基于凸轮液压驱动可变气门的汽油机停缸技术研究

作     者：张汾滨 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：解方喜

授予年度：2024年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：汽油机 液压可变气门机构 停缸技术 停缸策略 扭矩波动 

摘      要：随着全球能源问题日益突出,减少能源消耗、降低汽车尾气排放已成为各国政府和汽车制造商的共同目标。停缸技术可以有效降低发动机在低负荷工况下的油耗,减少燃料的使用,从而减少温室气体和污染物的排放。特别是在城市交通环境中,停缸技术的应用能有效降低汽车油耗,在动力性和经济性之间取得平衡。在柴油机领域,由于其气缸一般较多和缸压较高等特点,停缸技术的研究较为广泛,而在小排量汽油机领域,国内外对停缸技术的探索相对较少。此外,简单而可靠的执行机构对于实现停缸技术的应用和试验至关重要,这样的机构不仅需要能够有效地执行停缸操作,还必须具备足够的稳定性和可靠性,以确保停缸技术在各种工况下的可行性和实用性。 因此本文基于课题组前期提出的基于凸轮液压驱动可变气门机构技术方案,针对一台四缸汽油机进行了适应性优化设计及搭载测试,实现了进气门与排气门升程的连续调控,完成试验台架搭建,验证了气门机构的稳定性和准确性。同时以固定停缸和循环停缸策略为研究对象,以减小扭矩波动和提高燃油经济性为目标,对发动机停缸技术展开研究,主要研究工作及结论如下: (1)基于四缸机气门倾角、气门间的间隔及火花塞等在缸盖上的布置特性,采用分体式的设计思路对凸轮液压驱动可变气门机构进行了重新适应性设计与开发,并在缸盖上搭载安装及建立相应气门运动规律倒拖测试试验台架,研究结果表明通过节流阀调控可实现进排气门升程和开启关闭时刻的连续可变,气门最大升程偏差在0.77%以内。此外,还建立了四缸汽油机液压可变气门机构的Simulink模型以及与发动机GT-Power相结合的Simulink联合仿真平台,为进一步研究停缸技术提供了可靠的平台基础。 (2)在上述可变气门机构的基础上,采用联合仿真的方式,开展四缸汽油机停缸时相应气门运行策略研究。提出了三种停缸循环气门运行策略,控制进气门升程(排气门升程为零)、控制排气门升程(进气门升程为零)和同时控制进排气门升程。仿真分析发现控制进气门升程策略只有在进气门升程小于最大值40%时可以改善燃油消耗率,最多为2.3%。控制排气门升程策略总体策略燃油消耗率都小于不停缸状态,但在排气门升程大于最大值40%时有机油倒吸的风险。同时控制进排气门升程策略在进排气门都开的情况下尾气氧含量出现大于1%的情况,会影响三元催化器的效率。在进排气门都关情况下缸内气体质量越小,燃油消耗率越小,且对燃油经济性的改善比前两种策略更好。综合考虑最优策略为进排气门全关。 最优停缸循环气门运行策略选定后,考虑做功循环和停缸循环转换时的气门运行策略,根据滞留气体种类分为滞留废气和滞留空气两种策略,对比滞留废气策略和滞留空气策略,扭矩波动改善效果差别不大,但是转换阶段滞留废气策略功耗小,所以综合选择滞留废气策略。 (3)在固定停缸策略基础上根据循环停缸时各个气缸停缸时刻是否都相等分为两种循环停缸策略,一种是每个气缸的停缸时刻都相同,停缸起始点进排气门状态一致。第二种是每个气缸的停缸时刻不同,停缸起始点进排气门的状态不一致。两种循环停缸策略都会导致进气压力激增并且波动变大,也会增大扭矩波动,但总体差别不大,其中停缸时刻相同的策略压力波动和扭矩波动都较小,且策略总体比较平稳。所以综合考虑停缸时刻相同策略较好。 (4)循环停缸策略都有效降低了传热损失和泵气损失,在相同停缸率不同停缸策略下,停缸时刻相同策略有效功和其他损失与停缸时刻不同策略相差不大,但是传热损失增高,排气损失减小。