（机械电子工程专业论文）高转速发动机电液可变气门实验系统设计与实验研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 随着能源危机和环境问题的日趋严重，世界各国对汽车发动机的动力及排 放要求标准均越来越高，节能减排、高输出扭矩及高输出功率已经成为汽车发 动机的发展目标。可变气门技术可以通过改变气门升程、开启相位和开启持续 期实现对发动机工作特性的控制。实践表明，可变气门技术已经成为一项切实 可行并得到广泛应用的汽车节能技术。 本文主要介绍了对高转速( 最大转速4 0 0 0 r m i n ) 汽车发动机可变气门控制 技术的研究，针对电液式可变气门控制原理，提出了基于电液控制技术的可变 气门实验系统方案，并对实验系统进行设计。通过对试验系统的动静态工作特 性的分析，得到系统具有实验压力范围变化大( 最高1 2 m p a ) 、瞬时释放流量 大( 4 5 l m i n 左右) 等特点。在此基础上，为高转速发动机电液可变气门实验 系统设计高压大流量源、并对系统关键部件进行设计和选型。最后对电液可变 气门系统的控制策略进行了实验研究。 论文共有六章 第一章为绪论，介绍了可变气门技术背景，以及可变气门技术的发展现状。 阐明了课题的研究意义和论文的主要内容。 第二章提出高转速发动机电液可变气门控制方案，研究对比了电液可变气 门控制系统的特点，对电液可变气门实验系统的原理进行设计，并通过建模分 析试验系统的动静态工作特性，以此为基础设计系统的参数指标； 第三章设计电液可变气门实验系统的高压大流量源和实验测试系统，并对 主要系统元件进行设计和选型； 第四章对电液可变气门系统的负载特性进行分析，设计高速液压缸，对高 速液压缸的受力、强度、压杆稳定、密封及效率等进行分析研究；为系统液压 实验设计接口阀块； 第五章搭建实验平台，选择高频电液控制阀和快速响应比例放大器，对可 变气门系统进行试验研究，进行电液可变气门系统的典型控制实验，研究气门 升程、正时和开启持续期等工作特性，验证系统的预期设计目标； 第六章对课题研究结论进行总结，将研究中的不足进行详细分析，找到研 究不足的原因，对下一步研究工作提出展望和预期。 关键词：可变气门系统、升程、开启相位、开启持续期、电液控制、实验系统 一i 一 浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee n e r g yc r i s i sa n dt h ew o r s e n i n ge n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，a u t o m o b i l e e n g i n ep o w e ra n de m i s s i o n ss t a n d a r d sa r eg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e rd e m a n di n m a n yc o u n t r i e so ft h ew o r l d e n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n ，h i e l l o u t p u t t o r q u ea n dp o w e rh a v eb e c o m et h ed e v e l o p i n gg o a lo fa u t oe n g i n e p r a c t i c eh a s p r o v e dt h a tv a r i a b l ev a l v et e c h n o l o g y i sa ne n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g yt h a th a s b e c o m eap r a c t i c a la n dw i d e l ya p p l i c a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e dah i g h - s p e e d ( m a x i m u ms p e e d4 0 0 0r m i n ) c a l e n g i n ev a r i a b l ev a l v et e c h n o l o g yb a s e do n e l e c t r o - h y d r a u l i cs y s t e m t h i sp a p e rd e s c r i b e st h er e s e a r c ho fh i g h s p e e d ( m a x i m u ms p e e d4 0 0 0r m i n ) c a re n g i n ev a r i a b l ev a l v et i m i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y ，f o re l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o l l e d v a r i a b l e - v a l v ep r i n c i p l e ，p r o p o s i n gt h ev a r i a b l ev a l v et i m i n gp r o g r a m m eb a s e do n t h ee l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma n dd e s i g n i n gt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs t a t i ca n dd y n a m i cw o r kc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m a n a l y s i s ，s y s t e mh a sl a r g e s c a l ep r e s s u r ec h a n g e si nt h es c o p eo ft h ee x p e r i m e n t ( m a x i m u m12m p a ) ，t h ei n s t a n t a n e o u sf l o wo ft h er e l e a s eo fl a r g e ( 4 5l m i n o rs o ) a n ds oo n l a u n c h i n gh i g h - s p e e de l e c t r o h y d r a u l i cv a r i a b l ev a l v et i m i n gs y s t e m ， d e s i g n i n gl a r g eh i g h p r e s s u r ef l o ws o u r c e sa n ds e l e c t i n gk e yc o m p o n e n t s f i n a l l y , t h ee l e c t r o h y d r a u l i cv a r i a b l ev a l v et i m i n gs y s t e mw e r es t u d i e d t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h i sp a p e n i n c h a p t e r1 ，i n t r o d u c i n g t h ev a r i a b l e v a l v e t e c h n o l o g yb a c k g r o u n d ， v a r i a b l e v a l v et e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ev a r i a b l e - v a l v et e c h n o l o g y e x p o u n d e do ni s s u e so fs i g n i f i c a n c ea n d t h em a i nc o n t e n to f p a p e r s i nc h a p e r2 ，l a u n c h i n gah i g h s p e e de l e c t r o - h y d r a u l i cv a r i a b l ev a l v et i m i n g c o n t r o lp r o g r a m m e ，c o m p a r a t i v es t u d yo ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo f v a r i a b l e v a l v et i m i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h ed e s i g no fe l e c t r o h y d r a u l i cv a f f a b l ev a l v e t i m i n gs y s t e mo ft h ep r i n c i p l e ，t h r o u g hm o d e l i n ga n a l y s i so ft h et e s ts y s t e mo fs t a t i c a n dd y n a m i cw o r k ，a n dd e s i g n i n gt h es y s t e m sp a r a m e t e r sb a s e do nt h ea n a l y s i so f t h es y s t e m ； i nc h a p t e r3 ，d e s i g no ft h el a r g ef l o w ( o v e r4 2 l r a i n ) a n dh i g h p r e s s u r e ( m a x 12 m p a ) s o u r c e sa n dt h et e s t i n gs y s t e mo ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cv a r i a b l e - v a l v e t i m i n ge x p e r i m e n ts y s t e m ；d e s i g na n ds e l e c t i o no ft h em a j o rs y s t e mc o m p o n e n t s ； i nc h a p t e r4 ，t h ea n a l y s i sf o rt h el o a do ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cv a r i a b l ev a l v e t i m i n gs y s t e m ，d e s i g no fh i g h s p e e dh y d r a u l i cc y l i n d e r s ，t h ef o r c ea n a l y s i so nt h e h y d r a u l i cc y l i n d e r s ，a n dt h es t r e n g t h ，s t a b i l i t y , s e a l e da n de f f i c i e n c ya n a l y s i s ；d e s i g n i n t e r f a c ev a l v eb l o c kf o rt h ee x p e r i m e n th y d r a u l i cs y s t e m ； i n c h a p t e r5 ，s t r u c t u r e se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，s e l e c th i 曲一f r e q u e n c y l l 浙江大学硕上学位论文 e l e c t r 0 h y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e sa n dr a p i dr e s p o n s eo fa m p l i f i e r s ，t y p i c a le x p e r i m e n t s t u d i e so nt h ev a r i a b l ev a l v et i m i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gt h ev a l v el i f t ，t h eo p e n i n g t i m ea n dt h e o p e n n i n gd u r a t i o n ，a n d o t h e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o r k ，t h e v e r i f i c a t i o ns y s t e mi se x p e c t e dd e s i g ng o a l s ； i nc h a p t e r6 ，t h ea u t h o rg i v e st h em a i nc o n c l u s i o n so ft h er e s e a r c h ，a n df i n d i n1 e s st h a nad e t a i l e da n a l y s i so ft h er e a s o n sf o rt h el a c ko fr e s e a r c ht of i n dt h en e x t s t e po nt h ew o r kp r o s p e c t sa n de x p e c t e d k e y w o r d s ：v a r i a b l ev a l v es y s t e m ，l i f t ，o p e n i n gp h a s e ，o p e n i n g d u r a t i o n ， e l e c t r a l h y d r a u l i cc o n t r o l ，e x p e r i m e n ts y s t e m - i i i - - 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得逝姿筮堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：1 、卜 、签字日期：& 叩宅年月c ) 皮日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：了、1 、门 签字日期0 州飞年乡月2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师虢诼辎红 签字日期：d 聿衫月7 阳 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 1 1 可变气门技术背景 第1 章绪论 汽车发动机要适应负荷和转速变化的运行条件，气门正时对充气系数、热 效率和机械效率都有影响。传统意义上，可变气门正时技术包括可变气门升程、 开启相位、开启持续期三个特性参数，其主要作用是在宽广的运行条件下改善 充气系数、提高标定功率、怠速稳定性以及降低排放，从而使发动机的动力性 和燃油经济性得到协调统一。如提早开启和推迟关闭进气门，并提高气门升程 可以提高发动机的标定功率；提早关闭进气门，可以提高低速转矩；推迟开启 进气门可以改善发动机的启动性能并提高怠速稳定性等 传统的发动机中，由于这三大特性参数在运行过程中不能改变，所以只能 根据对性能要求的不同侧重面进行折中。因此气门正时只能设计成对某个一个 转速或狭小的转速范围有利，低于这个转速或转速范围要求气门推迟关闭、提 前开启；反之，则要求提前开启、推迟关闭【。 在可变气门系统中，顾名思义，可以对气门的工作特性进行可变控制。如 可变气门操纵( v v a ) 或仅能改变气门正时的可变气门正时系统( v v t ) 。 按照所能实现的功能的不同，可变气门技术可以分为一下两类【2 1 ：可变气门 正时t 3 , 4 , 5 1 年1 可变气门升程i6 1 。 1 1 1 可变气门正时 可变气门正时即气门开启与关闭时刻可变，根据气门开启持续期的变化情 况可以分为两类： a 可变气门相位( v a r i a b l ep h a s e ，v p ) ，即在气门开启持续期和升程曲线不 变的前提下，同时改变气门的开启时刻和关闭时刻，如图图1 1 所示。 驰 束 r 扩 曲轴转角 图1 1 可变气门相位 浙江大学硕士学位论文 b 可变气门相位和持续期( v a r i a b l ee v e n tt i m i n g ，v e t ) ，如图1 2 所示， 即在改变气门正时的同时也改变了气门开启持续期1 7 1 。 烈 求 p 圹 曲轴转角 图1 2 可变气门相位与持续期 1 1 2 可变气门升程 此机构主要是改变了气门开启的最大升程，按照气门正时和持续期的变化 情况又分为2 类： a 可变气门升程和正时v l t ( v a r i a b l el i f ta n dt i m i n g ) 。即在改变升程 与开启持续期，其气门升程曲线如图1 - 3 所示【引。 驰 求 r 1 二一 醇 曲轴转角 图1 - 3 可变气门升程与正时 b 气门升程单独可变即能在保证气门的正时和开启持续期不变的条件下， 单独改变气门的最大升程，其升程曲线如图1 4 所示。目前只有l o t u s 公司研 制的电液驱动的气门机构能实现这种改变方式| 9 】a 一2 一 浙江大学硕士学位论文 裂 求 r ，_ _ _ - 好。 图1 4 单独可变气门升程 1 2 可变气门技术的国内外研究现状及趋势 曲轴转角 可变气门驱动系统按驱动方式不同可以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。随着微电脑技术的发展，无凸轮驱动可变气门系统成为最近 2 0 多年来研究的新领域，由于涉及液压、电磁、电子等多个领域，结构较为复 杂，目前多用于大型低速船用发动机l l 0 1 。 1 2 1 凸轮驱动可变气门系统 这类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。由于我国汽车工业起步较晚，目前汽车 发动机技术主要还是引进国外，而国外对凸轮驱动的可变气门系统有进行较多 的研究。 1 、变凸轮机构 变凸轮机构包括凸轮轴调相机构，三维凸轮机构，多凸轮机构几种。 1 ) 凸轮轴调相机构 这种机构通常都是通过正时带轮与凸轮轴内轴之间设置环形柱塞，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。a l f a r o m e m o 公司、 n i s s a n 公司、a t s u g i 公司和m e r c e d e r s b e n z 公司的可变气门正时系统所采用的 凸轮轴调相机构，其原理大致相同，都是通过上述原理【1 1 , 1 2 1 。目前，宝马公司已经 研发了v a n o s 系统和v a l v e t r o n i c 系统。v a n o s 是宝马于1 9 9 2 年首次应用在宝马 一3 一 * 江 ml 学论r 5 系列m 5 0 发动机上的一个机械和液力相结合的凸轮轴调相机构。其原理图 如图1 - 5 所示i 】充体2 前端板 j 扭簧 4 铺j l ：弹簧 5 蠹l i + 弹簧定协扳 6 镄l l 钠 7 转fr “端板 9 州片1 0 弹簧 i l a 压i 睦 1 2 液压脏b 图】- 5 删w 公司v a n o s 机构原理凹( 全可变气门机构闭环控制策略的实验研究 转子7 通过螺栓与凸轮轴固定在起，壳体1 通过链条与曲轴连接。停机时， 锁止销6 以无压力的方式嵌入到凹臼锁止槽中，保证每次启动时凸轮轴随壳体 转动，使凸轮轴有确定的仞始相位。调制苷位时，润滑油首先进入凹口锁止槽中， 将锁止销压回并释放转子。供油油路与液压腔1 1 相通，向该腔中供油，回油油路 与液压腔1 2 相通，向外泻油，转子叶片9 在工e 力差的作用f 带动凸轮轴相对于壳 体】转动，从而改变相位。反向调节时，供油与泄油与上述相反。由电磁阀控制 供、泄油方向，可在6 0 。曲轴转角范削内调节凸轮轴相位。这种叶片式的结构 是目f i j - 国外车用发动机上应用虽广泛的可变气门机构，例如t o y o t a 的v v ti i ” 、 h o n d a 的lv r e c ”o ”、f o r d 的v c t 、d e p h i 的v c p 等都采用丁这种可变相位 结构。并且2 0 0 3 年后d e n s o 、t o y o t a 等公司对这种结构进行了大量的研究 1 1 9 2 0 ，2 0 2 1 1 。 昌_，一 一 l t d ir 艮r 醛 浙江太学硕十# 论文 图1 6v a l v e t r o n i c 系统原理幽 v a l v e t r o n i c 系统既可以改变气门正时，也可以改变气门升程，且采用电 子控制方式。图i 6 为v a i v e t r o n i c 系统原理罔。如罔所示，它保留了传统的 n 轮轴，增加丁一根偏心轴、滚轴及项丰机构，由电控单元根据油门信号控制 步进电机，再由步进电机改变偏心凸轮的偏移量，经中叫描臂接的改变进气 门动作。 另外一种典型的凸轮轴调相机构是通过谐波传动实现。图l 一7 为谐波传动 调相机构的原理示意圈。它主要是由刚轮、柔轮和波发生器三个构件组成。其 中，柔轮是易变形的薄壁外齿圈，刚轮是刚性的内齿轮，波发生器是由椭圆盘 和柔性轴承组成。三个构件中任何个都可作为主动件其余两个一个为固定 件，一个为从动件。它通过使波发生器转动，使柔轮及凸轮轴相对于刚轮及正 时皮带轮转过一定角度，而达到调相日的。目前，清华大学进行过这种凸轮轴 调相机构的研究“。 一5 浙江大学硕士学位论文 刚聿仑柔轮 被发生器 啮合 图1 7 谐波传动调相机构原理图【1 2 】 凸轮轴调相这种机构的优点： i ) 保留了原有系统的凸轮轴，只是在原有装置上进行改动，机构较为简单； i i ) 由于在一定范围内实现了气门正时、气门升程可调，因此在一定程度 上改善了发动机的性能。 缺点是： i ) 无法实现气门升程、气门正时的无级可调； i i ) 发动机机构复杂。 2 ) 多维凸轮机构 图1 - 8f i a t 三维凸轮机构 这种机构通常凸轮轮廓线的母线与凸轮轴轴线不平行，当凸轮轴的轴向移 _ _ 6 。 浙江人学硕士学位论文 动时凸轮的不同部位与可倾斜的导板接触，从而改变气门升程和正时。目前， f i a t 公司曾做过这方面的研究，并在f e r r a r iv 8 发动机上进行过试验。图卜8 为f i a t 公司的带三维凸轮可变气门机构1 2 4 | 。 该系统的优点： 设计者能在很大程度上控制气门的开启及回位特性，落座速度可以控制。 缺点： 气门正时和升程变化范围受到限制。 3 ) 多凸轮机构 这种机构在传统的凸轮轴相邻布置了两个或者更多的凸轮，任何时刻只有 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不同 的凸轮配合，从而达到改变气门正时和升程的目的。 目前，日本的h o n d a 公司已对该机构进行过研发并将该机构应用在汽车发 动机上【2 5 1 。图1 - 9 h o n d a 公司多凸轮可变气门正时机构原理图。 高速 图1 - 9h o n d a 公司多i 】轮可变气门正时机构原理图 除了原有控制两个气门的一对凸轮( 主凸轮a 和次凸轮b ) 和一对摇臂( 主 摇臂a 和次摇臂b ) 外，还增加了一个较高的中间凸轮c 和相应的摇臂( 中间 摇臂c ) ，三根摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞。 当发动机低速时，小活塞在原位置上，三根摇臂分离，主凸轮a 和次凸轮 b 分别推动主摇臂a 和次摇臂b ，控制两个进气门的开闭，气门升量较少，情 形好像普通的发动机。虽然中间凸轮c 也推动中间摇臂c ，但由于摇臂之问已 分离，其它两根摇臂不受它的控制，所以不会影响气门的开闭状态。发动机达 到某一个设定的高转速( 3 5 0 0 转分) 时，电脑即会指令电磁阀启动液压系统， 推动摇臂内的小活塞，使三根a b c 摇臂锁成一体，一起由中间凸轮c 驱动，由 于中间凸轮比其它凸轮都高，升程大，所以进气门开启时间延长，升程也增大 了。当发动机转速降低到某一个设定的低转速时，摇臂内的液压也随之降低， 活塞在回位弹簧作熠f 退回原位，三根摇臂分开。 这种结构优点是： 一7 一 浙江大学硕七学位论文 限； i ) 实现相对简单，能在一定范围内改善起动性能； i i ) 提高低速扭矩和怠速稳定性，从而一定程度上降低排放提高燃油效率。 但其缺点是： i ) 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 i i ) 正时的改变不连续； i i i ) 当凸轮转换时，容易产生较大的冲击。 2 、可变摇臂机构 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ h i - - - 滑动改变摇臂比 图1 1 0 摇臂比可变气门驱动机构 这种机构通过改变摇臂绞接点的位置改变摇臂比，它仅可改变气门的丁 程， 而不能改变气门正时和开启持续期。图1 1 0 为一种通过改变摇臂比而改变气 门升程的可变气门驱动结构示意图【2 6 1 。此机构的优点是结构简单，缺点是气门 的 正时未得到优化。 3 、可变液压顶杆机构 凸轮 一一 图1 11h y u n d a i s i m e n s 电控可变气门原理图 这种系统是通过改变液琏项杆的容积来改变气门的正时或行程，有机械控 一8 浙江大学硕士学位论文 制也有电子控制【2 7 1 。 目前，h y u n d a i s i e m e n s 公司曾对这种机构进行过研发，并将其应用在h y u d a i 2 o ld o h c 发动机上【2 8 】。图1 1 l 为h 1 f 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。这是一种电子控制的可变气门系统，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的驱动器以及一个由计算机控制的大流量 的电磁阀。 该系统的优点在于： 气门的正时和升程可以在一定范围内改变，故可以在一定程度上优化发动机 的性能。 缺点： i ) 采用液压结构，使发动机结构复杂； i i ) 保留了凸轮，故调节范围受到凸轮型线的限制，不能做到无级调速； i i i ) 控制系统复杂。 4 、v v h 驱动系统 v v h 系统有两个凸轮轴构成，它们以等速反向旋转，两根凸轮轴通过从动件 和传动件作用到进气门上，进气门的实际位移就等于两个凸轮有效位移的叠加。 用作开启凸轮的第一凸轮轴由曲轴驱动，用作闭合凸轮的第二凸轮轴由开启凸轮 通过一个四齿轮机构来驱动。这个凸轮驱动机构可以改变两根凸轮轴的相对位 置，使气门的升程和持续期在零到最大值之间变化。目前，m a t a 公司曾对该机构 进行过研发，且以研发出相应的产品【2 9 】。图l 一1 2 为v v h 气门驱动机构模型。 开启凸 图1 1 2v v h 气门驱动机构模型 该系统的优点为： i ) 改善了发动机特别是低速范围内的性能： i i ) 提高了发动机的燃烧效率，在一定范围内控制气门的升程。 缺点： i ) 机构复杂； 一9 一 浙江大学硕十学位论文 i i ) 价格较高。 1 2 2 无凸轮轴驱动的变气门系统 这类可变气门系统取消了凸轮。由电磁铁驱动或是液压驱动。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，控制气门的开启和关闭。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【3 0 】。 l 、电磁气门驱动系统f 3 1 1 图1 1 3 电磁气门驱动原理图 这种系统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 气门的开肩始点和开启持续期。气门动作调节灵活，响应迅速，调节能力强。 如图1 - 1 3 所示【3 2 1 ，它主要由两个相同的电磁铁、弹簧和气门组成。初始 时刻发动机不工作时，线圈l ，2 均不通电，气门半开半闭。当气门需要开启时， 线圈2 通电，此时电磁力克服弹簧力打开气门。当气门完全打开时，再给线圈 2 通小电流以维持打开状态。当需关闭气门时，线圈2 断电，气门在弹簧力作 用下向上运动。在适当时刻给线圈l 通电，气门在电磁力作用下继续向上直到 关闭。 这种系统的优点【3 3 , 3 4 , 3 5 , 3 6 】是： i ) 取消了凸轮轴，气门的开启和关闭定时可以柔性调节； i i ) 气门的开启和关闭动作较迅速； l i i ) 电磁气门驱动控制方便，机械结构简单，造价较低。 缺点： 1 ) 气门落座时有较大的冲击和噪声，日磨损较快。 一10 浙江大学硕十学位论文 i i ) 线圈发热严重，为了防1 卜线圈过热，需要另外的冷却和润滑。 i i i ) 能耗大单靠蓄电池供电远远不够，电磁响应速度不高。 2 、电机直接控制凸轮气门驱动系统 这种系统由电动机直接驱动凸轮轴，通过增加或减少电机的角速度来改变 气门的开启和关闭的动作时间，在气门开启或关闭点附近一定范围内的摆动来 实现部分升程运行。目前，国内还没有对这种驱动系统进行研究，国外g m 公 司有做相应的研究。图1 1 4 为g m 公司研发的以带旋转凸轮的的电动机驱动 的可变气门系统的示意刨孙j 。如图所示，它由一套永磁无刷直流电机，通过控 制器输入信号改变电机转动速度，由电机驱动凸轮轴转动，从而改变气门动作 的时间。 电动机控制器 气门 图1 1 4g m 公司电机驱动凸轮轴气门机构 该系统的优点是： i ) 转速调节的范围较大。 i i ) 在定时和部分升程控制方面具1 1 ：丁较高的灵活性。 缺点： i ) 电机与发动机协同工作较为困难。 i i ) 由于控制过程中需要改变电机的转速和转向，控制系统较为复杂。 i i i ) 在高转速f ，消耗的电功率太大。 i v ) 气门落座速度太大。 v ) 不能对升程进行无级调节。 v i ) 造价较高。 3 、电液气门驱动系统3 9 】 1 ) 电液驱动活塞无弹簧气门驱动系统 该系统取消了凸轮轴及叫位弹簧，利用一种压缩性较小流体的弹性特征对气 门的丌启和闭合起加速和减速的作用，对气门定时、气门升程和气门运动速度提 供了连续的可变控制。该气门驱动系统国内还没有进行研究，国外f o r d 公司和 一11 浙江大学硕士学位论文 b o s c h l 4 0 , 4 1 有对这种气门驱动系统进行研究。图1 1 5 为f o r d 公司的电子摔制无弹 簧双作用液压活塞可变气门驱动系统的原理图【4 2 , 4 3 , 4 4 】。如图所示，气门顶部装有 一个双作用的液压活塞，活塞上部分别和高、低压油源相通，而下腔则只通高压 油源，且活塞上部面积大于下部面积。当气门需要开启时，高压电磁阀打开；而 气l 、j 需要关闭时，则只需打开低压电磁阀。 往复高压油 _ 卜一 图1 1 5 福特公司无凸轮轴电液驱动气门机构 2 ) 电液驱动活塞有弹簧气门驱动系统 源 图1 1 6l u c a s 公司单弹簧单系统 该系统也取消了凸轮轴，原理基奉和无弹簧气门驱动系统柏一只是同化时 一1 2 浙江大学硕十学位论文 需要弹簧。目前，这种系统国内还未有过研究，国外的l u c a s 公司、d a i m l e r b e n z 公司【4 5 j 以及南卡莱罗纳大学有进行这方面的研究【4 6 1 。图1 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示意刚47 | 。如图所示，该 系统使用一个常闭型和一个常开型两位两通电磁阀协同控制气门的开启和关 闭，通过复位弹簧回位。气门的开启和关闭点以及气门的开启速度和气门升程 均有电控单元( e c u ) 控制，从而能根据发动机转速和负荷等信息优化发动机的 性能。 图1 1 7d a i m l e r - b e n z 电液驱动活塞双弹簧系统 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，但只使用 了一个两位三通电磁阀控制气门的开启和关闭1 4 8 1 。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1 1 7 为d a i m l e r - - b e n z 公司电液驱动活塞双弹簧系统原理图。如图所示， 其原理是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，计算机将由传感器反馈控制信几精确实现气门定时。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。因此能耗很低， 而且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。 图1 1 8 为南卡莱罗纳大学的电液驱动无凸轮系统的装配示意图。 一13 浙江大学硕士学位论文 伺厦问 控麓杆压电墁 门 图1 1 8 南卡莱罗纳大学电液驱动无凸轮系统 目前国内- f f 进行电液气门驱动系统研究的彳：武汉理工大学【4 9 , 5 0 和浙江人学 机械电子控制j 二程研究所1 5 。其- ，武汉理工大学建立中压共轨柴油机电控i n l f 变 气门系统1 5 2 , 5 3 j ，对变气门系统特性进行了仿真分析1 5 4 j 并开发了基于高低压驱动 5 5 1 的电磁阀驱动器嗍对系统进行了试验的研究 5 0 , 5 7 , 5 8 】。但需要指出的，武汉理 工大学的中压共轨系统按1 5 0 0 r m i n 转速发动机设计的，其动态响应较低目前还 只是实验室研究阶段无法真正用于汽车发动机；该中压共轨系统中的电磁阀初 始阶段采用贵州红林机械厂的开发的h s v - 3 1 0 3 c 2 型的高速开关阀，但通过试 验发现其流量无法满足设计要求，后通过该电磁阀作为先导阀驱动二级滑阀方 式来增加流量，但整个电控可变气门系统的动态响应速度变慢，最终开发额定压 力1 0 m p a 流晕5 0 l m i n 的两位三通高速大流量双自由内锥阀 5 9 , 6 0 】，并对其性能进 行了测试l6 。j 。该阀设计时未从能耗角度考虑液动力等一些负载力因素设计电磁 阀，也未对液动力进行补偿。在12 v 驱动电压下具有较大开启延时，无法满足高 速汽车发动机的要求。另外其系统t ，气门驱动机构也未做缓冲处理，驱动电路未 考虑d c d c 升压模块研制，未对整个系统能耗进行分析，因此目前只能停留在 实验窒研究阶段还无法直接应用于汽车发动机。 电液变气fj 系统的优点在于： i ) 采用无凸轮轴的驱动方式，可以对气门的开启时刻、气门升程、开启持 续时问，均可进行柔性调节。 i i ) 可以提高燃油的经济性、获得商的转矩和功率输 l = l 、改善怠速稳定性和 降低废气排放。 i i i ) 不仅可以调节气门正时，气门升程也可调节。 i v ) 价格相对较低。 一1 4 浙江大学硕士学位论文 缺点是： i ) 响应速度不高，气门落座冲击大。 i i ) 能耗过大，较为复杂。 4 、电气气门驱动系统 目前，国内尚无对该驱动系统进行研究，而国外b m w 的一级方程式赛车 上每缸4 气门的3 o l 发动机就是用该驱动方式1 6 2 。 图1 1 9 为电气气门驱动装置示意图。如图所示，它是一个对称的装置， 上下两部分完全相同，都有高压室、低压室、气阀、活塞阀、永磁铁以及锁紧 线圈组成，装置中间有一圈与低压室相通的气口。气门的开启和关闭是由电磁 阀控制活塞上、下空腔内的气体实现的。据称，该气门驱动方式在1 5 0 0 r m i n 时仃效燃油消耗率可以降低4 4 ，动力性能不便，n o x 排放减少6 0 ，h c 和 c o 排放增加，燃烧稳定性变差。 图1 1 9 电气气门驱动结构示意图 该气门驱动机构的优点是： i ) 气门驱动的响应速度较电液方式高。 i i ) 气门的升程、正时均可进行调节。 i i i ) 提高燃油效率，降低污染物排放。 缺点是： i ) 降低燃烧稳定性。 i i ) 气fj 落座冲击大，机构复杂。 i i i ) 能耗大，响应速度不快。 这儿种通过以上的介绍可知，所f j 可变气门系统，只要保留r 凸轮，气门 一15 浙江大学硕上学位论文 的动作特性都毫无例外的受到了凸轮型线的限制。耍达到气门正时、气门升程、 气门开肩持续期以及气门动作速度在各种转速和负荷条件一卜均可以进行柔性调 节，就有必要取消凸轮轴，从而使气门的动作和发动机脱开同定的联接关系， 而不再受凸轮型线的限制。如果去掉了凸轮，其系统就可以完全由电子控制单 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，并且还可 以连一系列从动件( 齿轮机构、摇臂、顶杆等) 也可以去掉，这样机构的结构 可以大大简化，节约了大量空问，也减小了驱动凸轮机构的能耗。 1 3 本课题的研究任务及意义 汽车工业推动世界经济的发展、给人们生活带来便利的同时，也引发了世 界范围的能源危机和环境问题。主要原因在于汽车发动机的工作性能不理想， 传统发动机的气门驱动机构，其配气相位一般基于某一狭小工况范围发动机性 能的局部优化而确定，在工作过程中固定不变，这是一种折中的选择，且气门 运动规律完全由凸轮型线决定1 6 引。这种气门机构难于满足发动机动力性、经济 型和环保性能不断提高的要求，尤其是对于车用发动机，由于其工作范围非常 宽，要求配气相位可变，甚至气门升程可调。多年的研究表明，采用可变气门 技术优化发动机性能具有潜力1 4 9 ) ，可以减少7 1 0 燃油消耗，最多可以达到 2 0 6 4 ，6 5 ，6 6 。 1 3 1 课题的研究意义 本课题来源于浙江省自然科学基金重点、重大项目基于高速电液阀的 发动机电液变气门控制系统研究项目。项目研发的电液可变气门系统原理图如 下图所示： 图1 - 2 0 电液可变气门构成原理 系统工作时，控制器从发动机控制器中采集发动机的转速、相位等相关信 号，从而按事先存储的试验数据得到气门的运动规律，给高速电液歼关阀发出 控制信号，控制高速液压缸按预期规律运动，由于发动机气门与高速液压缸联 结在一起，从而最终得到相应得气门运动规律。每个进、排气门均有如图一套 控制系统，实现从门正时、升程的完全控制。 项目的研究方案主要包括以下三部分： ( 1 ) 计算机仿真 一16 浙江大学硕十学位论文 要求对高频高速电液控制阀建立模型并仿真；对小型高速液压缸的高速缓 冲机理进行仿真研究；对高频响电液可变气门控制系统进行仿真研究。通过对 电液控制系统的元件、系统及控制策略进行仿真分析，完成系统参数的设计和 优化。 ( 2 ) 样机研制 基于仿真结果，完成高频响电液可变气门控制系统的设计。 ( 3 ) 实验室研究 完成样机研制后，建立包含高频电子放大器、高频电机械转换器、高速电 液控制阀及小型高速液压缸的实验平台，在此平台上对电液可变气门控制系统 进行性能测试，分析其位移的响应特性。 1 3 2 论文的主要内容 本课题作为基于高速电液阀的发动机电液变气门控制系统研究项目中的一 部分，课题主要任务是根据仿真结果，建立高频电液控制可变气门系统的试验 台架，通过实验研究验证系统模型，最终达到预期的设计目标，获得相应的系 统控制策略和参数。 论文的主要内容如下： 1 ) 重点研究可变气门技术的研究现状和发展趋势，对比各种可变气门驱动 方案的优缺点，研究电液可变气门控制系统的特点； 2 ) 提出高转速发动机电液可变气门控制方案，设计电液可变气门实验系统 的原理，通过建模分析试验系统的动静态工作特性，以此为基础设计系统参数 指标；设计电液可变气门实验系统的高压大流量源，并对主要系统元件进行设 计和选型； 3 ) 分析试验系统的负载特性，设计高速液压缸及系统液压接口阀块；设计 实验台架的试验测试系统，分析测试原理，及对主要检测元件进行选型； 4 ) 搭建实验平台，选择高频电液控制阀和驱动器，进行系统试验研究，进 行电液可变气门系统的典型控制实验，研究气门升程、正时和开启持续期等工 作特性，验证系统的预期设计目标； 5 ) 对课题研究及论文中的不足进行详细分析，研究产生不足的原因，对下 一步研究工作提出展望和预期。 一17 浙江大学硕士学位论文 第2 章高转速发动机电液可变气门实验系统设计 在前一章绪论中，文章介绍了可变气门技术及其发展现状，比较了多种凸 轮式和非凸轮式可变气门驱动机构方案，分析了各自的优势和劣势。本论文提 出的是一种新型电液驱动可变气门系统，是针对传动方式的缺点及电液传动的 优点，在此基础上设计而成。接下来要对系统方案进行分析，以此为基础进行 实验台的原理和实验方法的设计。 2 1 高转速发动机电液可变气门控制方案研究 2 1 1 电液可变气门驱动方案 电液式可变气门系统的研究在国内外均处往起步阶段，虽然技术还未得到 实践应用得检验，但由于电液系统其独特的结构、控制及响应特点，在工作特 性上，相对于其他可变气门的驱动方案凸显了较大的优势。 1 与传统发动机相比，采用无凸轮电液