（动力机械及工程专业论文）内燃机无凸轮电液驱动配气机构的设计与控制研究.pdf

中文摘要 传统发动机的气门运动参数是固定的。在不同的运行条件下，发动机对气门 的要求是不同的，固定的气门参数是对这些要求的一种折衷。2 0 世纪8 0 年代， 大量以凸轮轴为基础的变气门方案被提出。在发动机的某些运行工况下，这些方 案优化了发动机的性能。但是，相对于无凸轮配气机构来说，变气门方案只是获 得了一小部分的改进。2 0 世纪9 0 年代，展开了可以连续调节气门运动参数的无 凸轮气门机构的研究。无凸轮电液驱动配气机构在所有工况下都能连续地、独立 地控制气门运动，使发动机获得低排放、低能耗、高扭矩和功率输出等优点。本 文依据无凸轮电液驱动配气机构的研究现状，在1 5 6 f m i 发动机的基础上进行了 无凸轮配气机构的设计和试验研究，弥补了国内在这方面研究的空白。本文主要 内容如下： 1 本文概括介绍了无凸轮电液驱动配气机构的基本原理，详细阐述了气门开 启和闭合的工作过程。根据现有的条件和分析各方面的利弊，提出了进行无凸轮 电液驱动配气机构设计的指导思想。在以上基本理论基础上，修改了1 5 6 f m i 现 有的发动机缸盖和气门结构，设计了液压活塞、气门套筒等配气机构组件。根据 实际情况选择了单向阀和电磁阀，设计了液压泵站，为整个液压系统提供了高压 源和低压源。 2 本文在牛顿第二定律和压力动力学基础上建立了单气门系统的数学模型。 运用m a t l a b s i m u l i n k 进行了单气门系统的动力学仿真计算。为了在线修改参数， 把整个模型分成了六个子系统。通过在线修改参数可以得到不同工况下的仿真结 果，减少了硬件的变化，加速了无凸轮气门机构的研发过程。 3 本文根据无凸轮电液驱动配气机构的运动规律，设计了开环控制器，使 无凸轮电液驱动配气机构能够运作。控制器的输入信号为电磁阀升程，控制量是 气门开启定时和开启持续时间。 4 本文在1 5 6 f m i 发动机试验机上进行了无凸轮电液驱动配气机构的运转和 调试工作。通过人为设置输入信号( 即电磁阀升程) 进行开环控制，检测气门升 程规律和开启持续时间之间的关系，确定液压系统的参数对整个系统的影响。 通过分析试验结果，证明了所设计的无凸轮电液驱动配气机构满足最初的出 发点。为今后进一步进行无凸轮电液驱动配气机构的研究打下了很好的基础。 关键词：内燃机；无凸轮配气机构；电液驱动；设计；控制；动力学仿真 _ _ - _ _ h _ _ _ - - _ w _ _ - _ h m _ _ _ “_ 一_ 。h “1 ”“”_ m - _ 。一 a b s t r a c 零 c o n v e n t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sg e n e r a l l yh a v ef i x e dv a l v e sf o rv a l v e l i f ta n dv a l v ee v e n tt i m i n ga n dd u r a t i o n t h e s e sf i x e dv a l v ee v e n t sr e s p r e s e n ta c o m p r o m i s ea m o n g t h ec o n f l i c t i n gr e q u i r e m e n t sf o rv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n s i n 1 9 8 0 s ，n u m e r o u sc a m s h a m b a s e d v a r i a b l e - v a l v em e c h a n i s m sh a db e e n d e v e l o p e d a t s o m ee n g i n eo p e r a t i n gp o i n t s ，t h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n ew a so p t i m i z e db yt h e s e d e v i c e s 。b u t ，v a r i a b l e - v a l v ed e v i c e sa c h i e v e do n l yal y a c t i o no fi m p r o v e m e n t sw h i c h c a r n l e s sv a l v e t r a i nc o u l da c h i e v e d i n1 9 9 0 s ，r e s e a r c ho fc a m l e s sv a l v e t r a i n , w h i c h c o n t i n u o u s l ya d j u s t s t h e p a r a m e t e r s o fv a l v em o t i o nw i t h c h a n g i n go p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，w a sd e v e l o p e d 。c a r e l e s se l e c t r o h y d r a u l i cv a l v e t r a l no f f e r sae o n t i n u o u s l y v a r i a b l ea n di n d e p e n d e n tc o n t r o lo fa l l a s p e c t s o fv a l v em o t i o n , a c q u i r e dl o w e r e x h a n s te m i s s i o n s , b e t t e rf u e le c o n o m y , h i g h e r t o r q u ea n dp o w e r i n t h i sp a p e r , d e s i g n a n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho fc a m l e s sv a l v e t r a i nh a v eb e e nd o n e ，b a s e do n1 5 6 t ：m i e n g i n ea c c o r d i n g t oc u r r e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c ho fc a r n l e s s e l e c t r o h y d r a u t i e v a l v e t r a i n t h ed e f i c i e n c i e sa n d v a c a n c ya r em a d eu p t h em a i n c o n t e n t si n c l u d et h e f o l l o w i n g s ： l ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h eb a s i c p r i n c i p t e o fc a m l e s s e l e c t r o h y d r a u l i c v a t v e t r a i n ，e x p a t i a t e sw o r kp r o c e s s e so fv a l v eo p e n i n ga n dc l o s i n g a c c o r d i n gt o c u r r e n tc o n d i t i o n sa n d a n a l y z i n ga d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o fa l l a s p e c t s g u i d a n c ei d e a so fd e s i g no fc a r e l e s se l e e t r o h y d r a u l i cv a l v e t r a i na r ep u tf o r w a r d o n t h eb a s i so fa b o v e t h e o r i e s ，o r ；西n a ls t r u c t u r eo fc y l i n d e rh e a da n dv a l v e so f1s 6 f m l e n g i n ea r ec h a n g e d ，v a l v ep i s t o na n dv a l v es l e e v ea r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt o ：t a c t c o n d i t i o n ，c h e c kv a l v e sa n ds o l e n o i dv 或v e sa r es e l e c t e d ，h y d r a u l i cp r e s s u r ep u m p i n g s t a t i o nw h i c hp r o v i d e sh i 瘫r e s e r v o i ra n dl o wr e s e r v o i rf o rh y d r a u l i c s y s t e mi s d e s i g n e d 2 t h em a t hm o d e lo fa s i n g l e v a l v es y s t e mi se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so f n e w t o n ss e c o n dl a wo fm o t i o na n dp r e s s u r e d y n a m i c s u s i n gm a t l a b s i m t t l i n k , d y n a m i c s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no ft h e s i n g l e v a l v e s y s t e m i s d e v e l o p e d f o r p a r a m e t e ro n - t i n e 商a n g u s , t h ew h o l em o d e li sd i v i d e di n t os i xs u b s y s t e m s 强e m o d e ls p e e d su pt h ec a m l e s sv a l v e t r a i nd e v e l o p m e n t p r o c e s sb ys i m u l a t i n ge f f e c t so f p a r a m e t e rc h a n g e s ，t h u sm i n i m i z i n gt h en u m b e ro f h a r d w a r ev a r i m i o n s ， 3 i nt h i sp a p e r , o p e n m l o o pc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt om o t i o nr u l eo f 一一一 c a 撒l 秣se t e c t r o h y d r a u | i cv a l v e t r a i n ，s o e a m | e s se l e c t r o h y d r a u l i cv a l v e t r a i ne 麟剐 i n p u ts i g n a lo f c o n t r o l t e ri ss o l e n o i dv a l v el i f t c o n t r o lp a r a m e t e r sa v a l v eo p e m n g t i m i n g a n dv a i v eo p e nd u r a t i o n 。 ， 碡。o p e r a t i o na n d t e s tw o r k so f c a m l e s so 酶o t 蕊y 玉跏i ev a t v e t r a i ua r ed e v e l o p e d o nt 5 6 f m ie x p e r i m e n t a le n g i n e t h r o u g hs e t t i n gi n p a ts i g n a t ( s o i e n o i dv a l 4 嬷嚣璐* o p a n q o o p c o n t r o li sd e v e l o p e d ，t h er e l a t i o no fv a l v el i f tl a wa n dv a l v eo p e nd u r a t i o n i st e s t e d ，p a r m 整e t e r so fh y d r a u l i cs y s t e mh a v i n g a ni n f l u e n c eo i 1t h ew h o l es 筘t e mi s c o n f i r m e d t h r o u g ha n a l y s i so f e x p e r i m e n t a ld a t a , 娃i sp r o v e d f l a a tc a r e l e s se t e c t r o h y d r a u l i c v a l v e t r a i ni sr i g h t i ts e t su pb e t t e rb a s i so f tc a r e l e s se l e c t r o h y d r a u l i cv a l v e t r a i nf o rt h e l i e x tr e s e a r c h k e y w o r d s ：t n t e r r m lc o m b u s t i o n e n g i n e ；c a m l e 彗y a h , e t m i n ；e l e c t r o h y d m u l i e ； d e s i g nc o n t m hd y n a m i cs i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂盎态鲎或其他教育机构的学位或证 书焉饺蠲过戆麓艇。与我一溺工馋羹霹恚怼本磷究麓板的锰餐贾簸秘已在论文孛 终了疆确静说臻并表示了辩崽。 学位论文作者签名：蕊、炎竣 签字豳期： 2 。咔年月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂蠢关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部域部分内容编入有关数据库进行检 索，并用影印、缩印或捆描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国客旃荧部门或机构送交论文的复印件和磁擞。 ( 缣密瓣学篷论文在黪密嚣适震奉授投说麓) 学位论文作者签名： 苈、旋：眨导师签名： 签字秘嬲：五孵| 爱? d 强 签字e | 期： kp，|， m 虬 足 咿一 第一章前言 第一章前言 1 1 内燃机无凸轮电液驱动配气机构研究的必要性与发展现状 随着世界经济的发展，能源与环境的问题己成为影响经济可持续发展的重要 问题。内燃机作为目前世界上应用最为广泛的动力机械，每年消耗了全球9 0 的 汽油和9 0 的柴油，并且向环境排放出了大量的有害气体和微粒。因此，广大从 事内燃机研究的人员和世界范围内的内燃机制造商提出了“低能耗，低排放以及 高输出扭矩和高输出功率”的发动机概念。 目前，活塞式四冲程内燃机都是采用机械式凸轮轴驱动进气门和排气门的配 气机构。气门的运动通过曲轴与凸轮轴，凸轮轴与各缸气门之间的机械传动来达 到控制定时。长期以来，这种机械式机构被证明是简单、有效和可靠的，并且费 用相对低廉。然而，这种气门机构在气门的开启时刻，开启持续时间和气门升程 等参数上是固定不变的，工作缺乏柔性。而这些固定不变的气门运行参数只是综 合发动机在各种工况下运行时对气门工作要求时矛盾的一种折衷。由于这种折衷 能满足内燃机大部分工况的基本要求，所以被认为是可行的。但是，随着对内燃 机的燃油经济性和降低有害排放的要求不断提高，迫使广大内燃机设计人员寻求 新式的配气机构。 2 0 世纪8 0 年代末期9 0 年代初期，广大研究人员开发出了一系列以凸轮轴 为基础的可变换气方案【l 捌，如日本的丰田公司、本田的v t e c 系统，德国的f e v 等均开展了此类工作。这些方案般是通过增加附件，使凸轮轴的相位发生变化 或者使用多凸轮系统，从而能有效改善了发动机一部分工况的运行条件，优化了 发动机的性能，但是，这只能是综合发动机的各种工况条件，有选择地改进某一 部分工况的运行，不能实现所有工况均达到完全最佳的控制，因而只是一个局部 的改进。 2 0 世纪9 0 年代中后期，研究人员开始发起了以微处理器控制的可以连续调 节气门运行参数的无凸轮气门机构的研究。无凸轮配气机构就是取消发动机配气 机构中的凸轮轴以及从动件，而以电磁、电液、电气或者其他方式驱动气门。近 年来，国外有多家机构对电液驱动配气机构进行过或正在进行研究，如德国的 d a i m l e r - b e n z 公司 3 1 ，美国的f o r d 公司 4 , 5 , 6 1 ，以及美国的c a l i f o r n i a 大学5 1 和 i l l i n o i s 大学f 6 】联合开展了这方面的研究。国内还没有这个方面的研究 无凸轮电液驱动配气机构的发动机，就是用电液驱动装置取代传统的机械式 凸轮轴来控制气门的运行，其最显著的优点是气门开启时刻，气门升程，开启持 续时间和气门在发动机各个循环中的开启位置等可以相互独立的。因此，在发动 机的工作过程中，气门的运行参数是可变的，能实现发动机配气机构在各个工况 第一避靛言 下均戆戳最佳参数运孬，鼓两l 饶纯发凌褪燃涟经济性，动力经窝李 敖。茄岁 ， 与砖统熬发动疆稳魄，采震无凸耱惫浚虢凌嚣气疆狡鳃发囊= 氍i 还其弯戳下黧黪 象豹优点： 1 。由于取消了凸轮轴及冀襁关零部伟，从两篱纯了发动祝静结构，减枣了发 动机的重量和高度，使得发动机结构鼹为紧凑。同时，增大了气门布置的哭溜饿， 使气门不是必须布置在与凸轮轴中心线棚蓬直的平面内，实现了气门设计的泶。睫 化，因而能使换气过程与燃烧室噬黼的鼹好。 2 能灵活、单独、精确地控制气门的运行。这些运行参数包括气门定时，气 门开启持续时间，气门升程和气门遮行滤度以及工作频率。控制气门的定时，开 扁持续时间，升程除了能伎换气过程溅加究蔷，优化发动枫的工作性能外，遗巍 韵予实现耨概念盼燃烧方式。例如，瓣裁蜜瑗h c c i 燃烧方式的一个重要途径就 是穰罔逶当戆蠹帮e g r 率，这戆霹戳邋避蕴毒l 薅气门蕊定瓣寒提供所鬻瓣内部 e g r 牵。控裁气门运雩亍速度，曛爵淤减少寨攒释跨毒臻声，又套蚤予疆秀气滚逐 动形式的实现。在多缸瓿上，奁光辫发动机满受萄工 筝懿情况下，可以霄选撵避 关闭部分气门以及变换气门的关阏频率，从而依次关闭一部分气缸或者使篡怠速 运转，而又不让这些气缸冷却下采，能改善怠速稳定性。 3 可以通过改变气门定时来改炎黟燃料发动机的有效压缩比，以适成不同燃 料的要求。 无凸轮发动机优化气门运动的所商参数主要在于期望得到好的燃油经济性、 商的扭矩和功率输出，改善怠速稳定性，降低废气排放以及其它大量的优点和w 能性。从目前的文献来看，这种期爨救优点要转化为实际的发动机技术为时懑翠。 虽然美国f o r d 公司在文献( 4 】中，鼹承了无凸轮配气现构发动机的照片，健怒露 头秃蠡轮戆发动蕊鳃淫黠魄实黢绥聚一誊寒觅羧遵。德嚣d a i m l e r - b e r t z 公弼 在一辆发动瓿箨量受2 己秘a c t r o s 黛车上，对这秘无籍疆稳邃毒亍试验，毽怒认 为“该视梅进入批量生产裁还管诲多王锋要敲”瞄。 将无凸轮配气机构发动机的理论优点转化为实际的发动机技术，关键怒炙凸 轮配气机构必须具备优越的瞬态响_ 暾特性，即能够稳定、可靠、快速地实现对溉 凸轮气门机构气门运动规律的控制。从翻前检索到的文献来看，虽然有关咒凸轮 气门机构发动机的论文很少，但怒藏中绝大多数是关于控制模型1 7 , 8 9 】、控制理论 ，1 0 j 和控制机构1 4 ，e 1 1 1 的研究的。在控制机构上，无论是德国d a i m l e r b e n z 公司 还是美国f o r d 公司以及美国c a l l f o r n i a 大学和i l l i n o i s 大学联合开发的无凸轮气 门机构帮是邀一液驱动的。在控罱i 模黧、控制理论和控露4 枫梅上的多样性，从一 个铡嚣反映了该技术的不成熟瞧。尽镣魏鼗，对予豢嫂的发动机技术鹭懿艘熬豹 今天，凌毫控援零零l 久发魂掇镶城，笈掇无凸耱配气凝稳在壤洼经济瞧、褰憨怒 矩葶珏功率输毽、改善怠速稳定程、洚低滚气撵敖方瑟匏潜在戆饶点，是凳全必骚 第一牵嚣言 的，也是必须的。 。2 豫楚的来源、本文的囊要王终 本课题是天津市自然科学基金资助项目。本论文楚本人从事该课题研究的主 臻内容。 本论文是以1 5 6 f m i 摩托车发动规为研究对象开鼹无凸轮逛滚驱韵配气辊枣鼋 磷究馥，主要工作如下： 1 在f o r d 的电液气门机构驱动原理的基础上进行了无凸轮电液驱动配气机 构的设计。针对1 5 6 f m i 摩托车发动机进行了发动机缸蔬结构的重新设计，设计 了瑟凸轮毫渡憨动配气毅稳瓣各个组传。潮瓣，程疲域浚诗了滚丞系统，傈 歪滚 舔浆站能够掇傲恒定的高、低压源。 2 以1 5 6 f m i 发动机为研究对象，建立无凸轮电液驱动配气机构运动学和动 力学楣结合的控制摸型。运爝m a t l a b s i m u l i n k 进行初步的动力学仿真计算， 熬决了仿真过程中出瑷的臻鼷。逶遘模羧参数变纯的效莱，减少了琰徉靛交纯， 加速了无凸轮气门机构的研发过程。 3 根据无幽轮电液驱动配气机构的控制模型，设计控制器。控制器的输入信 号为电磁霾手 稼，基于不屈运转条彳譬下懿疑内进气量戆黉求，良气门开癌定辩翻 开启持续时间为控制量，设计开环控制器，使无凸轮电液驱动配气机构先动起来。 4 建立一个无凸轮电液骥动配气机构的模拟控制试验台，进行无凸轮电液驱 动配气机构的逡动规律控制实验，检测气门升程和开癜持续时润等控制量的交化 蕊律强及滚蓬舔绞静参数对整令系统的影魄。遥过人为设置参数逡行菲阕臻控 制，考察气门升程规律和开扁持续时间之间的关系。 另外，本研究的目的是初步作出无凸轮电控液压配气机构，验诞理论上的可 行程，繇激选黪结臻魄较麓肇瓣1 5 6 f m i 发动掇为骚突对象。它熬敷蔻魄较，l 、， 设计出来的整个机构可会e e 较大，不实阁，但是不影响实验室用，其体的优化 工作今后会逐步进行。 第二章无凸轮电渡驱动配气辘构静基本籀理 第二肇无凸轮电滚驱动配气孝霆梅熬基本嚣瑾 2 1 概述 无凸轮电液驱动配气梳构的基本原理【4 】如图2 1 。该系统有一个高压源和 个低臌源，在气门杆的上端装有一个液压活塞，液压活爨程液压腔中可以上下做 往复运凌。滚压涎塞上壤嚣戆液压黢稼为控毒l 赛，宅逶遂逮磁阕蟊肇囱阕与薅压 源和低压源相连。通过控制高压和低雁液体流八和流出控制室可以政变液压活塞 上端磁所承受的压力，从而控制液压活塞带动气门运动。液压活塞下端面的液压 整始终与高压源缣持稻连。液压活塞上下漆面液匿麓矫逢韵高压源稽露，僵怒西 为上下端面液压流体的作用面积不同，所以当上下端面所承受的流体压力同为高 压丞力对，上端藤戆压力仍魄下端霹躲大攫多，气门铱l 臻可以趣遽运动。发动枕 气门的开启由高压电磁阀控制，气门加速运动时高压电磁阀开启；气门减速逡动 时高压电磁阀关闭。气门的关闭由低压电磁阀控制。通过控制两个电磁阀的开启 与美 l l 裁可数控潮气门懿开襄移关溺。雯终该系统还鸯麓压摹囱润程羝压肇囱 阀。 鎏2 1无叠轮邀滚驱动嚣气辊掏懿潦理强 从运动过程中的能量变化角度考虑，无凸输电液驱动配气机构的工作过程与 单摆的运动过程相似，因此将其运动原理称为单摆原理。凭凸轮电液驱动配气机 梅可戳蕤供气门定时、气门舞程和气门运动速发的连续可爱控稍。该系统没有凸 轮和弹簧，而是利用液压流体的弹性，像液体弹簧一样对气门的开启和关闭越加 速秘减速豹终愚，这我是波蓬蕈摆原壤。与毒珏l 摄革摆一榉，渡压攀摆穗势麓转化 为动能，然后在能量损失很小的情况下再将动能转化为势能。气门加速运动时液 体的愿缩势能转化为气门的动能；气门减速时，气门动能又转化为液体的势能。 这些转换发生在气门开癌鞠瓣合懿避摇中。动戆鲶浚复惫该系统实瑷 莲麓塞漕耗 的关键。 当气门开定时，裹压电磁阈开启，低压电磁澜关闭。离压流体缝高压电磁阉 d 第二牵笼凸轮惫渡赣动配气壤梅静基零凝理 流入液压活塞上端的控制璧作用在液聪活塞上。由于液压活塞上下端的液体压强 稿鞠，毽滚压溪塞上矮_ 瑟滚髂鼹鸯效像嗣嚣稷大于下黎聪，对滚基潺塞褥言藏骞 一个向下的作用力，从而使液压活塞撼动气门女日速向下邀动。当气门运动到按_ i 菔 羲大秀凝跨，蹇毯迄磁潺美潮，滚压淀髂终盘遴入控裁蘩。疆羞滚燕瀵塞瓣下穆， 控制熬的客积变大，雨控制塞内的流体总_ 璧却傈持不交，使控制室内的龌力下降， 而液聪活塞下端液压腔内的瓶力保持不变，这时液压活塞受到的合力是向上的， 毽跫蠹子镤蛙气门自下终减速运动。减速露，懑控锻室鼹力小予稳援篷力显溪黉 之差大于低压单向阀的开扁压力时，低压单向阀打开，低压流体经过低压单向阀 流入控制室。当气门停止向下运动时，离、低滕电磁润和薅、低压单向阀均关翩， 气门箨整在最大萝 翟瓣篷鬟。 理论上，气门关闭过程与气门打开相似。低压电磁阀打开，高压电磁阀关闭。 液压滋塞上溃压力降低到秘低压源逐力嬲等，俘用在液愿活塞上的净压力使气f 1 热涟两上运羲。懑接近落盔挺蓑蛙，羝隧魄磁游关阚，蒜藤宅磁淹缝绥保持关溺， 液压滔塞上端压力增大，气门减速向上遴动。警控制室蕊力大于高压压力，且两 者之豢大子离曩攀彝涎戆嚣稿螽力辩，麓歪攀淘溪簿秀：，控裁室痰豹滚体逶遵灌 砸单向阀流入商骶源，从丽傈证了气门闭合的紧密性。 媳液驱动配气机构是嚣弹簧系统，图2 2 建电液驱动醒气机构理想的加速发 一对闵、速度一时闻、气门舞程一辩阂穗线1 4 j 。出予无弹簧，气门弼戳恒定燎嬲 速或减速运动，这使得可以采取比谢弹簧的系统小很多的净驱动力驱动气门运 动。爨为有利的麓，在无弹簧系统中欺眷气门怒机械运动部件，因媳减少了逡渤 零部件的数量和矮量，霹鞋降低能耗秘碟声。为了使电液驱动梳秘的恒定驱渤力 最小，开启和关闭的加减速必须是相同的( 对称摆) 。 腻 _ 蒜v 一 开启i 持绦l 关闭i 图2 2 电液驱动鬣气祝构理想的运渤曲线 为获得对称撰，气门的几何形状和作用在气门上的力要保持恒定关系。用液 送鞠蠼牲力豹袭达豹公式霹叛稷当耱确逡表述这些象转： 圪。昂= 0 2 ) 0 。，“。 ( 2 1 ) 第二章笼凸轮瞧渡驱动聚气梗稳懿蕊零燕遴 其中： 圪。为低压聪力值，只。为瀚压压力使， 毒。荧气门器横截瑟瑟稷，童。热气门活塞弱横截嚣嚣积。 2 2 气门憋嚣痿髑关闭 高聪电蝴驿启 赛_ 双辨窝藏逡繁逐步：关弼灏逡 第：步：辨扇诚遵 第五步：炎劂碱德 里馘 一愁 嘉爨聪避拦瓣巍 单向嘲内关闭 。一 i 低压电磁澜苒 疆拜纛 第三步：锶 处手完全砰臌髂穴步：气门她于完全关闭 辫2 3 觳滚驱羲聚气楹梅瑟气弱王撂道褒示意强 矗 f 第二章无凸轮电液驱动酉己气机构的基本原理 在图2 3 中绘密了关于气门开寝和关瀚过程静更为详缀静描述，荚包菇寿个 步骤。为了便于说明，每步都有个关于机械单摆的类比。 第一步，高嚣窀磁阉开癌，低蘧电磁润，寒、强压鼙胬瘸鹭保持关鼹。高基 源液体经商压电磁阀流入液压活爨上部的控制室中。液压活塞上下的液体压强相 等，毽是鬻为土鲻嚣滚俸艇畜效髂臻嚣积大于下螺霆，予麓澎残了一个囊下鲮基 力作用在液压活豢上，使液压活桊向下加速运动，从而推动气门向下加速运动。 第二步，裹屡邀磁耀关闼，低莲电磁阙，毫低援单囊闲继续爨持关闼。由于 液体停止流入控制室中，控制室中的液体避保持不变，随着液压活塞向下运动， 控制室鸯软变丈，控制室燕力下垮，但是离子蠼蚀气门继续囱下遮动。惫下运动 过程中，当控制室压力小于低压压力，且两者之差大于低腋单向阀的开启联力时， 低压单向阉打开，低压漉体经低愿单囱阙流入控制室。同嚣寸，液羼活塞向下运动 使液压活塞下端液压腔中的高压液体流回商压源，这样就恢复了一部分先前用于 加速气门时所消耗的能量。选择的满压压力积低匿压力必须要保证此时作用在液 愿活塞上静净压力方向向上，气门减速运动直至箕动能耗尽而停止运动。 第三步，气门停止运动时，低压单向阀关闭，控制室中的液体不再流动被密 封在控懿寰中，液糕活塞上下菰菘的匿力傺持平衡，这样就隧止了液歪活塞运动， 使气门固定在开扁位置。发动机气门的开启持续时间可根据需要确定。 第嚣步， 蓑露电磁弱开疟，蠢蓬电磁弱帮高、低压擎蠢藤关潮。这辩，控裁 室与低压源相通，控制室膳力减小，使得作用在液压活塞上的净臁力向上，气门 囱上热速运魂，怒控割室中豹液髂袤嚣低蘧深。 第五步，低压电磁阀关闭，控制室与低压源分离，但是由于惯性气门继续向 土遮裁。控制室中豹滚体受到压缝，压力舞蹇。豢整割室压力离予嚣压嚣力，且 两者之差大于高臌单向阀的开启聪力时，高压单向阀开启，这时摭制室与商压源 柏连通。液压活塞良上运动恕液锩从控铡窿泵到麓压源，褥渡压旗塞下端增大的 容积被同高压源的液体充满。因为液压活塞下端的容积变化量小于控制童容积 盼变化量，所以谈净流量众部流入了高压源。另外，由于这些发生在气门开瘳期 间，也会恢复一部分能量。如此来说，在气门的每个工作循环中，系统共发生了 两次能量恢复。 第六步，解释气门落庶。当气门耗尽熊动能辩，萁停止运动，单向阀关闭。 理想情况下，气门总应落在气门虞上，然而实际中实现这个动作比较困难。一个 磁较实际泌解决方案是奁气门到达气门座前一毫米左右融使其停止运动，然后荐 次开启低压电磁闷，这使得控制室与低压源再次棚通，增大了液臌活塞上下端面 弱逛力差，便褥气门能够完全关闭。在低蔗电磁阕短暂瀚开窟之嚣速关添。在发 动机剩余的循环中，两个电磁阀与两个单向阀都保持闭合，控制黛压力与低压源 逶力穗莓，液压活塞下端嚣匏压力与高压楚耀等，扶蘑绦耱发动瓠气门关 瓣严实。 7 第二章无凸轮电液驱动酉己气机构的基本原理 2 3 气门运动的控制 透过潋交衰鬟毫磁阙秘低压赣爨阅数王捧定瓣羧可以羧交发动规气门舞塞 与关闭定时。当然，这也改变了气门开启的持续时间。通过改变电磁阀脉冲的持 续拜重闻戴憩控铡气门熬丹程。瑟气门兹热速度、速度积运幼时闻可以通过数变高 聪流体的压力来般制。发动机工作时，通过使气门的高压电磁阀和低压电磁阀处 予上述笫六步中所描述的状态下，便可以便气门傍止工作。停止的跨续时阏可以 为任意多个循环，也可以仪为一个循环。 当需要增加每缸气门数时并不需要增加相应的电磁阀数，一对电磁阀既可以 撩制单个气门，也可以控制并彳亍运行的多个气门。因此，程四气门发动机中可以 用对电磁阀控制同步运行的两个进气门，用另对电磁阀控制两个排气门。 第三章1 5 6 f i v i i 发动机无凸轮电液驱动配气机构原理性样机的设计 第三章 15 6 f mi 动机秃凸轮电液驱动配气机构原理当 样机的设计 3 视鹫豹选择与无凸轮电液驱动配气橇构设计的基本慝惩 3 。 撬鍪静选择 根据本设计的已有基础和实际情况，本次研究拟以1 5 6 f m i 摩托车发动机为 研究对象，设计斑适合该梳登静秃凸轮电液驱动酝气辊聿毒。本磷究翁霹静跫裙步 设计出无凸轮电液驱动配气机构，验证其理论上的可行性，所以选择结构比较简 攀浆发韵辍为繇究对象。t 5 6 f m i 发动瓿楚滚冷单赶秘，浚霄隶遴，蕊稳足够篱 荤，对其缸盖进行再次设计时，炙需考虑缸盖中冷却水道的布置情况，便于实现 秃凸轮毫液驱动装置静安装，熟藏结魏戆羧动也较枣，瑟瑟良1 5 6 f m i 为谤究对 象。但是1 5 6 f m l 的缸盖比较小，设计出来的整个配气机构可能会比较大，起不 到减小发动规菱爨帮赢黢的终用，但是对子终理论疆究袋说不爨予影响实验窒 用，具体的优化工作今后会逐步避行。 一、1 5 6 f m i 瘁j 毛车发动枫性能的慕本参数： ( 一) 、动力睫： 有效转矩t o 1 0n 撼 有效功率p 。8 。2k w 额定功率8 0k w额定转速8 5 0 0 r p m m i n ( 二) 、指示燃 壶游耗率6 。 3 6 0g k w h ( 三) 、活塞行程s4 9 5i f l m曲轴半径r 2 4 。7 5 m m 工作释积玎 o 1 2 5l 二、1 5 6 f 1 t 摩托擎发动坟鹣凸筑爨程表及其秀程麴线 表3 11 5 6 f m i 发动壤凸轮舞理表 羚程挚像：黼) 角度升程角度升程角度升程角度升程角度升程 l0 。0 0 6 04 00 8 9 7 07 95 。5 0 7 61 1 83 + 5 9 1 01 5 70 3 6 9 8 20 0 1 5 34 l0 9 5 9 38 05 6 1 3 61 1 93 4 4 4 31 5 80 3 5 3 6 3o 0 2 7 24 21 。0 2 5 38 15 。7 1 2 41 2 03 2 9 9 41 5 90 3 3 9 3 4o 0 4 1 04 31 0 9 4 98 25 8 0 3 51 2 l3 1 5 6 71 6 00 3 2 6 7 50 。0 5 6 14 4l + 1 6 8 48 3 5 8 8 7 l1 2 23 0 1 6 51 6 10 。3 1 5 4 6o 0 7 1 54 51 2 4 5 88 46 + 9 6 2 91 2 32 8 7 9 11 6 20 3 0 5 0 争 塑三主! ! ! ! 坚! 蕉垫垫蚕些丝皇鲨题垫堡墨姓塑堕堡：睦登垫煦遂盐 70 0 8 6 74 61 3 2 7 4 8 56 0 3 0 51 2 42 7 4 4 61 5 3 0 2 9 5 4 80 1 0 1 64 7 1 4 1 3 28 66 0 8 9 51 2 52 6 1 3 21 6 4 0 2 8 6 0 9o + 1 1 6 44 81 5 0 3 28 76 1 3 9 5 1 2 62 4 8 5 21 6 50 。2 7 6 6 1 0 o 1 3 1 04 91 5 9 7 l8 86 1 8 0 21 2 72 3 6 0 61 6 6 0 2 6 6 9 l l0 1 4 5 65 0l 。6 9 4 88 9 6 2 1 1 41 2 82 2 3 9 01 6 70 2 5 7 1 1 2o 1 6 0 25 11 7 9 6 2 9 06 2 3 3 01 3 92 1 2 2 91 6 8 o 2 4 7 3 1 3g 。1 7 4 75 2l ，9 0 1 69 16 2 4 5 21 3 02 0 1 0 0l s 90 2 3 7 6 1 40 1 8 9 35 32 0 1 l l9 26 2 4 7 81 3 11 9 0 1 21 7 0 0 2 2 8 0 1 50 2 0 3 85 42 。1 2 4 79 36 。2 4 0 41 3 2l 。7 9 6 41 7 1 o 。2 1 8 4 1 60 2 1 8 35 52 2 4 2 39 46 2 2 2 11 3 31 6 9 5 71 7 2 0 2 0 9 0 1 70 。2 3 2 95 62 。3 6 3 79 56 1 9 1 61 3 41 5 9 9 11 7 30 1 9 9 4 1 80 2 4 7 55 72 4 8 9 09 66 1 4 8 41 3 51 5 0 6 41 7 40 1 8 9 7 掬0 2 6 2 25 82 6 1 7 99 76 ，0 9 5 51 3 6l 。4 1 7 81 7 50 t 7 9 9 2 00 2 7 7 05 92 7 5 0 39 86 0 3 8 01 3 71 3 3 3 01 7 60 1 7 0 2 2 l0 。2 9 1 56 02 。8 9 5 39 95 ，9 7 5 61 3 8l 。2 5 2 11 7 70 1 6 0 4 2 20 3 0 5 86 13 0 2 4 71 0 05 9 0 3 21 3 91 1 7 5 11 7 8o 1 5 0 6 2 30 3 1 7 96 23 2 6 6 31 0 15 。8 1 8 31 4 01 t ( 7 1 81 7 90 1 4 0 9 2 40 3 3 3 96 33 3 1 0 51 0 25 7 2 3 9 1 4 11 0 3 2 21 8 0o 1 3 i 2 2 50 3 4 8 96 43 4 5 6 61 0 35 6 2 2 81 4 20 9 6 6 21 8 1o 1 2 1 4 2 60 3 6 5 46 53 6 0 4 l1 0 4s 5 1 5 81 4 30 9 0 3 81 8 20 1 1 1 5 2 70 3 8 4 26 63 7 5 2 21 0 55 4 0 2 61 4 40 8 4 5 01 8 30 ，1 0 1 6 2 80 + 4 0 5 66 73 9 0 0 21 0 65 2 8 3 51 4 50 7 8 9 51 8 40 0 9 1 9 2 90 4 2 9 76 84 0 4 7 71 0 75 1 5 9 01 4 60 7 3 7 41 8 50 0 8 2 4 3 00 。4 5 6 66 94 1 9 4 21 0 85 0 2 9 51 4 70 6 8 8 61 8 6o 0 7 3 2 3 l0 4 8 6 47 04 3 3 9 21 0 94 8 9 5 81 4 80 6 4 2 91 8 70 0 6 4 0 3 20 5 1 9 27 l4 ，4 8 2 51 1 04 7 5 8 71 4 90 5 0 0 41 8 80 0 5 4 5 3 30 5 5 5 17 24 6 2 3 91 1 14 6 1 8 91 5 00 5 6 1 01 8 90 0 4 4 2 3 40 5 9 4 27 34 7 6 3 31 1 24 4 7 6 51 5 l0 5 2 4 61 9 00 0 3 3 3 3 50 ，6 3 6 47 44 8 9 9 61 1 34 3 3 1 71 5 2o 4 9 1 31 9 l0 0 2 2 6 3 60 5 8 1 97 55 0 3 1 51 1 44 1 8 4 91 5 30 4 6 1 01 9 20 0 1 3 0 3 70 7 0 2 77 65 + 1 5 8 01 1 54 0 3 6 61 5 40 4 3 3 81 9 30 0 0 5 3 3 80 7 3 0 67 75 2 7 9 2l l s3 。8 8 7 81 5 50 4 0 9 61 9 40 0 0 0 6 3 90 8 3 8 27 85 ，3 9 5 81 1 73 7 3 9 01 5 60 3 8 8 41 9 50 0 0 0 0 摄豢液3 ，l 懿蕊轮舞程表，w 褥1 5 6 f m i 摩托车发动穰懿凸轮舞程魏线努图 3 1 所示。 1 0 第三章1 5 6 f m i 发动机无凸轮电液驱动配气机构原璎性样机的设计 凸轮升稳 191 7 2 5 3 34 14 9 5 76 57 38 18 99 71 0 5 t 1 3 1 2 1 1 2 9 1 3 7 1 4 5 1 5 3 1 6 1 1 6 9 1 7 7 1 8 5 1 9 3 商辘转角 图3 1 1 5 6 f m i 发动机凸轮升程曲线 三、气门辩舞程 1 5 6 f m i 摩托车发动机的配气机构的示意图如圈3 2 所示： 图3 21 5 6 f m i 发动梳配气梳梅示意图 根据示意图，由几何关系可计算得到气门的竣大升秘。 凸轮的最大升翟为6 2 4 7 8 m m ，觚丽掖导出 气门的最大升程为6 。2 4 7 8 3 3 6 4 5 8 3 2 6 2 0 = 7 4 7 1 9 3 1 2 设计的基本思想 臻导愚想、 本设计的目标是对无凸轮电液驱动配气机构进行原理性的验证，因此设计的 缡架为蘸瑾往样橇的试制，获两在设计过程中对予无凸轮泡液驱劝配气梳鞫在发 动机上的批量生产和应用等环节，暂且不予以考虑。 措导思想二、 一 第三章1 5 6 f m i 发动机无曲轮电液驱动配气机构原理性样机的设计 设诗中，考虑釜l 襻梳试耩的鼹荔程凄，应尽量减少对藤来发动杭鑫盏缭稿煞 改变，并胤由于1 5 6 f m i 发动机缸盖结构本身比较紧凑，不利于在缸盖中布置液 悉管道帮液歪整，零凌设计攘采取缀舍整鼹整譬 ，褥无凸轮毫滚驱动配气糗擒设 计为一模块，安裟在发动机的缸敲上。 撩导思戆三、 对于电液驱动配气机构所用到的电磁润、单向阀和液压泵等配件，拟通过选 撵嚣蓊现有静菇懿来实蠛。因为程电磁阏，萃淹溺莘西液压浆等配 睾上，妥蓊有篦 较成熟的技术，从而能减轻设计的难度和复杂的程度。 3 2 缸盖的设计 3 2 1 蠡i 盖结构设计的原剐 由于本次设计