柴油機凸輪-液壓式氣門啟閉特性實驗研究

吳學舜，彭義增，魏遠文，潘鎖柱，樊利康，祁新華

(1.西華大學汽車與交通學院，四川 成都　610039；2. 長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定　071000)

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柴油機凸輪-液壓式氣門啟閉特性實驗研究

吳學舜1，彭義增1，魏遠文1，潘鎖柱1，樊利康1，祁新華2

(1.西華大學汽車與交通學院，四川 成都610039；2. 長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定071000)

摘要：自主開發一套電控液壓進氣門晚關機構(EHLIVC)，將該機構應用在DK4A柴油機缸蓋上，并搭建EHLIVC系統的試驗臺架，通過實驗研究供油壓力和控制脈寬對EHLIVC系統的氣門啟閉特性的影響規律。研究發現：供油壓力對附加升程關閉動作完成時間影響很小，但供油壓力對氣門附加升程開啟動作完成時間影響明顯，附加升程開啟動作完成時間隨供油壓力的增大而呈現線性減小的趨勢；供油壓力對附加升程開啟延遲影響不大，但對附加升程關閉延遲影響明顯，供油壓力越大，關閉延遲越小，供油壓力超過4.5 MPa時，關閉延遲基本保持不變；控制脈寬對附加升程開啟、關閉延遲影響均不大，但對附加升程開啟持續時間影響明顯，附加升程開啟持續時間隨脈寬的增大而呈現線性增長的趨勢。

關鍵詞：柴油機；進氣門晚關；附加升程；啟閉特性

配氣相位直接影響發動機的進氣狀態參數，進而影響發動機缸內的燃燒狀況，導致發動機性能的差異[1-3]。傳統發動機配氣相位、氣門升程、氣門開啟持續期都是固定不變的，無法保證發動機在各個工況下都處于最優性能。為了保證發動機在不同工況下的經濟性和排放性，配氣相位應根據發動機缸內燃油和空氣的混合狀態以及化學反應特點選取最佳值[4-8]。可變氣門機構由于能夠實現配氣參數的連續改變，進而實現對進氣狀態參數的控制而備受研究者的青睞。可變氣門機構按照驅動方式可分為傳統凸輪軸驅動可變氣門機構和無凸輪軸驅動可變氣門機構。凸輪軸驅動可變氣門機構已經廣泛應用在發動機產品上，主要包括可變凸輪型線、可變凸輪從動件及可變凸輪相位3種類型，其未來的發展將是以機械式全可變氣門機構為研究重心；但這種驅動方式因為凸輪軸的存在會使配氣參數的調節范圍受到一定的限制。無凸輪軸驅動可變氣門機構主要包括電液式、電磁式及電氣式可變氣門驅動機構。這3類可變氣門驅動機構由于取消了發動機凸輪軸及從動件而使機構變得更為簡單，且都能靈活、獨立地調節配氣參數[9-15]。其中，電液式可變氣門機構因調節范圍寬、成本低、實現起來比較容易而研究得最多。

目前大多數的可變氣門機構都取消了原機凸輪軸，直接采用液壓驅動的方式驅動氣門運動，而同時兼備凸輪和液壓驅動的可變氣門機構卻研究較少；因此，本文基于DK4A柴油機開發了一款電磁閥控制的凸輪-液壓式進氣門晚關機構，并搭建其實驗平臺。由于多數電磁閥控制式的電控液式可變氣門機構系統在工作過程中電磁閥的開啟、關閉、液壓油壓力的建立以及液壓管路的阻力等因素的綜合作用，會使系統在工作中產生很大的延遲，從而影響氣門的啟閉特性，影響整個系統的性能；因此，在將機構應用在柴油機之前有必要對開發的電控液壓進氣門晚關系統的氣門啟閉特性進行研究，為優化系統延遲和優化氣門控制策略提供實驗基礎。

1進氣門晚關機構工作原理

本文所設計的電控液壓進氣門晚關機構是在凸輪頂置配氣機構的基礎上改造而成的。原柴油機配氣機構的傳動方式為凸輪-挺柱蓋-氣門，加入設計的進氣門晚關機構后傳動方式變為凸輪-液壓腔-活塞-氣門，保留了原機的凸輪軸，機構安裝在凸輪軸與氣門之間，對原機改動較少。該可變氣門機構具有傳統發動機凸輪軸驅動配氣機構及無凸輪軸驅動可變氣門系統兩者的優點，當液壓系統出現問題時，發動機仍能繼續按照原機凸輪型線運動，使發動機工作可靠。圖1為電控液壓進氣門晚關系統示意圖。電液進氣門晚關系統由氣門驅動機構、液壓系統和控制系統3部分組成。液壓系統主要由油箱、濾清器、齒輪泵、電動機、溢流閥、蓄能器及壓力表等液壓元件組成，液壓系統的主要功能是為進氣門晚關機構提供驅動氣門運動的動力源。

圖1　電控液壓進氣門晚關系統示意

控制系統的作用是控制兩位三通閥的開啟與關閉，從而決定液壓油是否能夠進入液壓腔進而驅動氣門運動，產生附加升程。氣門驅動機構的主要功能是通過液壓能、氣門彈簧勢能及氣門動能3種能量之間的轉換來實現附加升程的開啟與關閉。氣門驅動機構由進氣門晚關機構和原機氣門彈簧組件構成，其中進氣門晚關機構的結構如圖2所示。

圖2　進氣門晚關機構結構

進氣門晚關機構由液壓缸、固定套、限位螺母、液壓活塞以及柱塞套組成，其中液壓活塞與液壓缸組成密閉的液壓腔容積，液壓油進入密閉容積腔產生附加升程，疊加在原機氣門升程上。

2實驗裝置及測試方法

2.1實驗裝置及設備

試驗平臺的搭建是基于綿陽新晨動力的DK4A柴油機，原機配氣機構為頂置凸輪軸驅動方式，進排氣門的開啟、關閉是由凸輪軸直接驅動，在對發動機缸蓋做適當的改變后，成功地將設計的進氣門晚關機構安裝在DK4A柴油機缸蓋上，并搭建了該機構的實驗測試平臺，試驗平臺測試系統如圖3所示。

圖3　試驗平臺測量示意

試驗通過LVDT(linear variable differential transformer)線性位移傳感器直接測量氣門的升程，電磁閥后液壓腔前的壓力采用Kistler公司生產的缸壓傳感器測量，電磁閥前壓力利用壓力變送器測得，試驗中壓力信號、位移信號、電磁閥控制信號、光電編碼器信號等都由采集卡采集并保存在PC機上。實驗中采用的主要儀器及設備如表1所示。

表1　試驗主要設備及儀器

2.2試驗方法

電控液壓進氣門晚關系統控制參數供油壓力、控制脈寬、控制定時、機油溫度等都會影響氣門的啟閉特性，但供油壓力和控制脈寬是決定氣門啟閉特性的主要因素。電控液壓進氣門晚關系統的啟閉特性主要由氣門附加升程的開啟延遲、關閉延遲、附加升程開啟動作完成時間、附加升程關閉動作完成時間以及附加升程開啟持續時間等5個特征參數來表征，研究控制參數與上述5個特征值之間的變化關系有利于對系統進行精確的控制。

圖4為控制信號、附加升程信號、晚關后氣門總升程、原機氣門升程組成的時序示意圖。附加升程是由位移傳感器測得的氣門總升程和原機氣門升程之差得出，通過控制信號和附加升程信號之間的對比就可以確定氣門開啟和關閉延遲時間，附加升程開啟、關閉動作完成時間和附加升程開啟持續期則通過氣門附加升程即可將特征參數提取出來。實驗中氣門總升程曲線是通過連續20個循環采樣，并對每次采樣的20個循環做平均處理，得出最后的氣門總升程曲線。

圖4　控制信號與升程信號時序示意圖

3實驗結果與分析

3.1供油壓力對附加升程啟閉特性的影響

供油壓力的大小直接決定液壓腔里液壓驅動力的大小，對附加升程的啟閉特性影響很大。圖5示出控制脈寬為16 ms時，不同供油壓力下附加升程的變化規律。

圖5　供油壓力對附加升程的影響

從圖5可以看出：供油壓力對附加升程最大值的影響起決定性作用，附加升程最大值隨供油壓力的增長而增大；供油壓力對氣門附加升程開啟響應延遲影響很小，但對氣門附加升程關閉響應延遲影響較大；供油壓力對附加升程開啟、關閉動作時間的影響明顯。為了更清楚地分析供油壓力與這5個特征參數之間的關系，本文提取了5個特征參數中最能體現供油壓力對氣門啟閉特性影響作用的4個特征參數：開啟延遲、關閉響應延遲和附加升程開啟動作完成時間、附加升程關閉動作完成時間。圖6和圖7分別示出附加升程開啟、關閉響應延遲和附加升程開啟、關閉動作完成時間與供油壓力之間的變化關系。

圖6　供油壓力與附加升程開啟、關閉響應延遲之間的關系

圖7供油壓力與附加升程開啟、關閉動作完成時間之間的關系

從圖6可知，供油壓力對氣門開啟響應延遲影響不明顯。這是因為供油壓力增大使得液壓腔的液壓壓力建立迅速而導致液壓延遲減小；但供油壓力增大會使電磁閥開啟阻力增大，電磁閥開啟變得困難，電磁閥開啟響應變慢。兩者綜合使得供油壓力大小對氣門附加升程開啟響應基本保持不變。供油壓力對氣門附加升程關閉延遲影響明顯，供油壓力越大，氣門附加升程關閉響應延遲越小，當供油壓力超過4.5 MPa時，關閉延遲基本保持不變。出現這種變化趨勢可以從2個方面來分析：一方面，氣門附加升程最大值會隨供油壓力的升高增大，因此彈簧回復力增大，附加升程回落越迅速；另一方面，供油壓力的增大使得液壓腔與外界的泄油壓差變大，泄油動力變大，泄油迅速，附加升程回落迅速。兩者綜合作用使得氣門附加升程關閉響應會隨供油壓力的增大而減小。

從圖7可知，氣門開啟動作完成時間隨供油壓力的增大而減小。這是因為供油壓力增大導致液壓腔液壓驅動力足夠使得氣門開啟迅速，導致開啟動作完成時間減小。供油壓力增大會使附加升程關閉動作完成時間稍稍增大，但影響很小。這是由于附加升程最大值的增加使得氣門回位行程稍稍增加的緣故。

3.2控制脈寬對附加升程啟閉特性的影響

控制脈寬即電磁閥的驅動脈寬，控制脈寬決定著氣門附加升程的開啟始點及關閉終點，即在很大程度上決定著附加升程的開啟持續時間，從而決定氣門的晚關角度，改變控制脈寬的觸發、結束時刻能改變附加升程開啟持續時間及關閉角度。圖8示出系統供油壓力3.0 MPa，控制脈寬從6～28 ms變化時，氣門附加升程的變化規律。

圖8　控制脈寬對附加升程的影響

從圖8可以初步看出控制脈寬對開啟、關閉響應延遲影響很小，對附加升程最大值有一定影響，附加升程最大值隨脈寬的增長而增加，但到達一定脈寬值后，附加升程的最大值基本穩定不變。控制脈寬最主要影響附加升程開啟持續時間，氣門開啟持續時間隨控制脈寬的增大而增加。為了進一步具體地研究控制脈寬與氣門啟閉特性的影響，本文提取了5個特征參數中最能體現控制脈寬對啟閉特性影響作用的3個特征參數：開啟延遲、關閉延遲以及氣門開啟持續時間。圖9和圖10分別示出附加升程開啟延遲、關閉延遲和附加升程開啟持續時間與控制脈寬之間的變化關系。

圖9　控制脈寬與附加升程開啟、關閉響應延遲之間的關系

圖10　控制脈寬與附加升程開啟持續時間之間的關系

從圖9可知：當系統供油壓力一定時附加升程開啟響應延遲與控制脈寬長度無關；控制脈寬對附加升程關閉響應有一定影響，但影響很小；控制脈寬對附加升程開啟持續時間起決定性作用。從圖10可知附加升程開啟持續時間隨控制脈寬的增加基本呈線性增長的趨勢。

以上分析可知供油壓力和控制脈寬對附加升程啟閉特性都有影響；但影響的啟閉特征參數并不一樣，且作用的效果也不盡相同。通過對上述附加升程開啟、關閉延遲的分析，有助于了解電控液壓柴油機進氣門晚關系統延遲的影響因素以及控制參數對延遲影響的大小。對氣門開啟、延遲進行標定，可以確定系統在不同工況下的補償控制量，盡可能地消除因為氣門動作延遲帶來的影響。通過對附加升程開啟、關閉動作完成時間以及附加升程開啟持續時間的分析，有助于選取氣門開啟、關閉迅速且在相同晚關角度下具有更大的氣門流通截面積的氣門升程曲線，對選取氣門升程和正時的最優控制方式非常有利。

4結論

供油壓力對附加升程開啟延遲響應影響很小，但對附加升程關閉延遲影響明顯，附加升程關閉延遲隨供油壓力的增大而減小，當供油壓力超過4.5 MPa，關閉延遲變化很小；控制脈寬則對附加升程開啟、關閉延遲響應均很小。

控制脈寬一定時，附加升程全開耗時隨供油壓力的增大而呈線性減小的趨勢，附加升程開啟越迅速，而附加升程關閉耗時隨供油壓力的增大則有增加的趨勢，但增大趨勢并不明顯。

附加升程開啟持續時間由控制脈寬長短決定，且附加升程開啟持續時間隨脈寬的增大呈線性增大的趨勢。

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(編校：夏書林)

Experimental Research on the Opening and Closing Characteristics of Intake Valve for Diesel Engine

WU Xueshun1, PENG Yizeng1, WEI Yuanwen1, PAN Suozhu1, FAN Likang1, QI Xinhua2

(1.SchoolofAutomobileandTraffic,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.GreatWallMotorCompanyTechnicalCenter,Baoding071000China)

Abstract:The test bench of the electro-hydraulic late intake valve closing (EHLIVC) mechanism was built after the new EHLIVC mechanism was developed based on DK4A diesel engine. The effects of oil pressure and control pulse on the opening and closing characteristics of EHLIVC were investigated. Results indicate that the oil pressure has little influence on the closing action time of the additional lift, but it has obvious influence on the opening action time of the additional lift and the opening action time keep linearly decrease with the increase of the oil pressure. And the oil pressure has little effect on the opening delay of the additional, but it has significantly influence on the closing delay of the additional and the closing delay decreased with the increase of the oil pressure. When the oil pressure beyond 4.5MPa, the closing delay keep constant. In contrast, the control pulse has no effect on both the opening delay and closing delay. However , it has important impact on the opening duration of the additional lift and the opening duration time keep linearly increase trend with the increase of the control pulse.

Keywords:diesel; late intake valve closing; additional lift; opening and closing characteristics

收稿日期：2015-04-29

基金項目：四川省教育廳項目(14ZB0128)。

*通信作者：魏遠文(1963—)，男，教授，主要研究方向為內燃機替代燃料及排放控制技術。E-mail：wywandwmwjr@mail.xhu.edu.cn

中圖分類號：TK413.4

文獻標志碼：A

文章編號：1673-159X(2016)03-0026-5

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.03.006

第一作者：吳學舜(1987—)，男，助理實驗師，碩士，主要研究方向為發動機新技術。

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