HCCI汽油機(jī)小包角凸輪型線設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

1、設(shè)計(jì)開發(fā)HCC I 汽油機(jī)小包角凸輪型線設(shè)計(jì)及試驗(yàn)3朱紅國謝輝趙華(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072摘要:利用內(nèi)部高溫殘余廢氣加熱新鮮充量是實(shí)現(xiàn)均質(zhì)壓燃或可控自燃的一種行之有效的方式。本文為了滿足高內(nèi)部殘余廢氣率的需要,重新設(shè)計(jì)具有小持續(xù)角的特殊進(jìn)、排氣凸輪軸,詳細(xì)給出了設(shè)計(jì)方法和應(yīng)注意的問題。在R icardo Hydra 140單缸機(jī)上利用新設(shè)計(jì)開發(fā)的凸輪軸進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)的小包角凸輪能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定壓燃燃燒,為開展詳細(xì)的汽油HCC I 燃燒實(shí)驗(yàn)研究提供條件。關(guān)鍵詞:內(nèi)部EGR 凸輪型線均質(zhì)壓燃汽油機(jī)中圖分類號(hào):TK413.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-

2、0630(200501-0015-04D esi gn and Exper i m en ts of Cam Prof ile w ith S ma llW rapAngle for HCC I Ga soli n e Eng i n esZhu Hongguo,X i e hu i ,Zhao HuaState Key Lab of Engines,Tianjin University (Tianjin 300072Abstract:Heating fresh inlet charge thr ough internal high te mperature exhaust gas is an

3、 effective and feasible way t o realize gas oline fuel HCC I combusti on .It is necessary t o design a s pecial ca m shaft with s mall wrap an 2gle ca m p r ofile f or enough inter EGR rate .This paper p resents the design method and s ome key points .The experi m ents of R icardo Hydra 140single -c

4、ylinder engine show that steady HCC I combusti on can be achieved thr ough the ne w -design ca m shafts fixed .Keywords:I nternal EGR,Ca m p r ofile,HCC I,Gas oline engine前言汽油燃料均質(zhì)充量壓燃或可控自燃(HCC I/CA I 燃燒由于沒有火花點(diǎn)火火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的高溫火焰面區(qū),并且可以去掉節(jié)氣門,因此具有同時(shí)降低油耗和排放的巨大潛力,近年來受到內(nèi)燃機(jī)界的廣泛關(guān)注。汽油實(shí)現(xiàn)HCC I/CA I 燃燒必須首先克服其壓燃著火的困難,

5、目前國際上提出了諸如進(jìn)氣加熱、雙燃料、外部或內(nèi)部EGR 和提高壓縮比等多種實(shí)施方法,其中利用內(nèi)部EGR 加熱新鮮充量實(shí)現(xiàn)壓燃著火,被認(rèn)為是一種最具實(shí)用價(jià)值的方法1。實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR 最現(xiàn)實(shí)的方法就是排氣門早關(guān)配合進(jìn)氣門晚開,形成進(jìn)、排氣門的重疊負(fù)角,把一定量的高溫殘余廢氣留在缸內(nèi),加熱新鮮充量,實(shí)現(xiàn)HCC I 燃燒。EGR 率是決定穩(wěn)定壓燃著火的重要因素,EGR 率越大,留在缸內(nèi)的高溫殘余廢氣越多,新鮮充量被加熱的溫度就越高,尤其在小負(fù)荷時(shí),需要高的EGR 率。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的壓燃著火,EGR 率的取值范圍一般為40%80%14。EGR 率的大小也決定了新鮮充量的大小,因此EGR 率也可用于HCC

6、 I 燃燒負(fù)荷的控制。為了獲得足夠的EGR 率,需要較大的氣門重疊負(fù)角。常規(guī)火花點(diǎn)火汽油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)由于氣門升程較大,氣門開啟持續(xù)角較大,如果直接用于實(shí)現(xiàn)大的重疊3基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目資助(課題編號(hào):2001CB209204作者簡介:朱紅國(1977-,男,碩士,主要研究方向?yàn)槠蜋C(jī)均質(zhì)壓燃。第34卷第1期2005年2月小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車S MALL I N TERNAL COMBUSTI O N ENGI N E AND MOT ORCYCLE Vol .34No .1Feb .2005負(fù)角,必然引起氣門定時(shí)的混亂。為了避免這個(gè)問題,本文提出了一種小包角配氣凸輪軸方案。這種小包

7、角凸輪軸通過在一定范圍內(nèi)調(diào)整配氣相位,可簡單有效地獲得所需要的內(nèi)部EGR率調(diào)整范圍,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的壓燃著火燃燒。這種小包角凸輪軸的成功設(shè)計(jì),不僅可解決HCC I實(shí)驗(yàn)單缸機(jī)的關(guān)鍵問題,為HCC I燃燒實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ),同時(shí)也為未來HCC I產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸設(shè)計(jì)提供極有價(jià)值的設(shè)計(jì)參考。本文詳細(xì)給出了小包角凸輪的設(shè)計(jì)依據(jù)、設(shè)計(jì)思想及其在單缸試驗(yàn)機(jī)上運(yùn)行的效果。1凸輪型線設(shè)計(jì)1.1開啟持續(xù)角的選擇方案的確定根據(jù)先前的研究結(jié)果,為了使缸內(nèi)燃油和空氣的混合物能夠壓縮到足以穩(wěn)定自燃的溫度(大約為1000K左右,內(nèi)部EGR率一般應(yīng)在40%80%以上14。為了達(dá)到如此高的殘余廢氣率,需要將排氣門關(guān)閉角大幅度提前,

8、提前到原來的20%60%。傳統(tǒng)汽油機(jī)排氣門的開啟時(shí)刻(EVO一般在下止點(diǎn)前,排氣門的關(guān)閉時(shí)刻(EVC在上止點(diǎn)后,其持續(xù)角一般約為220240A。由于排氣門開啟角不能大幅度提前,否則導(dǎo)致在下止點(diǎn)前過早開始排氣而造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失。因此,大幅度提前排氣門關(guān)閉角獲得大EGR率的同時(shí)必須縮短排氣門開啟持續(xù)角,其取值根據(jù)所需要的EGR率計(jì)算獲得。由于內(nèi)部EGR的存在,進(jìn)氣量相對(duì)減小,因此進(jìn)氣門的持續(xù)角也相應(yīng)減小。1.2緩沖段的選擇根據(jù)目前較常用的緩沖段型線的特點(diǎn)、工作段型線的類型和以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),本次采用的是等加速等速型線形式?；谥挥卸我陨系那€才能與基圓相切,所以升程曲線由拋物線(等加速段和直線(

9、等速段組成5。其中上升段和下降段的緩沖段采用對(duì)稱設(shè)計(jì)。等加速等速型緩沖曲線表達(dá)式如方程(1和(2:等加速段h1=0.0004632(012°(1等速段h2=-0.06667+0.011111(12°24°(2此等加速等速曲線緩沖段與高次多項(xiàng)式工作段銜接很平滑,連接點(diǎn)上升程對(duì)轉(zhuǎn)角的一階、二階、三階導(dǎo)數(shù)均連續(xù),且二階以上導(dǎo)數(shù)均為零,因此機(jī)構(gòu)的沖擊和噪音較小。1.3基本工作段的選擇和設(shè)計(jì)本文選擇了五項(xiàng)式(包括常數(shù)項(xiàng)高次方凸輪來重新改造設(shè)計(jì)原來的凸輪型線,根據(jù)所給定的氣門開啟持續(xù)角,利用如下公式計(jì)算型線:h t=h max+C p x p+C q x q+C r x r+

10、C s x s(3這里hmax基本段的凈升程(不包括緩沖段的升程,冪次數(shù)p、q、r、s均為正整數(shù),Cp,C q,C r,C s為待定系數(shù),具體采用如下方程計(jì)算:C p=-h max srq+v R(sr+sq+rq-s-r-q+1(s-p(r-p(q-pC q=-h max srq+v R(sr+sp+rq-s-r-p+1(s-q(r-q(p-qC r=-h max sqp+v R(sq+sp+qp-s-q-p+1(s-r(q-r(p-rC s=-h max rqp+v R(rq+rp+qp-r-q-p+1(r-s(q-s(p-s(4式中:vR=-v0B,其中v0是緩沖段終點(diǎn)挺柱速度,是凸輪軸

11、的角速度。上升段:x=1-B(0B下降段:x=B-1(B2B其中B為基本段的半包角。1.4參數(shù)的選擇設(shè)計(jì)時(shí),比較各組不同值得出方程頂點(diǎn)曲率、最小曲率、時(shí)面值、豐滿系數(shù)、最大正負(fù)加速度值,選出一組頂點(diǎn)曲率、最小曲率、時(shí)面值、豐滿系數(shù)盡可能大,而最大負(fù)加速度盡可能小的一條型線(這些參數(shù)的計(jì)算公式參見文獻(xiàn)5。通過對(duì)各參數(shù)試算,最終得出較為滿意的凸輪型線。通過計(jì)算可以知道,在較小的包角下,限制凸輪最大升程的主要因素不是最大正負(fù)加速度,而是凸輪鼻部(最高點(diǎn)曲率半徑,凸輪頂點(diǎn)的曲率半徑不能太小或者是負(fù)值,這樣將導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床無法加工凸輪型線,這就使小包角下的最大許可升程很小。而此升程下的最大正、負(fù)加速度與傳

12、統(tǒng)的凸輪軸比并不大。由于汽油機(jī)的均質(zhì)壓燃燃燒只能在中低轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn),本研究按照發(fā)動(dòng)機(jī)在3000r/m in來計(jì)算凸輪的各個(gè)參數(shù),表1是設(shè)計(jì)凸輪軸的主要基本參數(shù)。圖1為新設(shè)計(jì)的凸輪型線和原發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪型線的對(duì)比,圖中升程和持續(xù)角都較小的是新設(shè)計(jì)的進(jìn)、排氣凸輪型線,通過調(diào)整進(jìn)、排氣門的相位,重疊負(fù)角可在0220A調(diào)整,這樣的凸輪型線可以獲得足夠大進(jìn)、61小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車第34卷排氣的重疊負(fù)角,使高溫廢氣殘留在缸內(nèi),實(shí)現(xiàn)汽油的壓燃著火。表1小包角凸輪主要特征參數(shù)參 數(shù)進(jìn)氣凸輪排氣凸輪基圓半徑/mm 3434最大升程/mm1.71.5緩沖段的包角/(°2424緩沖段終點(diǎn)的升程/mm 0.20.

13、2緩沖段終點(diǎn)的速度/m s -10.10.1上升工作段包角/(o 3027.5下降工作段包角/(o 3027.5豐滿系數(shù)0.55670.5575最小負(fù)加速度/m s -2-416.47-428.37最大正加速度/m s -21046.641073.53凸輪鼻部曲率半徑/mm2.021. 7圖 1凸輪升程圖2應(yīng)用試驗(yàn)將新設(shè)計(jì)的凸輪軸加工后安裝于R icardo Hydra 140單缸機(jī)。該單缸機(jī)可以手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣門的配氣相位。發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表2所示:表2單缸試驗(yàn)機(jī)參數(shù)缸徑86.00mm 行程86.00mm 排量0.5L 壓縮比10.44標(biāo)定轉(zhuǎn)速6000r/m in試驗(yàn)過程中保持進(jìn)氣溫度為20

14、,冷卻水溫為80和機(jī)油溫度為55。在保持進(jìn)氣門相位不變的前提下,節(jié)氣門全開通過調(diào)整排氣門關(guān)閉角,獲得不同的內(nèi)部EGR 率。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速8003000r/m in 范圍內(nèi),在沒有任何進(jìn)氣加熱的情況下均實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的壓燃著火燃燒。圖2和圖3為排氣門關(guān)閉角(EVC 分別為270A 和277A 時(shí)的示功圖。圖中共有4條示功圖曲線,分別為火花塞點(diǎn)火三種點(diǎn)火提前角和不點(diǎn)火的情況。從圖中可以看出,無論火花塞是否點(diǎn)火,或者火花點(diǎn)火提前角大幅度改變,其示功圖均完全重合,這表明,缸內(nèi)已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的壓燃燃燒,火花點(diǎn)火已沒有任何作用。與圖2相比,圖3的排氣門關(guān)閉角從270A 推遲到277A ,示功圖峰值從2.3MPa 增

15、加到3.2MPa 。這表明,推遲排氣門關(guān)閉角,使內(nèi)部EGR 率減小,新鮮充量增加,可以獲得更高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。圖21000r/m in 時(shí)示功圖圖31500r/m in 時(shí)示功圖本研究還設(shè)計(jì)了幾種不同持續(xù)角和不同升程的凸輪軸,并開展了詳細(xì)的汽油均質(zhì)壓燃研究,限于篇幅,將在另文中詳述。71第1期朱紅國等:HCC I 汽油機(jī)小包角凸輪型線設(shè)計(jì)及試驗(yàn)3結(jié)論1 為了使汽油燃料實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的壓燃著火,需要較高的內(nèi)部殘余廢氣率,簡單有效的方法就是縮短排氣門持續(xù)角,并使排氣門提前關(guān)閉。2小包角凸輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵不是正、負(fù)加速度,而是凸輪鼻部(最高點(diǎn)曲率半徑。3試驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)的小包角凸輪成功實(shí)現(xiàn)了汽油壓燃著火燃燒,為

16、HCC I 汽油機(jī)的工程化應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。參考文獻(xiàn)1Aar on Oakley,Hua Zhao,and N icos Ladommat os,Tom Ma .D iluti on Effects on the Contr olled Aut o -I gniti on (CA I Combusti on of Hydr ocarbon and A lcohol FuelsA ,S AE Pa 2perC 2001-01-36062Jeff A llen and Don Law ,Variable Valve Actuated Contr olledAut o -I gniti on:S

17、peed Load Map s and Strategic Regi m es of Operati onA ,S AE PaperC 2002-01-04223Lucien Koopmans,Hans Str om,Staffan Lundgren,OveBacklund,I ngemar Denbratt,De monstrating a SI -HCC I -SI Mode Change on a Volvo 5-Cylinder Electr onic Valve Con 2tr ol EngineA ,S AE PaperC 2003-01-07534H.Zhao,Z .Peng,J

18、.W illia m s,N.Ladommat os .Under 2standing the Effects of Recycled Burnt Gases on the Con 2tr olled Aut oigniti on (CA I Combusti on in Four -Str oke Gas 2oline EnginesA ,S AE PaperC 2001-01-36075尚漢冀.內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用M .上海:復(fù)且大學(xué)出版社,1988(收稿日期:2004-08-20(上接第12頁體的位置,設(shè)置了兩個(gè)導(dǎo)向輪。電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定,經(jīng)過減速器后,轉(zhuǎn)盤正好每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)60次,這樣,就可

19、以通過累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間計(jì)算出累計(jì)試驗(yàn)次數(shù)。當(dāng)然也可以在轉(zhuǎn)盤上安裝一個(gè)計(jì)數(shù)器 。圖5節(jié)氣門體耐久試驗(yàn)裝置表1為用該試驗(yàn)裝置對(duì)一個(gè)F A I 電噴系統(tǒng)所用的節(jié)氣門體進(jìn)行耐久試驗(yàn)的結(jié)果舉例。在開始試驗(yàn)前和200萬次試驗(yàn)結(jié)束后,測量了節(jié)氣門板全關(guān)閉狀態(tài)的漏氣量,分別為0.8m 3/h 和1.1m 3/h,證明該節(jié)氣門體磨損量不大,完全滿足要求。試驗(yàn)過程中,大約每20萬次進(jìn)行一次裝車試驗(yàn),表中給出了試驗(yàn)測得的各種參數(shù),包括怠速TPS 采樣值、怠速TPS 信號(hào)穩(wěn)定性、平均怠速轉(zhuǎn)速等?？梢?怠速轉(zhuǎn)速變化很小,怠速TPS 信號(hào)穩(wěn)定性也始終保持OK,但怠速TPS 采樣值有逐漸變小的趨勢(試驗(yàn)過程中沒有調(diào)節(jié)過怠速螺釘,這可能是因?yàn)門PS 的磨損,也可能是因?yàn)榈?/p>