]战强.重载柴油机可变气门系统的开发及实验研究：[博士学位论文]，天津;天津大学，2012年.

[16]谢宗法，秦嘉，王志明，等.全可变气门机构中的液压压力波动现象[J].内燃机学报，2011，29（5）：455-460.

[17]谢宗法，王岩，王志明，等.全可变液压气门机构的气门运动特性[J].内燃机学报，2011，29：169-174.

[18]韩志强.两级增压系统参数选择以及对燃烧过程的影响研究：[博士学位论文]，天津;天津大学，2012年.