張超+王自勤+田豐果+陳家兌

摘 要：近期，均質(zhì)壓燃技術(shù)成為國內(nèi)外專家學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)的應用前景十分樂觀。但均質(zhì)壓燃技術(shù)著火燃燒的過程主要受燃料與空氣反應的化學動力學所控制，只能通過間接方式控制著火時刻控制及燃燒過程，故著火時刻控制成為均質(zhì)壓燃技術(shù)能否廣泛應用的關鍵。可變壓縮比技術(shù)能夠有效解決著火時刻控制的問題，本文提出了一種液壓容積調(diào)節(jié)可變壓縮比機構(gòu)，能夠有效控制氣缸內(nèi)壓縮比，進而控制均質(zhì)壓燃著火時刻，使這一領域的研究更為深入。并建立此機構(gòu)的三維模型及動力學模型，運用動力學分析，對此機構(gòu)的可行性進行了驗證。

關鍵詞：可變壓縮比機構(gòu)；可變連桿；機構(gòu)設計；動力學分析

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

0 引言

當前，全球汽車保有量不斷增加，然而能源日趨匱乏，排放法規(guī)越來越嚴格，因此研發(fā)節(jié)能、清潔和高效的內(nèi)燃機具有重要意義[1]。均質(zhì)壓燃（HCCI，Homogeneous Charge Compression Ignition）作為一種全新的燃燒技術(shù)，被認為是發(fā)動機燃燒技術(shù)的一個重大進步[2]。實驗數(shù)據(jù)表明其優(yōu)點是：①可以同時保持較高的動力性和燃油經(jīng)濟性；②可同時降低NOX和PM [3]。

目前HCCI發(fā)動機技術(shù)還不夠成熟，尚待解決的主要技術(shù)難題主要有：著火時刻和燃燒速率的控制；高負荷下功率輸出不足；發(fā)動機變工況運行的適應性；發(fā)動機冷起動；多缸機各缸均勻性的保證等。針對HCCI發(fā)動機存在的技術(shù)問題，現(xiàn)解決方案主要有：可變壓縮比（VCR）；EGR（廢氣再循環(huán)）；雙模式運行等[4]。上述各種難題解決的關鍵因素是對混合氣成分、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)動機技術(shù)難題最主要的有效手段之一[5]。精確、適時、連續(xù)、各缸獨立可調(diào)的可變壓縮比技術(shù)突破意味著HCCI發(fā)動機技術(shù)的突破，其意義非常重大。

1 可變壓縮比機構(gòu)三維模型設計

本文考慮到設計的曲柄連桿機構(gòu)較為復雜，研究中用三維CAD軟件來構(gòu)造其幾何模型，本文選用SolidWorks三維建模軟件對其進行模型的建立[6]。

本文提出的可變壓縮比機構(gòu)主要是對傳統(tǒng)曲柄連桿機構(gòu)的改良。此曲柄連桿機構(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)改動最大，對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)設計是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關鍵，也是該系統(tǒng)設計的重點，此連桿相較于傳統(tǒng)連桿的改變很大。由圖可以看出，偏心擺動支架與發(fā)動機連桿小端孔連接并可以繞發(fā)動機連桿小端孔中心擺動，偏心擺動支架的左、右兩側(cè)分別通過左、右連桿與左、右油缸中的左、右活塞連接；在左、右油缸的油路中設置有截止閥，截止閥底部設置的彈簧控制其關閉油壓。通過控制流入發(fā)動機外部的容積調(diào)節(jié)器油缸的油液容積，相當于控制了從發(fā)動機連桿內(nèi)流出的油液容積，就可以控制油液在兩個相互聯(lián)動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，實現(xiàn)對偏心擺動支架旋轉(zhuǎn)位置的控制，進而控制連桿的有效長度，達到對壓縮比的連續(xù)可變調(diào)節(jié)及控制的目的。

2 機構(gòu)動力學模型的建立

曲柄連桿機構(gòu)作為該可變壓縮比系統(tǒng)的主要組成部分，其動力學特性對整個系統(tǒng)運行的可靠性、壽命、噪聲等有很大的影響。因此本文對曲柄連桿機構(gòu)進行動力性能研究，論證該機構(gòu)的可行性。

動力學模型建立的一般步驟是：首先建立機構(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)通過標準數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式輸?shù)蕉囿w系統(tǒng)動力學分析軟件中（本文運用ADAMS軟件），最后將各部分模型按相互裝配及運動關系連接起來，并定義起其所受的載荷、驅(qū)動運動規(guī)律[7]。

運用上述技術(shù)路線，對該曲柄連桿機構(gòu)進行動力學模型的建立。

給定不同的曲軸轉(zhuǎn)速，運行ADAMS軟件就可以對系統(tǒng)運動過程進行仿真分析。對不同條件下的計算結(jié)果按需要進行導出、分析，就可以分析系統(tǒng)的運動學、動力學特性。

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，需對不同轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)調(diào)節(jié)的可行性分別進行分析。

圖中，橫坐標表示曲軸轉(zhuǎn)角。其中：曲軸轉(zhuǎn)角為-90°—0°階段，為排氣過程的后半程階段；0°位置對應進氣階段活塞處于上止點位置；180°對應進氣階段活塞處于下止點位置；360°位置對應壓縮階段活塞處于上止點位置?？v坐標表示活塞系統(tǒng)的加速度。

圖2為曲軸轉(zhuǎn)速為1000 rpm 時活塞系統(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?shù)耐獠抗┯蛪毫ψ饔孟?，可以對連桿內(nèi)部進行補油，實現(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)動作。因此當曲軸轉(zhuǎn)速為1000 rpm 時，本項目提出的調(diào)節(jié)要求可以實現(xiàn)。

圖3為曲軸轉(zhuǎn)速為3000 rpm 時活塞系統(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)速的進一步提高，慣性力也進一步加大，在排氣行程的后段及進氣行程的前段，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，可以對連桿內(nèi)部進行補油，實現(xiàn)系統(tǒng)原理所述的調(diào)節(jié)第一階段工作要求；在進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)動作。因此當曲軸轉(zhuǎn)速為3000 rpm 時，本項目提出的調(diào)節(jié)要求可以實現(xiàn)。

圖4為曲軸轉(zhuǎn)速為4000 rpm 時活塞系統(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)關閉的左截止閥被再次打開。顯然這將導致系統(tǒng)工作的混亂，工作不可靠。因此本系統(tǒng)對發(fā)動機高速工況不適應。

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，可以進行壓縮比的調(diào)節(jié)及鎖定。而發(fā)動機高速時只能保持鎖定狀態(tài)運轉(zhuǎn)?？紤]到車用發(fā)動機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，對于一般發(fā)動機部分負荷，中、低速運轉(zhuǎn)時，采用HCCI燃燒模式，而高速時采用傳統(tǒng)燃燒模式是可行的。

4 結(jié)論

本文通過建立液壓調(diào)節(jié)可變壓縮比機構(gòu)的三維模型和該機構(gòu)的動力學模型，并對其進行動力學分析，可以得出，在發(fā)動機處于中低轉(zhuǎn)速和部分載荷時，該機構(gòu)能有效地進行連桿長度的調(diào)節(jié)，也即是壓縮比能按要求進行調(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)壓燃著火時刻。但在高轉(zhuǎn)速時，需轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)燃燒模式。對車用發(fā)動機在部分負荷，中、低速運轉(zhuǎn)時，采用HCCI燃燒模式，而高速時采用傳統(tǒng)燃燒模式是合適的，所以此機構(gòu)能夠在車用發(fā)動機上使用。

參考文獻：

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基金項目：發(fā)動機液壓容積調(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）；

高速復雜機械-液壓傳動系統(tǒng)壓力波動機理及抑制研究（校人才基金2015[50]）

作者簡介：張超（1990-），男，山東人，碩士研究生，研究方向：發(fā)動機可變氣門驅(qū)動技術(shù)及CAE技術(shù)。