電磁驅(qū)動配氣機構發(fā)動機起動過程氣門運行策略研究＊

徐亞旋 劉梁 胡茂楊 常思勤

（南京理工大學，南京 210094）

主題詞：汽油機 發(fā)動機起動 電磁驅(qū)動配氣機構 氣門運行策略 聯(lián)合仿真

1 前言

為改善發(fā)動機的起動性能，傳統(tǒng)汽油機采用了較多的起動技術，包括起動機加強技術、帶傳動一體化起動/發(fā)電機（Belt-driven Starter Generator，BSG）起動技術和燃燒起動技術等。起動機加強技術通過使用增強型起動電機或常嚙合起動電機實現(xiàn)發(fā)動機快速起動[1]。BSG起動技術有利于降低起動過程的能耗，同時使起動過程的平順性達到混合動力汽車的水平[2]。燃燒起動技術通過直接向處于壓縮行程或膨脹行程的氣缸噴油和點火來提升轉(zhuǎn)速，起動時間縮短約50%[3]。然而，該起動方式控制較為復雜[3-4]，目前僅馬自達公司裝備了燃燒起動系統(tǒng)。

除采用上述方式外，配氣機構對改善起動性能也具有重要意義。發(fā)動機起動時，在起動電機拖動下轉(zhuǎn)速快速上升至點火轉(zhuǎn)速。然而，在拖動過程中，壓縮行程作用于活塞上的較高氣體壓力減緩了轉(zhuǎn)速的上升。柴油機因其較高的壓縮比使得這一現(xiàn)象更加明顯。因而，起動時降低有效壓縮比有利于改善發(fā)動機起動性能。在冷起動時，由于可變配氣機構液壓系統(tǒng)工作油壓尚未建立，難以在起動瞬間調(diào)節(jié)氣門正時。針對這類問題，Liu[5]等基于博格華納的雙峰相位調(diào)節(jié)器，在起動的第1個循環(huán)控制進氣門推遲關閉，實現(xiàn)有效壓縮比降低至3.5，從而改善起動振動問題。此外，Jacque[6]等研究的電動相位調(diào)節(jié)器克服了液壓相位調(diào)節(jié)器的不足，能夠在起動瞬間近似零轉(zhuǎn)速的情況下調(diào)節(jié)相位，從而降低起動過程中的有效壓縮比，實現(xiàn)快速起動。豐田公司和馬自達公司已經(jīng)將電動相位調(diào)節(jié)器應用于產(chǎn)品，在起動時控制電動相位調(diào)節(jié)器實現(xiàn)進氣門提前關閉來減少進氣量。相對于推遲關閉，該方式能夠進一步縮短起動時間[7]。

電磁驅(qū)動配氣機構（Electromagnetic Valve Train，EMVT）是一種新型的全柔性化配氣機構，能夠獨立、連續(xù)且實時地調(diào)節(jié)氣門運動參數(shù)[8]。本文基于EMVT提出一種起動過程氣門運行策略。避免發(fā)動機在拖動過程中經(jīng)歷壓縮行程，實現(xiàn)發(fā)動機快速起動。通過在GTPower 中建立發(fā)動機模型，與MATLAB/Simulink 聯(lián)合仿真實現(xiàn)對進、排氣門的實時控制，并在此基礎上研究所提出的起動過程氣門運行策略對發(fā)動機起動性能的改善效果。

2 EMVT全可變特性

自行研發(fā)的動圈式EMVT 具備高動態(tài)響應、緩氣門落座以及低功耗等特點[9-10]。目前，通過對原型機改裝，在缸蓋上完成了EMVT 安裝布置，并構建了EMVT發(fā)動機試驗臺架，如圖1所示。

圖1 EMVT布置情況和發(fā)動機試驗臺架

試驗研究表明：EMVT 能夠獨立、連續(xù)地調(diào)節(jié)氣門升程、氣門正時、過渡時間等參數(shù)[11-12]。本文應用EMVT這一優(yōu)勢，開展起動過程氣門運行策略研究。

3 起動過程氣門運行策略與發(fā)動機模型建立

3.1 起動過程氣門運行策略

在發(fā)動機起動時，通過可變配氣機構降低有效壓縮比，能夠縮短起動時間、降低能耗，但幅度有限。因而，如何進一步降低拖動過程中的氣缸壓力是實現(xiàn)快速起動的關鍵。本文基于全柔性化EMVT，提出一種起動過程氣門運行策略，實現(xiàn)拖動過程中缸內(nèi)壓力始終為大氣壓，從而避免氣缸經(jīng)歷壓縮行程，使轉(zhuǎn)速快速上升至點火轉(zhuǎn)速。氣門控制策略見圖2，起動后，控制進氣門開啟、排氣門關閉，發(fā)動機在起動電機拖動下轉(zhuǎn)速快速上升；當轉(zhuǎn)速達到目標轉(zhuǎn)速時，控制噴油和點火系統(tǒng)開始工作；首個做功氣缸完成進氣后，進氣門正常關閉，排氣門按相應的正時開啟和關閉。其他3個氣缸進、排氣門也采用同樣的控制方式，按點火順序依次過渡到正常工作。在此氣門運行策略下，各缸首次點火前避免了壓縮行程，最大程度地減緩起動阻力，使轉(zhuǎn)速快速平順上升。其中，從起動開始至首次點火的拖動過程稱為起動過渡階段。

圖2 起動過程氣門運行策略

對于本文研究的發(fā)動機，在活塞處于上止點時，若氣門開啟升程超過5 mm，則氣門將與活塞發(fā)生干涉?？紤]EMVT發(fā)動機試驗時的安全性，設定在上止點時氣門升程不超過4 mm。

3.2 發(fā)動機模型建立

發(fā)動機仿真模型基于1.8 L進氣道噴射汽油機試驗數(shù)據(jù)建立，發(fā)動機參數(shù)如表1 所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，在GT-Power中建立發(fā)動機一維仿真模型。

表1 發(fā)動機參數(shù)

摩擦模型采用Chen-Flynn 經(jīng)驗模型，平均有效摩擦壓力（Friction Mean Effective Pressure，F(xiàn)MEP）Fmep計算公式為：

式中，F(xiàn)con為平均有效摩擦壓力常數(shù)；Pcyl.max為缸內(nèi)最大壓力；cp.m為活塞平均速度；A為缸內(nèi)最大壓力系數(shù)；B為活塞平均速度系數(shù)；C為活塞速度平方系數(shù)。

缸內(nèi)傳熱模型采用Woschni模型，傳熱系數(shù)hc為：

式中，D為氣缸直徑；p為缸內(nèi)壓力；T為缸內(nèi)溫度；w為缸內(nèi)氣體平均速度。

燃燒模型采用EngCylCombSITurb 預測燃燒模型。該模型為分區(qū)模型，計算公式為：

式中，Me、ρu分別為未燃混合氣的質(zhì)量和密度；Ae為火焰前緣的卷吸表面積；ST、SL分別為湍流、層流火焰速度；Mb為已燃混合氣體的質(zhì)量；τ為時間常數(shù)；λ為泰勒微尺度。

不同轉(zhuǎn)速滿負荷下，發(fā)動機扭矩及有效燃油消耗量的仿真結(jié)果與原型機試驗數(shù)據(jù)對比如圖3 所示。由圖3可以看出，滿負荷工況下模型的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的最大誤差均不超過5%，可以滿足進一步計算研究的要求。

圖3 原型機仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

為分析基于EMVT 的起動過程氣門運行策略對發(fā)動機起動性能的提升效果，需在原型機模型基礎上建立EMVT 發(fā)動機模型。EMVT 發(fā)動機取消了節(jié)氣門，通過進氣門提前關閉控制進氣量。GT-Power 中提供了ValveSolSignalConn 模塊，該模塊通過邏輯信號0 和1 的切換，實現(xiàn)氣門的開啟和關閉。模型中根據(jù)試驗數(shù)據(jù)設置氣門開啟和關閉過渡時間。通過GT-Power 中的SimulinkHarness 模塊向MATLAB/Simulink 提供轉(zhuǎn)速、曲軸位置等信號，在MATLAB/Simulink中建立氣門控制系統(tǒng)，將氣門控制信號反饋給GT-Power，實現(xiàn)發(fā)動機起動過程的氣門運行策略。原型機模型和EMVT 發(fā)動機模型，環(huán)境溫度設為25 ℃，環(huán)境壓力設為0.1 MPa，模擬常溫常壓下的冷起動。

4 氣門運行策略對發(fā)動機起動性能的影響

起停系統(tǒng)已越來越廣泛地裝備于汽車。采用低成本增強型起停系統(tǒng)和BSG起停系統(tǒng)時，起動電機拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)速到達300 r/min 附近噴油點火[13]。強混合動力汽車由于頻繁起動，對起動舒適性提出了更高的要求。起動時，發(fā)動機在大功率電機作用下被快速拖動至怠速轉(zhuǎn)速附近噴油點火[14]，從而縮短了起動時間，同時，較高的點火轉(zhuǎn)速避免了混合氣加濃過程。圖4所示為本文模型中設定的6 種起動電機轉(zhuǎn)矩特性，其中轉(zhuǎn)矩特性1～3用于模擬低點火轉(zhuǎn)速時的起動電機轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩特性4～6用于模擬高點火轉(zhuǎn)速時的起動電機轉(zhuǎn)矩。

圖4 不同起動電機轉(zhuǎn)矩

仿真中，控制常規(guī)起動模型和基于EMVT的起動模型在相同起動轉(zhuǎn)矩作用下被拖動至相同的轉(zhuǎn)速后點火。通過對比起動過渡時間、起動能耗以及缸內(nèi)混合氣溫度等，分析基于EMVT的起動過程氣門運行策略對起動性能的提升效果。其中，基于EMVT的發(fā)動機起動模型進氣門升程為4 mm，仿真模型中設定從0.01 s 時刻起，起動電機拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)動。

4.1 起動過渡時間

圖5 所示為常規(guī)起動模型與基于EMVT 的起動模型在起動轉(zhuǎn)矩2和起動轉(zhuǎn)矩5作用下的轉(zhuǎn)速曲線。在低點火轉(zhuǎn)速時，常規(guī)起動方式與基于EMVT的起動方式首次點火時刻的轉(zhuǎn)速分別為292.7 r/min、289.3 r/min，近似相等。常規(guī)起動方式的進、排氣門由凸輪軸驅(qū)動，各缸交替完成四沖程，導致轉(zhuǎn)速呈波浪式上升?；贓MVT的起動方式，在各缸首次點火前控制進氣門開啟、排氣門關閉，避免壓縮行程，減小起動阻力，使轉(zhuǎn)速能夠快速、平順地上升。過渡時間由常規(guī)起動方式的646.3 ms縮短至543.5 ms。在起動轉(zhuǎn)矩5 作用下，高點火轉(zhuǎn)速起動時，常規(guī)起動方式與基于EMVT的起動方式首次點火時刻的轉(zhuǎn)速分別為794.5 r/min、829.6 r/min，過渡時間分別為318.4 ms、282.1 ms。可以看出，基于EMVT的起動方式在首次點火時刻轉(zhuǎn)速高出常規(guī)起動方式約35 r/min的情況下，過渡時間仍然小于常規(guī)起動方式。

圖5 不同起動轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)速曲線

4.2 起動過渡階段能耗

圖6所示為2種起動方式下過渡階段起動電機的功率，通過積分可得到過渡階段的能耗。在低點火轉(zhuǎn)速時，常規(guī)起動方式過渡階段能耗為642.2 J，基于EMVT的起動方式過渡階段能耗為581.9 J，較常規(guī)起動方式降低9.4%。盡管基于EMVT的起動方式在過渡階段的大部分時間內(nèi)功率大于常規(guī)起動方式，但更短的過渡時間使得其能耗更低。高點火轉(zhuǎn)速時，常規(guī)起動方式過渡階段能耗為1020.3 J，基于EMVT 的起動方式過渡階段能耗為998.8 J，較常規(guī)起動方式降低2.1%。相對而言，此時基于EMVT的起動方式能耗減少并不明顯，這主要是因為高出的約35 r/min點火轉(zhuǎn)速額外消耗了一部分能量。

圖6 過渡階段起動電機功率

4.3 缸內(nèi)混合氣溫度

發(fā)動機冷起動時，提高進氣溫度有利于混合氣霧化與燃燒，改善發(fā)動機排放性能[15]。圖7 所示為2 種起動方式下首循環(huán)4個氣缸在點火時刻的缸內(nèi)溫度。由圖7可見，與常規(guī)起動方式相比，基于EMVT 起動方式的4個氣缸點火時刻缸內(nèi)混合氣溫度均有所降低。其中，低點火轉(zhuǎn)速時下降約3 ℃，高點火轉(zhuǎn)速時下降約15 ℃。這主要是基于EMVT 的起動方式采用進氣門提前關閉來控制進氣量，有效壓縮比降低所致[16]。

圖7 首循環(huán)4個氣缸點火時刻的缸內(nèi)混合氣溫度

4.4 不同起動電機轉(zhuǎn)矩作用下起動性能變化

為確定基于EMVT 的起動過程氣門運行策略對起動性能的影響，在不同起動轉(zhuǎn)矩作用下對起動性能作進一步分析。圖8所示為2種起動方式在起動轉(zhuǎn)矩1和起動轉(zhuǎn)矩3作用下低點火轉(zhuǎn)速起動時的轉(zhuǎn)速曲線，圖9所示為2種起動方式在起動轉(zhuǎn)矩4和起動轉(zhuǎn)矩6作用下高點火轉(zhuǎn)速起動時的轉(zhuǎn)速曲線，點火時刻轉(zhuǎn)速、過渡時間以及過渡階段能耗如表2、表3所示。

圖8 起動轉(zhuǎn)矩1、3作用下2種起動方式轉(zhuǎn)速變化

圖9 起動轉(zhuǎn)矩4、6作用下2種起動方式轉(zhuǎn)速變化

表2 起動轉(zhuǎn)矩1、3作用下2種起動方式起動性能

表3 起動轉(zhuǎn)矩4、6作用下2種起動方式起動性能

由表2和表3數(shù)據(jù)可得：低轉(zhuǎn)速點火時，基于EMVT的起動方式過渡時間縮短約12.9%～23.8%、過渡階段能耗降低約8.7%～9.5%；高轉(zhuǎn)速點火時，基于EMVT的起動方式在點火轉(zhuǎn)速高出常規(guī)起動方式約35 r/min 的情況下，過渡時間縮短約10.2%～12.4%、過渡階段能耗降低較小。

5 進氣門升程對起動性能的影響

采用進氣門提前關閉方式控制進氣量導致缸內(nèi)混合氣溫度略有下降，不利于冷起動時混合氣的霧化，影響起動著火穩(wěn)定性和排放性能。針對這一不足，通過減小進氣門升程來增強氣體流動阻力，使氣體在進氣管道和氣缸間循環(huán)流動升溫。同時，減小進氣門升程減少了有效流通面積，提高氣體流速，有利于混合氣霧化[17-18]。針對本文提出的起動過程氣門運行策略，進一步分析進氣門升程對起動性能的影響。

以起動轉(zhuǎn)矩2 為例，在該起動轉(zhuǎn)矩作用下起動時，不同進氣門升程下的轉(zhuǎn)速如圖10所示。由圖10可見，進氣門升程從4 mm降低到1 mm后，首次點火時刻轉(zhuǎn)速略有下降，但可近似認為與常規(guī)發(fā)動機起動點火轉(zhuǎn)速相近。當進氣門升程減小至0.8 mm 和0.6 mm 時，如果仍在0.55 s 時刻附近點火，則點火轉(zhuǎn)速較低，這主要因為過小的氣門升程使氣體在進氣管道和氣缸間循環(huán)流動的阻力急劇變大，導致點火時刻轉(zhuǎn)速明顯下降。為了保證進氣門升程為0.8 mm和0.6 mm時可在相近的點火轉(zhuǎn)速下對比起動性能，推遲1個行程點火。表4所示為不同進氣門升程下點火時刻轉(zhuǎn)速、過渡時間以及過渡階段能耗，可以看出，當氣門升程為0.8 mm 和0.6 mm 時，推遲1個行程點火造成過渡時間和能耗明顯增加。

圖11所示為常規(guī)方式起動和基于EMVT 的氣門運行策略在不同進氣門升程下起動時，首循環(huán)4個氣缸點火時刻缸內(nèi)溫度的變化情況。由圖11 可見，隨著進氣門升程的減小，溫度逐步上升。為平衡過渡時間、過渡階段能耗以及點火時刻缸內(nèi)溫度，將基于EMVT的氣門運行策略起動時進氣門升程設定為1 mm。與常規(guī)起動方式相比，過渡時間縮短15.6%，過渡階段能耗降低8.5%，首循環(huán)點火時刻缸內(nèi)平均溫度略有提高。對于環(huán)境溫度較低的冷起動，進氣門升程可以進一步減小，以犧牲起動時間和起動能耗來獲得較高進氣溫度，保證發(fā)動機順利起動。

圖10 不同進氣門升程下起動的發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化

表4 不同進氣門升程下起動性能對比

圖11 首循環(huán)4個氣缸點火時刻缸內(nèi)混合氣溫度

6 結(jié)束語

本文基于EMVT 提出了一種發(fā)動機起動過程氣門運行策略，通過GT-Power 與MATLAB/Simulink 聯(lián)合仿真分析該氣門運行策略對起動性能的影響。結(jié)果表明，提出的起動策略能夠有效縮短起動時間、降低能耗。針對進氣門提前關閉造成缸內(nèi)溫度下降的不足，采用減小進氣門升程的方法提高缸內(nèi)混合氣溫度，但過低的進氣門升程會導致起動時間及能耗增加。通過綜合考慮起動過渡時間、起動過渡階段能耗和缸內(nèi)混合氣溫度，能夠確定該起動策略中合適的進氣門升程。