毕业设计（论文）-发动机可变气门系统研究.doc

河北工业大学2015届本科毕业生论文河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 闫鹏勇 学 号： 110269 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 内燃机可变气门系统 与控制方法与应用 指导者： 石维佳 教授 评阅者： 2015 年 5 月 21 日毕业设计（论文）中文摘要摘要发动机可变气门系统已经成为一项日渐成熟的发动机技术，并逐渐运用于更多的汽车发动机上。传统发动机设置的进排气提前和延迟角和固定的气门升程仅在某一转速范围和负荷下有效，不能保证任何工况下都有最优化的换气，可变气门系统改掉了传统内燃机换气弊端，使其可以随工况实时调整气门的正时和气门的升程，从而改善发动机的功用。并且通过理论的研究与实验相结合的方法，对可变气门系统与控制理论和应用效果进行了研究。首先说明了到现在为止我国及外国内燃机可变气门技术的发展状况。为了对当前内燃机可变气门系统及其控制过程加深理解，本文针对某国产电液驱动可变配气机构进行了数学建模，并使用MATLAB或SIMULINK软件对其工作过程进行了模拟仿真。将我国产的某个1.5L装备了VVT的可变气门正时系统内燃机作为研究的对象，详细的对其可变气门的控制方法和构造原理进行了全面的了解钻研，并且通过发动机台架试验对该内燃机设计具体的研究方案。运用GT-Power建立了该内燃机功能的仿真模型，通过模拟分析计算显示VVT对于改善发动机的动力性、经济性和排放性方面的效果突出。关键词：可变配气正时；可变气门升程；动力性； 经济性； 排放性；仿真 MATLAB/SIMULINK Title The use and study of Engine variable valve system And its controlling method Abstract Engine variable valve system has become an increasingly mature gradually, and the engine technologies applied in automobile engine more. variable valve system has overcome the shortcomings of traditional engine air, can adjust valve timing and valve lift in dynamic conditions, so it improves engine performance.Through theoretical analysis and experimental method, variable valve system and control theory and application effect were studied. Firstly expounds far variable valve technology development at home and abroad. To know more about Engine variable valve system and its controlling , in this paper , some Electro-hydraulic Variable Timing System model is simulated in MATLAB/SIMULINK environment.For the control method and application research , a VVT 1.5 L domestic engine equipped with variable valve timing system was the research object, studied the concrete analysis of the structure and the variable valve control method. The performance of the engine is established using GT-Power, the analyzing results show that the influence of VVT improving the engine power, economy and emission is prominent.Keywords： VVT ; VTEC ; Power; Economy ; Exhaust emission; simulation; MATLAB/SIMULINK 目 录1 绪论51.1本课题背景51.2可变气门技术的发展61.3 本文的主要工作和研究内燃机可变气门的意义72 可变气门技术的理论研究82.1可变气门的原理82.2 可变气门技术的分类与其实现途径133 电液驱动可变配气机构的建模与仿真193.1典型电液驱动气门机构工作原理193.2该国产电液驱动气门机构的结构和工作原理22 3.3电液驱动可变配气相位机构各部分数学模型233.4在MATLAB/SIUMLINK环境中建立数学模型及仿真304 内燃机气门可变系统控制方法的研究与应用364.1 VVT系统与控制方法364.2 VVT的应用415 用C语言编辑部分控制系统软件49 结论59参考文献60致谢621、 绪论1.1 本课题背景这几年世界范围内的能源问题和环境问题越来越严重，而且随着人们生活水平的提高，人们越来越渴望得到高性能的汽车内燃机，内燃机可变气门系统也随着每个国家对汽车内燃机燃油经济性的提高和环保排放的追求得到了快速发展。当前世界各国发展所面临的挑战是能源缺乏和环境破坏问题，因此各国相继采取措施来节约能源，保护环境。近些年汽车行业的发展迅猛，目前我国已经成为世界第一大汽车消费市场。伴随着我们的环保意识的增加和汽车技术高速的发展，人们对各种汽车的排放性、动力性和经济性的普遍要求都在逐渐的增强，所以，汽车技术的发展方向应该朝着汽车的性能更加的高，更加的环保这方面进行。这些年随着人们对汽车内燃机各方面的追求越来越高，很多较大的汽车制造商对于发动机的技术开发与应用越来越广。内燃机可变气门技术以其性能高价格低的特点正在渐渐的走向成熟、走向量产。可变气门机构能够代替传统的固定式配气机构，使得气门正时和气门升程动态调整，使配气动作优化，可使发动机在各个工作转速和负荷范围下，为其提供合适的气门开闭时刻和气门升程，从而能够改善发动机换气过程，最终提升汽车内燃机在不同速度、不同负荷下的动力性等各种性能。因此对于国内发动机的发展而言，掌握可变气门技术并应用到实际产品中即响应国家建设资源节约型和环境友好型社会的号召又对我国内燃机的技术发展意义重大。运用内燃机可变气门技术可以为传统的内燃机提供以下几方面的好处：(1)提高汽车的怠速稳定性和汽车低速时平稳行驶的性能；(2)增加内燃机的功率以及内燃机的扭矩； (3)减小内燃机一部分负荷燃油消耗率；(4)改善汽车废气以及污染物的排放。1.2 可变气门技术的发展发动机可变气门技术的历史进程已达一个世纪之长，早期的研究进展相对缓慢，而在一九八五年之后才有了重要发现，也因此产生了各种各样的可变气门驱动机构，其发展主要经历优化凸轮形线、可变凸轮相位、可变凸轮形线、无凸轮电磁气门机构、无凸轮全可变机构等。阿尔法罗密欧公司是第一个将内燃机可变气门正时技术运用到量产汽车的公司。阿尔法罗密欧公司也是第一个把双凸轮轴内燃机批量生产的公司，它们分别用不同的两个凸轮轴来分别对内燃机进气气门和它的排气气门开闭的时间进行控制，这样得到的效果比用单个凸轮轴更理想。紧随阿尔法罗密欧的就是日本的日产和本田，这两个公司后来自主开发出了VVT和VTEC系统就是我们所知道的双顶置凸轮轴系统，时间分别为一九八七年和一九八九年。二十世纪八十年代之前的内燃机气门机构存在大量缺点，而且没有设计师设计出较为理想的机构。而这十几年来，伴随电子技术的发展，可变配气机构终于商品化。二十世纪九十年代，欧美等国对可变气门技术的研究很多，他们研发出来一套建立在凸轮轴基础上的内燃机可变气门机构，并且将之用在汽车内燃机上，例如VVT-i、i-VTEC等配气气门机构。由于可变气门机构多多少少会受到凸轮型线的影响，使各种工况下配气的调整受到一定的限制，此外还存在机械结构的灵敏度和反应速度等问题，因此九五年及以后，人们开始研究没有凸轮的气门机构。例如，宝马、德国FEV、美国福特等许多公司对电磁驱动式内燃机气门机构进行了深入的研究； 路特斯、博士等公司则对电液驱动式内燃机气门机构进行了深入的研究。然而现在为止无凸轮可变气门机构依然有造价高，不易生产等缺点存在。与国外相比，我国在这些方面的研究起步较晚，国内高校、科研机构和生产企业也开始进行研究可变配气相位系统， 在一九九五年之后，国内的工程师才研究出一种内燃机可变凸轮相位机构，这种机构利用谐波传动实现了小级差的多级调相。进入21世纪，我国吉林大学，上海交大等高校和研究院针对这些问题设计出基于液压张紧噐式的内燃机可变气门配气相位机构，让内燃机气门可以实现两级式的变化，其他高校如浙江大学则研究了电磁驱动式内燃机气门机构模型等。与外国的研究开发相比，我们对可变气门机构的研究只停留在实验上的研究，还没有开发出能够广泛的应用在车用内燃机上的可变气门配气机构。一直到四年之后，国内某些公司才有了突破性的发展，现在已具备内燃机VVT技术量产能力，最有代表性的产品公司是奇瑞公司，该公司与AVL公司共同研发的一系列的汽油机平台。整体而言，与欧美相比，国内对内燃机可变气门机构的开发还是在起始的阶段，我们与国外的研究状况存在很大距离不仅在理论研究上，在实验研究方面也是。1.3 本文主要工作和研究意义 通过对该课题的研究，我了解到改变改善内燃机气门的开启持续时间以及升程等条件能够有效地提升内燃机效率和它的热效率以及减少污染物排放。传统气门系统的凸轮其凸轮型线是固定的，通常只能保证在某一工况下优化发动机的性能,但是却不能在发动机工作的过程中对气门进行调节,因此不能使发动机在全工况范围内取得最理想效果。利用可变气门技术改善发动机工作性能有很大发展潜力。合理提升发动机，（可使汽车在部分的负荷、低负荷的工况下启动时）,得到更好的起动性能,可让汽车整车性能在各种工况内得到提高。能够控制气门开启和关闭的时刻使得发动机可根据不同工况都能有效的进排气,改善进气过程。在不完全负荷工况下时,运用气门正时技术合理改变气门的重叠角,能够改变充分的排干净废气,减少碳氢化合物和氮氧化合物的生成与排放。若内燃机可变气门升程能够变化,在内燃机小转速下,合理减小内燃机气门升程,可以加大驶过气门的进气气流的速率,提升气体在气缸中的变化,提升气体燃烧速度,使内燃机机怠速稳定性得以优化。合理增大内燃机气门升程,可以让内燃机节流损失得到优化降低,并显著提高内燃机的容积效率,最终提升内燃机的燃油经济性。本文的研究工作主要从以下几方面开始进行：1.分析并研究可变气门结构发展历程和现状，研究各种内燃机可变气门技术的工作原理，了解发动机可变气门的主要结构和基本的控制理论。2.查找资料，了解我国以及外国对本课题技术的研发进程，将某个国产的具备可变气门技术的内燃机作为参考，研究内燃机可变气门正时的原理。3通过研究内燃机可变气门机构的工作原理，认真的分析可变配气系统的数学模型，利用MATLAB或SIMULINK软件对内燃机可变气门机构的工作过程进行仿真计算。4对现有可变气门系统的特点及其存在的问题和其对于发动机性能的影响进行总结，并力争提出改进措施从而达到对可变气门系统的深入研究。2 可变气门技术的理论研究2.1 可变气门机构原理1、凸轮轴的作用 凸轮轴的主体是一根与气缸组长度近似相同的圆形棒体。上面套有若干个凸轮。它的作用是控制进、排气气门的开启和关闭。发动机曲轴带动凸轮轴不断旋转，通过推杆挺杆摇臂等机构使凸轮不断地作用在气门上，最终达到控制进排气门开启和关闭的功能。 图2.1-1凸轮轴可分为上置凸轮轴和下置凸轮轴（中置已被淘汰顾不考虑）：图2.1-2若气缸顶部只用一根凸轮轴来控制进气门和排气门的开启与关闭，我们称它为单顶置凸轮轴。如果在气缸顶部有两根凸轮轴它们分别负责进、排气门的开启和关闭，则称之为双顶置凸轮轴。如图所示：图2.1-3 2、配气机构的作用 一般来说， 配气机构主要包括凸轮轴组件、正时齿轮系、气门组件（气门、推杆、摇臂等等），配气机构的主要作用是在发动机的工作的时候，合理的控制进、排气门的开启和关闭，让新鲜的混合气体根据情况有效地的填充气缸，废气及时的排出气缸。如图：图2.1-4 3、气门正时 气门正时就是气门的打开和闭合的时间。说具体点就是，在内燃机的进气过程中，缸内活塞从上止点运动至下止点，内燃机的进气门应该开启、同时排气门则应关上；但是在排气时，活塞运动过程相反，此时内燃机进气门应该关上、排气门则是应该打开。在实际生活中发动机工作时，我们为了增大气缸的进气量，需要提前开启进气门但延迟关闭它；为了使气缸内的废气排放的更彻底，排气门同样需要提前开启、延迟关闭，从而保证发动机有效的运作。 图2.1-5 4、可变气门正时、可变气门升程在内燃机大速率工作时，内燃机的气门进排气的时间间隔是很小的（在单个的工作循环中），因此若希望内燃机充气效率提升，则需要增加内燃机气缸进排气的时间，换句话来讲就是增大气门重叠角；然而过大的气门重叠角会让发动机在转速较低时发生废排气倒灌现象，致使气缸吸气量降低，引起内燃机怠速不稳等现象。如图： 图2.1-6传统的气门正时技术不能让内燃机在各种转速工况下发挥它最好的效用，因此，人们对内燃机可变气门正时技术大期望越来越大。内燃机可变气门正时技术可根据内燃机在转速和工况变化时发挥作用进行控制，让内燃机在各个环境下均能获得较好甚至最好的进、排气效率。如图： 图2.1-7影响内燃机动力的主要原因与单位时间内进入到发动机气缸内的氧气量有关，但是可变气门正时技术只能够改变内燃机气门的开闭时间，而对单位时间内气缸内的进气量无能为力，因此需要另觅他法，在此我们把发动机的气门比喻为房间的“门”，可以把内燃机气门正时理解为“门”开启的时间，把气门升程理解为“门”打开的大小。我不但要让内燃机满足汽车高功率的要求，同时保证中低转速以及中小负荷的经济性和稳定性，还要使它在大转速工况内各性能都得到改善，最好努力的避免出现扭矩过低，让汽车乘坐的舒服。气门开启的大小开闭时间是决定气门正时、升程的主要因素，内燃机的性能及充气效率也主要受到这两方面影响。进气门提前打开，不仅可以使内燃机进气过程延长，时间变长，而且对内燃机在高转速工况下进气时间不足有很好的改善；除此之外，增大内燃机气门重叠角可以让部分的废气进入进气管，使之可以跟新鲜空气混合进入气缸，使气缸内部获得更高的内部废气再循环利用率，达到降低油耗和污染物排放的效果。推迟关闭进气门，在高转速工况下可以让内燃机充分的利用高速气流的惯性来提高体积效率；而在低速工况时又能让内燃机把已吸入至气缸内的多余新鲜混合气吸回进气管道节省燃料。增大气门的升程，在高负荷工况下可以让内燃机提高自身的体积效率；但在小负荷的工况下又减小了内燃机的气门开口，因此得到了泵气以及节流损失较大的后果。内燃机在不同转速工况下工作时对气门正时的要求是不一样的，在低速的情况下为防止气缸内新鲜混合气倒流，增加内燃机在低速下的扭矩，提高内燃机燃油的经济性，要保证气门重叠角和升程较小，但在高速工况下若想获得高动力性要求则需要往内燃机气缸进入较多的混合气，因此又要保证内燃机有较大气门重叠角和升程。传统的内燃机配气机构不能满足内燃机在各种情况下的要求，也因此不能使发动机在预先设计的工况以外工作时难以取得效率最大化，内燃机可变气门正时机构和可变气门升程机构在这样的状况下有了巨大的发展的机会。2.2 可变气门技术的分类与其实现途径内燃机可变气门技术的实现有许多的途径，一般按照有没有凸轮轴可分为基于凸轮轴的机构和无凸轮轴的机构这两大类型。如图2-1所示： 图2-1 实现可变气门的途径、1、 基于凸轮轴的内燃机可变气门机构 （1）可变凸轮型线机构这类系统设计凸轮外部的型线使其母线与凸轮轴线不平行，通过轴向移动凸轮实现气门正时和升程的变化；要么就是安装几个不同型线的凸轮，内燃机工作的时候，为了改变内燃机气门正时和气门升程，可以让不同型线的凸轮按照工况的不同选择性的来控制气门。如本田公司的可变气门正时电控系统等均可实现以上变化。以三菱公司的MIVEC为例，MIVEC机构有两种形式，1.3，5缸具有MD功能，其结构见图2-1上部分。在凸轮轴上有高低速两种不同轮廊的凸轮，该构件可通过滚轮来驱动左、右摇臂。这些摇臂轻轻套在摇臂轴上，气门由与摇臂轴一体的T型臂来驱动。摇臂轴内设左、右两油道，并装有两个转换活塞，活塞由左右两侧油道中压力油驱动。高转速工况下工作时，内燃机两侧的油道都有油液，活塞处于图2a位置，此时右侧的高速凸轮控制气门工作。低转速大负荷工况下工作的时候，两侧的油道此时没有压力油存在，这时左侧的低速凸轮控制气门工作。低转速小负荷工况下工作时，左侧的油道有压力油而右侧没有，左右摇臂在没有控制自己空摇，内燃机气门处于停止的状态（MD）。如图2，4，6缸的MIVEC机构在图中2-2下部分，压力油可以控制活塞改变配气相位。 图2-2 MIVEC机构及控制原理(2) 可变凸轮从动件可变凸轮从动件机构的工作原理是保持凸轮的型线不变，而仅仅使气门和凸轮轴之间的一些从动件(如推杆，摆臂，挺杆，摇臂等)的运动规律的改变最终改变气门的运动。如图2-3,可变凸轮从动件机构的工作原理是保持凸轮的型线不变，而仅仅使气门和凸轮轴之间的一些从动件的运动规律的改变最终改变气门的运动。在没有电源接通电磁阀下，推杆将把油道堵塞，挺台可以起到作用使凸轮构件通过，油腔中的残存气体推动气门，在最后气门跟着凸轮行驶，从而获得理想的升程曲线。内燃机气门在上升过程中，如果给电磁阀接通电源，那么有压力产生使油腔中的油进入储油室内，此时气门弹簧的弹簧力使得有气门返回趋势，尽管这个时候凸轮还在向下运动，可是这时气门升程曲线已经发生了改变。因此可以通过控制电磁阀门打开时刻的改变获得不同的气门升程曲线。这类系统的缺点是，因为系统受到凸轮型线固定不能改变的局限，故不能实现无级变速，而且系统本身的设计过于复杂。 图2-3 可变凸轮从动件系统示意图(3)凸轮轴调相系统凸轮轴调相系统的工作原理是保持凸轮的外部型线不发生改变而外加设置一个机械装置，最后调节这个装置，可以让凸轮轴与曲轴发生相对转动，从而改变配气正时。此系统保留了原有系统的凸轮轴，只是在原有装置上进行改动，系统比较简单。该设计可以实现气门正时在某设计范围内可调，在该 范围内有效地改变了内燃机的性能。BMW的Vanos系统、valvetronie系统以及清华大学利用谐波传动调相系统。图2-4为宝马公司的Vanos机构，我们利用螺丝把转子压在凸轮轴上，同时利用链条将壳体和曲轴链接起来。机器不工作时，将6通过没有压力这种方式压进凹口锁止槽内，确保构件工作时凸轮轴能够跟着壳体同时的运动，这样可以定下凸轮轴的初始位置。宝马公司的这种机构是非常好的，这样当需要调节凸轮轴的相位的时候，构件中的润滑油先流进凹口锁止槽内，从而可以把锁止销压回原位同时释放转子。供油油路向液压腔A中提供油（在接通时），同时回油的油路跟液压腔B接通，向外部释放油，这一系列过程之后油的压力差可使转子叶片带动着凸轮轴相对于壳体而旋转，最后收到相位改变的效果。而当反向调节时，供、泄油情况相反。这样通过电磁阀来控制供、泄油路能够在60曲轴转角范围内有效地控制凸轮轴相位的改变。图2-4 BMW 公司Vanos机构2、 基于无凸轮的可变气门机构（1）电磁驱动气门机构由电磁铁输出电磁力直接驱动气门，通过改变线圈的通、断电时刻实现气门正时和开启持续期控制图2-5中FEV公司的电磁驱动气门机构示意，电磁铁线圈1、2和衔铁是它的组成部分。没有电流通过电磁铁线圈1、2时，上、下弹簧可使气门保持半开和半闭；若只有电磁铁线圈2通电，该线圈释放电磁力可使衔铁带动着气门抵抗弹簧力而向下方进行移动，从而使气门打开；若使线圈2不通电，弹簧的作用力将拉动气门向上方移动，当靠近落座的位置时，给线圈1供电，使落座迅速，之后持续给线圈1供电，保持气门闭合状态。一直反复如是。 图2-5 FEV公司电磁驱动式气门机构示意（2）电液驱动式气门机构 图2-6 ford 公司电液驱动气门式机构示意图 现在在内燃机上实现均质充量压缩着火（HCCI）方式的非常有用的技术是可变气门技术。均质充量压缩着火是一种新提出的具有高效性排放低功用的燃烧方式现在受到发动机界的广泛注视。某工程师用路特斯公司的电液驱动气门机构，利用控制内燃机气门正时方式，获得气门负重叠角，从而能让缸内产生合适残余气体，这些气体的残余热量可以让进气升温，让可燃混合气压缩行程的上止点左右温度在着火点之上，最后能够让它们自燃。这种方法有许多优点，如图：该方式的气门升程曲线中，CAI代表均质压燃SI代表火花点燃，其中数值代表气门的最大升程。但均质充量压缩着火现在只能在很小工况范围实现，而不是所有范围，所以均质充量压缩着火与SI两种方式转换应用很必要。 图2-7 Lotus公司电液驱动式气门升程曲线 电液驱动可变配气机构的工作原理：该机构通过某种压缩性较小的流体的弹性特征使气门的开、闭加速或减速，该机构可实施连续的可变控制发动机气门的正时、升程以及运动的速度。气门加速过程中该流体势能向气门的动能转化，减速过程则相反，能量在这些过程中损失的不多。根据有无回复弹簧可以分为两种:无弹簧式和弹簧式。无回复弹簧式系统中我们去掉了凸轮轴和回位弹簧构件，利用高压油液驱动气门开启，低压油液驱动气门关闭。有弹簧回复则是利用高压油液驱动气门开启，利用弹簧使气门复位 。图2-6为福特公司已经产出的电液驱动可变配气机构的工作原理的简图。在这个系统中，设有高、低压两种电源，有液压活塞安装在气门杆的顶端，气门可以在活塞的带动作用下在液压腔中上下往复的移动。高压电源一直与活塞下端面的液压腔连通，压力保持恒定，而上端面的控制室分别与高、低压电源连通。虽然是同样的高压电源作用于活塞的上、下端面液压腔，但是不同的作用面积使得上下两个端面依然会有压力差存在并且控制气门即使均在高压流体作用的时候还会向下加速的移动。最终利用高、低压电磁阀开闭的变化来改变控制室的压力最终进一步改变气门的运动。（3）电气驱动可变配气相位机构电气驱动可变配气相位机构的工作原理跟内燃机电液驱动机构的原理类似，该机构将介质换成空气。空气的粘度小、运动惯性小等等特点，使其比液体介质对电气驱动可变配气相位机构有更高的响应速率；但由于空气的形态不易控制。所以，优点并不突出。本章小结本章主要介绍了可变气门机构的基本原理，研究了当前可变气门的类型，介绍了当前实现可变气门驱动的途径并对每种驱动方式具体分析了这种可变气门系统的机构和原理。3、 电液驱动可变配气机构的建模与仿真3.1典型电液驱动气门机构原理图常见的无凸轮电液驱动配气机构是没有凸轮轴以及弹簧的,该机构通过某种压缩性较小的流体的弹性特征使气门的开、闭加速或减速，该机构可实施连续的可变控制发动机气门的正时、升程以及运动的速度。气门加速过程中该流体势能向气门的动能转化，减速过程则相反，能量在这些过程中损失的不多。Daimler-Benz的工程师Letsche开发出的内燃机电液气门驱动机构如图3-1所示。该机构让内燃机的气门作用的过程是通过统计出加速踏板的位置、内燃机的转速等等,可以很准确的知道气门开启时刻以及持续的时间，让内燃机的气门作用。一开始内燃机的气门处于它的起始和终了的某个位置,开启弹簧为其提供打开的力,关闭弹簧提供关闭力。这个机构不但能够让燃油消耗减少十分之一,得到好的内燃机效能外,还能降低排放。现阶段这个机构还在研究,想要量产还需要解决许多问题。图3-1 Benz的电液气门驱动系统福特公司的Schechter和Levin两位工程师开发的电液气门驱动工作原理如图2所示。他们将液压活塞与内燃机的气门连在一起,在液压活塞的顶部，有高低压电源与液压腔相连,在底部只有高压电源相连。这样可以利用这两电磁阀的合理开、闭来控制气门开、闭。最后他们得出这样的结论:这个电液气门驱动系统的响应速度相当于内燃机转速在8000r/min下的响应速度。图32 Ford的电液气门驱动机构原理图为了对可变配气机构的工作过程有个更深的理解我们对某国产电液驱动可变配气相位机构进行了仔细的结构和工作原理的分析，我们对该系统建立起数学模型，而且利用MATLAB/SIUMLINK软件对该系统进行了模拟。3.2 该国产电液驱动气门机构的结构和工作原理图3-3 电液驱动可变配气机构原理图电液驱动可变配气相位机构的工作原理简图如图3-3所示。首先利用电动机带着齿轮泵工作，然后通过网式的滤油器过滤，把油从油箱油吸入泵中。变压器油在齿轮泵内增压后，经单向阀送入蓄能器。蓄能器能够稳定变压器中的油的压力，并将变压器油以恒定的压力送到常闭两位两通高速开关阀。气门开启过程，常闭和常开两位两通高速开关阀同时工作，常闭阀处于开启状态，常开阀处于关闭状态，变压器中的油流进液压缸、然后挤压活塞使之向下运动，打开气门。当气门达到最大升程位置时，常闭两位两通高速开关阀停止工作，此时缸内的油量保持着原状，油的压力值不变，油压将活塞的位置锁定，气门停在最大打开的位置。在内燃机气门关闭时，常开的两位两通高速开关阀不作用，而常闭阀闭合，与此同时常开阀开启，活塞推动变压器油向下流回油箱，内燃机气门回到关闭。反复如此运动。在气门开启时小流量两位两通开关阀一直关闭，它在气门关闭过程始终打开。气门关闭过程初期，常开阀和小流量两位两通开关阀都是开启的，变压器油经常开阀和小流量两位两通开关阀流回油箱；气门关闭过程后期，常开阀关闭，变压器油经小流量两位两通开关阀流回油箱。这样可以控制气门落座速度，减小气门落座冲击。当蓄能器内变压器油的压力低于设定压力时，压力继电器跳至工作档，电动机与压力继电器同步工作，带动齿轮泵转动，向蓄能器供油。当蓄能器内变压器油的压力等于设定压力时，压力继电器跳至断电档，电动机停止工作，齿轮泵停止向蓄能器供油。设定压力通过压力继电器上的手柄调节，其数值显示在压力表上。这个构件组合改变了高速开关阀开通和闭合的时刻时间，从而获得气门开启持续的时间与正时的连续性可变；改变高速开关阀的开启持续时间可以实现气门升程的连续可变；液压系统的驱动压力的变动，可以使气门的开启速度得到改变。3.3 电液驱动可变配气相位机构以及各部分数学模型1、 液压泵数学模型液压泵属于液压系统中的动力元件，液压泵的作用是把原动机的机械能变为油液的压力能。若不考虑固有流量脉动对液压泵的影响，那么对定量泵而言，定量泵的内、外泄漏情况和压油腔中液压油的可压缩性决定了泵的动态特性。除这两种因素影响外，对于变量泵来说，具体变量机构的调节特性在很大程度上也影响着动态特性。本液压系统采用的是定量齿轮泵。定量泵的数学模型计算简图如图 3-4 所示。在图中：泵的内泄漏油路液感符号L，泵内泄漏油路液阻符号R ，泵内压油腔的工作容积符号V 。图3-4定量泵数学模型计算简图分析计算简图，假设代表泵实际的流量，代表泵工作的油压，并将泵的内泄漏和油腔油液的可压缩性考虑在内，列方程式如下：泵的流量连续性方程： （3-1）液压泵中泄漏油路上的平衡方程为： （3-2）式中：泵的理论流量；泄漏油液的回油压力，一般=0；泄漏油路的等效面积；、泄漏油路的长度以及它的等效直径；、油液的动力粘度和密度令（称液感），（称液阻），则式3-2可写成： （3-3）将3-1和3-3写成增量形式并进行拉氏变换，得： （3-4） （3-5）由式3-4和3-5可给出如图3-5所示的定量泵方块图。图3-5由方块图可写出定量泵的传递函数为： （3-6）式2-6表明，若输入为出口流量q1，输出为出口压力p1，这时定量泵是一个二阶系统。其无阻尼自然频率以及它的阻尼比分别为： (3-7)2、 蓄能器数学模型我们平时见的蓄能器基本分为活塞式、气囊式、弹簧式等类别，储能器有蓄备能量、吸收液压系统中压力脉动以及稳压等作用。这里采用的是活塞式蓄能器。进油时，活塞式蓄能器的运动方程为： （3-8） （3-9） 蓄能器的活塞质量； 进油时蓄能器活塞的位移； 排油时蓄能器活塞的位移； 进油口工作油液的压力； 排油口工作油液的压力； 蓄能器活塞的面积； 蓄能器的气室压力；各种摩擦阻力之和。将式 3-8、3-9 分别进行拉氏变换，得： （3-10） （3-11）进油和排油过程蓄能器活塞的位移方向相反，并假设将式 3-10与式 3-11 两端相加，得： (3-12)由式 2-12 可给出以进油压力为输入，以排油压力为输出的蓄能器方块图，如图3-6所示。图3-63、 电磁阀控缸系统数学模型图3-7电磁阀控缸系统结构简图电磁阀控缸系统的结构简图如上图所示，液压泵喷出的液压油通过节流阀、电磁阀进到液压缸内，同时我们用电磁阀来控制液压缸进油和回油，最终使活塞运动起来。在建立的该模型中，我们把偶件之间的泄漏忽略不计，把电磁阀阀腔当做集中容积计算，它的压力为：流入电磁阀腔的流量；电磁阀腔内压力；流出电磁阀腔的流量；电磁阀腔的容积；变压器油的可压缩系数电磁阀的流量为：电磁阀阀孔上的流量系数；电磁阀的通流面积；流入电磁阀的变压器油压力；流出电磁阀的变压器油压力；变压器内油的密度。电磁阀的通流面积按如下公式计算电磁阀的出油孔直径； 阀芯的位移。电磁阀的运动方程为：电磁阀阀芯的质量；阀芯受到的电磁力；阀芯受到的液压力阀芯速度阻尼系数；、分别是阀芯与阀体左端面、右端面发生弹性碰撞时，阀芯左右端面的弹性变形刚度和速度阻尼系数。把液压缸当做是集中的容积，列液力方程：进入液压缸的变压器内的油的流量；流出液压缸外的变压器的油流量；液压缸的容积变化率液压缸的活塞截面积；液压缸的容积；液压缸内压力。电磁阀与液压缸之间的连接通道视为短管处理，压力损失为：流入短管内的油的压力值；流出短管外的油的压力值；变压器中油的动力粘度；短管的长度；流过短管的流量；短管的直径。内燃机气门运动组件的运动方程为：气门运动组件的质量；运动组件驱动力；气门弹簧的刚度；气门弹簧的预压缩量速度阻尼系数；、分别为气门开启时活塞下边缘碰撞紫铜垫圈以及气门落座时活塞碰撞液压缸的弹性变形刚度和速度阻尼系数。当时，当时， 。3.4 在MATLAB/SIUMLINK环境中建立数学模型及仿真MATLAB环境是由美国新墨西哥大学的Cleve Molex于1980年开发设计的，并在四年以后发行了首个商业化软件，该软件具备数值计算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多个功能，是一个出色的图形化语言软件。现在MATLAB软件已经成为科学人员、工程师、公司职员和管理人员等的必备工具，利用MATLAB的软件包来处理一些数学、物理和图形处理等问题已经是一种普遍的现象。在九十年代MathWorks公司推出一种新的工具Simulink，Simulink是一种新的控制系统模型图形输入和仿真工具，它能够把一个控制系统的复杂模型输入给PC，并且进行进一步的分析与仿真，由于该工具的各种优势使得该软件发展迅速，并被大量的用户使用。Simulink建模仿真可视化功能它是MATLAB五大通用功能之一，Simulink软件包的主要功能包含对动态的系统建立模型、做仿真以及全面的分析。Simulink为MATLAB带来了简洁但高效等诸多的优点，该软件不但可以对动力学模型的研究有贡献，它对于控制系统的设计研究，模块化各个功能也有很好效果，我们可以简单的在电脑上拖放各种模块直接的进行建模仿真。Simulink根据MATLAB为其提供的丰富的仿真资源来进行系统的建模仿真，它具备下面几个特点：基于矩阵的数值计算；高级编程语言；图形与可视化；工具箱提供面向具体应用领域的功能；丰富的数据I/O工具；工具包拥有面向具体的应用领域的功用；提供与其它高级语言的接口；可以运用于许多常见的电脑操作系统；开发与可扩展的体系结构它可以处理包括线性、非线性系统；离散、非离散系统；一个或多个任务离散时间系统。它可以以模块的形式进行建模，控制系统和被控对象可以分别进行建模，每一个子模块的参数均可以单独修改，并且不影响其它模块的运行，给系统的扩展带来方便，因为可以通过运用不同的控制模块来模块化被控对象，因此该软件可将各种控制方法进行比较，使效果达到最优。Simulink可以惊醒仿真的对象是十分多的，基本上可以对一切MATLAB的工具箱进行仿真。以下三种模块可以构成一个典型的模型。由系统来进行信号源的输入，信号源一般包含常数、各种函数（如三角函数波等）以及一些用户自己建立的信号等等。仿真建模建立的最重要的模块是系统模块。系统的输出由显示模块接收，显示模块输出的数据形式包含了三种即：图形、示波器显示以及输出到文件或MATLAB中。研究人员或者设计者只要简单的在Simulink的图形用户界面上进行操作便能够建立出相当复杂的仿真控制模型，图形用户界面多设计成方块形状，结构形式为分层结构。这样具备一下几个优点：1：从建模角度讲，这样既适用于自上而下的设计流程，又适用于自下而上的逆向设计；2：研究的角度或分析角度来讲的话，该模型不但能将具体环节的动态细节呈献给使用者，还能加深用户对各个子系统、各个模块之间信息交换的了解，并使用户了解各部分的相互影响。用户可以在仿真的过程中改变各种可以影响结果的参数，及时了解过程中的各种变化，并且通过仿真来分析控制系统所采用的控制策略和方案，从而对控制系统的相关参数进行优化以获得最佳控制效果。1、 该数学模型的建立根据该控制模型中各个子模型的控制关系，我们在simulink中建立了该控制机构的数学模型。如下图所示，发动机的输入信号为占空比的脉冲信号。占空比的数值是通路时间与循环周期的比值，其中循环周期为单位一与频率的比值，循环周期是指内燃机每转一圈需要的时间；通路时间是指每个循环中高电平信号开启持续的时间。在scope里输出气门升程的变化曲线。图3-1 siumlink中控制系统的模型其中每个子模型系统的模型图图3.1（1） 蓄能器 图3.1（2） 电磁阀图3.1（3） 液压缸及其模型2、 对该模型仿真结果的分析图3-2 转速为1200r/min、驱动压力为15Mpa时气门升程随曲轴转角的变化曲线当电磁阀同流面积一定，气门弹簧刚度及其他系统有关参数时，驱动活塞的直径变化时气门能开启的最大升程及气门启动开关速度的影响如下图所示。 图3-3驱动活塞直径的影响其他参数保持不变，只改变电磁阀同流面积，可变配气机构的开启和关闭特性如图3-4所示。 图3-4电磁阀同流面积的影响我们通过对该数学模型的仿真分析，发现该配气机构的工作过程是十分的准确的。通过对其中电磁阀的开启，通流面积大小，泵压力大小的改变都可以对气门的开启速度，升程产生影响，从而对该机构有了形象的理解。四 内燃机气门可变系统控制方法的研究与应用在该论文写作期间，本文以某国产1.5L国产GO10C 1.5L配备VVT可变气门正时系统的发动机为研究对象进行了控制方法的研究。4.1 VVT系统与控制方法1、 VVT系统结构用于研究的汽油机搭载了Delphi公司研发的VVT可变气门正时系统，该系统的工作原理是建立在可变凸轮相位可以调节的基础上的，。CVCP系统由各种传感器、发动机ECU、凸轮轴正时机油控制阀以及叶片式凸轮相位调节器等部分组成。图4-1 VVT系统组成示意图（1）凸轮轴正时调节器图4-2 凸轮轴相位调节器该调节器由叶片、壳体、锁定销、弹簧、压板及螺栓等零件组成，我们在进气的凸轮轴上安装叶片，也就是说叶片可以带动进气凸轮轴旋转进而可以连续地更改进气门正时角。为了保证启动性，内燃机不工作时，这时进气的凸轮轴处于最大推迟的位置。发动机起动后未向控制器施加液压时，锁定销会锁定调节器。（2）电磁机油控制阀图4-3正时控制电磁阀示意图电磁机油控制阀跟两位五通阀很相似，电磁线圈接收电控单元传来的各种范围占空比的电压信号能够产生不一样的各种电流最终产生各种磁力，将滑阀控制在不同的地方，让各种流量的机油推动叶片，最终控制凸轮轴转动收到控制进气提前角、迟后角的效果。（3）机油控制阀和凸轮轴正时调节器的工作原理机油控制阀是一个可双向移动的两位五通的电磁阀电磁阀，电控单元根据内燃机工况变化占空比信号，并以此来控制电磁阀的输入电流，使柱塞阀阀芯进行轴向间的运动，最终对机油的流量以及流向进行改变，为凸轮相位器气门正时体前和滞后腔提供机油，最终机油流量发生了改变，凸轮的正时以及相位也发生了改变。内燃机不转动的时候，电磁阀在机油作用下没有电流通多，电枢没有控制电磁阀轴阀，同时对应控制可变气门正时的执行器运动至可变气门正时的最大滞后位置，定子和转子被凸轮轴锁定销锁住停止。内燃机起动后，当油泵的压力值升高到预先设定的值时，油的压力将会使锁定销克服弹簧的弹力从而解除锁止，使定子与转子脱离，此时便可利用油压带动转子，从而使凸轮轴发生角向转动，实现配气相位的调节。2 VVT系统控制方法曲轴位置传感器、空气流量计、节气门位置传感器、水温传感器、轮速传感器将发动机转速、进气量、节气门位置、水温和车速等参数传给ECU，电控单元运算出各个工况下的最优气门正时，利用ECU 占空比的方式来控制正时机油阀的滑阀位置，进而通过凸轮轴相位调节器来连续控制进气门正时，同时电控单元通过接收由凸轮轴位置传感器以及曲轴位置传感器传来的信号来检测实际气门正时，并可提供反馈控制以达到最佳的气门正时，其系统控制图如图4-4（1）：图4-4（1）VVT系统控制图系统控制逻辑原理如图4-4（2）：图4-4（2） 系统控制逻辑原理这个系统根据各种车速、负荷以及水温一系列不同工况制定预先的编程，向它在各种工况下内燃机进气门正时调整输出更严格有效控制，从而获得很好的动力性、低油耗性、高环保以及低排放性。下表4-1为不同工况时详细的进气正时。表4-1 正时控制调节工况气门重叠角（+）进气提前角（）进气滞后角（）怠速（轻负荷）最小最小最小中等负荷增加增加最小重负荷低中转速增加增加最小重负荷高转速最小最小最大低温最小最小最小启动最小最小最小怠速时（轻负荷）为防止燃气倒流回进气侧，将气门重叠角最小化，中等负荷时为得到较好的燃油经济性及排放，需要加大进气量来减小泵气损失，加大进气提前角；重负荷时低中转速范围时为增加扭矩，必须增加进气提前角，改进容积效率；重负荷高转速范围时为增加输出功率和扭矩，必须增加进气迟后角，以增加混合气的吸入量。低温和起动时为防止燃气倒流回进气侧和获得更好的排放，气门重叠角最小。在发动机运转时，机油控制阀和凸轮相位器的工作情况可分为以下3种。（1）气门正时提前图4-5是气门正时提前时整个机构的工作情况。ECU根据修正后的目标相位调节角度输出不同大小的占空比信号，为油压控制阀的电枢提供不同强度的电流，轴阀在电枢作用下向正时提前通道一侧移动，轴阀的进油开槽逐渐关闭正时滞后通道，打开正时提前通道，这个时候机油通过正时提前通道到正时提前腔中；同时，轴阀的回油开槽与正时滞后通道连通，相位器正时滞后腔中的机油通过回油油路返回油底壳。在油压作用下，凸轮