（轮机工程专业论文）135型柴油机气门定时及升程的电控技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 节约能源，控制有害排放，已成为内燃机技术发展的主导方向。电控可变 气门系统是改善发动机性能、提高热效率和减少其有害排放物最有效的技术之 一。本文通过对国内、外各种电控可变气门系统的分析和比较，研制开发了一 种新型的柴油机中压共轨、液压驱动、电子控制可变气门系统及其性能测试台 架，并对电控可变气门系统的性能进行了研究。该系统以润滑油作为工作介质， 取消了传统柴油机配气机构的凸轮顶杆和摇臂等，结构简单可行。通过对共轨 压力大小和自主开发的电磁阀的通电时间的控制来实现对配气正时和升程的灵 活调节，以适应柴油机不同工况的需求。 论文首先分析了可变气门技术对发动机性能的影响，然后以2 1 3 5 g 柴油机 的配气系统为研究对象，设计并试制了电控可变气门系统的驱动机构，为中压 共轨液压源设计了气囊式蓄能器，改善了系统的性能，建立了该系统的试验台 架。 对可变气门系统性能进行了台架测试，得出了部分结构参数与运行参数对 系统动态性能的影响规律，确定了气门正时、气门开启持续期、气门升程等参 数的调节途径。对电控可变气门系统的气门动态响应特性进行了研究，发现在 高、低转速时，电控可变气门系统均具有气门落座速度低的特点；对系统的稳 定性、适应性及各参数的可控性进行了分析和研究，结果表明：该系统具有良 好的稳定性，参数调节灵活，并能够适应不同转速的需要，尤其适用与中速柴 油机。 对2 1 3 5 g 柴油机的配气系统进行了改造，设计了空气流量计，在实机上进 行了初步的试验，测量了进气流量，通过计算了解了电控配气系统的充气效率， 通过对缸内压力的测量，了解了进气门关闭延迟角对发动机压缩比的影响。 最后，论文对研制开发的中压共轨电控可变气门系统进行了总结，并提出 了继续完善和改进系统的想法。 关键词：柴油机，可变气门，电子控制，实验研究 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t 1 r i f to ft l l ec n e r g ya 1 1 dc o n t r o lo f h 锄f i l lm a n e rd i s c h a r g eh a sa l r e a d yb e c o m e n l el e a d i r 培d i r e c t i o no f t e c h n i c a jd e v e l o p m e n to f t h ci n t e m a l 一c o m b u s t i o ne n g m t h e c o m m o n r a i l ( c r ) e l e c t r o n i c a l l yc o n 打o l l e dv a r i a b l ev a l v es y s t e mi so n eo ft l l em o s t e 毹c t i v et e c h n o l o 西e st oe n h a n c e 也ee n g i n ep e f f o r m a n c ea n dr e d u c eh a r m n lm a t t e r b ya n a l y z i n gs e v e r a l 虹n d so fa d v a n c e de l e c t m n i c a l l yc o n 仃0 1 l e dv a r i a b l ev a l v e s y s t e m ，ai l e wk i n do fm e d i u mp r e s s u r ea n dc o m m o n - r a i lh y d r a u l i c a l l yi n t e n s i = e i e d e l e c t r o n i c a l l yc o n 仃0 儿e dv a r i a b l ev a l v es y s t e mo fd i e s e la n dt h ee x p e r 面e n tb e n c hf o r i t sp e r f b m l a i l c eh a v e b e e nd e v e l o p e di nt l l i sp a p e r ，a n dr c s e a r c ho nt 1 1 ep e 商n a l l c e o f e l e c t i d n i c a l i yc o n n d l l e dv a r i a b l ev a l v es y s t c mh a sc a r r i e do n i nm en e ws y s t e m ， l u b r i c a t i n go i li su s e df o r 、r k i n gm e d i u m ，c a n c e l sm a n d r e i s 趾dr o c k e ra r m so f t l l e t r a d i i o n a ld i e s e le n g i n em i x e s 也ea l l g r yo 礓a i z a t i o n 。1 1 1 也i ss y s t e m ，也ea d j l l s 劬e n t o f t h ev a l v et i m i r 培a n dl mc o u l db er e a l i z e dt l l r o u g ht h ec o m m l l i n go f t l l ep r e s s u r ei n m ec o m m o n r a i ls y s t e ma i l d l ed w e ut i m eo f s 0 1 e n o i d ，t om e e tm en e e do f t l l ed i e s e l i nd i f 绝r e n tc o n d i t i o n s a tf i r s t ，t h ei m p a c to nt h ed i e s e le n g i n ep e r f b m l a n c e so fm ev a r i a b l ev a l v eh a s b e e ni n v e s t i ga _ c e d t h e nr e g a r d st h em i x i n ga i l g r ys y s t e mo f2 13 5 gd i e s e le n g i n e sa s 也er e s e a r c ho b j e c t ，h a v ed e s i g n e da n dt r i a l - p r o d u c e dt h e “v eo r g a n i z a t i o no f e l e c t r d n i c a l l yc o n n d u e dv a r i l b l ev a h ，es y s t e m 【) e s i g n e dm ee n e 唱ys t o r i n gd e v i c e f o rt 1 1 em e d i u mp r e s s u r ea n dc o r n m o n - r a i lh y d i a i u l i c a l l yi n t e n s i f i e d s o u r c e ，h a v e i m p r o v es y s t e m a t i cp c r f o 埘n c e ，h a ss e tu pt h ee x p e r i m e n tb e n c ht l l i ss y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo f 出es y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e dd e e p l yb ye x p e r i m e n t s ，行o m w h j c h ，p l e n t yo fm l e sh a v e b e e no b t a i n e d ，a i l dt l l ew a yt o 甜j u s tv a l v et i m i n l i f ta n d d l l r a l i o nh a sb e e np u tf o r w a r d t h r o u 曲t h er e s e a r c ho nt h ed y n a m i c a l l yr e s p o n d c h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l i e dv a r i a b i ev a l v es y s t e m ，廿1 ev a i v es e a t i n g v e l o c i t yi nm eh a e c v v si sf o u n dt ob e1 0 w e ru n d e rc o n d i t i o n so f h i 吐a n dl o w s p e e do ft h ed i e s e ie n g i n e ；t h er e s u l t so b t a i n e db ya 1 1 a l y z i n gs y s t e m a t i cs t a b i l i t y ， a d a p t a b i l i t ya 1 1 dc o m r o l l a b i l i t yo ft h ep a r a m e t e rs h o wt h a tt h es y s t e mh a sg o o d i i 武汉理工大学硕士学位论文 s t a b i l i 吼m ep a r 锄e t e ri sr e g u l a t e dn e x i b i y ，a n dc a nm e e tt i l e n e e do fd i n e r e n t m t a t i o n a ls p e e d s ，e s p e c i a l l ya p p l i e st om o d e r a t es p e e dd i e s e le n g i n e r e b u i l dt h ev a l v es y s t e mf o rd i e s e le n g i n e2 1 3 5 g h 【v ed e s i g n e dm ea i r m e t e r a n dc 甜i e do nm ep r e l i m i n a r yt e s to nt h er e a le n g i n e ，m e a s u r e dt 1 1 ea i rn o w ；t u g h c a l c u l a t i n g ，o b t a i n e dm ee m c i e n c yo fe l e c t r o i l i c a l l yc o n n d l l e dv a l v es y s t e m ；t h r o u 出 血em e a s l l r e m e n to fm ep r e s s u r ei n 也e j a r ，o b 协i n 也ei m p a c to nc o m p r e s s i o nr a t i oo f t h ev a l v ed e l a y i n ga n g i e f i n a l l y ，s o m ec o n c l u s i o n sa b o u t 也ed e v e l o p m e n to fm e d i u mp r e s s u r ea n d c o n u n o n r a i lh y 出a u l i c a i l yi n t e n s i f i e de k c t r o i l i c a l l yc o n 打o l l e dv a r i a b l ev a l v es y s t e m a r es u m m a r i z e da n ds o m ei d e a sa b o mh o wt or e f o mm es y s t e ma r cp r o v i d e d k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n c ，a b l ev a l v e ，e l e c 廿o n i cc o 腑o l ，e x p e r i m e n tr e s e a r c h i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着世界经济的发展，能源与环境的问题已成为影响经济可持续发展的重 要问题。柴油机作为目前世界上应用最为广泛的动力机械之一，每年消耗了全 球9 0 的柴油，并且向环境排放出了大量的有害气体和微粒。随着问题目益突 出，各国对提高燃油经济性和降低有害排放物的要求日趋严格，传统配气相位、 升程固定不变的缺点越来越显得不适应时代要求，而优化发动机气门升程和配 气相位是改善发动机性能，提高经济性和减少有害排放的一种重要途径，为此， 可变气门驱动技术己成为发动机研究重点方向之一。 目前，在大多数的车用发动机上，由凸轮轴上的凸轮控制的气门正时和升 程是固定不变的，因此，在工作过程中导致气门的运动规律不能随发动机的工 况而改变，这种配气机构只能保证发动机在某一工况下获得最佳的充气效率， 而在其他很广的工况范围内充气效率都有不同程度的降低。以往在柴油机的研 制过程中，往往主要着眼于优化在标定工况下的性能参数，然而，柴油机通常 是在非标定工况下工作，实际运用的经济性和排放参数比标定的指标相差许多， 这种固定不变的气门正时和升程不可能使发动机在各种转速和负荷下都能达到 令人满意的性能。与固定配气相位、气门升程相比，可变气门系统则可以在发 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各种转速和负荷时动力性、 经济性、废气排放的要求，整体提高发动机综合性能。因此要在各种工况范围 内都能获得性能优化的效果，只能靠电子技术的柔性控制开发相应的可变气门 系统来实现口】。 1 1 可变气门系统的发展现状及趋势例川 为了在提高内燃机燃油经济性和动力性的同时，满足越来越严格的排放法 规要求，从2 0 世纪6 0 年代开始，燃油电控技术逐步发展起来，至今已形成了 以电控高压共轨为代表的较为成熟的燃油控制技术。与燃油控制技术的发展历 程相比，配气控制技术早期的研究进展比较缓慢，主要成果是在1 9 8 5 年以后取 武汉理工大学硕士学位论文 得的【”，其发展历程如图1 一i 所示7 图1 1 配气控制技术的发展历程 可变气门技术由于自身的优点，日益受到人们重视，近年来电予技术的飞 速发展，促进了可变气门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，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。 当今世界上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。基于凸轮驱动的可变气门系统已实用化，但其结构与性能仍存在 不足；随着微电子技术的发展，从2 0 世纪9 0 年代起，国内外无凸轮驱动可变气 门系统的研究成为热点，由于其涉及液压、电磁、电子等多个领域，气门驱动 方式有电磁式、电液式、电气式及其他的形式，结构较为复杂，目前无凸轮气 门驱动机构在低速大型船用柴油机上已经得到应用。 1 1 1 凸轮驱动可变气门系统 凸轮驱动可变气门系统是在传统气门驱动机构概念上的改进，通过对凸轮 轴传动、摇臂比、顶柱或正时皮带的调节达到改变配气相位或升程的目的，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，升程曲线只能在原有升程曲线范围内变化。其主要有两种实现 形式：一种是凸轮轴和凸轮可变系统，通过凸轮轴或者凸轮的变换来改变配气相 2 武汉理工大学硕士学位论文 位和气门升程：另一种是气门一挺杆可变系统，工作时凸轮轴和凸轮不变动，气 门、挺杆、摇臂或拉杆靠机械力或者液力作用而改变，从而改变配气相位和气 门升程。 ( 1 ) 凸轮轴调相及其发展 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 转角是可变的。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。一般，凸轮轴调相机构都是通过正时带轮与凸轮轴内轴之间设置一环型 柱塞，柱塞和凸轮轴内轴以直键或花键传动，电控单元通过液压或电子控制柱 塞，使柱塞带动凸轮轴相对于曲轴转动一个角度，从而改变配气正时。 1 9 9 2 年首次应用在宝马5 系列m 5 0 发动机上的v a n o s 是一个机械和液力相 结合的凸轮轴调相机构，最初v a n o s 只用在进气门上，通过改变进气凸轮轴和 曲轴的相对位置来调节进气相位，气门的升程曲线如图l 一2 示。d o u b l ev a n o s 可以同时调节进排气凸轮轴。安装了这两种气门驱动机构后，气门的升程曲线 如图l 一3 示口j 。 图1 2v m o s 系统的进气门升程曲线图1 3 双、o s 系统的气门升程曲线 由图可知该机构只是将气门升程曲线在时间轴上做一个整体的平移，即可 改变配气相位，但并没有改变气门升程。 随着对动力性经济性要求的提高，宝马公司在v a n o s 的基础上又加上 v a l v e t r o n i c ，它既可改变气门正时，又能改变气门升程。v a l v e t r o n i c 保留了 传统的凸轮轴，增加了一根偏心轴、滚轴及顶秆机构，电控单元根据油门信号 控制步进电机，步进电机改变偏心凸轮的偏移量，经中间摇臂间接地改变进气 门动作。v a l v e t r o n i c 可任意控制进气门升程，取代了节气门的功能，从而将泵 气损失减至最低。v a l v e t r o n i c 有利于提高冷车时的运转性能、降低排放，并使 发动机运转更加平稳。 2 ) 多凸轮机构及其发展 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 武汉理工大学硕士学位论文 凸轮型线驱动气门。它能同时改变气门相位和开启持续时间，这完全突破了自 然吸气式发动机的局限，与凸轮轴调相相比，动力性有所改善，但由于凸轮切 换方法的限制，无法实现对气门正时的连续调节，在扭矩输出方面没有大的改 观，另外结构较复杂。 h o n d a 公司的v t e c ( v a r i a b l et i m i n ge l e c t r o n i cc o n t r o l l e r ，可变正时 电控机构) 是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程的可变气门电控驱 动机构，发展到现在已有v t e c e 、s o h c v t e c 、d o h c v t e c 、3 一s t a g e v t e c 、i v t e c 五种形式f 9 j 。其中d o h c v t e c ( 顶置双凸轮可变气门驱动机构) 最具有代表性，它 的配气正时与升程的调节是通过在不同工况下用不同的摇臂动作来完成的，即 第二种方式实现。其进气凸轮轴和排气凸轮轴都为每个气缸设置了并列的三个 凸轮，相应地有三个摇臂。凸轮轴旋转时，处在外侧的两个低速凸轮分别推动 外侧的主摇臂和次摇臂，处在中间的高速凸轮推动中间的中间摇臂。这三个摇 臂绕同一根摇臂轴摆动，但其中只有主摇臂和次摇臂才能驱动气门，而中间摇 臂则需通过安置在内部的液压柱销带动两侧的主摇臂和次摇臂方能推动气门。 如图l 一4 所示，当发动机处在低速范围内时，三个摇臂各自独立运动，主摇臂 和次摇臂各自推动一个气门，中间摇臂推动空行程弹簧，并依靠弹簧复位。高 速时中间摇臂通过液压柱销分别带动主摇臂和次摇臂一起绕摇臂轴摆动，推动 进气门。由于高速凸轮的升程大于低速凸轮，因此进气门提前开启、滞后关闭， 气门升程增大。 一f 、靶轴：2 一低速凸稚；) 靠建凸4 戗4 一主格臀：5 一十n 糯精矗一敬妊臂t 铁玉桂馆 8 一止 仁 卉；9 教j h 鸺b ：1 0 宪抒冠惮特1i i 一摊气lje 】2 一坩1 f 图1 4 本田公司v t e c 机构 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 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，能够实现对气门正时、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，提高发动机整体性能。相应地，此类机构结构 复杂，成本高，推广应用受到限制。其基本原理是凸轮轮廓面的母线与凸轮轴 轴线不平行，所以当凸轮轴轴向移动时，气门升程和相位都发生了变化，凸轮 轴的轴向移动通过润滑系统的机油压力来实现。h o n d a 的v v t l i 机构【”j 、 p o r s c h e 的v a r i o c a mp l u s 机构 1 l 】( 如图1 5 所示) 和h o n d a 的i v t e c 机构 都属于此类机构类型。 图1 5p o r s c h e 的v a r i o c a mp 1 u s 机构 f i g u r e1 5v a r i o c a mp l u sm e c h a n i s mo fp o r s c h ec o m p a n y ( 4 ) 加法器型配气机构”“ k r e u t e r 等人设计了一种名为“m e t a v ( v a r i a b l e ) v ( v a l v e ) h u b ( l i f t ) s y s t o m ”的机构。系统由两个凸轮轴构成，它们以等速反向旋转。一个作开启 凸轮轴，一个作关闭凸轮轴，以加法器的方式共同作用于一个挺柱，即气门升 程是两个凸轮有效升程之和的函数。挺柱的运动再通过驱动装置如摇臂传递到 气门。通过改变两个凸轮轴的相对相位，可以实现气门升程升程和持续期在零 到最大值范围的连续变化，详细设计则依赖于每一个特定应用的边界条件。在 此基础上k r e u t e r 等人开发了种名为“单杠杆设计”的结构，感知凸轮型线 的挺柱以安装于一个销轴上的三个滚子的形式实现。两个外滚子对称地与关闭 凸轮轴的两个完全相同的凸轮构成运动副，而一个内滚子与开启凸轮轴的凸轮 构成运动副挺柱可以沿着摇臂( 单杠杆) 上的滑道横向移动。当气门关闭后挺 柱与关闭凸轮轴保持接触，而开启凸轮轴与挺柱脱离接触。这种结构还与气缸 武汉理工大学硕士学位论文 停用装置配合使用，解决怠速和低负荷时发动机性能的改善。此外为了适应调 整过程的时间和空间要求，调节器本身应结构紧凑。一种四齿轮装置应运而生。 两个齿轮分别安装在开启和关闭凸轮轴上，两个中间齿轮传递运动，通过适当 调节联接两个中间齿轮的连杆位置，就可以在较大范围内调整两个齿轮角。 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，而直接以电磁、电液、电气或其他方式驱动气门。系统设有电控单元，以 检测发动机的工况，接受和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，气门升程和配气正 时等气门参数可按照工况的变化灵活调节。 其优点是能对与气门正时和升程相关的所有因素进行控制，在各种工况下 获取最佳配气正时和升程，另外，还能关闭部分气缸的气门，实现可变排量， 控制柴油机的负荷，它是到目前为止最有潜力的、自由度最大的可变气门系统。 1 1 2 1 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开启始点和开启持续期。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1 6f e v 公司的电磁驱动气门机构 如图1 6 所示，该机构主要由电磁铁线圈1 、2 以及衔铁组成。线圈l 、2 6 武汉理工大学硕士学位论文 均不通电时，气门在上、下弹簧的作用下保持半开半闭：如果线圈2 通电而线圈 l 不通电，衔铁就会在线圈2 电磁力的作用下带动气门克服弹簧的作用力向下运 动，实现气门的开启：当线圈2 断电后，气门在弹簧力的作用下向上运动，接近 落座位置时，线圈1 通电，以实现快速落座，此后线圈l 继续通电，以保持气 门的关闭。如此循环往复。该机构能实现气门正时、持续期和升程的独立控制， 控制自由度较大，但其主要问题是气门落座时的冲击较大，发动机的可靠性和 气门的寿命降低，且驱动气门机构的能耗较高，机构尺寸过大。因此，对电磁 可变气门驱动机构来讲，选择合适的磁性材料，合理设计电磁铁的结构便成为 解决这些矛盾的关键所在。目前b m l v 、v i s t e o n 、f o r d 等正在开展电磁驱动气门 的研究，尤其f o r d 公司做了大量的工作，已成为其进行可变气门研究的一个主 要方向。 1 1 2 2 电液驱动可变气门系统 电控液压气门驱动的基本原理是将气门与一个液压活塞相连，通过电磁阀 控制液压缸内液体的流人和流出来控制气门的运动。可分为有回复弹簧式和无 回复弹簧式两种。前者由高压流体驱动气门开启，而由弹簧驱动气门的关闭：后 者气门的启闭全由液压系统驱动。回复弹簧式气门的优点是气门关闭可靠因此 目前是受到推荐的结构形式。 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，图卜7 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 3 】。它包括一路高压油源和一路低压油源，在气门顶部装有一个双 作用的液压活塞，活塞上部的油腔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部的面积。高压电磁阀在 气门开启的加速过程中开启，减速过程中关闭。低压电磁阀的开启和关闭控制 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。 7 武汉理工大学硕士学位论文 高压草肉荫话盛簟内嘲 图卜7f 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 2 电子控制有弹簧单作用液压活塞可变气门驱动系统1 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 气门回位弹簧，图卜8 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。系统由一个常闭型和一个常开型两位两通电磁阀共同作用， 控制气门的开启与关闭，通过回位弹簧回位。液压系统压力为1 0 m p a 、3 5 m p a 。这 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。日 本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开启与关闭。这种系统能实现气门正时、气门升程、 气门开启速度的灵活调节。 图卜8l 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 8 武汉理工大学硕士学位论文 图1 9 是南卡莱罗纳大学开发的电液驱动无凸轮内燃机系统。该内燃机气 门动作是通过如下过程完成：从控制硬件发出一个电脉冲引起压电管的扩张：这 个线性扩张将会转变为液压伺服阀的运动：伺服阀的轻微运动将会激励液体流 动和压力变化，当伺服阀线性轴向上或向下运动时候，压力液体通过孔流动使 液压缸内活塞上下的压力不断变化，从而使液压活塞带动气门上下往复运动。 图卜9 南卡莱罗纳大学电液驱动无凸轮系统装配示意图 d a i m l e r b e n z 公司研究员l e t s c h e 研制的电液气门驱动机构如图卜1 0 。该 系统通过加速踏板位置、内燃机转速等数据，精确计算出气门开启时刻和持续 时间。该系统工作时不必提供什么能量，只要简单地依靠电磁阀控制液压系统 就可使内燃机气门动作。气门在其起始( 全闭) 和终了( 全开) 位置之间振动。开 启力来自气门开启弹簧，关闭力来自气门关闭弹簧。计算机由传感器控制可精 确实现气门定时。气门与柱塞固定相连，柱塞在液压下由液压缸一端自由移向 另一端。油压将柱塞顶靠在液压缸一端使气门开启，并持续一段精确的时间。 在适当时刻电磁阀又开启，使液压油回流。柱塞再一次移动，气门又在其弹簧 力的作用下迅速关闭。这种新的气门定时机构能耗很低，各个气缸的气门能独 立地开启和关闭。在不需要内燃机满负荷工作时，可以依次关闭一部分气缸或 使其怠速运转，而又不让这些气缸冷却下来，从而既降低了燃油耗又降低了排 放。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图l 一1 0d a i m l e r b e n z 公司电液驱动活塞双弹簧系统 1 12 3 电气驱动可变气门系统 电气气门与电液气门的工作原理相似，只不过所用的介质为空气。与液体 相比，空气的粘度低、运动惯性小，有利于提高电气气门的响应速度：但空气的 可压缩性更高，更难精确控制。因此，空气作为传动介质的优越性并不明显。 寻找合适的传动介质是提高此类气门驱动机构性能的关键。 1 1 ，2 4 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l 一1 1 为g m 公司研发的电机驱动可变气门系统的示意图” 。 电机直接控制凸轮的可变气门驱动机构中，每一个气门都由一套永磁无刷 直流电机通过凸轮驱动，并通过增加或减少电机的角速度、改变电机的旋转方 向来改变气门开启和关闭相位和升程。该系统的转速灵活性范围很大，但气门 落座冲击大、响应速度慢、能耗高成为其制约因素。此外，运行过程中电机的 转速、转向频繁变化，难以精确控制。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图卜1 1g m 公司研发的电机驱动可变气门系统 11 25 其它 有入提出了用旋转驱动器一摇臂驱动气门的方法。也有人尝试了以旋转气门 代替往复运动的菌形气门，但密封和润滑依然没有解决。 1 1 3 小结 表1 1 可变气门驱动机构的比较 方法途径优点缺点 凸轮轴调相 多可变气门正时和持续时调节范围有限，气门运动 凸轮轴可变气门 轮：= 维凸轮 问，实现简单规律受凸轮型线控制 电控液压顶杆 驱动机构控制开启正时。气门升 调节范围受 改变油腔的容 积 程，容易实现控制凸轮型线限制 电磁铁改变励 控制开启正时和开启持气门落座冲击大，能耗 磁线圈通断电 续时间、开启关闭迅速大，结构尺寸大 无凸轮轴可变气门 时刻 电动机改变凸控制开启持续器，摩擦 驱动机构 控制难度较大 轮角速度小，转速调节范围大 电控液压驱动气门正时，气门升程灵 高转速时响应较慢 活塞活可调 武汉理工大学硕士学位论文 不同可变气门驱动机构的比较总结见表l l 【1 2 】。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。其中由电控单元控制的电磁、电液气门驱动机构将成为今后气门机构发 展的必然，控制技术及执行机构将是今后研究的重点，而大流量快速响应电磁 阀是系统性能优化的关键。 1 2 本文的选题背景及意义 通过大量参阅文献可知，为了实现对气门的特征参数进行柔性调节，国外 研究机构进行了大量研究。伴随着微电脑技术的飞速发展及其在内燃机上的应 用，以及一直以来对低燃油消耗率的追求和目益严格的排放法规的要求，可变 气门系统也开始由结构简单的、调节范围有限的、机械式的可变气门系统，向 精确的、多自由度的、全柔性控制的、智能型电子控制可变气门系统发展。 能源短缺和排放法规的日益严格，迫切要求设计出既能降低排放又能提高 燃油经济性的发动机。随着燃油喷射系统和点火系统的逐渐电控化，电控气门 机构取代机械式的配气机构己成为必然趋势。电液驱动气门机构也以其独特的 优势，得到了众多科研机构和院校的广泛关注和投入。另外，目前在国内外十 分重视的柴油机均质燃烧的研究中，要解决其均质混合气的压燃始点的调节问 题，通过可变气门来改变其压缩比也是有效的方法。而我国在这方面研究的比 较少，投入的力量也不多，尚属起步阶段，所作的工作也还都处于原理性试验 探索阶段，离实用还有很大的差距。 在基础相对薄弱的条件下，结合与清华大学汽车安全与节能国家重点实验 室开放基金课题的实际情况，采用系统模型分析、驱动机构设计与试验研究相 结合的研究模式，对中压共轨电液可变气门系统进行研究。由于该技术在国内 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 外尚属研究阶段，而国外对许多关键技术实行保密，只能从公开发表的文章中 得到一些简要的介绍，因此，现阶段我们只能借鉴国外的设计开发经验，立足国 内实际，独立研究，通过自行设计开发和试验研究来掌握电液可变气门系统的 工作特性、设计方法与控制策略，为研制出性能可靠、实用的电液驱动气门机 构打下坚实的基础，为今后产品化开发和实用化应用做好准备。 1 3 课题来源及本文的主要工作 本课题是清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金和国家2 1 l 工 程资助项目。本论文是本人从事该课题研究的主要内容。 本论文是以2 1 3 5 g 柴油机为研究对象开展柴油机气门定时及升程电控技术 的研究。本文主要工作如下： i 、研制一套满足气门正时和升程可灵活、柔性调节的电控可变气门系统； 2 、建立电控可变气门系统的试验台，对电控可变气门系统进行动态性能的 测试； 3 、通过对电控可变气门系统动态特性的研究分析，找出其存在的问题，并 提出改进的意见与方向； 4 、柴油机上倒拖试验，对柴油机的充气性能和可变压缩比进行研究与分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章可变气门对发动机机性能的影响 可变气门技术( v a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f t ，简称v v t l 技术) 可以用 来减小发动机泵气损失，加快进气速度，改变残余废气系数，提高进气效率， 最终改善发动机的燃烧过程，使发动机的动力性、经济性和排放性得到综合提 高。就v v t l 技术而言，全可变配气相位机构由于气门正时和升程均可变，可控 制自由度最多，实现的功能最为广泛，成为应用该技术的较理想的机构。本章 综合前章所述各种可变配气相位机构的优点，首先提出了为了提高发动机动力 性、经济性及排放性采用可变气门技术的理论依据，然后对配气相位中影响发 动机性能的各种因素予以剖析m 】。 2 1 可变气门技术的理论依据 提高发动机动力性和经济性的基本途径：即建立起相关的经济性指标、动 力性指标与发动机机工作参数之间的关系，通过调整工作参数达到改善发动机的 性能的目的。根据内燃机原理可知内燃机的升功率、升转矩幔、燃油消耗率 分别由下列公式表示【1 6 】： 只= 墨臻习，h 口 m e = k 棚朋m | o 【 g ：= k 3 细一m ( 2 。1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中墨丘k 一一常数 吼指示效率 仉充气效率 机械效率 ”发动机转速 口过量空气系数 由上述计算式可知，要提高内燃机动力性可采取提高秘、玩、n 及减 小口等方式实现。过量空气系数口同时影响排放及燃油消耗率，根据内燃机工 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 作过程的优化，a 可达到理想的值。提高月的同时，必须要注意仉、随着竹的 提高而下降。 受内燃机转速及最大爆发压力的影响，当转速不变时，7 7 ，随负荷的降低 而变小。 巩受混合气质量的影响，而混合气质量又受缸内空气涡流及紊流强度的影 响。在低转速、低负荷时降低内燃机燃油消耗率的措旌之一，就是要提高空气 流动的涡流比，改善混合气质量。但若设计涡流比较高的进气道，则高速时涡 流比过高又会影响玑。因此必须采用涡流可变技术，以满足高、低速对涡流比 不同的要求。 选择合理的能随内燃机转速不同而变化的配气相位，以及利用进气的惯性及 谐振效应是提高识，的重要途径。由理论力学中动量变化关系，可得出影响吸气 终了时缸内充量压力增值卸及表征惯性效应的惯性系数饿的表达式： 卸“r n 2 k ，( 鳃) ( 2 4 ) 僻= 1 4 4 r n 2 ( 口2 ) ( 2 5 ) 式中三进气管长度( m ) k 发动机排量( 三) 进气管容积( 三) 日音j 惠( 川j ) 进气惯性及谐振效应随着内燃机转速、进气管长度及管径大小的变化而变 化。在不同转速下，进气管长度应有所不同，才可获得良好的进气惯性效应。综 上所述可概括为：只有采用可变配气相位、可变进气系统才能适应不同内燃机转 速的要求，较全面地提高内燃机性能。 通过进气门进入气缸新鲜充量的平均速度v 可表示为： v = k n ( 2 爿) ( 2 6 ) 式中4 进气门有效开启面积( 聊2 ) 进气流动损失，随着进气速度增加而增加，为了使进气冲程末，缸内充量保 持较高压力，必须将进气速度v 限制在某一数值内。由式可知，只有采用多气门 或可变气门技术增加进气有效流通面积a ，才有可能在高转速时进气流动损失不 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 致过大。 如果进气有效流通面积不变，进气速度随内燃机转速下降而降低，在发动机 怠速及低速时，v 及进气涡流速度过低，对形成良好混合气及快速燃烧不利，故 需随内燃机转速下降，减少进气门流通截面，以提高涡流速度，这也要求采用可 变技术。 2 2 可变配气正时 柴油机换气过程的完善程度是决定柴油机性能的关键所在。而对配气机构 而言，就需要合适的配气相位，以减小换气过程损失的功，把残余废气尽可能 排净并充入尽可能多的新鲜空气。配气相位是指进、排气门实际开启和关闭的 时刻，通常用相对于上、下止点位置的曲轴转角来表示。它是影响发动机动力 性、经济性的重要因素之一，直接影响着发动机的进排气性能，对燃烧过程的 好坏也起着至关重要的作用。传统的发动机其配气相位是固定不变的，是通过 各种不同的配气相位试验，从中选取兼顾各种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。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，即可变 配气正时。具体可分为两种实现方式：l 、可变进气正时；2 、可变排气正时； 通过调节进、排气门的配气相位可以实现可变气门重叠角和可变持续期；在不 同的工况下，采用不同的配气正时，可以明显改善发动机的动力性、经济性和 排放性。 2 2 1 可变进气正时 2 21 1 提高充气效率 优化气门正时可以提高充气效率，当发动机高转速时，进气门更早开启， 则在上止点附近进气门流通面积增加，新鲜空气量增加，充气系数提高：推迟 进气门关闭，可以充分利用进气充气的惯性增压效应，实现补充进气，提高充 气系数从而提高扭矩；低转速时，考虑到进气门与活塞的避碰，进气门的提前 开启角可适当减少；此时进气充气惯性增压效应消失。为使空气不会倒流回进 气管，保证最大有效压缩比，确保柴油机的稳定起动，不再推迟进气门关闭， 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 也使发动机扭矩曲线更平缓。如图2 1 所示为不同进气晚关角对发动机充气系 数的影响1 ”。 f 一，江一 l 殿 煦如三i h 也 i 捌始粼 砻缓陋平社 1 。- 。i ；都 毁 广t 。_ 隧 一t _庄 。 一，缸p t ， b i 图2 1 不同转速下，进气迟闭角对图2 2 不同转速下，充气效率的特性曲线 充气效率的影响 由图2 2 可知，在发动机的工作范围内取较小的进气门迟闭角，可获得低 速时的蹿。较大，发动机可获得较大的扭矩，但高速时的功率会减小。若取较大 的进气门迟闭角，发动机可获得高速时大的卵，高速时功率增大，而此时发动 机低速性能变差，扭矩减小，因而一个固定不变的进气门迟闭角不可能满足发 动机不同转速下对仉的要求，为了获得较大的仉，必须是使得进气门迟闭角随 着转速的上升而增大。 2 2 1 ，2 提高进气速度 发动机处于低转速时，尤其在怠速阶段，缸内涡流强度减弱导致燃烧速度不 足。推迟进气门开启时间，减少气门的有效流通面积，可以提高进气速度，加强 进气涡流，提高燃烧速率，获得较高的循环效率，另一方面也防止了气门与活塞 的碰撞。 2 2 1 3 减少泵气损失 泵气损失是影响发动机效率的主要因素之，尤其对汽油机来说，由于传 统汽油机是通过节气门调节吸入的空气燃油混合气量来完成负荷调节，当汽油 机在部分负荷运转时，节气门开度很小，产生很大的压力降，导致节气门后面 进气管内的压力远低于大气压力，使得发动机的泵气损失增加，通过可变进气 武汉理工大学硕士学位论文 正时，可实现无节气门的负荷调节，当发动机负荷减少时，进气门提早关闭， 负荷增大时，推迟关闭。这样可以消除节气门的泵气损失，提高燃油经济性。 22 1 4 可变压缩比 压缩比愈大，内燃机循环效率愈高，经济性、低温起动性愈好，但最高压缩 比取决于发动机所能承受的机械负荷和热负荷的能力。因此，在中、小负荷时采 用较大的压缩比，以提高经济性；而在高负荷时，适当减小压缩比，可避免柴油机 压力过高，降低其在高功率输出时的机械负荷与热负荷m 】。对柴油机而言，其 设计的压缩比比较高，有利于冷态起动：而暖机后，过高的压缩比容易造成发动 机工作粗暴，油耗升高。因此可以将柴油机设计成高压缩比，而利用进气门早 关或晚关来降低有效压缩比( 当