详情

原文传递新型电液全可变气门驱动系统关键技术研究

论文题名：	新型电液全可变气门驱动系统关键技术研究
关键词：	汽车发动机;全可变气门驱动系统;设计理念;运动控制;节能降耗
摘要：	迫于环境恶化的压力，发动机动力性、经济性及排放性要求日益严格。由传统内燃机衍生出的空气混合动力能够实现道路用车辆的再生制动，有效回收刹车能量，从而达到降低能耗的目的;同时，再生能量的再利用减少传统内燃机模式运行的时间，有效地降低了排放。然而，空气混合动力的换气过程及各个运行模式间的切换仅通过传统凸轮驱动的配气机构是不能实现的;而全可变气门驱动系统可实现配气相位、开启持续期和气门升程的连续可变，能够满足空气混合动力换气过程的要求及实现对不同运行模式的切换。因此，全可变气门驱动系统的开发具有重要的现实意义。　　电液式全可变气门驱动系统可实现对气门运动规律的柔性调节，具有很大的实用价值。但其发展和应用有较大阻力，其困难在于:1）由于电液式全可变气门驱动系统中普遍使用电磁换向阀控制流体方向，因此，系统性能对该电磁阀性能的依赖性较大;电磁换向阀的响应速度限制了系统在高速发动机上的应用范围;2）气门落座冲击力较大，减小了气门及相关部件的使用寿命;3）驱动系统高能耗;4)由于气门背压、系统泄露、液压油属性变化所导致气门开启延迟、气门运动规律失调，不能满足气门运动规律的精确及稳健控制要求。基于此，本论文设计开发了一种电液全可变气门驱动系统（Fully Flexible Electro-hydraulic Variable ValveActuation System，简称FEVVA），致力于解决系统的几个关键问题:1）设计开发与发动机同步运行的流体控制旋转阀，有效避免对电磁换向阀的依赖性，拓展FEVVA系统在高速发动机上的应用范围;2）基于可变节流面积的缓冲机理，设计气门落座缓冲结构，缓冲气门落座速度，减小气门落座冲击力;3）以减小系统能耗为目标，采用合理的优化方法，优化FEVVA系统参数，以达到降低系统能耗的目的;4）研究系统泄露、液压油属性变化及气门背压等扰动因素对气门运动规律的影响，探索驱动系统气门运动规律的可控性，提出FEVVA系统正时及升程控制策略，从而保证气门运动规律的精确性和稳健性。　　论文主要研究结果和重要结论如下: 　　(1)通过试验研究了单罐与双罐压缩制动策略的能量回收效能，结果表明，双罐压缩制动策略的能量回收效能高于单罐压缩制动策略;基于GT-POWER数值计算平台仿真研究表明，在100个循环内，低压罐气体压力的最大值随转速的升高而减小，高压罐末循环的压力值随着转速的递增而减小; 　　(2)完成了FEVVA系统关键零部件的详细设计，基于MATLAB/Simulink平台建立的数值模型研究结果表明:a）高低压旋转阀开启时刻能够有效控制气门开启持续期（Valve Event Duration，简称VED）;旋转阀相位差角通过增大VED值，推迟气门关闭时刻;旋转阀相位差角不影响气门开启段升程规律，不改变最大气门升程（Maximum Valve Lift，简称MVL）;b）通过对供给压力的控制，可以有效调节系统MVL值，而气门关闭时刻及系统VED值均保持不变。c）旋转阀间隙的变化破坏系统MVL的保持状态，可能导致气门的二次开启。随着温度的升高，气门开启与关闭时刻提前，系统MVL值增大，气门落座速度有增大的趋势;液压油温度对气门开启时刻影响相对较小。系统气门升程特征受进气过程的影响较小，受排气过程的影响较大;排气背压使得气门开启和关闭时刻滞后，同时导致系统MVL值减小。d）发动机转速不仅影响气门开启段与关闭段升程规律，还影响气门关闭时刻。随着发动机转速的提高，系统MVL值有减小的趋势，气门关闭时刻推迟，系统VED值增大但气门升程断面积减小。　　(3)提出了三种气门落座速度缓冲结构，建立了FEVVA系统动力学评价机制。结果表明，液压缸直径对气门落座速度有较大影响;但弹簧刚度对气门落座速度影响较小。随着气门弹簧预紧力的增大，液压活塞开启阻力增加，气门开启过程中加速度减少，进而使气门运动速度降低。发动机转速对气门落座速度不敏感。　　(4)提出了用以评价系统能量消耗的能耗指数(Energy Consumption Index，简称ECI)，比较了三种方案的能耗。结果表明，在同一转速下，方案A的能耗指数最高，方案B次之，方案C最小。采用单因素“扰动法”衡量系统参数对系统能耗影响的灵敏度，确定了弹簧预紧力、弹簧刚度、旋转轴出口半径、液压缸直径、蓄能器初始体积和蓄能器初始压力为待优化参数。优化结果表明，发动机转速在2000r/min时，优化后的气门驱动功率减小了26.5％。　　(5)通过FEVVA系统试验研究结果表明，FEVVA系统能够实现对气门正时，气门持续期和气门升程的柔性调节。在扰动因素影响下，采用的可变气门正时和可变气门升程控制方法，能够实现对气门运动规律的精确控制。在60个循环内，气门开启时刻及系统VED值的循环差异性均维持在±5°CA，系统MVL值的循环差异性维持在±0.3mm。此外，在各个转速下，气门落座速度均能控制在合格范围内。　　以上研究实现了FEVVA系统对气门运动规律的灵活调节，既是为实现空气混合动力换气过程及各个运行模式间的切换提供坚实的技术支撑，又是为实现FEVVA系统的现实应用及其产业化奠定基础。此外，研究结果揭示和剖析了系统参数及扰动因素对FEVVA系统的影响规律，总结得出电液系统工作的共性规律，为同类型电液全可变气门驱动系统的设计开发提供理论依据。
作者：	王毅
专业：	机械工程
导师：	杨靖;Amir Khajepour
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文