（动力机械及工程专业论文）电磁驱动气门机构的设计开发和试验研究.pdf

浙江人学博士学位论文电磁驱动气门机构的设计开发和试验研究 摘要 排放法规的日趋严格和世界能源的日益短缺，趋使世界各国的汽车企业和科 研院所投入大量人力和物力进行清洁高效内燃机的研究。随着燃油喷射系统和点 火系统的逐渐电控化，传统内燃机配气相位固定不变的弊端日益突出，取消凸轮 轴及其从动件，实现无凸轮驱动的全可变气门技术已迫在眉睫。电磁驱动气门机 构以其独特的优势倍受关注，该机构可灵活的控制气门正时和升程，实现发动机 低油耗、低排放和高效率的控制目标。国外在电磁驱动气门机构的结构设讨和控 制方面已做了大量研究，但由于仍有许多问题尚未解决，有关研究工作还在进行 之中，要实现产品化尚需时日。 本论文在参阅文献和借鉴国外设计开发经验的基础上，结合与一汽集团无锡 油泵油嘴研究所合作的电磁驱动气门机构课题的实际情况，采用模型分析、仿真 计算与试验研究相结合的研究模式，对e m v a 系统进行了较为深入的探索性研 究，取得了一定成果，为今后进一步研究和开发打下坚实的基础。 论文主要工作： ( 1 ) 采取将磁性材料磁化曲线近似计算的方法，建立了电磁阀的静态模型，得 出电磁阀设计与控制参数拟定应遵循的原则。 ( 2 ) 为设计出满足e m v a 系统用的高速电磁阀，建立了电磁阀的动态模型， 用计算机仿真的方法，分析了高速电磁阀的工作机理，探讨了驱动电压、 运动质量、弹簧刚度及预紧力、线圈匝数、线圈电阻、衔铁行程等各参数 对动态响应特性的影响，提出了改善电磁阀响应特性的措施。 ( 3 ) 在分析e v i v a 的工作原理和工作过程的基础上，国内首次设计研制了一 套矩形叠片式、双电磁铁、双弹簧的e m v a 系统。静铁芯由矩形硅钢片 叠合而成，大大减小了磁性材料的磁滞效应和涡流效应，同时也降低了线 圈的发热。设计中在减小运动质量的同时，考虑降低空气阻尼的影响，采 取在衔铁上打孔的措施。同时还采用预留残余气隙来减小由于机械加工误 差和剩磁对机构造成的影响。 ( 4 ) 研制了与e m v a 系统相配套的动态试验测试系统，完成了该系统的静态 特性和动态特性试验。提出了以控制线圈电流来降低落座速度的开环控制 策略，在国内首次通过动态试验得出了控制参数对落座速度的影响规律， 通过优化匹配控制参数将落座速度降到了一定范围，进一步验证了自行研 制e m v a 的实用性和控制系统的可行性。 ( 5 ) 在国内首次基于磁性材料的磁化曲线，对e m v a 建立系统模型，考虑了 浙江大学博上学位论文 电磁驱动气门机构的设计开发和试验研究 磁性材料的磁饱和、磁滞和互感特性。针对e m v a 系统的高度非线性、 参数不确定性以及扰动大的特点，首次将变结构滑模控制理论用于e m v a 系统的控制。仿真结果表明，该控制系统成功地实现了对期望轨迹的快速 完全跟踪，并实现了气门软着陆。同时解决了气门位移和速度难以测量的 问题。 关键词：电磁驱动气门系统、无凸轮发动机、可变气门驱动、高速电磁阀、 软着陆、滑模控制 浙江大学博士学位论文 电磁驱动气门机构的设计开发和试验研究 a b s t r a c t f u t u r er e q u i r e m e n t so ft h el e g i s l a t i v eo nt h er e d u c t i o no fe x h a u s te m i s s i o n so f m o t o rv e h i c l e sc o m b i n e dw i t ht h ed e m a n do fa u t o m o t i v ec l i e n t sf o r1 0 w e rf u e l c o n s u m p t i o na n de x c e l l e n tn o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s sn 呵v h lb e h a v i o rf o r c et h e a u t o m o t i v e i n d u s t r yt o r e a l i z et h e p r e s s i n gn e e d f o rc l e a na n de 伍c i e n ti n t e m a l c o m b u s t i o n ( i c ) e n g i n e c o n v e n t i o n a li n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n e su s em e c h a n i c a l l y 出i v e nc a m s h a f t st oa c t u a t ei n t a k ea n de x h a u s tv a l v e s w m l et h i ss y s t e mi sc o n v e n i e n t a n dr e l i a b l e ，t h ef i x e dt i m i n go ft h ev a l v ee v e n t sw i t h r e s p e c tt ot h ep i s t o nm o t i o ni s t y p i c a l l ys e l e c t e da sac o m p r o m i s ea m o n g f u e le c o n o m y , e m i s s i o n s ，m a x i m u m t o r q u e o u t p u ta n dn v h t h ew e l l t u n e dm e c h a n i c a l l yc o n n e c t e dp a r t si ni ce n g i n eo ft h e p a s ta r et r a n s f o r m e dt oe l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dm e c h a n i s m st h a tp r o v i d em a n y d e g r e e s o ff r e e d o mf o r p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n e l e c t r o m e c h a u i c a l v a l v e a c t u a t i o n ( e m v a ) a sap r o m i s i n gc a m l e s sv a l v e t r a i nc a r lc o m p l e t e l ye l i m i n a t e t h e e a r n - c r a n ks h a f tm e c h a n i c a ll i n k a g ea l l o w i n gf o raw i d ec o n t i n u o u s l yv a r i a b l ev a l v e t i m i n g ( v v t ) t h r o u g ht h eu s eo fv vt e n g i n eo p e r a t i o nc a nb eo p t i m i z e di nf u e l e c o n o m y , p e r f o r m a n c ea n de m i s s i o n s a b r o a dv a s tr e s e a r c h e sh a v eb e e nm a d e i nt h e a r e ao fe - f 硝a ts t r u c t u r ed e s i g na n dc o n t r o ls t r a t e g i e sa n ds t i l lb e i n g c o n t i n u i n gd u e t os o m e p r o b l e m s t od e a lw i t h i ti sf a ra w a yf r o m p r o d u c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e se m 昭o nt h eb a s i so f l a r g en u m b e r so f r e f e r e n c e s a n de x p e r i e n c e s ，a n dc o m b i n e st h er e a ls i t u a t i o no ft h ep r o j e c tw h i c hi s c o o p e r a t i n g w i mw u x if u e li n j e c t i o ne q u i r m e n tr e s e a r c hi n s t i t u t e ac o m p r e h e n s i v er e s e a r c h p a t t e m ，t h ei n t e g r a t i o n o fa n a l y s i s ，s i m u l a t i o n t e s ta n d m a n u f a c t u r i n g ，i sa p p l i e d t o d e v e l o pe 孙硝w i t hh i g hp e r f o r m a n c ew h i c he s t a b l i s h e sab a s i sf o rt h ep r a c t i c a b i l i t y a n d p r o d u c t i o n m a i nw o r k sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) ( 2 ) s t a t i cm a t h e m a t i cm o d e lo fs o l e n o i dv a l v ei sp r o v i d e d b yu s eo fa p p r o x i m a t e m a g n e t i z a t i o n c u r v e t h es t a t i cm o d e li s a d v a n t a g e o u s t ot h es t r u c t u r e m e c h a n i s m d e s i g na n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no f s o l e n o i dv a l v e t h ed i s s e r t a t i o nb u i l d st h ed y n a m i cm o d e lo fs o l e n o i dv a l v ea n dc o m b i n e st h e d i g i t a ls i m u l a t i o nt od e s i g nh i g h s p e e ds o l e n o i dv a l v ef o re m v a t h ed e s i g n p r i n c i p l eo fs o l e n o i dv a l v ei sp u tf o r w a r d t h ef a c t o r sa r ea n a l y z e dw h i c h a f f e c tt h ed y n a m i cr e s p o n s es u c ha s d r i v i n gv o l t a g e ，m o v i n gm a s s ，s p r i n g s t i f f n e s s ，s p r i n gp r e l o a df o r c e ，c o i lt n r n s 。c o i lr e s i s t a n c ea n da l t f l a t u r es t r o k e t h ee r i e c t i v em e m o d sf o rs o l e n o i dv a l v e s w i t c h i n g w i m1 1 i g h s p e e da n d 浙江人学博士学位论文电磁驱动气门机构的设计开发和试验研究 p o w e r n l f o r c ea r e p r o v i d e d ( 3 ) b a s e d0 1 1 a n a l y z i n go p e r a t i n gp r i n c i p l e a n d w o r k i n gp r o c e s s ，a t w o m a g n e t t w o s p r i n ge m v as y s t e mi sf i r s t l yd e v e l o p e d w h o s ec o r ei sm a d e o fr e c t a n g u l a ro v e r l a p p i n gs i l i c o ns h e e t ss o a st or e d u c et h ee f f e c t so f h y s t e r e s i sa n de d d yc u r r e n t s o ff e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l sa n df a l ld o w nt h e c o i l s h e a t h o l e sa r eb o r e di nt h ea r m a t u r et od e c r e a s em o v i n gm a s sm a d r e d u c ea i rd a m p e de f f e c t s a d d i t i o n a l ly ，r e s i d u a la i r - g a pi sc o n s i d e r e dt ol e s s e n t h ei n f l u e n c eo fm e c h a n i c a le r ra n dl e a k a g ei n d u c t a n c eo ne m v a ( 4 ) d y n a m i ce x p e r i m e n t a ls e t u pm a t c h i n g w i t he m v ai sd e v e l o p e da n ds t a t i ca n d d y n a m i ct e s t a r ec o n d u c t e d ac o n t r o ls t r a t e g yw h i c hi s o p e n l o o pc o n t r o lb y a d j u s t i n gc o i lc u r r e n t i su s e dt od e c r e a s el a n d i n gv e l o c i t y e x p e r i m e n t sa r e p e r f o r m e dt oi n v e s t i g a t et h ec u r r e n ts e q u e n c ea n di t s e f f e c to nt h el a n d i n g v e l o c i t y t h ep r a c t i c a b i l i t yo fe m v a a n dt h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e ma r e f u r t u r ev a l i d a t e d ( 5 ) ab a s i cn o n l i n e a rm o d e lf o re m v ai s d e v e l o p e da l l o w i n g f o rm a g n e t i c m a t e r i a l p r o p e r t i e si n c l u d i n gm a g n e t i cs a t u r a t i o n ，h y s t e r e s i s a n dm u t u a l i n d u c t i o na n du s i n gm a g n e t i z a t i o nc t n v eo fm a g n e t i cm a t e r i a l t h e s l i d i n g m o d em e t h o d o l o g yi su s e ds i n c ei ti sn o n l i n e a r , r o b u s tt o u n c e r t a i n t i e s ，a n d e a s i e rt o d e s i g n a n d i m p l e m e n tt o c o n t r o l l a n d i n gv e l o c i t y o fe m v a s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es l i d i n gm o d ec o n t r o lc a na c c o m p l i s hq u i c k a n da c c u r a t et r a c k i n gt ot h ed e s i r e d t r a j e c t o r y ，a c h i e v es o f t l a n d i n g a n d r e s o l v et h em e t r i c a lp r o b l e m so f v a l v ep o s i t i o na n d v e l o c i t y k e y w o r d s ：e l e c t r o m e c h a n i c a lv a l v ea c t u a t i o n ( e m v a ) 、c a m l e s se n g i n e 、 v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n ( v v a ) 、h i g h - - s p e e ds o l e n o i dv a l v e 、 s o f tl a n d i n g 、s l i d i n gm o d ec o n t r o l 浙江大学博十学位论文电磁驱动气门机构的设计开发与试验究 第一章绪论 现代高科技的发展已将汽车发动机的节能、增效、低排放作为“节能一高效 一环保”一体化课题进行综合研究和技术开发。配气相位固定不变的缺点已越来 越显得不适应时代要求，为此，可变气门驱动( v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n ，简称为 v v a ) 技术已成为汽车发动机研究重点方向之一。 v v a 是使发动机尾气排放达到欧洲号排放限值标准的重要技术选择。环 保要求发动机尾气排放达到欧洲i v 号排放限值标准水平，将成为v v a 技术发展 和普及的强劲推动力，我国一些特大型城市今后势必也将要求汽车尾气排放限值 标准提升到欧洲号排放限值标准水平，所以v v a 技术在中国也将有很大的发 展潜力。 配气相位直接影响着发动机的进排气性能，对燃烧过程的好坏起着至关重要 的作用。配气相位的选择要考虑到发动机的高速功率、低速扭矩、怠速油耗、部 分负荷下的燃油经济性、低速平稳性和废气排放等问题。 为了获得较好的发动机性能，配气相位应随着转速和负荷的变化而变化。发 动机在高速和大负荷下需要较大的气门重叠角和进气门关闭角，以便得到较高的 功率输出；反之，在怠速和低速小负荷下则需要较小的进气门关闭角和气门重叠 角，以便得到较好的怠速平稳性和废气排放性能。传统的发动机配气相位是固定 不变的，是通过各种不同的配气相位试验，从中选取兼顾各神工况时发动机性能 的一种折衷方案，不能在各种情况下提供最佳正时，发动机性能潜力不能得到充 分发挥。随着轿车汽油机的高速化，配气相位固定不变的缺点越来越尖锐。与固 定配气相位相比，可变配气相位则可以在发动机整个工作范围内的转速和负荷 下，提供合适的气门开启、关闭时刻或升程，从而改善发动机进、排气性能，较 好的满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时动力性、经济性、废气排 放的要求，整体提高发动机综合性能。 1 1 可变气i - 1 - 驱动的发展现状 v v a 技术由于自身的优点，日益受到人们重视，国外研究机构进行了大量 的研究，美国自1 8 8 0 年就已出现了有关可变气门的专利，至1 9 8 7 年就有8 0 0 多 项专利产品，而有相当一部分专利是在1 9 8 5 年以后取得的。近年来电子技术 的飞速发展，促进了v v a 技术从研究阶段向实用阶段发展。 世界各国多年来开发了多种可变气门驱动系统( 机构) ，有些系统部分实现了 气门参数可变的功能，有的只能对个别参数进行调整。只有少量结构简单、成本 第一章绪论 较低的实现了产品化，大多数可变气门驱动机构由于成本较高，或者可靠性的问 题，只限于专利形式或者只进行了实验研究。 气门驱动系统按驱动方式不同可分为凸轮驱动系统和无凸轮驱动系统两大 类。凸轮驱动可变气门系统研究时间相对较长，系统相对简单可靠，在汽车上已 有应用。随着微电子技术的发展，无凸轮驱动可变气门系统成为最近2 0 年来研 究的新领域，由于其涉及液压、电磁、电子等多个领域，结构较为复杂，实现产 品化还需要一段时间。 1 1 1 凸轮驱动可变气门系统 凸轮驱动可变气门系统通过剥凸轮轴传动、摇臂比、顶柱或正时皮带的调节 达到改变气门正时或升程的目的，多为机械控制，也有少量为电子控制。由于保 留了凸轮，其调节能力仍受到原凸轮型线的限制。 凸轮驱动可变气门系统在实现产品化过程中经历了三个阶段 1 0 】： 第一阶段是凸轮轴调相机构，该类机构利用凸轮轴调相原理，凸轮型线是固 定的，而凸轮轴相对曲轴的转角是町变的。机构原理简单，对原机改动小，成本 低，便于采用，应用较为广泛，不足之处是只能对气门相位进行调节，而不能改 变气r j 开启持续时间和升程。b m w 的v a n o s j ( 如图1 - 1 所示) 是市场上具 有代表性的此类机构。 幽1 - 1b m w 的v a n o s 机构 4 1 f i g u r e1 - 1v a n o sm e c h a n i s mo f b m wc o m p a n y 第一阶段是变换凸轮型线机构，该类机构可以提供两种以上凸轮型线，在不 同转速和负荷下，采用不同的凸轮型线驱动气门。它能同时改变气门相位和丌启 浙江人学博士学位论文 电磁驱动气门机构的设计开发与试验究 持续时间，这完全突破了自然吸气式发动机的局限，与第一阶段相比，动力性有 所改善，但由于调节不连续，无法实现对气门升程的调节，在扭矩输出方面没有 大的改观，另外结构较复杂。十九世纪八十年代中期，本田公司开发的三段式 v t e c 机构【5 j ( 如图1 2 所示) 在这类机构中很具代表性，m i t s u b i s h i 公司的 m i v e c t 6 l 和n i s s m l 公司的n e ov v l 机构1 7 1 也属于此类机构类型。 汽车电子控制技术不断发展和智能化将v v a 技术推向第三个阶段即全可变 配气相位机构，该类机构综合凸轮调相和变换凸轮型线的优势，能够实现对气门 f 时、升程的连续控制，较好的满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷 时动力性、经济性、废气排放的要求，提高发动枫整体性能。相应地，此类机构 结构复杂，成本高，推广应用受到限制。h o n d a 的v v t l i 机构日1 、p o r s c h e 的 v a r i o c a mp l u s 机构1 9 】( 如图1 3 所示) 和h o n d a 的i - v t e c 机构【1 0 1 都属于此类机 构类型。 凸轮轴；2 一低速凸轮；3 一高速凸轮；4 一主摇臂：5 一中问摇臀；6 一次摇臂：7 一液压桂销a 8 一止推销；9 一液压柱销b ；1 0 一空行程弹簧；1 1 一排气门；1 2 一进气门 1 - 2 本田公司v e t c 机构5 i f i g u r e1 - 2v e t cm e c h a n i s mo f h o n d ac o m p a n y 图1 - 3p o r s c h e 的v a r i o c a mp l u s 机构【9 1 f i g u r el - 3v a r i o c a mp l u sm e c h a n i s mo f p o r s c h ec o m p a n y 第一章绪论 1 1 2 无凸轮驱动可变气门系统 无凸轮驱动可变气门系统取消了传统发动机气门机构中的凸轮轴及其从动 件，而以电磁、电液、电气或其他方式直接驱动气门。系统设有电控单元，以检 测发动机的工况，接受处理传感器的信号并根据m a p 图发出控制信号，控制气 门的开启与关闭。由于系统调节不受凸轮型线的制约，气门参数调节相当灵活。 其优点是能对气门正时的所有因素进行控制，在各种工况下获取最佳气门难时， 另外，还能关闭部分气缸的气门，实现可变排量，最终将取代节气门控制负荷， 是到目前为止最有潜力的、自由度最大的可变气门系统。该类典型机构如f e v 电磁控制全可变气门机构，f o r d 的e c v 无凸轮电控液压可变配气相位机构旧。 目前以机械式气门控制机构为主流，但将来的技术发展趋势将开发电磁气门控制 系统。 1 121 电磁驱动可变气门系统 电磁驱动可变气门系统一般由电磁线圈直接驱动气门，通过改变线圈的通电 和断电时刻控制气门的丌启始点和丌启持续期。气门动作调节灵活，响应迅速， 调节能力强。许多专利都述及电子控制系统。 图l 一4g m 公司电磁驱动可变气门系统i j f i g u r e1 - 4e m v am e c h a n i s mo f g mc o m p a n y 图1 - 4 为g m 公司推出的电磁驱动可变气门系统的结构示意图【l 。图中永磁 铁能够提供一个锁紧力使得气门锁定在全开或关闭的位置，通过激励线圈使气隙 磁通减小而使气门开始运动，气门运动的动力由弹簧提供。通过改变线圈的通电 和断电时刻控制气门的开启始点和开启持续期。 这种系统的优点是： 浙江大学博+ 学位论义 电磁驱动气门机构的设计开发与试验究 ( 1 ) 取消了凸轮轴，气门开启和关闭定时较自由； ( 2 )开启和关闭动作迅速。行程8 m m ，开启时间9 m s ，关闭时间6 m s 。 缺点： ( 1 ) 气门有较大冲击与噪声，磨损较快： ( 2 ) 为了防止线圈过热，需要另外的冷却和润滑。 ( 3 ) 气门落座速度较大。 11 2 2 电液驱动可变气门系统 1 电子控制无弹簧双作用液压活塞可变气门驱动系统 电子控制无弹簧双作用液压活塞可变气门驱动系统取消了凸轮轴及回位弹 簧，图1 5 所示为f o r d 公司的电子控制无弹簧双作用液压活塞可变气门驱动系 统的原理图【1 “。它包括一个高压和一个低压油源，在气门项部装有一个双作用的 液压活塞，活塞上部的油腔可分别与高压和低压油源相连通，活塞下部油腔一直 与高压油源连通，活塞上部的面积显著大于下腔的面积。高压电磁阀在气门开启 的加速过程中丌肩，减速过程中关闭。低压电磁阀的丌启和关闭控制气门的关闭 过程。系统还包括有一个高压单向阀和一个低压单向阀，使得气门在开启到最大 行程时活塞上部不至压力过低，气门在落座之前活塞上部油腔压力不至过高。 往 高压单向阀低压单向阏 图1 - 5f o r d 公司电子控制无弹簧双作朋液压活塞可变气r j 驱动系统”1 f i g u r e l - 5 e l e c t r o n i cc o n t r o l l e ds p r i n g l e s sd o u b l e - a c t i n g h y d r a u l i c p i s t o n v v a o f f o r dc o m p a n y 2 电子控制有弹簧单作用液压活塞可变气门驱动系统 电子控制有弹簧单作用液压活塞可变气门驱动系统取消了凸轮轴，保留了气 r j 回位弹簧，图1 - 6 为l u c a s 公司电子控制有弹簧单作用液压活塞可变气门驱动 系统的示意图【1 4 i 。系统由一个常n n n - - 个常丌型两位两通电磁阀共同作用，控 制气门的开启与关闭，通过回位弹簧网位。液压系统压力为1 0 m p a 3 5 m p a 。这 第一章绪论 种系统中，气门的开启与关闭时刻以及气门的开启速度和气门升程由电子控制单 元( e c u ) 控制。e c u 能根据发动机的转速和负荷等输入优化发动机的性能。 w a r t s i l a 的大型二冲程柴油机上的电控排气门也属于这一类，但只用了一 个两位三通电磁阀控制气门的丌启与关闭。这种系统能实现气门正时、气门升程、 气i 、j 开启速度的灵活调节。 幽1 - 6l u c a s 公司电子控制有弹簧单作_ h j 液压活塞可变气r j 驱动系统【1 4 j f i g u r e1 - 6e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e ds i n g l e a c t i n gh y d r a u l i cp i s t o nv v ao f l u c a sc o m p a n y 1 123 电机控制可变气门驱动系统 由于电机控制可变气门驱动系统的凸轮由与原凸轮轴传动系统无关的电动 机直接单独驱动，己经不再是传统意义上的凸轮，故将其归于此类。图1 7 为 g m 公司研发的电机驱动可变气门系统的示意图【1 “。 这种系统中，每一个气门都由一套永磁无刷直流电机带动凸轮进行驱动，通 过增加或减少气门开启时凸轮电机的角速度来改变气门动作的持续时间，以相 应缩短或延长气门的动作时间。通过使凸轮在气门开启或关闭点附近摆动来实现 部分升程运行。将该机构的样品进行台架试验，转速可达3 2 2 5 r p m ，相当于发动机 转速6 4 5 0 r p m 。 该系统的优点是： ( 1 ) 转速范围可达很高； ( 2 ) 在町变定时和部分升程运行方面具有较好的灵活性。 缺点： ( 1 ) 难以将发动机的运转过程与电动机协调一致。 ( 2 ) 由于控制过程中涉及频繁改变电机的转速与转向，控制相当复杂。 c 3 ) 在高转速f ，消耗的电功率太大。 浙江大学博j 学位论文电磁驱动气门机构的设计开发与试验究 电动机控制器 图1 7g m 公司由电动机驱动凸轮的可变气门系统1 5 1 f i g u r el - 7m o t o rd r i v e nv v ao f g mc o m p a n y 由以上分析可知，所有可变气门系统，只要保留了凸轮，气门的动作特性都 毫无例外的受到了凸轮型线的限制。要达到气门正时、气门升程、气门开启持续 期以及气门动作速度在各种转速和负荷条件下均可以进行柔性调节，就有必要取 消凸轮轴，从而使气门的动作与发动机凸轮轴脱开固定的连接关系，而不再受凸 轮型线的限制。 无凸轮可变气门系统由于去掉了凸轮，而且系统由电子控制单元控制，其气 门正时、开启持续期、升程、动作速度完全柔性可调，是到目前为止最有潜力的、 自由度最大的可变气门系统。而且，由于去掉了凸轮及其一系列从动件( 齿轮机 构、摇臂、顶杆等) ，结构大大简化，节约了大量的空间，也减小了驱动凸轮机 构的能耗。 1 2 电磁驱动气门机构的研究与进展 电磁驱动气门机构( e l e c t r o m e c h a n i c a lv a l v e a c t u a t i o n ，简称为e m v a ) 通过灵 活的改变气门参数使发动机性能在不同工况下都得到了改善，国内外许多高校和 科研机构都致力于它的开发和研究。不同于传统凸轮驱动的气门机构，e m v a 系 统独立控制每个气门，气门正时完全独立于曲轴转角。灵活调整气门正时可以实 现对气缸充量和残余废气系数的最佳控制，进而改善燃烧过程，降低废气污染物 排放和提高低速扭拒。e m v a 还可以实现汽油机无节流负荷控制，使换气损失大 大降低，可在部分负荷工况关闭部分气门和停止部分气缸 ：作，这些都能提高燃 油经济性。 1 2 1e m v a 的典型方案 第一章绪论 e m v a 的研究大致经历了无弹簧 16 】、单弹簧7 l 、双弹簧i 个阶段。早期提出 的e m v a 装置或者在传统气门组件上用一个电磁阀驱动气门开启，或者采用双电 磁阀驱动气门启闭而取消了气门弹簧，均因不能满足发动机气门高速运动和能耗 过大而无法实用。国外上世纪七十年代、国内大连工学院 1 8 , 1 9 驯上世纪八十年代 中期都曾对这些方案进行过试验研究。目前世界上为数众多的机构相继接受了双 弹簧、双电磁铁的e m v a 方案，并进行了广泛研究。在技术上较为成熟的机构有 美国的a u r as y s t e m s 公司 2 l 】、通用汽车公司吲，德国的f e v 公司1 1 1 、西门子公司 阮2 3 2 ”、宝马公司1 3 , 2 5 】，法国的雷诺汽车公司【2 6 ，2 7 1 等。其中美国的a u r as y s t e m s 公司、通用汽车公司和德国的f e v 公司的e m v a 方案较有代表性。下面对这三家 公司的e m v a 方案进行说明和比较。 a u r as y s t e m s 公司的e m v a 装置见图1 _ 8 ，其特点是双弹簧放置在静铁芯的中 间，静铁芯外形为柱状，衔铁为圆盘形。其工作原理如上所述。a m as y s t e m s 公司的e m v a 装置在转速为1 0 0 0 0 r m i n 的每缸四气门汽油机上演示过，气门过渡 过程时间为2 4 2 3 m s ，气门落座速度为0 1 m s ，排气门可在1 1 7 m p a 的缸内压力 下开启；初始化时线圈电流为1 5 2 5 a ，气门在关闭或最大升程位置时保持电流 为1 5 4 a ；在每个气门上的能量消耗为：汽油机怠速时3 5 w ，6 0 0 0 r m i n 时1 3 5 w ， 柴油机2 0 0 0 r m i n 时1 8 5 w 。a u r a 公司称采用其e m v a 机构可使发动机油耗降低7 1 0 ，功率增加1 4 1 6 ，扭矩增加1 6 ，h c 、c o 和n o x 排放分别降低3 4 3 7 、3 3 和5 0 【2 雌”，但没有关于发动机参数及比较基础的详细说明。1 9 9 6 年s a e 年会车展展出了装有采用a u r a 公司e m v a 装置的每缸二气门2 3 升汽油机的轻型 卡车。 图l 一8a u r as y s t e m s 公司的e m v a 机构 2 1 】 f i g u r e1 - 8e m v am e c h a n i s n ao f a u r as y s t e m sc o m p a n y f e v 公司的电磁气门驱动装置在结构细节上与a u r a 公司的略有不同，见图 i - 9 r 2 9 1 。其装置特点是双弹簧分别放在上下静铁芯的上面和下面，静铁芯外型近 浙江人学博士学位论文 电磁驱动气门机构的设计开笈与试验究 似为长方体，衔铁形状为长方形，并装有液力间隙调节器。工作原理如上所述。 据报道，此装置能使汽油机在6 5 0 0 f f m i n 下工作，其过渡过程时间为3 m s ，气门落 座速度为0 1 m s 。在发动机的每个循环中，每个气门所消耗的能量大小大约为1 焦耳，这个能量的消耗取决于气门的大小、发动机效率等发动机设计参数。采用 e m v a 的汽油机，根据新欧洲运行循环标准( n e we u r o p e a nd r i v i n gc y c l e ，简称 n e d c ) ，油耗可降低1 6 ，在冷启动和怠速时h c 排放比传统发动机减少5 0 ， 冷启动时c o 排放甚至l g e u i v 标准还低5 0 、n o x 排放可减少4 0 6 0 ，此文 有关于发动机参数及比较基础的详细说明。2 0 0 0 年s a e 年会车展展出了采用f e v 电磁气门驱动机构的一个每缸四气门汽油机。 图l - 9f e v 公司e m v a 示意幽及实际装置 2 9 f i g u r e1 - 9e m v a s k e t c hd i a g r a ma n da c t u a lm e c h a n i s mo f f e vc o m p a n y 通用汽车公司的e m v a 装置的工作原理和组成与a u r as y s t e m s 公司和f e v 公 司的e m v a 有所不同。其e m v a 装置的剖面图如图1 - 4 所示。此装置由两个电磁 铁、一个枉塞状衔铁、 块环形永磁体、两个弹簧和一个气门组成，永磁体位于 两个电磁铁中间。当气门位于两个极限位冒( 全开和关闭) 时，线圈a 、b 均不 通电，永磁铁产生的电磁力克服弹簧力使气门保持在极限位置。当气门要丌启时， 线圈a 通电，电磁铁产生的磁场的磁通量和永磁体磁场的磁通量方向相反，削弱 了永磁体产生的磁场，使得磁力小于弹簧力，衔铁在弹簧力的驱动下向下运动。 当衔铁越过中点后，磁力大于弹簧力，衔铁在磁力的驱动下继续向下运动，直至 气门关闭，然后线圈a 断电。当气门要关闭时，线圈b 通电，运动原理与要丌肩 时一样，当气门关闭时，线圈b 断电。e m v a 力分布如图1 1 0 所示 1 3 】，线圈a 通 电使衔铁向极限位置b 运动。在文献 3 0 b r u n ol e q u e s n e 对此类机构进行了详尽 的分析。b r u n ol e q u e s n e 等人用此机构进行了实验【1 3 1 ，实验是在一个二气门单缸 机上进行的。发动机的转速为1 5 0 0 r m i n ，气门升程8 m m ，弹簧刚度为5 0 n m m 。 平均电能消耗进气门是2 2 j 发动机循环，排气门是3 5 j 发动机循环，这些值均低 第一章绪论 于相同速度和摩擦损失下常规凸轮从动件无滚珠气门机构发动机的值。气门落座 速度在开环控制下最低可达n o 3 5 m s ，最短过渡过程时间为7 3 m s 。 极限 电磁力( 尢电流) 弹簧力、矽 电磁力( 有电流) 娄 形， 份一 位 ! 置b 厅t r 极限一 图1 1 0 通用e m v a 装置力分布图【1 3 】 f i g u r e1 1 0e m v a f o r c ed i a g r a m a 这三种方案的相同点就是都利用了双弹簧，利用弹簧振子系统原理实现机构 的运动。它们之间也存在不同点，f 是这些不同点使得各种方案各具特色。 ( 1 ) 结构上的不同： f e v 机构静铁j 笛外型近似为扁平长方体且弹簧上下放置，虽然使纵向尺寸要 增大但使整个电磁阀的横向尺寸减小，这有利于在有限的空间内布置更多的发动 机气门，更适合于多气门发动机；但是纵向尺寸加大，使得运动质量加大，不利 于e m v a 在高速发动机上使用。 ( 2 ) 原理上的差异： 通用汽车公司的e m v a 禾f j 用了永磁体产生的磁力来使气门保持在极限位置， 在一定程度上减少了机构的能量消耗；可以利用永磁体产生斥力，有利于气门在 高排气压力的情况下j i l 页n 丌启；但由于采用了永磁体，衔铁的质量比较大，使得 系统响应速度不可能很高；而且在过渡过程阶段，气门的运动姿态不易控制，难 以实现气门的软着陆；另外发动机停机时，气门的平衡位置不易控制。 在国内，目前仅有清华大学在对e m v a 进行探索性的试验研究 3 1 , 3 2 , 3 3 。清华 大学设计的e m v a 装置如图1 1 1 所示，其结构类似于a u r as y s t e m s 公司设计的 e m v a ，其静铁芯外形为柱状，衔铁为圆盘形，双弹簧放置在静铁芯中间。目前 已经进行了电磁铁静吸力特性与动态特性试验，并设计了开环控制系统。 1 0 浙江大学博上学位论文 电磁驱动气门机构的设汁开发与试验究 气 幽1 1 1 清华大学的e m v a 装置0 1 1 f i g u r e1 - 1 1e m v a m e c h a n i s m o f t s i n g h u au n i v e r s i t y 1 2 2e m v a 的优势 e m v a 除了和其它可变气门驱动机构一样，能使发动机在改善怠速稳定性、 增加低速f 外特性转矩、改善部分负荷燃油经济性及降低有害排放等方面还具有 下列优点： ( 1 ) 电磁气门驱动能灵活单独地控制进、排气门开启及关闭共四个定时中 的任一定时及气门开启延续时间，使发动机每一工况的这些参数都符合最佳性能 要求；而一般有凸轮轴的可变定时机构的配气定时及气门丌启延续时间只能按照 驱动机构的运动学关系同时变化而不能独立地变化，所以电磁气门驱动可使发动 机的潜力得到更好的发挥。 ( 2 ) 电磁气门驱动极大地简化了发动机的结构，取消了发动机传统气门机 构中的凸轮轴、挺柱、摇臂、液压间隙调节器等驱动件，降低了材料消耗和制造 成本；尽管采用电液、电气气门驱动也可以取消凸轮轴等驱动件，但需要增加产 生高液压和高气压的装置、蓄压器、密封元件等，增加了发动机的复杂性，降低 了发动机工作的可靠性。 ( 3 ) 双弹簧、双电磁铁式e m v a 具有能耗低的特点。其中弹簧是储能元件， 电磁铁起控制气f q 运动和补偿因摩擦、阻尼消耗能量的作用。合理的设计可使电 磁气门驱动功率消耗大大小于传统气门机构的驱动功率损失，因此在改善发动机 燃油经济性方面电磁气