基于液压驱动气门的柴油机性能优化研究.pdf

第 5 期 总第 2 2 0期 2 0 1 5年 1 O月 车用发动机 VEHI CI E ENGI NE No． 5 Se r i a1 No ． 22 0 0c t ． 2O 15 基 于液压驱 动气 门的柴油机性 能优化研究 杨靖 。 ，陈 小强 ，刘 凯敏 。 ，马凯 ，邓华 。 ，马孝 勇 1 ．湖南大学汽车车身先进设计制造 国家重点 实验 室，湖南 长 沙4 1 0 0 8 2 ； 2 ．湖 南大 学先进动 力总成技 术研 究中心，湖 南 长 沙4 1 0 0 8 2 摘要 在某柴油机上将传统 凸轮驱动 气门机 构改进设计 为液压驱动 气 门机 构， 利 用仿真软 件 GT - P o w e r建立 液压驱动 气门粜油机模 型， 分析进 气滞后 角、 排 气提 前 角和 气门重 叠角对 柴油机 动力性 的影响， 然后 以扭矩 最大为 目标对 配气正时进行联 合仿 真优 化 ， 最后 对比两种 内部 E GR 实现 方法在 不 同负荷 下 的 E GR率和 对 NO 排放 量 的改善效 果。研 究结果表 明 ， 在外特性 下， 液压驱动气 门柴油机在 中低转速 时的动力性和 经济性有 了明显改善 ， 扭 矩比原机提 高了 5 ． 6 ， 燃 油消耗 率降低 了 5 ． 1 ； 但 由于液压 气 门响应滞 后 ， 随 着转速 的升 高， 改善 效 果逐 渐 降 低 。在转速 2 0 0 0 r ／ mi n时， 排气 门晚 关比排 气门早 关可以获得 更大的 E G R率 ， N 0 排 放量降 幅也 比排 气 门早 关 的 大， 在 5 O 负荷 时， NO 排放量 降幅最大为 2 3 ． 8 。 关键词 柴油机 ； 液压驱动气 门；配气相位 ； 废气 再循 环 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 2 2 2 2 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 0 7 中图分类号 U4 6 4 ． 1 2 2 文献标志码 B 文章编 号 1 0 0 1 2 2 2 2 2 0 1 5 0 5 0 0 3 7 0 7 新型节能环保发动机是国家“ 十二五” 重点支持 发展的新兴产业 ， 也是世界 汽车行业发展 的方 向。 因此 ， 世界各国的车企和研究单位正积极研究新技 术以生产出更加节能、 环保 、 高效的发动机。其 中， 可变气 门正 时系 统 VVT， Va r i a b l e Va l v e Ti mi n g 相对于传统机械凸轮轴机构能根据发动机的运行工 况对 气 门正 时和升 程 规 律 作 出及 时 调整 ， 改善 发 动 机动力性、 经济性和排放性能_ 】 ] ， 国内外许多高校和 科研单位对该项技术都相继展开了研究并取得了一 定 的进展 [ 2 。 ] 。按 照 驱 动 方 式 不 同 VVT 系 统 可 分 为 凸轮轴 式和 无 凸轮 轴 式 ， 其 中无 凸 轮 轴式 主要 采 用 电磁 、 电液 、 电气 等 方 式来 驱 动气 门 。 ] 。除 了能 达到 和凸 轮轴式 气 门机 构 一样 的效 果 以外 ， 无 凸轮 驱动气 门机构 还具 有 以 下优 点 1 气 门 的 布置 更 加 灵活 ， 可以根据燃烧室的实际形状布置气门位置 ， 使 发动机结构更加紧凑 ； 2 可 以通过实时调节进气 门 迟 闭角 来 改变发 动 机 的 有效 压 缩 比 ， 更 好 地 适 应 多 燃 料对 发 动机 不 同压 缩 比 的要 求_ 8 ] ； 3 可 以通 过 改 变排气 门关闭时刻实现发动机内部 E GR， 降低有害 气体的排放 ； 4 可以更加灵活地实现对任意时刻 的 气 门升 程 和气 门开启 持续 期 的控制 。 在 借 鉴 前 人经 验 的基 础上 ， 本 研 究 在 某 国产 直 列 4缸 、 2气 门柴 油 机上 改 进 设 计 了一 种 新 型 无 凸 轮液压驱动气门机构 ， 并利用软件仿真和 台架试验 对液压驱动气 门柴油机性能进行研究分析。 1 液压驱动配气机构简介 1 ． 1 工作 原 理 本研究设计的无凸轮液压驱动气门机构主要 由 传动皮带、 驱动轴 、 相位调节器 、 旋转 阀、 高压油泵 、 高压油管、 低压油管及气门液压缸组成。其 中旋转 阀包括旋转轴 和套筒两部分 见图 1 ， 旋转 轴上安 装 4个有出油孔的套筒 ， 旋转轴轴心有油路 ， 并且根 据发动机 4个气缸气门开闭顺序在旋转轴上沿圆周 方向依次钻 4个 出油孔 ， 出油孔两两之 间法向夹角 为 9 O 。 ， 4个套筒通过定位销 固定在一起 。旋转轴转 动， 套筒位置固定不动 ， 保证旋转轴上的 4个出油孑 L 能和 4个套筒上 的出油孔依次对应 。本设计共有 4个 旋转 阀组 件 ， 分 别 为 高 压 油路 旋 转 阀 a和 b ， 低 压油路旋转阀 C 和 d 。其 中旋转阀 a 、 4个气缸 的进 气门液压缸 和旋转阀 C通过管子连接在一起 ， 控制 4 个气缸进气 门的开启与关闭； 同样旋转 阀 b 、 4个 气缸 的排 气 门液 压 缸和旋 转 阀 d也 通过 管子 连接 在 一 起 ， 控制 4个 气 缸 排 气 门 的开 启 和 关 闭 。旋 转 轴 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 6 0 4 ； 修 回 日期 2 0 1 5 0 7 2 0 基金项 目国家高技术 研究发展计划 8 6 3 计划 项 目 2 0 1 2 AA1 1 1 7 0 3 ； 湖南省研究生科研创新项 目 C X 2 0 1 5 B 0 8 8 作者简介 杨靖 1 9 5 7 一 ， 女， 博 士生导 师， 主要研究方 向为发动机性能优化与匹配等 ； y a n g j i n g l 0 v i p ． s i n a ． c o rn。 车用发动机 2 0 1 5年 第 5期 通过 驱动轴 由发动机 曲轴 带动 旋转 。 液压油 图 1旋 转 阀组 件 整套 机 构 的工 作 原 理 见 图 2 图 中实 线 为 液 压 油流动方向， 虚线为控制信号传递方向 。从 图中可 知该机构的工作过程如下 液压泵在传动带 的带动 下将液压油泵出流入高压油路 ， 当高压油路连通 、 低 压 油路 关 闭时 ， 高压 液 压 油 流入 液 压 缸 并 驱 动缸 内 活塞使气门开启 ； 当高压油路和低压油路 同时关 闭 时， 高压液压油被封存于液压缸 内， 此时为气门保持 期； 当低压油路连通、 高压油路关闭时 ， 液压缸内的 液压 油经低 压 油路 流 人 油 箱 内 ， 气 门在 弹簧 的作 用 下 回位关 闭 ， 从 而 完 成 一 次气 门 的开 启 与关 闭 。当 发动 机 的转 速 发 生 变 化 时 ， 相 位 调 节 器 接 收 E C U 发出的控制信号， 带动旋转轴转动相应的角度 ， 从而 改变 液压 油流 进或 流 出液 压缸 的时 刻 ， 调 节 进 排 气 正时和气 门开启持续期 。相对 于常见 的电磁、 电磁 阀控制气 门系统 ， 本套液压驱动气门系统采用相位 调节器及旋转 阀来实现气门正时可变 。由于系统 中 采用 机 械控制 液 压油 路 的开 启 与关 闭 ， 而没 有 传 统 的电磁 控制装 置 ， 因此 可 以避免 液压油 温度 、 黏度 变 化对控制系统的影响 ， 以及外界环境振动、 冲击导致 的控制系统损坏 。 油箱 相位调节器 每 ＼ 高压油路旋转 阀、 低压油路旋转阀 ／ ／ 辛 液压缸及 气 门机 构 图 2 液压驱动气 门机构原理 1 ． 2 液 压 系统 计 算公式 本次设计气门升程与原机保持一致 。为保证气 门升程达到要求 ， 液压系统必须具有足够高的压力， 此 即为额 定压力 E 9 - 1 o ] 。由于 在做 功 冲程末 端 气 缸 内 还具 有较 高压 力 ， 排 气 门开 启 所 需 的液 压 油 压 力 比 进气 门 的大 ， 因此将 排 气 门开启 的液 压 油 压 力 作 为 额定压力 。液压系统的额定压力计算公式为 P 一 。 ． ． 。1 A p 式 中 P为液 压系统 额定 压力 ； a为系统 压力 损失 系 数 ； 为 系统安 全裕 度 ； A 为液压 缸活 塞面 积 ； k为 排 气 门弹簧 刚度 ； h ⋯ 为排气 门最 大升程 ； P 。 为排 气 门开 启时 刻缸 内压力 ； △ A 为 排气 门上 下两 端 面 面积 差 ； F 为排 气 门回位 弹 簧 预 紧力 ； 为往 复 运 动件 总质量 ， 包 括挺 柱 质 量 、 弹 簧 座 圈 质量 、 气 门 弹 簧质量 和排 气 门质 量 ； a为往 复 运 动 件加 速 度 。液 压缸活塞摩擦力忽略不计 。 取液 压 系统 的最 大工 作 流 量 为 额 定 流 量 。 。 额定流量应保证气门能够正常开启 ， 其计算公式为 △ Q 。 2 式 中 Q为液 压 系统额 定流量 ； 为 液压 系统 总 的流 量损 失 系数 ； S为 液压 缸活塞 行程 ； t 为液 压缸 活 塞 运 动时 间 。 为降低油路 中的压力波动， 稳压腔容积应满足 如 下公 式 V N V液 压 缸 。 3 式中 V为稳压腔容积 ； N为 1 rai n气门开闭次数 ； V液 压 缸为液压 缸容 积 。 2 台架试 验 本次试验采用 国产某 自然吸气柴油机， 其主要 技术参数见表 1 ， 主要试验设备见表 2 。 表 1 柴 油 机 主 要 技 术 参 数 型式 缸 径 ／ ram 行程／ ram 压缩比 排量／ I 标定功率／ k W 最大扭矩／ N I T I 燃油消耗率／ g k W h 进气提前角／ 。 进气滞后角／ 。 排气提前角／ 。 排气滞后角／ 。 直列 、 4缸 9 8 1 O5 1 7 ． 5 1 3 ．1 6 7 6 3 1 9 1 23 8 1 6 77 6 6 43 国 墙 2 0 1 5年 1 0月 杨 靖 ， 等 基于液压驱动气 门的柴油机性 能优 化研 究 表 2主要试验设备 交流 电力测功机 数据采集系统 油耗仪 排放测试仪 燃烧分析仪 AVL I ND YS 1 2 2 ／ o 2 2 5 - 1 B S - 1 AVL PUM A AVL 7 3 5 1 CST HORI BA M EXA一 7 1 0 0 D AVL 1 NDI S M ART 试 验 分别测 得 了原 机与 安装 液压 驱动 气 门机构 时的外 特 性数 据 ， 发 动 机转 速 从 1 2 0 0 r ／ rai n到 3 6 0 0 r ／ rai n 3 6 0 0 r ／ rai n为 发动 机标定 转 速 ， 间 隔 转速为 4 0 0 r ／ rai n 。测量参数包括发动机的功率 、 扭 矩 、 燃油消耗率 、 缸压等 。 图 3 示 出在配气相位不变 的情况下测得 的液压 驱动气 门柴油机外特性的扭矩和燃油消耗率与原机 的对 比。从 图中可 以看 出 ， 液 压 气 门 柴油 机 的扭 矩 在低 速 区 转速 小 于 2 0 0 0 r ／ mi n 和 高速 区 转 速 大 于 3 2 0 0 r ／ rai n 比原 机 扭矩 降低 了 0 ． 3 ～ 1 ． 4 ， 燃 油 消耗 率 比原机 的增 加 了 0 ． 3 ～ 2 ． 3 ； 在 中等 转 速 区 的扭 矩 比原 机增 加 了 0 ． 2 ～ 0 ． 6 ， 燃油 消 耗率 比原机降低了 0 ． 9 ～2 ． 1 。 、 J_ji L 粪 曩 ■ 篓 旨 ● Z 、 黾 1 2 o 0 1 6 o 0 2o o O 24 0 0 2 8 0 0 3 2 0 o 3 6 O O 转速 ／ r - ra i n 图 3扭 矩 和燃 油 消 耗 率 对 比 根据设计要求在软件 S i mu l a t i o n X中对液压驱 动气 门系统进行仿真计算 。选取柴油机常用工作转 速 1 6 0 0 r ／ mi n进行气门性能分析 。图 4示出转速 l 6 0 0 r ／ rai n时仿 真 计 算 得 到 的液 压 驱 动气 门柴 油 机 气 门升 程 和 原 机 的 对 比 。 由 图 可知 ， 改 进 设 计 的 图 4 1 6 0 0 r ／ rai n时 气 门升 程 液 压 驱动 气 门柴 油 机 的气 门 最 大 升 程 和 原 机 的 一 致 。图 5示出转速 1 6 0 0 r ／ mi n时仿真计算得到的 气 门流通 面积 的对 比 。 由图 中可 以看 出 ， 两 者 的气 门最 大流通 面 积也 基 本 一 致 ， 但 在换 气 过 程 中任 意 曲轴转角下 的液压驱动气 门的流通面积均比原机的 大， 其 中最大增幅为 3 6 ． 2 ， 时 间断 面丰满 系数 明 显 提 高 ， 气 门通 过能 力 大 。 吕 暑 ＼ 暄 霄 媛 图 5 1 6 0 0 r ／ rai n时 气 l ’ ] 流 通 面积 从 以上对 比可 以看 出 ， 液 压 驱 动气 门机 构 的 气 门性能比原机有所提高 ， 但在配气相位不变 的情况 下 ， 改进设 计 的液压 驱 动气 门柴 油 机 的动 力 性 和 经 济性在整个转速范 围内并未完全提高 ， 为了充分发 挥液压气门可变正时的优点， 提高发动机动力性和 经济性 ， 本研究借助一维仿真软件 G T P o we r 对液 压驱动气 门柴油机进行仿真优化 。 3 仿真优化 3 ． 1 仿 真模 型建 立及 校准 在 G T P o we r 软件 中建 立 原 机 模 型 ， 建 模 时 对 一 些 复杂 管道 进行 了简 化 处 理 ， 其 中燃 烧 模 型 采 用 韦伯 函数 ， 进 、 排气 流量 系数通 过搭 建气 道三 维模 型 并在 AVL F i r e 软件模拟中分析气道 内流动状况计 算得到 ， 计算结果见 图 6 。图 7示 出外特性下仿真 值与原机试验值的对比。从图中可看出， 功率、 扭矩 和燃油消耗率的仿真值与试验值的最大误差均小于 5 ， 两者 吻合 较好 ， 因 此 可 以认 为 建 立 的仿 真 模 型 达到要求的精度 ， 模型能够用于下一步的分析计算。 O- 8 O 6 n O 2 O O 2 4 6 8 1 O 气门升程／ ll l m 图 6流量系数 车用发动机 2 0 1 5年第 5期 、 ．Ij {L 羹 善 簦 斛 2 20 2 0 0 I 80普 1 6 0 1 40 1 2 0 l 2 o o l 6 0 0 20 0 0 2 4 0 0 2 8 0 0 3 2 o o 3 6 0 0 转速 ， r rai n 图 7仿真值与试验值对 比 在原 机仿 真模 型 的基 础 上 改 变进 排 气 门模 型 ， 并输入设计的液压气 门升程 ， 发动机其余结构参数 保 持不 变 ， 从 而建 立液 压驱 动气 门柴油 机仿 真模 型 。 由于改进 后 的液压 驱 动气 门柴油 机采 用 了与原 机相 同 的配 气相 位 ， 在 一 定 程 度上 阻碍 了柴 油机 性 能 的 提高 ， 因此需要对液压驱动气 门柴油机进行配气相 位 优化 。 图 8 示 出 液 压 驱 动 压 力 不 变 ，转 速 为 1 6 0 0 r ／ mi n 时不 同排 气 正 时 的气 门 升程 。图 中 曲 线 1 ， 2 ， 3的气 门开 启 时 刻相 同 ， 低 压 油 路 开启 时刻 分别为 3 0 7 。 ， 3 1 7 。 和 3 2 7 。 曲轴转角。由图可知 ， 在相 同的驱动压力下 ， 保持排气门的开启关闭速率和排 气 提 前角不 变 ， 改变 低压 油路 的开启 时刻 ， 气 门从 最 大升程处开始下降的时刻则不 同， 由此实现气门完 全关 闭时 刻 的不 同。 因此本套 系统 能够 实现气 门正 时可 变 ， 可 以对 配气 相位 进行 优化 。 图 8不 同低 压 油 路 开 启 时刻 的气 门 升程 3 ． 2 进 气滞 后 角对柴 油机 性能 的影 响 从 进 气下 止 点 至某 一 曲轴 转角 气 门关 闭 ， 在 这 段曲轴转角内 ， 活塞虽然已经上行， 但此时由进气 系 统 向缸 内流 动 的气 体 速 度仍 然 较 高 ， 适 当的 进气 滞 后 角 可 以利 用进 气 气 流 惯性 ， 实现 向气 缸 内过后 充 气 ， 增加新鲜充量。但过大的进气滞后角会使发动 机在 低速 区时 进气倒 流 至进气 管 ， 影响有 效压 缩 比 ， 从而降低压缩终 了温度。对于某一给定的发动机转 速 ， 只有 一个最 佳 进 气滞 后 角 ， 转 速 越 高 ， 最 佳 进 气 滞后 角也 就越 大 。在 外 特性 工 况 下 ， 以发 动 机 扭 矩 为 目 标 ， 对 进 气 滞 后 角 进 行 优 化 。 图 9 示 出 1 6 0 0 r ／ mi n 转速 下 进 气 滞 后 角对 发 动 机 扭 矩 的 影 响 。从 图 中可 以看 出 ， 随着 进 气 滞 后 角 的增 加 发 动 机 扭矩 呈 先 递 增 后 减 小 的 趋 势 ， 当 进 气 滞 后 角 为 1 4 。 曲轴 转角 时发 动机 的扭 矩达 到 最大 值 ， 比原机 扭 矩 提高 了 7 ． 4 7 。 图 9 进气 滞后 角对 扭矩 的影响 3 ． 3 排气 提前 角对 柴油 机性 能的影 响 当发动机转速一定时， 较小 的排气提前角会使 发动 机在 自由排气 阶 段 的膨 胀 损 失 减 小 ， 但 在 强 制 排气 阶段 推 出功损 失增加 ， 当排气 提前 角增 大时 ， 膨 胀损 失增 大 而推 出功 损 失 减 小 ， 因 此 在该 转 速 下 发 动机有一个最佳排气提前角， 使发动机的排气损失 最 小 。以同样 的优 化方 法对 发动 机 的排气 提前 角进 行 优化 。图 1 0示 出 1 6 0 0 r ／ rai n转速 下排 气提 前角 对发动机扭矩 的影响。由图可知， 当排气提前角为 2 0 。 曲 轴 转 角 时 发 动 机 的 扭 矩 达 到 最 大 值 1 8 3 ． 1 5 N m， 比原机扭 矩 提高 了 7 ． 3 6 。 量 ● Z 、 图 1 O排 气 提 前 角 对 扭 矩 的 影 响 3 ． 4气 门重 叠角对 柴油 机性 能 的影响 气门重叠角为排气滞后角与进气提前角之和 ， 原 机 在 全 转 速 范 围 内 采 用 了较 大 的 5 9 。 气 门 重 叠 角 ， 在 中高转 速时有 利 于改善 换气 效果 ， 提 高充量 系 数 ， 但在低转速时会导致缸 内新鲜充量和排气管 内 2 0 1 5年 1 0月 杨 靖 ， 等 基于液压驱动气 门的柴油机性 能优化研究 废 气 的倒 流 ， 发 动 机 动 力性 下 降 。以相 同 的方 法 分 析 气 门重 叠 角 对 液 压 驱 动 气 门 柴 油 机 动 力 性 的 影 响。在发动机转速为 1 6 0 0 r ／ mi n时 ， 随着气门重叠 角 的增 大 ， 发 动机扭 矩先 增大 后减 小 ， 当气 门重 叠角 为 3 0 。 时， 发动机扭矩达到最大值 ， 比原机扭矩提高 了 7 ． 3 4 见 图 1 1 。 图 1 1 气 门重 叠 角 对 扭 矩 的 影 响 3 ． 5 配气 相 位联 合优 化 以最大扭矩为优化 目标 ， 采用联合仿真优化的 方法 在全 转 速范 围 内对 发 动机外 特性 下 的进气 提前 角 、 进气滞后角、 排气提前角和排气滞后角 4 个变量 进行联合仿真优化 ， 以寻求各变量的最优值 。全转 速 范 围内配气 相位 优化 结果 见 图 1 2和 图 1 3 。 一 ～ j 盂 1 2 0o 1 6 00 2 o o o 24 0 0 2 80 0 3 2 oo 3 6 0o 转速 ／ r m i n 一 1 图 1 2提前 角优 化 图 1 3滞后角优化 将 仿 真 优 化 得 到 的 配 气 相 位 输 入 到 开 放 的 E C U 中 ， 通过 相位 调节 器 改变液 压 驱动 气 门柴 油机 的配气相位。试验测量配气相位优化前后液压驱动 气 门柴油 机和 原机 的性 能参 数 ， 对 比结 果见 图 1 4至 图 1 6 。图 1 7示 出转 速 1 6 0 0 r ／ mi n下 的进 气 质 量 流量 对 比 。 暑 ● Z ～ 霸 ● ● 犍 逛 是 簦 图 1 4功率对 比 1 2 【 x 】 1 6 0 0 20 0 0 2 4 0 O 2 8 0 0 3 2 0 0 3 6 0 0 转速 ， r m i n 图 1 5扭 矩 对 比 0 ．2 O 0 ． 1 5 O． 1 O 皿 删 0 ． 0 5 瞧 0 -0 ．O 5 一O． 1 O 图 1 6 燃 油消耗率 对比 一 _ V ， 1 8 O 3 6 0 5 4 0 7 曲轴转角／ 。 图 1 7 进 气 质 量 流 量 对 比 车用发动机 2 O 1 5年第 5期 从 对 比结果 来 看 ， 优 化后 的液 压 驱 动 气 门 柴 油 机各性能参数在 中低转速时较原机和优化前的液压 驱 动气 门柴 油机 均有 明显 改善 。其 中优化 后液 压驱 动气门柴油机的功率和扭矩变化趋势和原机基本保 持 一致 ， 在 中低 转 速 下 功 率 和 扭 矩 增 幅 在 4 ． 1 ～ 5 ． 6 之 间 ， 尤其 是 在低 转 速 下 有 了 较 大 的提 高 ， 在 高转速时功率和扭矩增幅较小 。这主要因为液压驱 动气门改善 了原机的换气过程 见图 1 7 ， 由于原机 进气提前角和进气滞 后角较大 ， 在进气 门打开时由 于缸内废气压力较大 ， 进气会 出现倒流； 在进气下止 点 后活 塞上 行某 一时 刻 ， 进 气 门还未及 时关 闭 ， 缸 内 新鲜气体倒流现象严重。采用液压驱动气 门并优化 配气相位后 ， 在进气提前和进气滞后 的曲轴转 角内 缸 内气 体倒 流 明显减 少 ， 充 量 系数增 大 ， 提 高 了发动 机 的动 力性 。在 高转 速时 由于 液压 系统 响应较 差 以 及 进气 阻力 增 大 ， 改善 效 果 不 大 。在 中低 转速 时燃 油消耗率比原机下降幅度在 3 ． 9 ～5 ． 1 之 间， 燃 油 经济 性得 到 明显改 善 ； 随着转 速增 加 ， 燃 油消 耗率 比 原 机 略 有 增 大 。 这 是 因 为 燃 油 消 耗 率 b 一 1 ／ q ， 其中指示热效率 。 主要取决于换气和燃烧 过程 ， 对配气相位进行优化后， 中低转速指示热效率 增大 ， 其次由于泵气损失减小 ， 发动机机械效率 叼 比原机 的有 所提 高 ， 因 此 在 中低 转 速 燃 油 消耗 率 比 原机显著降低； 在高速时 由于液压系统的响应滞后 导 致换 气效 果相 对较 差 ， 加 之燃 烧恶化 ， 因此燃 油 消 耗 率增 加 。 4 内部 E G R的研究 废 气再 循 环 E GR 可 以有 效 降低 柴 油 机 NO 排 放量 。通 过调 节排 气 门关 闭 时刻 可 以在 液压 驱 动 气 门柴 油机 上实 现 内部 E GR， 该方 法 结 构简 单 且成 本 较 低 。 本 研 究 以 柴 油 机 最 大 扭 矩 转 速 2 0 0 0 r ／ rai n 为例 ， 采用 两 种 方 法 来 实 现 内部 E GR 第 1 种方法是排气门早关 ， 早关 3 4 。 曲轴转角 ， 使一 部 分废 气残 留在气 缸 中， 参 与 到下一个 循 环 的燃 烧 ； 第 2种 方法 是排 气 门 晚关 ， 晚关 5 8 。 曲轴转 角 ， 使 排 气 管 中的一 部分废 气 回流 至 气 缸 内 ， 参 与 到下 一 个 循环的燃 烧。内部 E GR率 的计算 方法 参考 文献 [ 1 1 ] 。图 1 8和图 1 9分别示出转速 2 0 0 0 r ／ mi n时， 两种方法在不同负荷下的 E GR率和 NO 排放量 。 从 图 1 8可 以看 出 ， 方 法 2在各个 负荷 下较 方法 1可 以获得 更大 的 E GR率 。从 图 1 9可 以 看 出 ， 在 任 何 负 荷下 方 法 1和方 法 2的 NO 排 放 量 比原机 的均 有 所降低 ， 但 方法 2的 NO 排 放量 降 幅 比方 法 1的 大 ， 当负 荷 为 5 0 时 ， 方 法 2的 NO 降 幅 最 大 为 2 3 ． 8 。这是 由于 方法 2比方 法 1可 以获得较 大 的 E GR率 ， 降低 了混合气 中氧气 浓度 ， 同时提高混合 气的热容量， 降低最高燃烧温度 ， 进而对排放性能产 生作 用 。但 由于在 1 0 0 和 7 5 ％负荷 时废气 温度 相 对较 高 ， 使 得进 入气 缸 的新 鲜 充量温 度升 高 ， 因此 在 1 0 0 和 7 5 负荷时方法 l和方法 2的 NO 排放量 降幅相对较小 。 l 4 1 2 1 0 毒 薹6 4 2 0 1 6 _ 1 4 1 2 1 0 ∞ ＼8 釜 6 蚕 4 呈 2 O 1 o 7 5 5 0 负荷率 ／ ％ 图 l 8 不 同负荷下 的 E GR率 1 0 0 7 5 5 O 负荷率 ， ％ 图 1 9 不 同负荷下 的 NO 排放量 5 结 论 a 改 进设 计 的液 压 驱 动 气 门柴 油 机 和 原 机 相 比 ， 在 转速 为 1 6 0 0 r ／ rai n时 ， 气 门最 大 升程 和 最 大 流通 面积 不变 ， 但气 门流 通 面 积 比原 机 有 了显 著 提 高 ， 最 大增 幅 为 3 6 ． 2 ； b 在 GT P o we r 软 件 中建 立 液 压 驱 动 气 门柴 油机的一维仿真模型， 以最大扭矩为优化 目标 ， 对配 气正时进行联合优化 ， 结果表明在外特性下液压驱 动气 门柴 油机 的动 力性 和经济 性在 中低 转速 时较 原 机有了明显改善， 功率最大可提高 5 ． 6 ， 燃油消耗 率最大可降低 5 ． 1 ， 但 由于受 液压驱动气 门响应 的 限制 ， 在 高速 时改 善效果 较 弱 ； c 在液 压 驱 动 气 门柴 油 机 上对 排 气 门 早 关 和 晚关 两种 内部 E GR 实 现 方 法 进 行 对 比分 析 ， 在 转 速 2 0 0 0 r ／ mi n时 ， 排气 门晚关 在任 何 负荷下 都 可 以 2 0 1 5年 1 0月 杨靖 ， 等 基于液压驱动气 门的柴油机性 能优化研究 4 3 - 获得 较大 的 E GR率 ， NO 排 放 量 降 幅 也 比排 气 门 早关的大 ， 当负荷为 5 O 9 ／ 5 时， NO 排放量 降幅最大 为 2 3 ． 8 ； d 液压驱动气 门机构能实现气门正时可变并 且有效地改善原机性能， 但本研 究未对气 门落座冲 击 、 整套机构的可靠性和耐久性等问题作分析， 需要 在 以后 作进 一 步 的研 究 。 参考文献 E 1 3 [ 2 ] [ 3 ] E 4 3 周龙 保．内燃 机 学 [ M] ． 北 京 机 械 工业 出社 ， 2 0 0 5 5 7 5 8 ． 赵振峰 ， 黄英 ， 张付军 ， 等． 一种新型 电液驱动无 凸轮 配 气机 构特性研究[ J ] ． 内燃机 工程 ， 2 0 0 8 ， 2 9 6 2 4 2 6 ． Cha n Tai ． M o de l i ng a n d Co nt r ol of Ca ml e s s Eng i ne Va1 ve t r a i n Sy s t e ms。A Di s s e r t a t i on Su bmi t t e d i n Pa r - t i a l S a t i s f a c t i o n o f t he Re q ui r e me nt s f o r t he De gr e e D o c t o r o f P h i l o s o p h y i n Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g [ D] I Ca l i f o r ni a Uni ve r s i t y of Ca l i f or ni a， 2 00 2． 李红艳 ， 赵 雨 东． 发动机 无凸轮轴 气门驱动的研究 与进 展E J ] ． 车用发 动机 ， 2 0 0 1 2 1 - 4 ． r 5 ] As h h a b M S S，S t e f a n o 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a n gl e o n d i e s e l e ng i ne po we r pe r f or ma nc e we r e a na l yz e d，t he va l v e t i mi ng wa s op t i mi z e d a i mi ng a t t h e ma x i m u m ou t p ut t or q ue， a n d E GR r a t e a n d N0 e mi s s i o n u n d e