详情

原文传递多缸机液压可变气门机构及可变排量控制技术研究

论文题名：	多缸机液压可变气门机构及可变排量控制技术研究
关键词：	汽油机;可变气门;液压可变气门机构;可变排量;循环停缸;随机动态停缸
摘要：	当今机动车保有量逐年增加，城市交通愈发拥堵，致使汽车在怠速或中小负荷工况下工作的情况越来越多，提高燃油经济性、推动新的动力系统技术发展的任务十分紧迫。可变排量技术（智能停缸技术）可以在部分负荷下，发动机停止部分气缸工作，减少泵气损失，同时降低热损失，由此可以改善燃油经济性，提高发动机有效热效率，逐渐成为高效、清洁的内燃机新技术中一个热点领域。动态停缸技术与传统固定停缸技术相比解决了各缸受热不均、磨损不一致等问题，因此以某种模式动态跳跃停缸是未来可变排量技术的发展趋势，但是由循环停缸引起的扭矩波动和进气压力波动问题一直是可变排量技术中的一个难点。此外，简单可靠的执行机构是实现可变排量技术应用和试验测试的关键且重要前提条件。因此本文自主研发了液压可变气门机构，以停缸控制策略为研究对象，以减小扭矩波动和提高燃油经济性为目标，对发动机可变排量控制技术展开研究，主要研究工作及结论如下：　　（1）设计并研制了四缸汽油机液压可变气门机构，能够实现气门升程和关闭时刻连续可变。针对气门需要平稳落座的问题，设计了落座缓冲机构。根据可变气门机构液压系统原理和可变排量发动机工作原理，推导了系统的传递函数并建立了发动机数值模型，搭建了四缸机液压可变气门机构AMESim仿真平台和发动机GT-Power与Simulink联合仿真平台，从结构设计、功能设计、控制软件模块设计等方面出发搭建了柔性化可变气门运动特性实验平台和发动机性能实验平台并测试。为后续研究可变排量技术奠定了平台基础。　　（2）针对液压系统压力波动问题，开展了试验研究与仿真分析。基于Taguchi方法设计了带有交互作用的正交试验，探究了挺柱活塞直径、气门活塞直径、气门弹簧预紧力等多因素耦合作用对气门升程、落座速度和气门活塞腔内压力波动的影响。进一步分析了气门弹簧刚度、气门活塞质量、节流孔径大小等关键参数对系统压力波动的影响。通过优化关键零部件的设计参数，减小了系统内压力波动，提高了液压可变气门机构的可靠性。　　（3）针对停缸后缸内压力过低和停缸期间产生压缩负功的问题，提出了基于电液驱动进排气门启闭模式的可变排量气门控制策略，分析了停缸循环及工作模式转换过程中缸内压力、尾气中氧气质量分数、扭矩波动等参数变化规律，优化了最佳停缸时刻进、排气门控制参数。从指示热效率、机械效率和有效热效率方面出发分析了可变排量技术的节能机理，基于最佳进排气门关闭时刻，发动机在中小负荷时可提高燃油经济性8.7%。为基于液压可变气门机构的可变排量发动机开发提供了一定的设计参考。　　（4）针对循环停缸引起的扭矩波动和进气压力波动问题，提出了定循环频率定停缸频率、变循环频率定停缸频率和变循环频率变停缸频率的循环模式停缸控制策略，通过控制循环频率和停缸频率确定循环停缸率，为探究循环停缸扭矩波动提供新方法。提出了基于停缸补偿坐标系的进气补偿方法，改善了循环停缸各缸进气的不均匀性，补偿后进气量不均匀性和各缸平均指示压力不均匀性均在2%以内，最大扭矩波动减小52%。为提高发动机动态停缸工作平顺性提供了有益借鉴。此外，从缸内平均湍动能、缸内压力以及滞燃期和燃烧持续期角度出发，分析了节气门控制策略（TH）、进气门早关控制策略（EIVC）和进气门与节气门协同控制策略（IVTS）的燃油经济性，进一步与不同停缸率控制策略对比分析，从而选取在不同发动机工作区间的最佳节油控制策略。　　（5）针对循环停缸相邻工作循环之间停缸比例不同引起各缸工作不均匀性问题，提出了一种基于非线性模型预测的发动机随机动态停缸控制策略。首先，搭建了发动机随机动态停缸系统的RBF神经网络模型，应用K-means算法和P-nearest算法分别对隐层节点的中心位置c和隐层节点宽度σ进行离线训练，利用递推最小二乘（RLS）算法对输出层权向量w进行在线训练。然后，分别搭建了以最小扭矩波动和最小燃油消耗率为目标的非线性模型预测控制系统结构。结果表明，在不同工况下随机动态停缸比循环停缸每循环平均扭矩波动改善9%-18.75%，平均燃油消耗率改善2%左右，验证了该策略对于降低随机动态停缸扭矩动波动和提高燃油经济性的有效性。
作者：	金兆辉
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	洪伟
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023