基于可变压缩比技术的均质压燃发动机动力学研究

张超+王自勤+田丰果+陈家兑

摘 要：近期，均质压燃技术成为国内外专家学者研究较多的一种新型燃烧方式。较高的热效率、极低的NOx及PM排放使得这种技术的应用前景十分乐观。但均质压燃技术着火燃烧的过程主要受燃料与空气反应的化学动力学所控制，只能通过间接方式控制着火时刻控制及燃烧过程，故着火时刻控制成为均质压燃技术能否广泛应用的关键。可变压缩比技术能够有效解决着火时刻控制的问题，本文提出了一种液压容积调节可变压缩比机构，能够有效控制气缸内压缩比，进而控制均质压燃着火时刻，使这一领域的研究更为深入。并建立此机构的三维模型及动力学模型，运用动力学分析，对此机构的可行性进行了验证。

关键词：可变压缩比机构；可变连杆；机构设计；动力学分析

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

0 引言

当前，全球汽车保有量不断增加，然而能源日趋匮乏，排放法规越来越严格，因此研发节能、清洁和高效的内燃机具有重要意义[1]。均质压燃（HCCI，Homogeneous Charge Compression Ignition）作为一种全新的燃烧技术，被认为是发动机燃烧技术的一个重大进步[2]。实验数据表明其优点是：①可以同时保持较高的动力性和燃油经济性；②可同时降低NOX和PM [3]。

目前HCCI發动机技术还不够成熟，尚待解决的主要技术难题主要有：着火时刻和燃烧速率的控制；高负荷下功率输出不足；发动机变工况运行的适应性；发动机冷起动；多缸机各缸均匀性的保证等。针对HCCI发动机存在的技术问题，现解决方案主要有：可变压缩比（VCR）；EGR（废气再循环）；双模式运行等[4]。上述各种难题解决的关键因素是对混合气成分、温度和压力的控制，其中温度的控制尤为重要，故可变压缩比技术是解决HCCI发动机技术难题最主要的有效手段之一[5]。精确、适时、连续、各缸独立可调的可变压缩比技术突破意味着HCCI发动机技术的突破，其意义非常重大。

1 可变压缩比机构三维模型设计

本文考虑到设计的曲柄连杆机构较为复杂，研究中用三维CAD软件来构造其几何模型，本文选用SolidWorks三维建模软件对其进行模型的建立[6]。

本文提出的可变压缩比机构主要是对传统曲柄连杆机构的改良。此曲柄连杆机构由活塞、连杆和曲轴等三大部件组成，其中连杆的结构改动最大，对连杆的建模极其重要。

图1为连杆组三维模型的剖面图，连杆的结构设计是整个系统功能实现的关键，也是该系统设计的重点，此连杆相较于传统连杆的改变很大。由图可以看出，偏心摆动支架与发动机连杆小端孔连接并可以绕发动机连杆小端孔中心摆动，偏心摆动支架的左、右两侧分别通过左、右连杆与左、右油缸中的左、右活塞连接；在左、右油缸的油路中设置有截止阀，截止阀底部设置的弹簧控制其关闭油压。通过控制流入发动机外部的容积调节器油缸的油液容积，相当于控制了从发动机连杆内流出的油液容积，就可以控制油液在两个相互联动的具有确定流量差的左油缸和右油缸中的容积，从而控制左活塞和右活塞的位置，实现对偏心摆动支架旋转位置的控制，进而控制连杆的有效长度，达到对压缩比的连续可变调节及控制的目的。

2 机构动力学模型的建立

曲柄连杆机构作为该可变压缩比系统的主要组成部分，其动力学特性对整个系统运行的可靠性、寿命、噪声等有很大的影响。因此本文对曲柄连杆机构进行动力性能研究，论证该机构的可行性。

动力学模型建立的一般步骤是：首先建立机构三维几何模型，并确定其质量特性和材料特性参数，然后将三维模型及特性参数通过标准数据转换格式输到多体系统动力学分析软件中（本文运用ADAMS软件），最后将各部分模型按相互装配及运动关系连接起来，并定义起其所受的载荷、驱动运动规律[7]。

运用上述技术路线，对该曲柄连杆机构进行动力学模型的建立。

给定不同的曲轴转速，运行ADAMS软件就可以对系统运动过程进行仿真分析。对不同条件下的计算结果按需要进行导出、分析，就可以分析系统的运动学、动力学特性。

3 仿真结果分析

随曲轴转速的变化，活塞系统所受惯性力变化范围较大，需对不同转速下系统调节的可行性分别进行分析。

图中，横坐标表示曲轴转角。其中：曲轴转角为-90°—0°阶段，为排气过程的后半程阶段；0°位置对应进气阶段活塞处于上止点位置；180°对应进气阶段活塞处于下止点位置；360°位置对应压缩阶段活塞处于上止点位置。纵坐标表示活塞系统的加速度。

图2为曲轴转速为1000 rpm 时活塞系统所受到的惯性力和活塞端面受到的气体压力的合力变化曲线。图中可见：由于转速较低，惯性力较小，在进气行程及压缩行程的前段，活塞系统所受到的惯性力和活塞端面受到的气体压力的合力较小，在调节系统适当的外部供油压力作用下，可以对连杆内部进行补油，实现系统原理所述的调节第一阶段工作要求；在活塞压缩的中、后阶段随着活塞系统所受压力加大，系统将按系统原理所述的调节第二阶段条件工作，完成第二阶段的调节动作。因此当曲轴转速为1000 rpm 时，本项目提出的调节要求可以实现。

图3为曲轴转速为3000 rpm 时活塞系统所受到的惯性力和活塞端面受到的气体压力的合力变化曲线。图中可见：随着转速的进一步提高，惯性力也进一步加大，在排气行程的后段及进气行程的前段，活塞系统所受到的惯性力和活塞端面受到的气体压力的合力为正值，在调节系统外部供油压力作用下，可以对连杆内部进行补油，实现系统原理所述的调节第一阶段工作要求；在进气行程的后段及压缩行程的前段，活塞系统所受到的惯性力和活塞端面受到的气体压力的合力为负值，系统将按系统原理所述的调节第二阶段条件工作，完成第二阶段的调节动作。因此当曲轴转速为3000 rpm 时，本项目提出的调节要求可以实现。

图4为曲轴转速为4000 rpm 时活塞系统所受到的惯性力和活塞端面受到的气体压力的合力变化曲线。图中可见：随着转速提高到4000 rpm，惯性力急剧加大，虽然从排气行程的后段到压缩行程的前段，其受力趋势与前面较低转速情况相似，也能完成调节的第一及第二阶段条件工作，但在压缩行程的后段，约在曲轴转角300°附近，活塞系统所受到的惯性力和活塞端面受到的气体压力的合力将再次出现正值，这将导致按系统原理所述的调节第二阶段条件工作已经关闭的左截止阀被再次打开。显然这将导致系统工作的混乱，工作不可靠。因此本系统对发动机高速工况不适应。

综合上述分析可见，本课题提出的连续可变压缩比的方法在低于3000 rpm 時，可以进行压缩比的调节及锁定。而发动机高速时只能保持锁定状态运转。考虑到车用发动机的一般工作需要及该可变压缩比方法期望用于HCCI的控制目的，对于一般发动机部分负荷，中、低速运转时，采用HCCI燃烧模式，而高速时采用传统燃烧模式是可行的。

4 结论

本文通过建立液压调节可变压缩比机构的三维模型和该机构的动力学模型，并对其进行动力学分析，可以得出，在发动机处于中低转速和部分载荷时，该机构能有效地进行连杆长度的调节，也即是压缩比能按要求进行调节，能够适用于均质压燃技术，能够有效地控制均质压燃着火时刻。但在高转速时，需转换为传统燃烧模式。对车用发动机在部分负荷，中、低速运转时，采用HCCI燃烧模式，而高速时采用传统燃烧模式是合适的，所以此机构能够在车用发动机上使用。

参考文献：

[1]杨丽红，孙华文.HCCI发动机研究现状[J].建筑工程技术与设计，2016（05）.

[2]钟绍华.内燃机均质压燃（HCCI）的建模和试验研究[D].华中科技大学，2006.

[3]吴宏伟.二甲醚HCCI发动机多区模型模拟及试验研究[D].华中科技大学，2007.

[4]汪映，周龙保，蒋德明.均质充量压缩燃烧方式的研究进展及存在问题[J].车用发动机，2002（05）：6-9.

[5]辛木.HCCI——一种大有前途但又面临诸多挑战的清洁汽车技术[J].交通世界：运输车辆，2012（02）：102-107.

[6]赵丽英.内燃机曲柄连杆机构动力学研究[D].天津大学，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.

基金项目：发动机液压容积调节式连续全可变配气系统（省基金：黔科合LH字[2014]7626）；

高速复杂机械-液压传动系统压力波动机理及抑制研究（校人才基金2015[50]）

作者简介：张超（1990-），男，山东人，硕士研究生，研究方向：发动机可变气门驱动技术及CAE技术。