【《柴油机液压可变气门压缩释放制动性能分析》4800字】

X柴油机液压可变气门压缩释放制动性能分析目录TOC\o"1-3"\h\u24052柴油机液压可变气门压缩释放制动性能分析 1228431.1减压排气门开启时刻的影响 1232931.2减压排气门最大升程的影响 385461.3减压排气门运行参数的确定及气门运动规律的测量 5143061.4单排气门制动和双排气门制动对比 844261.5几何压缩比及进气压力的影响 10247171.6小结 13通过柴油机仿真模型，对液压可变气门压缩释放（HVVCR）制动的性能进行了仿真研究。通过仿真计算的结果，分析了减压排气门参数、几何压缩比、进气压力等因素对HVVCR制动性能的影响，并对单排气门制动和双排气门制动进行了对比。1.1减压排气门开启时刻的影响HVVCR制动是通过在压缩上止点附近减压排气门增加一段小升程开启的方式实现的，因而减压排气门参数对HVVCR制动影响较大。为了研究减压排气门开启时刻（DecompressionExhaustValveOpenTiming，DEVOT）对HVVCR制动性能的影响，保持减压排气门最大升程（DecompressionExhaustValveMaximumLift，DEVML）不变，改变DEVOT，其升程曲线如图4-1所示。图4-1改变DEVOT的气门升程曲线图4-2为多个转速下，制动功率（BrakePower,BP）随减压排气门开启时刻（DEVOT）变化的曲线。由图中可以看出，在DEVOT相同的情况下，转速越高，BP越大。转速相同时，BP随着开启时刻的推迟呈现出先逐渐增大后迅速减小的趋势，并且每个转速下都有一个最优的DEVOT，使得BP的值最大。而且转速越低，这个最优的时刻越滞后。这是由于转速越高，相同时间内发动机做功的次数越多，BP越大。转速相同时，DEVOT越晚，气体从气缸内排出的时间越短，减压排气过程中排出气体的量减少，在膨胀冲程缸内压力较高，对活塞所做的功增加；但如果DEVOT过早，虽然在膨胀冲程中减少了对活塞所做的功，但由于在压缩过程中缸内气体过早地被排出气缸，缸内气体对活塞所做的负功也减少；因此，每个转速下都有一个最佳的DEVOT，使得整个循环缸内气体对活塞所做的负功的总和最多。另外，转速越低，单位曲轴转角所对应的时间就越长，通过减压排气门排出的空气的量就越多。因此，为了能够在压缩冲程中尽可能消耗曲轴动能的同时在膨胀冲程尽可能地减少对活塞所做的功，减压排气门在高转速时应该较早开启，在低转速时应该较晚开启。图4-2DEVOT对制动功率的影响图4-3为转速2100r/min时，不同DEVOT下的缸内压力曲线。由图中可以看出，减压排气门越晚开启，缸内峰值压力（PeakPressure,PP）越高，且峰值所对应的曲轴转角离压缩上止点越近。这是由于DEVOT越晚，压缩上止点之前释放的缸内高压气体量越少，压缩过程中所能达到的压力越高。图4-3DEVOT对缸内压力的影响1.2减压排气门最大升程的影响为了研究减压排气门最大升程（DEVML）对HVVCR制动性能的影响，保持减压排气门开启时刻不变，改变DEVML，其升程曲线如图4-4所示。图4-4改变DEVML的气门升程曲线图4-5为多个转速下，制动功率（BP）随减压排气门最大升程（DEVML）变化的曲线。由图中可以看出，在DEVML相同的情况下，转速越高，BP越大。转速相同时，BP随着DEVML的增大呈现出先显著增大然后缓慢减小的趋势，并且每个转速下都有一个最优的DEVML，可以使该转速下能够达到的BP最大。而且转速越高，这个最优的DEVML越大。这是由于转速相同时，DEVML越小，减压排气过程中排出气体的量越少，导致膨胀冲程缸内压力较高，对活塞所做的推动功增加；但如果DEVML过大，虽然在膨胀冲程中减少了对活塞所做的功，但由于在压缩过程中缸内气体过早地被排出气缸，缸内气体对活塞所做的负功也减少；因此，每个转速下都有一个最佳的DEVML，使得整个循环缸内气体对活塞所做的负功的总和最多。另外，转速越低，单位曲轴转角所对应的时间就越长，通过减压排气门排出的空气的量就越多；因此，为了能够在压缩冲程中尽可能消耗曲轴动能的同时在膨胀冲程尽可能地减少对活塞所做的功，高转速时应该有较大的减压排气门升程，低转速时应该有较小的减压排气门升程。但是，由于减压排气门在压缩上止点附近开启，当减压排气门升程较大时，需要在活塞顶设置避阀坑，防止活塞运动到压缩上止点附近时与排气门发生干涉。图4-5DEVML对制动功率的影响图4-6为转速2100r/min时，采用不同减压排气门最大升程（DEVML）时得到的缸压曲线。由图中可以看出，DEVML越大，缸内峰值压力（PP）越低，并且峰值所对应的曲轴转角离压缩上止点越远。这是因为DEVML越大，气门流通面积越大，缸内高压气体释放得越快，压缩过程中所能达到的峰值压力越小，峰值所对应的曲轴转角越提前。图4-6减压排气门最大升程对缸内压力的影响1.3减压排气门运行参数的确定及气门运动规律的测量通过上面的仿真结果可以看出，减压排气门运行参数的改变会显著影响HVVCR制动的性能，因此需要选择合适的减压排气门运行参数。参考原机减压排气门的运行参数并结合全可变液压气门系统的控制原理及凸轮型线设计的需要，确定减压排气门的相位为-80°CA处开启，40°CA处关闭。由于减压排气门在压缩上止点附近开启，容易与活塞发生干涉，因此减压排气门最大升程不宜过大，故在0.7mm~1.7mm的范围内对减压排气门的最大升程进行选择。转速2100r/min时不同减压排气门最大升程（DEVML）下的缸内峰值压力（Pp）与制动功率（BP）如表4-1所示。表4-1不同减压排气门最大升程下的缸内峰值压力与制动功率DEVML/mmPp/MPaBP/kW0.71.07210.50.93.28212.01.12.72207.61.32.24198.31.51.99190.91.71.76181.8通过对全可变液压气门系统的强度分析以及液压动力学计算，安全的缸内峰值压力不能超过2MPa。因此，以缸内峰值压力不超过2MPa为前提，同时又尽可能地保证液压可变气门压缩释放制动的制动功率，确定减压排气门最大升程为1.5mm。气门的运行参数确定后，需要对凸轮型线进行设计，并在气门运动规律试验台架上对气门升程进行测量。图4-7到图4-10分别为低转速1200r/min、中等转速1600r/min、中等转速1900r/min及超速转速2100r/min下实测的升程曲线。从图中可以看出，全可变液压气门系统在低转速、中等转速、中等转速以及超速转速均可以实现压缩释放（HVVCR）制动时的气门运动规律。图4-7转速1200r/min时气门升程实测曲线图4-8转速1600r/min时气门升程实测曲线图4-9转速1900r/min时气门升程实测曲线图4-10转速2100r/min时气门升程实测曲线图4-11为标定转速1900r/min下正常工况转换制动工况时实测的连续30个循环的排气门升程曲线。由图中可以看出，全可变液压气门系统只需要一个循环便能完成正常工况到制动工况的转换，因此液压可变气门压缩释放制动具有响应速度快的优点。图4-11转速1900r/min时正常工况转换制动工况的排气门升程实测曲线1.4单排气门制动和双排气门制动对比目前市场上应用的发动机缸内制动大多通过在合适的相位开启一个排气门的方式来实现，例如潍柴的WEVB、皆可博的发动机缸内制动等。而液压可变气门压缩释放（HVVCR）制动则是通过在压缩上止点前将两个排气门都打开，从而实现缸内制动。通过仿真计算，研究了单排气门制动和双排气门制动时对HVVCR制动性能的影响。图4-12和图4-13分别为采用单排气门制动和双排气门制动两种不同方式时，制动功率（BP）和缸内峰值压力（PP）随转速变化的曲线。由图中可以看出，双排气门制动时的BP要略小于单排气门制动，但BP在数值上相差不大；而双排气门制动和单排气门制动的PP却有明显差异，相同转速下双排气门制动的PP只有单排气门制动的50%左右。图4-12单排气门制动和双排气门制动时的BP对比图4-13单排气门制动和双排气门制动时的PP对比图4-14为转速2100r/min时，单排气门制动和双排气门制动的P-V图。由图中可以看出，在进气冲程和排气冲程，单排气门制动和双排气门制动的缸内压力曲线基本重合；在压缩冲程前期，由于减压排气门不打开，故单排气门制动和双排气门制动的缸内压力曲线也基本重合，在压缩冲程后期，减压排气门打开，单排气门制动的气门流通面积是双排气门制动气门流通面积的一半，因此单排气门制动的缸内高压气体释放得慢，缸内压力要明显高于双排气门制动，对活塞所做的负功要多于双排气门制动；在膨胀冲程，因为单排气门制动减压排气过程中排出气体的量少，压缩冲程结束后缸内气体的压力要明显高于双排气门制动，缸内气体对活塞所做的推动功要多于双排气门制动。综合整个制动冲程，单排气门制动和双排气门制动在P-V图上的负功面积大致相同，故制动功率也相差不大。图4-14单排气门制动和双排气门制动P-V图双排气门制动的制动功率与单排气门制动相差不大，而最大缸内压力却明显下降，可以降低液压系统内部高压油的压力和气门组件的负荷，提高柴油机的可靠性。因此液压可变气门压缩释放（HVVCR）制动具有制动时缸内压力低、可靠性高的优点。1.5几何压缩比及进气压力的影响随着柴油机热效率的提高，柴油机的几何压缩比呈现出逐渐增大的趋势。保持柴油机其他参数不变，改变其几何压缩比，研究了几何压缩比对液压可变气门压缩释放制动性能的影响。图4-15为多个转速下，制动功率（BP）随几何压缩比变化的曲线。由图中可以看出，几何压缩比相同时，转速提高，BP的值增大；转速相同时，BP随几何压缩比的提高缓慢增大，并且转速越高，BP的提高越显著。这是因为几何压缩比越大，在压缩冲程的缸内压力越大，缸内气体对活塞所做的负功增加；同时在膨胀冲程的缸内压力降低，返回到活塞上膨胀功减少，故制动功率增大。图4-15几何压缩比对BP的影响图4-16为转速2100r/min时，改变柴油机压缩比得到的缸压曲线。由图中可以看出，压缩比越大，制动过程中的最大缸内压力也越大，但是峰值所对应的曲轴转角基本相同。这是由于几何压缩比增大，缸内气体在压缩冲程中的压缩程度增加，故峰值压力增大。图4-16几何压缩比对缸内压力的影响随着柴油机技术水平的提高，废气涡轮增压技术已经成为在柴油机上普遍应用的一种技术，不仅可以提高燃油与空气的混合程度，增强柴油机的做功能力，而且可以增大柴油机在制动工况时的制动功率，提高柴油机的缸内制动性能。图4-17为多个转速下，制动功率（BP）随进气压力变化的曲线。由图中可以看出，相同转速下，BP随着进气压力的增加显著增大，而且转速越高，增幅越快。这是因为进气压力增大，进气冲程中有更多的新鲜空气进入气缸，在压缩冲程中被压缩的气体量增加，缸内压力增大，缸内气体对活塞所做的负功增多，进而BP增大。转速较高时，涡轮增压器所能达到的进气压力较大，BP较高；转速较低时，涡轮增压器所能达到的进气压力较小，BP较低。图4-17进气压力对制动功率的影响图4-18为转速2100r/min时，改变进气压力得到的P-V图。由图中可以看出，进气冲程中，当进气压力提高时，进气压力线上移，缸内气体对活塞所做的正功增加；在压缩冲程中，随着进气压力的增大，气缸内被压缩的气体量增加，压缩过程中的缸内压力增大，缸内气体对活塞所做的负功增加；在膨胀冲程中，随着进气压力的提高，缸内压力相差不大；在排气冲程中，随着进气压力的增大，排气压力增大，排气过程中缸内气体对活塞所做的负功增加。综合进气、压缩、膨胀、排气四个冲程，随着进气压力的增大，P-V图中的负功面积增大，制动功率提高。因此，可以通过增大进气压力的方法来提高液压可变气门压缩释放制动的制动性能。图4-18不同进气压力下的P-V图1.6小结本章主要分析了减压排气门参数、几何压缩比和进气压力等因素对液压可变气门压缩释放（HVVCR）制动性能的影响，并对单排气门制动和双排气门制动进行了对比。主要内容如下：（1）研究了减压排气门开启时刻（DEVOT）对HVVCR制动性能的影响。转速相同时，制动功率随着DEVOT的推迟呈现出先逐渐增大后迅速减小的趋势，并且每个转速下都有一个最优的DEVOT，使得该转速下能够达到的制动功率最大；而且转速越低，这个最优的DEVOT越滞后。（2）研究了减压排气门最大升程（DEVML）对HVVCR制动性能的影响。转速相同时，制动功率随着DEVML的增大呈现出先显著增大然后缓慢减小的趋势，并且每个转速下都有一个最优的DEVML，可以使该转速下能够达到的制动功率最大。而且转速越高，这个最优的DEVML越大。（3）确定了减压排气门的运行参数，并实测