【《气门多变运动规律仿真与实验结果分析案例》6300字】

6969气门多变运动规律仿真与实验结果分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u14548气门多变运动规律仿真与实验结果分析案例 1109891.1转阀泄油相位布置 1164821.1.1转阀油孔的匹配变更 175391.1.2不同工况的泄油相位 3194291.2节流孔作用下的排气门升程仿真 8219711.3发动机不同工况下的气门仿真升程 1014491.3.1怠速小负荷工况下的气门仿真升程 1094571.3.2中大负荷工况下的气门仿真升程 11132291.3.3排气制动工况下的气门仿真升程 1258721.4液压波动现象的分析 13325651.5气门落座速度的分析 1438141.6实测多变气门升程 15190121.6.1进气门连续可变实测升程 16197231.6.2怠速小负荷工况下的气门实测升程 1624311.6.3中大负荷工况下的气门实测升程 1770321.6.4排气制动工况下的气门实测升程 1837161.7小结 191.1转阀泄油相位布置1.1.1转阀油孔的匹配变更由于新设计的进排气门升程包含主升程和多个小升程，若既要实现气门开启次数的转变，又要实现对气门升程的连续控制，则需要在阀套上设置多个油孔，利用多个泄油持续期来同时对气门升程进行控制。因此对转阀油孔进行了重新的设置，新设计的进气和排气阀套油孔结构如图5-1所示。（a）进气阀套油孔（b）排气阀套油孔图5-1新设计进气和排气阀套油孔在进气阀套上设置了两个油孔，分别称作气门早关油孔和二次进气油孔，这两个油孔与阀芯油孔相互协作能够在一个循环内产生两段泄油持续期，分别称作气门早关泄油持续期和二次进气泄油持续期。其中气门早关油孔为槽状，气门早关泄油持续期为105°CA，主要作用是使进气门早关，实现发动机米勒循环；二次进气泄油持续期为230°CA，由于此泄油持续期较长，若将阀套油孔也加工为槽状，会导致阀套周向材料去除过多，从而对阀套强度造成不利影响，因此将二次进气油孔设置为两个小孔组合而成，两个小孔不在同一轴向位置但其内部设有倒角，因此能够与阀芯油孔形成连续的泄油持续期，其主要目的用来控制二次进气升程的开启与否，实现进气门开启次数的可变。由于阀套上各油孔的相对位置无法改变，所以在调节阀套转动时，气门早关泄油持续期和二次进气泄油持续期的开始泄油相位只能一起偏移相同的角度。在排气阀套上也设置了两个油孔，分别称作排气回流油孔和压缩制动油孔，也阀芯油孔形成的泄油持续期分别称作排气回流泄油持续期和压缩制动油持续期。其中排气回流油孔由两个处于同一周向位置的小孔组合而成，主要用来控制排气回流升程的开启与否；压缩制动油孔是一个圆孔，主要用来控制压缩制动升程的开启与否。将阀套油孔设置完毕之后，便能够计算转阀的泄油面积以及更新仿真模型中的转阀泄油面积插值表，进气转阀和排气转阀泄油面积随凸轮转角的变化趋势如图5-2所示。（a）进气转阀（b）排气转阀图5-2进气和排气转阀泄油面积1.1.2不同工况的泄油相位根据进气门和排气门各升程的配气相位安排合理的转阀泄油角度，能够在发动机不同的运行工况下实现不同的气门运动规律。根据气门不同开启次数所能够实现的功能不同，将发动机的运行工况分为三种：怠速小负荷工况、中大负荷工况以及排气制动工况，各工况下的转阀泄油相位和预测的气门升程分别如下：（1）怠速小负荷工况在发动机刚启动时处于怠速小负荷状态，通过减少进入气缸的新鲜充量并结合内部EGR的方式，能够快速提高排气温度。在怠速小负荷工况时气门早关泄油持续期和二次进气泄油持续期的相位如图5-3所示。图中阴影部分表示泄油持续期，实线为预估的气门升程，虚线为理论设计但实际未开启的气门升程。由图5-3中可以看出，虽然二次进气泄油持续期未能将二次进气升程完全包含，但是泄油结束时刻，气门升程已经开始下降，所以二次进气升程仍然无法开启。另外，转动转阀使泄油相位角往后移动一定的角度内，可以在二次进气升程不开启的基础上实现进气门早关升程的连续可变，如图中所示。图5-3怠速小负荷时进气转阀泄油角度和气门升程发动机怠速小负荷工况时排气转阀泄油角度和气门升程如图5-4所示。从图中可以看出，排气门主升程不受泄油影响从而正常启闭；排气回流升程略微早关，但是其最大升程不受影响；压缩制动升程被全部包含在压缩制动泄油持续期内，压缩制动升程无法开启。图5-4怠速小负荷时排气转阀泄油角度和气门升程（2）中大负荷工况在中大负荷工况，发动机处于正常运行状态，此时要求进气门和排气门均处于正常开启的状态，仅主升程开启，发动机中大负荷时进气转阀泄油角度和气门升程如图5-5所示。在这种工况下，气门早关泄油持续期虽然包含了进气主升程的落座部分，但是其对升程的影响微乎其微，进气主升程依然可以看作是正常启闭；二次进气升程由于全部被二次进气泄油持续期包含，因此其无法开启。图5-5中大负荷时进气转阀泄油角度和气门升程发动机中大负荷工况时排气转阀泄油角度和气门升程如图5-6所示。此状态下，由于排气回流升程和压缩制动升程的上升段全部被对应泄油持续期包含在内，因此排气回流升程和压缩制动升程均不开启，排气门只在排气冲程打开一次，排气门处于正常工作状态。图5-6中大负荷时排气转阀泄油角度和气门升程（3）排气制动工况在排气制动工况下，发动机喷油器不喷油，通过缸内制动能够降低车辆主制动器的负担，此时进气门升程和进气转阀泄油相位如图5-7所示。在此工况下，进气主升程和二次进气升程均开启，进气主升程能够使新鲜气体在进气冲程内进入气缸，二次进气升程能够使新鲜充量在做功冲程内进入气缸。图5-7排气制动时进气转阀泄油角度和气门升程排气制动工况下的排气门升程和排气转阀泄油持续期如图5-8所示。在此工况下，排气凸轮上的三个凸起都能够发挥作用。排气回流升程能够使排气管内的一部分气体重新回到气缸内，增加进入气缸的气体总量；压缩制动升程能够使气缸内的气体经过压缩后在压缩终点释放，消耗曲轴的动能；主升程可以将做功冲程内从进气门进入气缸的气体排出。图5-8排气制动时排气转阀泄油角度和气门升程此外，从图5-8中还可以看出，压缩制动泄油持续期影响了排气门的正常开启，使排气门晚开和早关。若排气门能够在排气上止点前关闭，则在排气冲程的最后时刻，缸内的剩余气体能够再次经过压缩后释放，进一步消耗曲轴的动能，从而增大排气制动功率。因此在压缩制动油孔后增加一个直径较小的圆形节流孔，此节流孔的节流面积较小以及节流持续期较短，不会使高压系统的液压油顷刻全部流到低压系统内，因此在节流的同时排气门依旧可以开启，排气门能够在上止点前关闭，使发动机在一个工作循环内实现二次制动。图5-9显示了排气制动时增设节流孔后的排气门升程和泄油相位，较低的黑色阴影部分表示节流持续期。图5-9排气制动时受节流作用的排气门升程和泄油角度1.2节流孔作用下的排气门升程仿真为了确定排气节流孔的直径，对发动机1000r/min、1600r/min和2100r/min转速时不同直径节流孔作用下的排气门升程进行了仿真。所选择节流孔直径分别为1.6mm、1.8mm和2mm，仿真时每种直径的节流孔有两个，两个节流孔并列分布在阀套同一周向位置上，仿真结果如图5-10所示。从仿真结果来看，在同一节流孔直径下，排气门的最大升程和落座角度随着转速的升高而逐渐增大。在同一转速下，排气门的最大升程和落座角度随着节流孔直径的增大而逐渐降低。当转速较低时，不同直径节流孔作用下的排气门升程的差别较大，而随着转速升高，排气门升程之间的差别逐渐降低。（a）1000r/min（b）1600r/min（c）2100r/min图5-10发动机不同转速时不同直径节流孔作用下的排气门升程综合考虑气门升程与落座时刻，若低转速时排气门落座过早，会导致排气制动缸内压力过高，加大薄壁零件的损坏风险；若排气门落座时间太晚，会降低排气制动功率。经过对比筛选，最终选择直径为1.8mm的两个并列节流孔作为最终节流方案，此节流方案下排气门在发动机转速1000r/min、1600r/min和2100r/min时的气门升程曲线如图5-11所示。图5-11两个φ1.8mm节流孔作用下的排气门升程1.3发动机不同工况下的气门仿真升程1.3.1怠速小负荷工况下的气门仿真升程当发动机处于怠速小负荷工况时，转速比较低，此外排气热管理所需要的新鲜充量较小，进气门升程和开启时间不宜过大。因此对转速800r/min时，进气泄油角度为410°CA下的进排气门升程进行了仿真，仿真结果如图5-12所示。从图中可以看出，在怠速小负荷工况下，排气门主升程和排气回流升程正常开启，进气门泄油时刻比较早，因此进气门主升程和开启持续期比较小。图5-12怠速小负荷工况下的进排气门仿真升程图5-13和图5-14分别为不同泄油相位角下进气门升程和速度曲线，由仿真结果可以看出，更改了气门升程曲线和转阀油孔结构之后液压气门机构依然可以良好地实现对气门最大升程连续控制；在开始泄油之前气门速度由凸轮速度决定，泄油之后主要受气门弹簧影响，弹簧压缩量越大最大速度值越高。图5-13不同泄油角度下进气门仿真升程图5-14不同泄油相位角下进气门速度1.3.2中大负荷工况下的气门仿真升程试验样机的额定转速为1900r/min，因此对发动机1900r/min时，中大负荷工况下的进排气门升程进行仿真，仿真结果如图5-15所示。由图中可以看出，转阀各油孔的泄油持续期能够很好地使二次进气升程、排气回流升程和压缩制动升程不开启，保证仅进排气门主升程开启，使发动机处于正常工作状态，这表明转阀油孔的设置能够满足中大负荷工况时液压气门机构对转阀泄油量的要求。图5-15中大负荷工况下的进排气门仿真升程1.3.3排气制动工况下的气门仿真升程排气制动工况时所对应的发动机转速范围比较宽，因此对发动机中等转速1200r/min时排气制动工况下的进排气门升程进行仿真，仿真结果如图5-16所示。图5-16转速1200r/min时排气制动工况下的进排气门仿真升程由图5-16可以看出，当排气制动工况时，进排气所有的设计升程全部都开启。在进气冲程内进气门主升程和排气回流升程开启，进排气门同时向缸内进气，能够增大进气量；在压缩冲程，压缩制动升程在压缩冲程中后期开启，缸内气体经过“压缩-释放”，可以实现排气制动功能；在做功冲程，二次进气升程开启，气体经过进气门向缸内进气，实现二次进气，同时进入气缸的新鲜气体温度较低，能够一定程度上降低喷油嘴的温度；在排气冲程，排气门在节流孔的作用下气门升程降低，能够在排气上止点之前完成落座，在排气冲程中未排出的气体会再次经过压缩后排出，实现了“一个循环，二次制动”的制动模式。经过对以上三种工况下的气门升程进行仿真计算，结果表明通过调节转阀泄油持续期，能够实现气门升程连续可变以及气门开启次数的转变，且三种工况下的气门运动规律均符合预期目标，为下一步台架试验的确保了可行性。1.4液压波动现象的分析液压油作为中间介质，在液压气门机构的工作过程中发挥重要作用，但是由于液压的可压缩性，导致液压油在运行过程中产生压力波动，从而对气门运动也造成影响。因此以发动机1600r/min中大负荷工况下排气主升程开启时的挺柱腔压力、活塞腔压力以及气门加速度为研究对象，对液压气门机构的压力波动和气门加速度进行探究，如图5-17所示。图5-17排气挺柱腔与活塞腔压力对比从图5-17中可以看出，在气门刚开启阶段，挺柱腔与活塞腔的压力迅速升高，由于活塞节流阀开启面积较小的原因使得活塞腔压力略小于挺柱腔；随着气门升程不断增大，活塞节流面积不断增加，使得活塞腔压力逐渐与挺柱腔压力相等，两者的压力曲线逐渐重合；在气门回落阶段，活塞腔内的液压油逐渐回流到高压系统内；当气门快要落座时，落座缓冲机构发挥作用，通过减小节流阀的流通面积使得活塞回移速度降低，挺柱腔和高压系统内的压力迅速降低，而活塞腔压力升高，产生能使气门速度降低的正加速度，使气门平稳落座。活塞腔的压力波动对气门加速度的影响很大，使得气门加速度在整个过程中也以相同的频率作周期性波动。1.5气门落座速度的分析为了探究更改了升程曲线之后气门的落座情况，以发动机1900r/min下中大负荷时的进气门和排气门主升程为例，来分析发动机正常工作状况下的气门升程和落座速度，升程和速度曲线如图5-18所示。（a）进气门升程和落座速度（b）排气门升程和落座速度图5-18发动机转速1900r/min时中大负荷下气门升程和落座速度从图5-18中可以看出，中大负荷时在1900r/min转速下，进气门和排气门落座时速度变化较为平稳，波动较小。为了便于对照升程和速度的关系，图5-19显示了中大负荷时1900r/min下进气门和排气门下降段升程与速度的关系，为了方便观察，已将下降段的速度变为正数。从图5-19中可以看出，在整个落座过程中进气门的速度要普遍大于排气门的速度；当气门升程在0.5mm以下时，进气门和排气门速度均已小于0.5m/s；当气门升程在0.2mm以下时，进排气门速度曲线重合，表明当气门将要落座时气门落座速度主要受活塞节流阀的影响，而与理论设计气门速度关系不大。此外，通过升程与速度的对比图还可以看出液压气门机构具有良好的落座缓冲作用，能保证气门平稳落座。图5-19中大负荷时1900r/min下气门升程和落座速度对比图1.6实测多变气门升程根据前述仿真结果已经选出了最合适的转阀油孔结构，因此将新的转阀和配气凸轮轴加工完毕后安装到液压气门机构上，利用倒拖试验台架对气门升程进行测量，来检验液压气门机构是否真正实现不同工况下的气门运动规律。1.6.1进气门连续可变实测升程试验以2缸进气门为测量对象，测取了发动机转速800r/min、1200r/min和1600r/min时进气门在不同电机转角下的气门升程，电机调整范围为10°至45°，电机转角越小机构泄油角度越小，气门升程曲线如图5-20所示。从图中可以看出，不同转速下液压气门机构依然能够正常实现进气门升程的连续可变，且试验测得的进气门升程曲线较为光滑，不同电机转角下升程曲线间隔均匀，表明转阀控制系统的精确度较高，使用可靠。（a）800r/min（b）1200r/min（c）1600r/min图5-20不同转速下实测进气门升程连续变化曲线1.6.2怠速小负荷工况下的气门实测升程怠速小负荷工况下要求进气门主升程开启升程和持续期较小，因此仅测取了发动机转速为800r/min下，进气电机转角为10°、15°和25°时的气门升程，如图5-21所示。从图中可以看出，在怠速小负荷工况下，进排气门的实测开启升程与仿真升程基本相符，表明液压气门机构能够实现此工况下的气门升程。图5-21转速800r/min时怠速小负荷工况下进排气门实测升程1.6.3中大负荷工况下的气门实测升程在中大负荷工况时，保持进气门和排气门主升程正常单次开启，调整进气控制电机转角，使进气门升程在一定范围内提前关闭，能够实现米勒循环。图5-22为进、排气门在中大负荷工况下1900r/min时的实测气门升程。从图中可以看出，进、排气门在三种转速情况下都只开启一次，且进气门能够根据控制电机转动角度实现气门升程的连续早关可变，实测