基于可變壓縮比技術(shù)的均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)研究

張超+王自勤+田豐果+陳家兌

摘 要：近期，均質(zhì)壓燃技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究較多的一種新型燃燒方式。較高的熱效率、極低的NOx及PM排放使得這種技術(shù)的應(yīng)用前景十分樂(lè)觀。但均質(zhì)壓燃技術(shù)著火燃燒的過(guò)程主要受燃料與空氣反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)所控制，只能通過(guò)間接方式控制著火時(shí)刻控制及燃燒過(guò)程，故著火時(shí)刻控制成為均質(zhì)壓燃技術(shù)能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵?？勺儔嚎s比技術(shù)能夠有效解決著火時(shí)刻控制的問(wèn)題，本文提出了一種液壓容積調(diào)節(jié)可變壓縮比機(jī)構(gòu)，能夠有效控制氣缸內(nèi)壓縮比，進(jìn)而控制均質(zhì)壓燃著火時(shí)刻，使這一領(lǐng)域的研究更為深入。并建立此機(jī)構(gòu)的三維模型及動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)此機(jī)構(gòu)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：可變壓縮比機(jī)構(gòu)；可變連桿；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；動(dòng)力學(xué)分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.187

0 引言

當(dāng)前，全球汽車保有量不斷增加，然而能源日趨匱乏，排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，因此研發(fā)節(jié)能、清潔和高效的內(nèi)燃機(jī)具有重要意義[1]。均質(zhì)壓燃（HCCI，Homogeneous Charge Compression Ignition）作為一種全新的燃燒技術(shù)，被認(rèn)為是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的一個(gè)重大進(jìn)步[2]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明其優(yōu)點(diǎn)是：①可以同時(shí)保持較高的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性；②可同時(shí)降低NOX和PM [3]。

目前HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)還不夠成熟，尚待解決的主要技術(shù)難題主要有：著火時(shí)刻和燃燒速率的控制；高負(fù)荷下功率輸出不足；發(fā)動(dòng)機(jī)變工況運(yùn)行的適應(yīng)性；發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)；多缸機(jī)各缸均勻性的保證等。針對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)存在的技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)解決方案主要有：可變壓縮比（VCR）；EGR（廢氣再循環(huán)）；雙模式運(yùn)行等[4]。上述各種難題解決的關(guān)鍵因素是對(duì)混合氣成分、溫度和壓力的控制，其中溫度的控制尤為重要，故可變壓縮比技術(shù)是解決HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)難題最主要的有效手段之一[5]。精確、適時(shí)、連續(xù)、各缸獨(dú)立可調(diào)的可變壓縮比技術(shù)突破意味著HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的突破，其意義非常重大。

1 可變壓縮比機(jī)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì)

本文考慮到設(shè)計(jì)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，研究中用三維CAD軟件來(lái)構(gòu)造其幾何模型，本文選用SolidWorks三維建模軟件對(duì)其進(jìn)行模型的建立[6]。

本文提出的可變壓縮比機(jī)構(gòu)主要是對(duì)傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的改良。此曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞、連桿和曲軸等三大部件組成，其中連桿的結(jié)構(gòu)改動(dòng)最大，對(duì)連桿的建模極其重要。

圖1為連桿組三維模型的剖面圖，連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，此連桿相較于傳統(tǒng)連桿的改變很大。由圖可以看出，偏心擺動(dòng)支架與發(fā)動(dòng)機(jī)連桿小端孔連接并可以繞發(fā)動(dòng)機(jī)連桿小端孔中心擺動(dòng)，偏心擺動(dòng)支架的左、右兩側(cè)分別通過(guò)左、右連桿與左、右油缸中的左、右活塞連接；在左、右油缸的油路中設(shè)置有截止閥，截止閥底部設(shè)置的彈簧控制其關(guān)閉油壓。通過(guò)控制流入發(fā)動(dòng)機(jī)外部的容積調(diào)節(jié)器油缸的油液容積，相當(dāng)于控制了從發(fā)動(dòng)機(jī)連桿內(nèi)流出的油液容積，就可以控制油液在兩個(gè)相互聯(lián)動(dòng)的具有確定流量差的左油缸和右油缸中的容積，從而控制左活塞和右活塞的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏心擺動(dòng)支架旋轉(zhuǎn)位置的控制，進(jìn)而控制連桿的有效長(zhǎng)度，達(dá)到對(duì)壓縮比的連續(xù)可變調(diào)節(jié)及控制的目的。

2 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的建立

曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為該可變壓縮比系統(tǒng)的主要組成部分，其動(dòng)力學(xué)特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、壽命、噪聲等有很大的影響。因此本文對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力性能研究，論證該機(jī)構(gòu)的可行性。

動(dòng)力學(xué)模型建立的一般步驟是：首先建立機(jī)構(gòu)三維幾何模型，并確定其質(zhì)量特性和材料特性參數(shù)，然后將三維模型及特性參數(shù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式輸?shù)蕉囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件中（本文運(yùn)用ADAMS軟件），最后將各部分模型按相互裝配及運(yùn)動(dòng)關(guān)系連接起來(lái)，并定義起其所受的載荷、驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律[7]。

運(yùn)用上述技術(shù)路線，對(duì)該曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型的建立。

給定不同的曲軸轉(zhuǎn)速，運(yùn)行ADAMS軟件就可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析。對(duì)不同條件下的計(jì)算結(jié)果按需要進(jìn)行導(dǎo)出、分析，就可以分析系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性。

3 仿真結(jié)果分析

隨曲軸轉(zhuǎn)速的變化，活塞系統(tǒng)所受慣性力變化范圍較大，需對(duì)不同轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)調(diào)節(jié)的可行性分別進(jìn)行分析。

圖中，橫坐標(biāo)表示曲軸轉(zhuǎn)角。其中：曲軸轉(zhuǎn)角為-90°—0°階段，為排氣過(guò)程的后半程階段；0°位置對(duì)應(yīng)進(jìn)氣階段活塞處于上止點(diǎn)位置；180°對(duì)應(yīng)進(jìn)氣階段活塞處于下止點(diǎn)位置；360°位置對(duì)應(yīng)壓縮階段活塞處于上止點(diǎn)位置?？v坐標(biāo)表示活塞系統(tǒng)的加速度。

圖2為曲軸轉(zhuǎn)速為1000 rpm 時(shí)活塞系統(tǒng)所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力變化曲線。圖中可見：由于轉(zhuǎn)速較低，慣性力較小，在進(jìn)氣行程及壓縮行程的前段，活塞系統(tǒng)所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力較小，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)適當(dāng)?shù)耐獠抗┯蛪毫ψ饔孟?，可以?duì)連桿內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)油，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理所述的調(diào)節(jié)第一階段工作要求；在活塞壓縮的中、后階段隨著活塞系統(tǒng)所受壓力加大，系統(tǒng)將按系統(tǒng)原理所述的調(diào)節(jié)第二階段條件工作，完成第二階段的調(diào)節(jié)動(dòng)作。因此當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為1000 rpm 時(shí)，本項(xiàng)目提出的調(diào)節(jié)要求可以實(shí)現(xiàn)。

圖3為曲軸轉(zhuǎn)速為3000 rpm 時(shí)活塞系統(tǒng)所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力變化曲線。圖中可見：隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，慣性力也進(jìn)一步加大，在排氣行程的后段及進(jìn)氣行程的前段，活塞系統(tǒng)所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力為正值，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)外部供油壓力作用下，可以對(duì)連桿內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)油，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理所述的調(diào)節(jié)第一階段工作要求；在進(jìn)氣行程的后段及壓縮行程的前段，活塞系統(tǒng)所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力為負(fù)值，系統(tǒng)將按系統(tǒng)原理所述的調(diào)節(jié)第二階段條件工作，完成第二階段的調(diào)節(jié)動(dòng)作。因此當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為3000 rpm 時(shí)，本項(xiàng)目提出的調(diào)節(jié)要求可以實(shí)現(xiàn)。

圖4為曲軸轉(zhuǎn)速為4000 rpm 時(shí)活塞系統(tǒng)所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力變化曲線。圖中可見：隨著轉(zhuǎn)速提高到4000 rpm，慣性力急劇加大，雖然從排氣行程的后段到壓縮行程的前段，其受力趨勢(shì)與前面較低轉(zhuǎn)速情況相似，也能完成調(diào)節(jié)的第一及第二階段條件工作，但在壓縮行程的后段，約在曲軸轉(zhuǎn)角300°附近，活塞系統(tǒng)所受到的慣性力和活塞端面受到的氣體壓力的合力將再次出現(xiàn)正值，這將導(dǎo)致按系統(tǒng)原理所述的調(diào)節(jié)第二階段條件工作已經(jīng)關(guān)閉的左截止閥被再次打開。顯然這將導(dǎo)致系統(tǒng)工作的混亂，工作不可靠。因此本系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高速工況不適應(yīng)。

綜合上述分析可見，本課題提出的連續(xù)可變壓縮比的方法在低于3000 rpm 時(shí)，可以進(jìn)行壓縮比的調(diào)節(jié)及鎖定。而發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)只能保持鎖定狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)?？紤]到車用發(fā)動(dòng)機(jī)的一般工作需要及該可變壓縮比方法期望用于HCCI的控制目的，對(duì)于一般發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷，中、低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，采用HCCI燃燒模式，而高速時(shí)采用傳統(tǒng)燃燒模式是可行的。

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立液壓調(diào)節(jié)可變壓縮比機(jī)構(gòu)的三維模型和該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可以得出，在發(fā)動(dòng)機(jī)處于中低轉(zhuǎn)速和部分載荷時(shí)，該機(jī)構(gòu)能有效地進(jìn)行連桿長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，也即是壓縮比能按要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠適用于均質(zhì)壓燃技術(shù)，能夠有效地控制均質(zhì)壓燃著火時(shí)刻。但在高轉(zhuǎn)速時(shí)，需轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)燃燒模式。對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷，中、低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，采用HCCI燃燒模式，而高速時(shí)采用傳統(tǒng)燃燒模式是合適的，所以此機(jī)構(gòu)能夠在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊麗紅，孫華文.HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（05）.

[2]鐘紹華.內(nèi)燃機(jī)均質(zhì)壓燃（HCCI）的建模和試驗(yàn)研究[D].華中科技大學(xué)，2006.

[3]吳宏偉.二甲醚HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)多區(qū)模型模擬及試驗(yàn)研究[D].華中科技大學(xué)，2007.

[4]汪映，周龍保，蔣德明.均質(zhì)充量壓縮燃燒方式的研究進(jìn)展及存在問(wèn)題[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2002（05）：6-9.

[5]辛木.HCCI——一種大有前途但又面臨諸多挑戰(zhàn)的清潔汽車技術(shù)[J].交通世界：運(yùn)輸車輛，2012（02）：102-107.

[6]趙麗英.內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究[D].天津大學(xué)，2004.

[7]Golec K，Pesic R，Veinovic S.The concept of the variable compression ratio engine as a versatile solution for Otto and Diesel[J].IEEE.2004.

基金項(xiàng)目：發(fā)動(dòng)機(jī)液壓容積調(diào)節(jié)式連續(xù)全可變配氣系統(tǒng)（省基金：黔科合LH字[2014]7626）；

高速?gòu)?fù)雜機(jī)械-液壓傳動(dòng)系統(tǒng)壓力波動(dòng)機(jī)理及抑制研究（校人才基金2015[50]）

作者簡(jiǎn)介：張超（1990-），男，山東人，碩士研究生，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)及CAE技術(shù)。