（机械电子工程专业论文）基于高速电液阀的变气门执行系统关键技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 汽车给人们带来方便的同时，也提出了严峻的问题：高能耗和高污染传统发动机都 是采用机械式凸轮轴驱动进气门和排气门，其气门正时、升程和开启持续期等参数都是固 定不变的，无法适应各种工况下对不同配气方案的需求，因而发动机的燃油经济性和动力 性不高。为了在全部运转工况范围内都能够对发动机的配气参数进行优化，改善发动机燃 油的经济性、动力性，降低有害气体排放，需要采用可变气门技术。 论文针对现有基于凸轮驱动气门配气机构的不足，提出了高速电液阀+ 单出杆液压缸 的可变气门执行系统并研制成功，该系统不仅结构简单，而且能够实现气门正时、升程、 开启持续期等气门参数柔性调节。针对电液可变气门在启闭过程中存在冲击问题，提出了 多孔节流+ 弹簧缓冲的高速气门缓冲结构，该缓冲结构能够有效减少气门开启和落座时的 速度，从而极大减少气门开启和落座冲击，实现高速气门缓冲针对现有电液阀动态响应 较低的问题，提出了一种小匝数、大电流+ 反接卸荷的高速电液阀功率驱动方案，并基于 该方案成功研制高速电液阀的驱动器；通过建立高速电一机械转换器的有限元模型，分析 关键结构参数对其驱动特性和动态响应的影响，进而得到优化后的最佳结构参数；试验结 果表明通过该驱动器和高速电一机械转换器结构参数优化，高速比例阎和高速开关阀达到 1 4 m m 行程所需要的时间分别为5 6 m s 和2 2 m s ，从而显著提高电液阎动态响应能力。针 对电液可变气门动态响应慢的问题，提出了无弹簧、压力反馈型高速大流量电液阀结构， 该阀是基于滑阀阀芯的两位三通阀，因此能够有效减小液动力，并能够凭借较小的阎芯直 径和行程实现较大流量增益；基于该高速大流量阀分别构建电液比例和开关可变气门执行 系统，通过仿真和试验分析关键结构参数对电液比例和开关可变气门执行系统动态特性影 响，进而得到优化后的最佳结构参数；试验结果表明经过参数优化后比例可变气门执行系 统最高动态响应频率可达5 0 h z ，可以用于1 5 0 0 r m i n 发动机气门控制，而优化后开关可 变气门执行系统最高动态响应频率可达1 3 3 h z ，可以用于4 0 0 0 r m i n 发动机气门控制。 有关各章内容分述如下： 第一章，对传统凸轮轴式发动机气门系统的不足进行分析，阐述了研究发动机可变 气门技术的意义。介绍了可变气门技术的分类，通过对比各种可变气门执行系统，得出电 液可变气门执行系统的优势与不足。提出了为解决电液可变气门执行系统不足所采用的关 键技术及国内外研究现状最后，对本课题的背景、研究意义和研究内容进行了归纳 第二章，通过分析电液可变气门运行机理，提出高速电液阀+ 单作用液压缸的可变气 门执行系统方案。介绍电液可变气门执行系统具体结构以及电液比例和开关可变气门执行 1 1 1 浙江大学博士学位论文摘要 系统工作原理。为实现高速瞬时大功率控制，提出无弹簧、压力反馈型高速电液阀结构并 详细介绍由其构成高速比例阀和高速开关阀工作原理。根据课题研究目标，得到电液可变 气门执行系统关键元件的结构参数。 第三章，分析高速电液可变气门执行系统对控制元件的要求，介绍了高速电一机械转 换器的关键技术。为提高电一机械转换器的动态响应，提出了一种小匝数、大电流+ 反接 卸荷的功率驱动方案，并详细介绍其工作原理及电路模块实现。对高速比例和开关电一机 械转换器工作特性进行分析，通过建立高速比例和开关电一机械转换器的有限元模型，得 到关键结构参数对其驱动特性和动态响应特性影响规律，进而获得优化后的最佳结构参数 并对其驱动特性和动态响应进行试验研究。通过建立高速比例和开关阎的数学模型，就其 关键结构参数对其流量特性影响进行了评估。 第四章，对现有缓冲技术进行分析的基础上，针对高速气门缓冲特点，提出可变缝隙 节流+ 缓冲弹簧的高速气门缓冲方案，对其具体缓冲结构和缓冲机理进行了分析，得到高 速气门缓冲结构参数，并采用m o n t ec a r i o 算法对节流孔数目、孔径以及分布位置进行了 优化。建立带高速气门缓冲的电液开关可变气门执行系统数学模型，基于系统数学模型分 析关键结构参数对气门缓冲特性的影响。 第五章，介绍基于高速电液阎的电液可变气门执行系统组成，根据系统的物理模型 建立了其数学模型。在a m e s i m 中分别建立了基于高速比例阎和高速开关阀的电液可变气 门执行系统的仿真模型，基于仿真模型对比例可变气门执行系统下气门参数的可控性，系 统的稳定性以及气门闭环控制和开关可变气门执行系统的气门参数的可控性进行分析。为 了实现系统优化，就关键系统参数对系统动态性能的影响进行了详细的分析，从而得到优 化后的系统参数并对优化后系统动态响应进行分析。对提高电液比例和开关可变气门执行 系统频响可行性进行分析。 第六章，介绍了基于高速电液阀的电液可变气门执行系统试验台架组成和工作原理。 对基于高速比例阀的电液可变气门执行系统气门参数可控性、系统稳定性以及基于高速开 关阀的电液可变气门执行系统气门参数可控性进行了试验研究。对弹簧刚度、预紧力等系 统参数对电液可变气门执行系统动态特性的影响进行了试验评估，并对优化后电液可变气 门执行系统响应进行试验。对电液比例和开关可变气门执行系统特性进行比较。 第七章，概括了全文的主要研究工作和成果，并展望了今后需进一步研究的工作。 关键词：可变气门执行系统；高速电液阀；比例控制；驱动器；电一机械转换器；结构参 数优化；气门缓冲 i v 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e r i o u sp r o b l e ma u t o m o b i l e sr a i s ei sh i g l le n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i g hp o l l u t i o n w h i l ea u t o m o b i l e sh a v eb r o u g h tc o n v e n i e n c e c o n v e n t i o n a lg a s o l i n ee n g i n ed r i v e si n t a k ev a l v e a n de x h a u s tv a l v eb yu s i n gm e c h a n i c a lc a m s h a t t 啦sk i n do fe n g i n ec a nn o ta d a p tt od i f f e r e n t d i s t r i b u t i n gp r o g r a m si nv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n sb e c a u s ev a l v et i m i n g ，l i f ta n dd u r a t i o na r e f i x e d ，a n dt h e r e f o r ef u e le c o n o m ya n dd y n a m i cp r o p e r t ya r en o th i g h i no r d e rt oo p t i m i z e d i s t r i b u t i n gp a r a m e t e ri na l lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，i m p r o v ef u e le c o n o m ya n dp o w e rp e r f o r m a n c e a n dr e d u c ee x h a u s te m i s s i o n ，v a r i a b l ev a l v et e c h n i q u ei sm u c hi nd e m a n d e d t h e r e f o r e ，a v a r i a b l ev a l v e a c t u a t o r s y s t e m 、) l ，i t h a d o p t i o n o f h i g h - s p e e d e l e c t r o h y d r a u l i cv a l v ea n ds i n g l er o dh y d r a u l i cc y l i n d e ri sp r o p o s e dt oo f f s e tt h ed i s a d v a n t a g e s o fp r e s e n td i s t r i b u t i n gm e c h a n i s mb a s e do nc a m s h a f td r i v e t h ea c t u a t o rs y s t e mh a ss i m p l e s t r u c t u r ea n dc a na c h i e v es o f ta d j u s t m e n to fv a l v et i m i n g ，l i f ta n dd u r a t i o n i no r d e rt os o l v et h e v a l v es h o c kp r o b l e md u r i n go p e n i n g - c l o s i n gp r o c e s si ne l e c t r o h y d r a u l i cv a r i a b l ev a l v ea c t u a t o r s y s t e m ，ah i g h - s p e e dv a l v eb u f f e rs t r u c t u r ec h a r a c t e r i z e db yi t sm u l t i p l eo p e n i n g st h r o t t l ea n d s p r i n gb u f f e ri sw e l lp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h eb u f f e rs t r u c t u r ec a l le f f e c t i v e l yr e d u c ev a l v e o p e n i n ga n dc l o s i n gv e l o c i t ya n ds h o c k ，a n dt h e r e f o r ee f f i c i e n t l ya c h i e v ev a l v eb u f f e ri nh i g h s p e e d i nt h ep u r p o s eo fa d d r e s s i n gt h ep r o b l e mo fl o wd y n a m i cr e s p o n s e o fp r e s e n t e l e c t r o - h y d r a u l i cv a l v e ，ad r i v ef o rh i g h - s p e e de l e c t r o - h y d r a u l i cv a l v ew a ss u c c e s s f u ld e v e l o p e d o w n i n gt ot h ep o w e rs c h e m e ，w h i c hi s b a s e do ns m a l ln u m b e ro ft u r n s ，l a r g ec u r r e n ta n d r e v e r s e dp o l a r i t yd i s c h a r g e t h ed r i v i n gp e r f o r m a c ea n dd y n a m i cr e s p o n s eo ft h eh i g h s p e e d e l e c t r o - m e c h a n i c a lc o n v e r t e rw a sa n a l y z e da n dt h e o p t i m i z e d s t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eh i g h s p e e de l e c t r o - m e c h a n i c a lc o n v e r t e r s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h s p e e dp r o p o r t i o n a lv a l v ea n do n o f fv a l v et a k e5 6 m s a n d2 2 m st or e a c h1 4 r a mt r a v e lr e s p e c t i v e l yb yu s i n gt h ed r i v ea n do p t i m i z i n gs t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，a n dt h e r e f o r et h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cv a l v ew a se f f e c t i v e l y i m p r o v e d f i n a l l y , i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fl o wd y n a m i cr e s p o n s eo ft h e e l e c t r o h y d r a u l i cv a r i a b l ev a l v e ，ah i g h - s p e e dl a r g ef l o we l e c t r o - h y d r a u l i cv a l v eo fw i t h o u t s p r i n g ，p r e s s u r ef e e d b a c ks t r u c t u r ew a sp r o p o s e d t h ev a l v ei sat w o - p o s i t i o na n dt h r e e w a y v a l v eb a s e do ns l i d ev a l v e ，a n dt h e r e f o r ec a ne f f e c t i v e l yr e d u c ef l o wf o r c e i tc a na c h i e v el a r g e f l o wg a i nb e c a u s eo fs m a l lv a l v ed i a m e t e ra n ds h o r ts t r o k e t h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l a n do n o f fv a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e mw e r eb u i l tb a s e do nt h eh i g h - s p e e dl a r g ef l o wv a l v e t h eo p t i m i z e ds t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db yw a yo fa n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fk e y s t r u c t u r ep a r a m e t e r si nd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a la n do n o f f v 浙江大学博士学位论文 v a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e mr e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u m d y n a m i cr e s p o n s ef r e q u e n c yo ft h eo p t i m i z e dp r o p o r t i o n a la c t u a t o rs y s t e mc a nr e a c ht o5 0 h z a n di tc a nb eu s e dt oc o n t r o l15 0 0 f f m i ne n g i n ev a l v ea n dt h em a x i m u md y n a m i cr e s p o n s e f r e q u e n c yo ft h eo p t i m i z e do n o f fa c t u a t o rs y s t e mc a nr e a c ht o13 3 h za n di tc a nb eu s e dt o c o n t r o l4 0 0 0 d r a i ne n g i n ev a l v e i nc h a p t e rl ，t h em e a n i n go fs t u d y i n go ne n g i n ev a r i a b l ev a l v et e c h n i q u ew a si l l u s t r a t e d b ya n a l y z i n gt h es h o r t a g eo fc a m s h a f tv a l v e t r a i ns y s t e m t h ec l a s s i f i c a t i o no fv a r i a b l ev a l v e t e c h n i q u ew a si n t r o d u c e da n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cv a r i a b l e v a l v ea c t u a t o rs y s t e mw e r eo b t a i n e db yc o n t r a s t i n ga l lk i n d so fv a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e m t h e k e yt e c h n i q u e sw h i c hw e r eu s e dt os o l v et h ed i s a d v a n t a g e so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cv a r i a b l e v a l v ea c t u a t o rs y s t e mw e r ep u tf o r w a r da n dp r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so ft h ek e yt e c h n i q u e sw e r e i n t r o d u c e d f i n a l l y , r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hc o n t e n t sw e r e s u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ，av a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e ms c h e m eb ya d o p t i n gt h ee l e c t r o - 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h y d r a u l i co n o f f v a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e m 砸mh i g l l s p e e dv a l v eb u f f e r i nc h a p t e r5 ，t h es y s t e mc o m p o n e n t so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cv a r i a b l ev a l v ea c t u a t o r s y s t e mw e r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lm o d e lo f t h es y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l w a sm o d e l e d t h es i m u l a t e dm o d e l so ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cv a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e m b a s e do nh i g h s p e e dp r o p o r t i o n a lv a l v ea n do n o f fv a l v ew e r eb u i l ti na m e s i m b a s e do nt h e s i m u l a t e dm o d e l s ，t h ec o n t r o l l a b i l i t yo fv a l v ep a r a n e t e r s ，s y s t e ms t a b i l i t ya n dt h ev a l v e f e e d b a c kc o n t r o lo ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e mw e r e a n a l y z e d ；t h ec o n t r o l l a b i l i t yo fv a l v ep a r a m e t e r so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i co n o f fv a r i a b l ev a l v e a c t u a t o rs y s t e mw a sa n a l y z e d i no r d e rt oo p t i m i z es y s t e m ，t h ei n f l u e n c e so fk e ys t r u c t u r e p a r a m e t e r so nd y n a m i cp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e da n do p t i m i z e ds t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e d t h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h ep r o p o r t i o n a la n do n o f fv a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e m w e r ea n a l y z e da f t e ro p t i m i z i n g f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t i e so fi n c r e a s i n g 丘e a u e n c yr e s p o n s e so ft h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a la n do n o f f a c t u a t o rs y s t e mw e r ea n a l y z e d i nc h a p t e r6 ，t h ee x p e r i m e n t a lr i go ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cv a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e m b a s e do nt h eh i g h s p e e de l e c t r o h y d r a u l i cv a l v ew a si n t r o d u c e da n dt h ec o m p o n e n t sa n d w o r k i n gp r i n c i p l ew e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h ec o n t r o l l a b i l i t yo fv a l v ep a r a m e t e r so ft h e e l e c t r o - h y d r a u l i cv a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e mb a s e d o nt h eh i 曲s p e e dp r o p o r t i o n a la n do n o f f v a l v ew a se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h es y s t e ms t a b i l i t yo ft h ep r o p o r t i o n a ls y s t e m w a sa l s oa n a l y z e d t h ei n f l u e n c e so fk e ys t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，s u c ha ss p r i n gs t i f f n e s s ， p r e t i g h t e n i n gf o r c ea n dp u l s ew i d t h , o nd y n a m i cp e r f o r m a n c ew e r ee x p e r i m e n t a l l ye v a u l a t e d t h ee x p e t i m e n tw a sc a r r i e do na f t e ro p t i m i z i n gt h es y s t e m f i n a l l y , t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a la n do n o f fv a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e mw e r ed i s c u s s e d i n c h a p t e r7 ，a l l a c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e r r e s e a r c h e sa r ep r o s p e c t e d k e yw o r d s ：v a r i a b l ev a l v ea c t u a t o rs y s t e m ；h i g h s p e e de l e e t r o - h y d r a u f i ev a l v e ； v t i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t p r o p o r t i o nc o n t r o l ；d r i v e ；e l e c t r i c a l - m e c h a n i c a l c o n v e r t e r ；s t r u c t u r ep a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n ；v a l v eb u f f e r 浙江大学博士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得盘婆太堂或其他教育机构的学位或证书丙使用过的材料与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：麦 签字日期： ) 加夕年7 月，2 日 | | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝逛太堂。有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权浙江太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 烈蟛 鳓期：沁阳月 导师 签字日期：少伊7 年 9 月乡日 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 论文是在尊敬的导师陈鹰教授的悉心指导、热情关怀和鼓励下完成的，陈鹰老师在课 题的研究方向、课题创新性和论文撰写上都给予大量的指导和倾注了大量的心血导师宽 广渊博的学识、深厚的理论基础、求是创新的科研态度、科技报国的思想和精益求精的工 作作风都深深地感染和影响着我，在此谨向导师表达深深的感谢和崇高的敬意! 衷心感谢导师金波副教授，整个读研的历程是在金波导师的热心指导和帮助下完成 的。金老师深厚的理论知识、扎实的专业基础和严谨求是的工作作风都给我留下的深刻的 印象。导师不仅在学习和工作上给与了具体的指导，而且在生活上也给与了悉心的照顾。 尤其是金老师在我人生中受到挫折的时候给予我的支持和鼓励，我将铭记于心 感谢浙江大学流体传动及控制国家重点实验室在我课题的研究过程中所提供的硬件 支持，感谢研究所所有老师对本人给予的无私帮助。感谢浙江大学图书馆、网络中心提供 的丰富的科学文献，是它们让我能够了解前人的研究成果以及课题的前沿，令我开阔了眼 界、找到了课题的切入点。 感谢浙江省自然科学基金对本课题的资助! 在读研的期间，课题组的成员就像是一个大家庭，不仅在工作上相互支持，而且在生 活上相互帮助，感谢沈海阔师兄、陈飞飞师兄、李勇师兄、宁德胜师兄、周渝曦师兄、黄 琳师姐、许明博士、虞伟乔硕士、陈诚博士、王勇硕士、胡厦硕士、张利建硕士、汤洁硕 士、丁小川硕士、薛志刚硕士、张佳林硕士、李婷硕士、胡任硕士、台毅柱硕士、高镇硕 士、康磊硕士、林东东硕士和张继园硕士，正是因为有了这么多同门的支持和鼓励，读研 的历程才会少了很多坎坷，读研的生活也变得丰富。虽然有些人已经毕业奔赴工作岗位， 有些人还要负笈苦读，这里要向你们所有人道一声真挚的感谢! 特别感谢我的父母，虽然读书期间家里的生活压力很大，但父母都默默承受，从远方 给予我全力的支持。尤其是我的母亲，虽然您已离我们而去，但是作为儿子将会永生不忘 您对我的养育和培育的恩情，无法让您享到儿子的福是我这一辈子最大的遗憾。但我会在 今后努力工作，创造出好的成绩方能不辜负您和父亲对我的期望。 最后，感谢我的女友易文颖，她在学习、生活和工作上都给我很大的支持和帮助 感谢所有关心和帮助过我的人! 刘金榕 2 0 0 9 年7 月于浙大求是园 浙江大学博士学位论文l 绪论 1 绪论 摘要：本章首