（轮机工程专业论文）柴油机电—液驱动可变气门系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着排放法规的日趋严格和世界能源的日益短缺，节能、高效与环保成为 内燃机技术发展的主导方向。而计算机软、硬件技术的飞速发展，使得电子技 术被更加广泛地用于发动机的监控系统中。电控喷油技术、相继增压技术、可 变喷嘴涡轮增压技术等在发动机上的成功应用，极大地改善了发动机性能。而 传统内燃机配气相位固定不变的弊端日益凸现，取消凸轮轴及其从动件，实现 发动机气门的开启定时、持续时间和升程等的全可变气门技术更显现其重要性。 电液驱动可变气门系统作为一种较为理想的可变气门系统，它可以使得配 气机构的运动与柴油机运行工况相互独立，在较大范围内实现气门正时、气门 开启持续期和升程的灵活控制，实现发动机低油耗、低排放和高效率的控制目 标。国外在可变气门系统的设计和控制方面己做了大量研究，但由于仍存在许 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内外设计开发经验的基础上，结合我校在电控 气门系统方面的研究成果，采用模型分析、仿真设计与试验研究相结合的研究 模式。针对2 0 0 型柴油机配气系统的特点，开发了一套单作用弹簧复位电一液驱 动可变气门系统，并在我校自行研制的柴油机电子一液压控制系统试验台上进 行了较为系统和深入的试验研究。最后，根据2 0 0 型柴油机的运行工况特点， 对该可变气门系统的适应性进行了分析，取得了一定成果，但也发现了其中存 在的问题，如变工况下，气门开启响应和重叠角的控制问题等。 由于电一液驱动气门系统所固有的响应特性，使得进气门开启速度和排气门 的关闭速度仅仅从共轨压力、控制定时的角度较难解决，因此对原有的驱动系 统在原理和结构上做了一些改进，但限于时间，只能从理论上予以分析，进一 步的试验研究只能留待以后。 关键词：柴油机，中压共轨，电一液驱动，可变气门，仿真，试验研究 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o m p a n y i n gw i t ht h eg r a d u a l l ys t r i c t i n go f e m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n sa n d t h ei n c r e a s i n g l ys c a r c co f t h ew o r l d se n e r g y , e f f i c i e n t 、e c o n o m i c a la n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n b g o o m ep r e d o m i n a n td i r e c t i o no ft h ei c e n g i n e t e c h n i q u e s d e v e l o p m e n t a n dt h er a p i d l yd e v e l o p i n go ft h ec o m p u t e r ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e t e c h n i c ，i tm a k e st h ee l e c t r o n i ct e c h n i q u eb ew i d e l yu s e do nt h es u p e r v i s i o ns y s t e mo f e n g i n e t h e e l e c t r i c a lc o n t r o l l e d i n j e c t i o n f u e l t e c h n i q u e ，s t c ( s e q u e n t i a l t u r b o e h a r g l n gc o m p r e s s i o n ) t e c h n i q u ea n dv a r i a b l et u r b on o z z l et e c h n i q u ee t c a r e s u c c e s s f u l l ya p p l i e do ne n g i n e ，t h e s ec o n s u m e d l yi m p r o v e di t sp e r f o r m a n c e b u tt h e t r a d i t i o n a li c e n g i n e sd i s a d v a n t a g ew o r k i n gt o g e t h e rw i t ht h ef i x e dc o n s t a n tv a l v e p h a s ei si n c r e a s i n g l yo u t s t a n d , t h r o w i n go f fc a m s h a f t a n d i t sa c c e s s o r i a l p a r t s ， f u l f i l l i n gv a l v eo p e n i n gt i m i n g 、o p e n i n ge o m i n u a n c et i m ea n dv a l v el i f t sv a r i a b l e t h i st y p ew h o l ev a r i a b l ev a l v et e c h n i q u ei sm o r ep r e s e n ti t si m p o r t a n c e e l e c t r o n i c s - h y d r a u l i cd r i v i n gv a r i a b l ev a l v es y s t e m , a sap r o m i s i n gc a m l e s s v a l v et r a i n ，d e p e n d i n go ni tc a nc o m p l e t e l ye l i m i n a t et h ec a m - c r a n ks h a f tm e c h a n i c a l l i l l k a g e ，a 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 et i m i n g 、o p e n i n gc o n t i n u a n c e t i m ea n dv a l v el i f t t h r o u g ht h e 啪o f v a r i a b l ev a l v et i m i n g ( w t ) 。e n g i n eo p e r a t i o n c a n b eo p t i m i z e di nf u e le 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 d ，v a s t r e s e a r c h e sh a v eb e e nm a d ei nt h ea r e ao fe l e c t r o n i c s - - h y d r a u l i cp r e s s u r ed r i v i n g v a r i a b l ev a l v es y s t e ma 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 s , b u ts t i l lb e i n g c o n t i n u i n gd u et os o m ep r o b l e m st od e a lw i t h i ti sf a ra w a y f r o mp r o d u c t i o n t h i sp a p e rb a s e do nt h ec u l t u r a lh e r i t a g eo ft h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t e x p e r i e n c ef r o md o m e s t i ct oi n t e r n a t i o n a la lt h ev a i l a b l ev a l v es y s t e m c o m b i n e dm y s c h o o l sr e s e a r c hr e s u l to ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o lv a l v es y s t e m , m o d e la n a l y s i s 、 s i m u l a t i n gd e s i g n a n de x p e r i m e n tr e s e a r c h 眦c o m b i n e dt o g e t h e ri nr e s e a r c h p r o c e s s a i m i n gt o2 0 0t y p ed i e s e le n g i n e sv a l v es y s t e m , d e v e l o p e das e to fs i n g l e f u n c t i o n 、s p r i n gr e s t o r a t i o n 、e l e c t r o n i c s - h y d r a u l i cd r i v i n gv a r i a b l ev a l v es y s t e m , a n d 刚e n c e b ed o n eo nt h et e s t - b e do f t h ed i e s e le n g i n ee l e c t r o n i c s - - h y d r a u l i cd r i v i n g c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sr e s e a r c h e da n dm a n u f a c t u r e db yo u r s e l f a n da c c o r d i n gt o i i 武汉理工大学硕士学位论文 w o r km o v e m e n tc o n d i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f2 0 0t y p ed i e s e le n g i n e ，a n a l y s i n gt h i s v a r i a b l ev a l v es y s t e m sc o n 仃o l l a b l e ，o b t a i n i n gs o m er e s u l t s b u ts o m ep r o b l e m sa l s o b ed i s c o v e r e d , f o re x a m p l e ，c o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tr o t a t es p e e d , c o n t r o l l i n go f v a l v el a po v e ra n g l e b e c a u s et h ep r o p e r r e s p o n dc h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i c i t y f i q u i dd r i v ev a l v e s y s t e m , m a k e st h eo p e ns p e e do fi n l e tv a l v ea n dc l o s es p e e do fe x h a u s tv a l v ea r e m o r ed i f f i c u l tt os o l v ef r o mt h ea s p e c to f t h e m t n o nr a i lp r e s s u r ea n dt i m i n gc o n t r o l ， s oid i ds o m ei m p r o v e m e n ta ts y s t e md e s i g nt o w a r d so r i g i n a l l ys y s t e m , b u tb el i m i t e d b yt i m e ，ic a ns t a yt od of u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t sf o rf u m r eo n l y k e yw o r d s ：e n g i n e ；m e d i u mp r e s s u r ec a 3 m m o nr a i l ；e l e c t r o n i c s - - h y d r a u l i cd r i v i n g ； v a r i a b l ev a l v e ；s i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n tr e s e a r c h i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书使用过的材料。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了谢意。 研究生( 签名) ：趁挖臼期；坦i ：纱 关于论文使用授权的说明 本文完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论 文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印 和其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言巾1 第1 章绪论 现代高科技的发展已将发动机的节能、增效、低排放作为“节自卺一高效一 环保”一体化课题进行综合研究和技术开发。而配气相位直接影响着发动机的 进排气性能，对燃烧过程的优劣起着至关重要的作用。配气相位的选择既要考 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，又 要兼顾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。 即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迟闭角，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迟闭角和 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，从中选取兼顾各种工况 下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，而随着电控喷油技术、相继增压技术、可变喷嘴涡轮 增压技术等在发动机上的成功应用，使得配气相位固定不变的缺点日益凸显。 可变气门定时( w t ) 正是基于以上考虑，提出通过对发动机气门的启闭定 时、持续时间和升程等参数进行独立调节，以满足发动机多工况下对配气系统 的要求。与固定配气相位相比，可变气门技术可实时调节发动机进、排气参数， 较好的满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时的动力性，经济性以 及排放性能的要求，从整体上提高发动机综合性能。 1 2 可变气门技术的发展现状及其技术特点 可变气门系统最早出现在美国，自1 8 8 0 年，第一件可变气门装置专利在美 国申请，至1 9 8 7 年约有近8 0 0 件n 。、t 技术由于自身的优点，日益受到人们 重视，多年来仍在持续不断地发展。世界各国多年来开发了多种可变气门系统 ( 机构) ，这些系统有的部分实现了上述功能，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。 武汉理工大学硕士学位论文 气门驱动系统按驱动方式不同可分为凸轮驱动系统和非凸轮驱动系统两大 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，在发动机 上得到了广泛的应用。随着微电子技术的发展，非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，实现产品化尚需时日。 1 2 1 凸轮驱动可变气门系统 凸轮驱动可变气门系统通过对凸轮轴传动、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。 1 2 1 1 凸轮轴调相式 ( 1 ) 这种机构每个气门一般只有一瓣凸轮( 也有两瓣的) ，它通过凸轮轴和曲 轴的相位改变一个角度，以使气门的正时发生变化，而气门开启持续角度保持 不变。大量的可变气门正时系统都属于这类，它们主要的差异在于实现凸轮 轴调相的方式不一样。该类机构原理简单，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，而不能改变气门开启持 续时间和升程。 l e x u s 、a l f ar o m e m o 、t o y o t a 以及m e r c e d e s b e n z t o y o t a 等公司的可变气 门正对系统都属于这一类，原理大致相同“1 ，它包括由正时齿形带或链轮驱动 的外齿轮和与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮，以及一个处于内齿轮、外齿轮之 间的可动活塞组成。活塞的内、外表面上有螺旋形花键槽。活塞沿轴向的移动， 会改变内、外齿轮的相对位置，从而产生配气相位的连续改变。图1 - 1 为l e x u s 公司的可变气门正时系统的结构图，图1 - - 2 为其工作原理图。 根据发动机e c u 的指令，当凸轮轴正时控制阎位于图( a ) 所示时，机油压 力施加在活塞的左侧，使得活塞向右移动。由于活塞上的旋转花键的作用，进 气凸轮轴相对于凸轮轴正时带轮提前某一角度。 当凸轮轴正时控制阀位于图( b ) 位置时，活塞向左移动，并向延迟的方向 旋转。进而，凸轮轴正时控制阀关闭油道，保持活塞两侧的压力平衡，从而保 持配气相位。由此得到理想的配气正时。 另外一种典型的凸轮轴调相机构通过谐波传动实现。它主要由刚轮、柔轮 和波发生器三个构件组成。柔轮是易变形的薄壁外齿圈，刚轮是刚性内齿轮， 2 武汉理工大学硕士学位论文 波发生器由椭圆盘和柔性轴承组成。三个构件的任何一个都可作为主动件，另 两个一个固定，一个从动。亦可以任意两个为主动件，其余一个从动。通过使波 发生器转动，使柔轮及凸轮轴相对于刚轮及正时齿轮转过一定角度，达到调相的目 的。n e l s o n e l r o d 和清华大学都进行过这种结构凸轮轴调相机构的研究2 1 “1 。 图1 一ll e x u s 公司可变气门正时机构 图卜2l e x u s 公司可变气门正时机构工作原理 3 蕊由簟 武汉理工大学硕士学位论文 这些机构的特点是：便于实现， 气门升程和气门开启持续期的调节。 1 2 1 2 可变凸轮式 ( 1 ) 三维凸轮驱动 气门正时可以实现无极可调，但无法实现 在f i a t 公司的带三维凸轮可变气门机构中， 原理示意图见图卜3 “。凸轮轴的轴向移动使得 凸轮的不同部分与可倾斜导板接触，改变了气门 的升程和正时。凸轮轴的轴向移动通过润滑油系 统的润滑油压力控制。控制方式有机械的，也有 电子的。该系统曾经安装在一台f e r r a r iv 8 发 动机上做过试验。图卜3 三维凸轮机构 该机构的优点是设计者能在很大程度上控制气门开启及回位的特性，落座 速度可以控制，但气门正时和升程变化范围受到限制，且由于凸轮与导板之间为 线接触，工作过程中，接触应力较大。 ( 2 ) 多凸轮驱动 这种机构在传统的凸轮轴上相邻布置了两个或更多的凸轮。任何时刻只由 一个凸轮驱动气门。它或者通过凸轮轴的轴向移动，或者通过移动摇臂与各个 凸轮配合，从而达到改变气门正时和升程的目的。 h o n d a 公司的v t e c 系统即属于此类，如图卜4 。所示。其进、排气凸轮 轴每缸设有三段凸轮并对应三段摇臂。高速时，由液压作用使液压柱销同时带 动主摇臂和次摇臂，高速凸轮驱动气门，改变气门正时与升程。其液压柱销由 电子控制。该系统已经应用于n s x 型跑车的四气门发动机上。 嚣一黢鹰回耘域霉= 殷巾凰耘域 謦- - - - - a z 蔫回蕺艟 图1 - 4h o n d a 开发的三段式可变气门机构 4 武汉理工大学硕士学位论文 这类结构实现起来相对简单，但其缺点是： a 由于凸轮轴空间的限制以及凸轮切换方法的限制，使得正时变化的个数 有限； b 正时的改变不连续。 1 2 1 3 可变连接件式机构 这是可变气门机构在实现产品化过程中的第三个阶段，即全可变气门机构。 该类机构仍然保持凸轮的固有特性，通过改变凸轮与气门之间的联接机构，如 摇臂或推杆的结构，间接的实现改变凸轮型线的作用。这类机构机械式的较多， 也有液压式的可以较好的实现可变配气相位的功能；不足之处是大多数机构从 动件比较多，气门系统存在冲击，有的结构也很复杂，且气门正时未得到优化。 m e c 的可变配气相位机构就属于该类型的一种典型机构。如图1 - 5 “1 所示， 该机构采用一个结构简单可移动摇臂支点，当移动枢轴相对固定齿条移动时， 摇臂支点将发生变化。摇臂比相应改变，从而使气门升程、持续时间或相角改 变。目前，这种机构尚处于台架研究阶段，但该机构成功的通过了2 0 0 h 连续测 试。可以控制气门升程由零变化到最大行程，有效持续期从0 。2 6 0 。，是一 种较为实用的机构。 固鳓 图1 5 可变连接件机构图1 6 可变液压项杆机构 1 2 1 4 可变液压顶杆机构 这种系统通过改变液压项杆的容积改变气门的正时或行程。有机械控制 也有电子控制| l o i 。图1 - 6 为h y u n d a i s i e m e n s 公司的电控气门正时系统的示意 图。该气门驱动机构包括一个凸轮从动件，和一个与一定容积的油腔连在一起 5 武汉理工大学硕士学位论文 的驱动器以及一个由计算机控制的大流量的电磁阀。油腔容积的改变使气门升 程和正时在凸轮型线决定的轮廓线内变化。 由于保留了凸轮，仍受到凸轮型线的限制，调节范围有限，其气门升程曲 线只能在原凸轮驱动的气门升程曲线轮廓线内变动。 1 2 2 非凸轮轴驱动可变气门系统 非凸轮轴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 气门正时，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“和f o r d 的e c v 无凸轮电控液压可变 配气相位机构n 2 等。目前以机械式气门控制机构为主流，但其技术发展趋势将 朝电磁气门控制系统迈进。 1 2 2 1 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，已经不再是传统意义上的凸轮，故将其归于此类。图卜7 为 g m 公司研发的电机驱动可变气门系统的示意图| 1 9 1 。 毫辅飘控 图1 - 7 电机驱动可变气门系统 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， 6 武汉理工大学硕士学位论文 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 ) 转速范围广； ( 2 ) 在可变定时和部分升程运行方面具有较好的灵活性。 缺点： ( i ) 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。 ( 3 ) 在高转速下，电机消耗的功率太大。 1 2 2 2 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。 图卜8 为g m 公司推出的电磁驱动可变气门系统的结构示意图1 “。图中永磁 铁能够提供一个锁紧力使得气门锁定在全开或全闭的位置，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。 图卜8 电磁驱动可变气门系统图l _ 9 双作用液压驱动可变气门系统 这种系统的优点是： ( 1 ) 取消了凸轮轴，气门开启和关闭定时较自由； 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 开启和关闭动作迅速。 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。 1 1 2 3 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 - 9 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n ”。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。 ( 2 ) 双作用电液气门驱动机构 图1 - 1 0 为南卡莱罗纳大学开发的电液驱动无凸轮内燃机气门系统n ”。该气 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压力液 体流动和压力变化，同时会通过作用到与气门相连接的液压活塞的方式转变为 线性运动：当线性轴向上或向下运动时候，压力液体通过孔流动使气缸体内活塞 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。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图卜1 0 双作用电液气门驱动系统图卜1 l 单作用电液气门驱动系统 ( 3 ) 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 气门回位弹簧，图1 - 1 1 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 r | 0 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 。 在这一类系统中，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信号优化发 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开启与关闭。这种系统能实现气门正时、 气门丹程、气门开启速度的灵活调节。本文将重点研究此类结构的可变气门系 统。 通过以上分析可知，所有保留了凸轮的可变气门系统，气门的工作特性都 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 门响应速度在各种工况下均可以进行柔性调节，就必须取消凸轮轴，从而使气 门的动作与发动机相互独立。 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、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，并且在一定程度 上改善了曲轴的应力状态，同时减小了柴油机的能耗。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文的选题背景 全球能源和环境问题日益突出，各国对提高燃油经济性和降低有害排放物 的要求日趋迫切，节约能源和控制有害排放己成为发动机技术的发展方向，而优 化发动机气门的启、闭正时，升程和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。 本课题旨在通过电子液压技术的柔性控制来优化发动机气门的配气正时、 气门开启持续期及气门升程，使得发动机在各种工况范围内都能获得性能优化 的效果，达到改善发动机性能，提高经济性和减少有害排放的目的。 对于可变气门系统，国外已经进行了大量的研究，伴随着微电脑技术的飞 速发展及其在发动机上的广泛应用，可变气门系统已开始由结构简单的、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。 目前，国外柴油机的电控可变气门技术已初步成形，而且已经有了实验室 的产品。而国内相关技术的研究工作尚未起步。这势必造成柴油机行业的长期 落后，失去竞争力。因此，我们迫切需要掌握有关柴油机电控可变气门系统的 工作机理及关键技术。 1 4 本文的主要研究工作 1 4 1 研究目标 本文以2 0 0 型柴油机配气系统为研究对象，研制一套电一液驱动可变气门系 统。该系统应能在我校自主开发的柴油机电子一液压控制试验台上实现对该型 发动机气门正时、气门升程、气门开启持续期以及气门开启速度进行柔性调节 的目的，此外通过对系统进行试验研究和理论分析，掌握可变气门系统的技术 要领及其工作机理。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 研制一套满足上述要求的电一液驱动系统 ( 2 ) 在柴油机电子一液压控制试验台上，对电一液驱动可变气门系统进行动态 性能测试； l o 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 通过对电一液驱动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案： 1 5 本章小结 本章首先分析了国、内外可变气门技术的发展现状与发展动态，然后结合 我国的实际情况，提出了本文的研究任务，即研制一套中压共轨电一液驱动可 变气门系统，对系统的性能进行理论分析与试验研究，得出电一液驱动可变气 门系统的各种特性参数，通过深入研究可变气门技术的工作机理，深入了解电 控柴油机可变气门系统研发的关键技术。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章可变气门技术对发动机性能的影响 配气参数主要包括发动机进、排气门的启、闭正时，启、闭速度，气门开 启的最大升程以及气门开启持续期等。这些参数的优化可以改变发动机的压缩 比，减小泵气损失，加快进气气流速度，改善混合气质量，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、排 放性以及响应性能得到综合提高。就可变气门技术而言，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。本文综合各种可变配气相位机构的优点，对配气 相位中影响发动机性能的各种因素予以剖析 2 k 1 2 l 。 2 1 可变进气门正时 下t 图2 - i 可变进气正时相位图n 钉 2 1 1 可变压缩比列r 翻 发动帆转速r _ 图2 - 2 进气门正时对充气效率的影响n 在超高增压的发动机中，输出功率较大时，可通过适当增大进气门迟闭角 或提前关闭进气门，以减小压缩比，达到降低发动机的机械负荷和热负荷的目 的。在发动机部分负荷、低负荷和起动工况下。适当的压缩比，可以得到较好 的经济性和起动性能，从而可在全部工况范围内优化其性能。 在均质充量压缩着火燃烧中，可变配气定时( v v t ) 可有效地改变压缩比以 控制着火时刻。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 可变充气效率陋圳 优化气门正时可以提高充气效率，当发动机在高转速时，推迟进气门关闭 可以充分利用进气充气的过后充气效应，提高扭矩：低转速时，进气的过后充 气效应消失，为保证最大有效压缩比，不再推迟进气门关闭，而推迟进气门开 启时间，直至活塞具有较高的向下运行速度，可以提高进气速度，加强迸气涡 流，提高燃烧速率，获得较高的循环效率，这样可以使发动机扭矩曲线更平缓。 图2 2 所示为某型汽油机采用进气门可变正时与气门正时不变时，充气效率随 转速变化的对比，可见前者远优于后者。 另外，通过控制进气门关闭正时，可实现发动机的多种循环工作模式，如 米勒循环等。 2 2 可变排气门正时 f j a 图2 3 可变排气正时相位图n 玎 对于多缸发动机，通过合理组织排气门关闭时刻，可减小各缸排气之间的 干扰，提高进气充量。发动机在低转速时，排气时间较长，应减小排气提前角。 排气门开启的时刻应该是发动机转速的函数，通过改变排气门开启时刻可以有 效提高膨胀功，同时增加扭矩，特别是在低转速时可以大大改善燃油效率。怠 速稳定性主要受气缸内残余废气系数影响。尽管在进气开始阶段缸内总存有一 定量的残余废气，但可以通过调整排气门关闭角和相应的进气门开启角，把残 余废气降至最低。提高怠速稳定性。改变气门重叠角的同时，改变气门升程， 可以降低怠速转速，从而降低油耗。 1 3 一 武汉理工大学硕士学位论文 另外，通过改变排气门关闭时刻，可以实现内部e g r 。在上止点前提前关闭 排气门。能使一部分废气残留在气缸内；另一方面，如果排气门迟后关闭，由 于进气冲程早期阶段活塞下行，可将一定质量的废气由排气管倒吸回气缸改 变排气门关闭正时，就可以控制气缸内残余废气系数，实现内部e g r 。当然，进 气门正时的改变，也会直接影响进入气缸内新鲜空气的质量，间接影响缸内残 余废气系数。 2 3 可变气门升程 2 3 1 降低配气系统能耗 在传统凸轮驱动的气门机构中，进、排气门升程的选取主要是确保高工况 下较好的容积效率和较低的泵气损失，其实发动机在低速工况时，小的气门升 程就足够了。在可变气门机构中，可以控制气门升程随转速的降低而减小。由 于气门机构所消耗的能量跟升程成正比，因此在低转速时改变气门升程可以提 高动力系统的经济性。 2 3 2 提高进气流速 在发动机低转速时可适当减小气门升程，增大空气流过气门时的流速，从 而加强缸内气体的扰动，提高燃气的混合质量，使燃烧速率加快，提高怠速稳 定性。 ， 客职薮搴寡积蕞搴 图2 4 不同气门升程进气流速对比嘲1 1 4 ，-v麓嚣r辫 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5 不同气门升程换气损失对比1 2 3 3 控制进气气流方式 在多气门发动机上，可以通过控制各个气门的不同升程，来改变气体的流 动方式，从而实现柴油机工况与进气气流的优化组合。试验表明，与设计气缸 盖相比，不等的气门升程对进气流动的影响更显著，也更易于实现。 在怠速和低速时，小的气门升程和进排气门重叠角，可以减少和防止气缸 内的废气反冲到进气管而造成气缸内燃烧不稳定，从而提高怠速的稳定性和发 动机输出扭矩。另外，因为两个进气门升程的差异较大，使得空气的流量和流 速也不同，从而导致进入气缸的空气产生气流回转，增加燃烧室内气体的涡流 运动，加速混合气的形成，提高燃烧速度和燃烧热效率，同时降低排放。 2 4 停滞气门 2 4 1 可变工作排量 对于多缸发动机，在低负荷时，可通过停止某些缸的进排气和喷油，提高 其余缸的负荷率使其处于较理想的运行区，以此来改善发动机整机的工作循环、 提高热效率。 2 4 2 降低启动扭矩 通过停止某些缸的工作，可以减小起动扭矩，相应降低了对起动电机的功 率要求。对于发电机组，使得起动电机和交流发电机的一体化成为可能。 1 5 童v联幂r麟 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 可变气门速度 2 5 1 提高充气效率 传统的凸轮驱动式发动机，气门开启和关闭是一个渐进的过程，占满整个 气门开启持续期。由于气门速度受曲轴转速的限制，所以只有在曲轴转速升高 时，气门速度才加大。与此相比，无凸轮式发动机的气门运动是可以控制的， 不受曲轴转速影响，开启和关闭气门只占气门开启持续期的- - 4 部分。在低转 速时，气门升程随曲轴转角变化的曲线接近一矩形。高转速时，气门升程曲线 接近一梯形。这种气门开启历程，能够保证气门最大升程的时间占气门开启持 续期的大部分，保证了高转速下较高的充气效率，有利于增加发动机的高工况 输出扭矩。 2 5 2 降低能量消耗 当发动机转速降低时，不再需要快速打开、关闭气门，驱动气门的能量可 以降低，从而提高发动机的整体效率。 2 6 可变气门重叠角懈川 2 6 1 改善怠速稳定性 缸内残余废气量对怠速稳定性有极大的影响。尽管在进气开始时缸内存在 一定量的残余废气是不可避免的，但是通过正确调节排气门关闭时间和相应的 进气门开启时间( 即所谓的气门重叠角) 可以将残余废气量降到最低，以确保良 好的怠速稳定性。 2 6 2 降低燃油消耗 同时调节气门重叠角和气门升程可以有效地降低怠速转速，大大减小低工 况下的燃油消耗率。 总之，电控配气系统的气门正时、气门升程及气门开启持续期等参数的柔 性可调，有利于改善多工况下的发动机性能。当然，发动机性能的优劣，首先取 决于自身的设计参数，而高性能的实现则在很大程度上依赖于控制方法和策略。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 7 本章小结 本章以所参阅的文献为基础，从可变进气正时、可变排气正时、可交气门 升程、可变工作排量、可变气门速度、可变气门重叠角等几个方面，详细论述 了可变气门技术对发动机性能的影响。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章柴油机电一液驱动可变气门系统总体设计 3 12 0 0 型柴油机配气参数2 8 1 3 1 12 0 0 型柴油机基本参数 2 0 0 型柴油机的标称参数见表3 1 ，其凸轮驱动的配气系统气门正时及升程 见表3 - 2 。气门运动组件部分物理参数见表3 - 3 。根据本次设计的初步目标，要 求气门启闭速度能满足2 0 0 型柴油机各种工况下调节的需要，因此必须要能满 足2 0 0 型柴油机在标定转速6 0 0 r m i n 运行时的需要，即要求气门在2 9 0 度曲轴 转角( 8 0 6 m s ) 内能完成气门的开启与关闭动作，并在最大升程处能持续一定 时间，满足气门开启持续期的要求，然后再关闭。 表3 - 12 0 0 型柴油机标称参数 缸径 2 0 0 n u n压缩比1 1 5 l行程 2 7 0 r a m额定转速6 0 0 r m i n 表3 - 22 0 0 型柴油机凸轮驱动的配气系统基本参数 进气门参数排气门参数 进气门最大升程 1 7 5 r a m排气门最大升程1 7 5 r r l m 进气门开启( 上死点前) 7 0 0排气门开启( 下死点前)4 0 。 进气门关闭( 下死点后) 4 0 0 排气门关闭( 上死点后) 7 0 。 迸气持续相位角 2 9 0 0 排气持续相位角 2 9 0 0 摇臂比 1 4 7 5摇臂比1 4 7 5 表3 - 32 0 0 型柴油机气门运动组件部分物理参数 运动质量弹簧组刚度k弹簧预紧力f o运动阻尼系数c m 。( k g )( n m )( n )( m p a s ) 2 82 2 5 4 5 3 9 9 4 6 6 5 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 22 0 0 型柴油机凸轮驱动气门升程计算 2 0 0 型柴油机进排气凸轮( 见图3 - 1 ) 形线相同，为三段式切线型结构，具 体参数见表3 - 4 。 i 图3 - 12 0 0 型柴油机迸排气凸轮形线 表3 - 42 0 0 型柴油机凸轮形线参数 l 凸轮艺升程 理论基圆半径过渡圆弧半径相位角作用角上止角i r o r 2 0ei o ：i l 1 2 r a m 5 0 m m3 9 3 8 m 1 4 5 。6 2 。 2 1 。i 通过对其进行拟和，利用m a t l a b l 软件，可以绘出气门升程与活塞位移的 相位图( 以压缩上止点为横轴参考点，以活塞下止点为纵轴参考点) ，如图3 2 、 3 - 3 所示。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 8 5 2 印 2 7 5 2 7 0 2 8 5 图3 - 2 凸轮驱动气门与活塞相对位置相位图 f厂l 弋 ， 麟2 fx l j 1 排气何位移 2 一进气门位移 0 1 0 0 2 叩啦i 8 瞻角 强) 5 0 0 6 口07 图3 - 3 凸轮驱动气门位移相位图 通过计算可知，额定转速( 6 0 0 r m i n ) 下配气时间参数如表3 5 所示： 表3 - 5 i 气门开启关闭历时( m s )最大升程历时( m s )气门开启持续期( m s ) 3 4 41 1 78 0 6 米埘v 棒掣 桨懈v 巢掣 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 液压驱动气门系统模型的建立协啪1 根据初步的设想，配气系统采用电液驱动时，气门机构实际上是在一个阶 跃冲击的作用下进行工作的。因此，通过分析，建立如图3 - 4 所示的液压驱动 气门系统的力学模型，该模型将气门系统简化为一个集中质量，并将各个非线 性参数( 弹簧刚度、运动阻尼系数等) 简化为线性量。 七) 图3 4 液压驱动气门系统模型 故可以建立如下方程 材万d 2 y = f p ) + 磁一匆一昂一c 害( 3 - 1 ) 式中，f ( t ) 一外界激励(