電控液壓全可變氣門驅動系統的設計與分析

楊靖+王子昌+王毅+李洋濤+Amir+Khajepour+馮仁華

摘 要：為了滿足發動機設計及性能指標要求，比較分析國內外先進氣門執行機構的優缺點，設計一種新型電控液壓全可變氣門驅動系統.在此基礎上，建立氣門驅動系統的數學、物理模型，借助MATLAB/Simulink計算平臺搭建本系統計算仿真模型并用試驗結果進行驗證，保證了計算模型的可靠性.根據系統結構，詳細分析了可控性參數旋轉閥相位差角及蓄壓器壓力和發動機轉速對氣門最大升程、氣門開啟持續期、氣門啟閉時刻、氣門速度及加速度的影響.研究結果表明，旋轉閥相位差角通過改變氣門開啟持續期改變氣門關閉時刻，但不影響氣門開啟段升程規律；蓄壓器壓力對氣門最大升程有重要影響，但不改變氣門開啟持續期及啟閉時刻；在不同發動機轉速下，氣門最大升程、關閉時刻均有改變；隨著發動機轉速的提高，氣門升程斷面積減小，氣門關閉時刻推遲.

關鍵詞：發動機；可變氣門正時；可變氣門升程；氣門速度；流體控制；電控液壓

中圖分類號：U464.134 文獻標志碼：A

Design and Analysis of Electro-hydraulic

Fully Variable Valve Actuation System

YANG Jing1，2，WANG Zichang1， WANG Yi1，3， LI Yangtao3， Amir Khajepour1，3， FENG Renhua2

（1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan University， Changsha 410082， China；

2. Key Laboratory of Advanced Manufacture Technology for Automobile Parts， Ministry of Education，

Chongqing University of Technology， Chongqing 400054，China；

3. Department of Mechanical and Mechatronics Engineering， University of Waterloo， Waterloo， Ontario N2L3G1， Canada）

Abstract：In order to satisfy the requirements of design and performance of an internal combustion engine， all kinds of existing variable valve actuation systems were compared by analyzing their advantages and disadvantages， and a novel electro-hydraulic variable valve actuation system was then developed. Afterwards， a simulation model based on the mathematical and physical equations was developed through MATLAB/Simulink softwares， and the developed model was verified by experimental results. Furthermore， the effects of controllable parameters such as the phase angle difference between high and low pressure rotary valve， accumulator pressure and engine speed on maximum lift， valve open duration， and valve velocity and acceleration were investigated. The results showed that phase angle difference had limited influence on valve trajectory at the beginning section of lift， but changed the valve closing by altering valve open duration. The pressure of accumulator did not change the valve timing and its duration， but influenced significantly on the maximum valve lift. The maximum valve lift and valve closing were affected by the engine speed variance. Sectional area of valve lift decreased and valve closing delayed with the increasing engine speed.

Key words：internal combustion engine； variable valve timing； variable valve lift； valve velocity； fluid control；electro-hydraulic

近年來，迫于環境惡化的壓力，發動機動力性、經濟性及排放性要求日益嚴格.為了滿足相應的法律法規要求，發動機先進技術不斷向前發展[1]，配氣機構的發展直接影響發動機的動力性、經濟性和排放水平[2]，先進可變氣門相位與升程技術是發動機提高動力性、改善燃油經濟性與降低有害排放的有效途徑[3-4].

目前，可變氣門驅動系統主要包括凸輪驅動氣門可變執行機構、電磁式可變氣門驅動系統及電液式可變氣門驅動系統.其中，采用凸輪的機械式結構是通過控制中間傳動機構調節發動機氣門開閉時刻及氣門的最大升程，如BMW的Vanos系統、Valvetronic系統，Honda的VTEC系統等[5].此類結構控制簡單易行，可重復性高，耐久性好，但實現全可變氣門的靈活控制較為困難.電磁式可變氣門驅動系統在氣門正時與升程控制的靈活性方面得到了進一步改善，但由于電磁力的高度非線性特征，此類系統氣門落座速度較高（當發動機轉速為1 500 r/min時，其大于0.5 m/s）、過渡時間長，對缸內氣體的敏感性較高，與傳統凸輪驅動的氣門機構相比，其能量消耗較大[6-7]；因此，電磁式可變氣門驅動系統在發動機上的應用以及進一步商業化就出現了很多困難.然而，電液式可變氣門驅動系統能夠克服電磁式落座速度高、過渡時間長等缺點，實現氣門開閉時刻、開啟持續時間及氣門升程的獨立調節[3-4，8-9]，從而提高發動機性能，改善燃燒排放特性.

本文提出了一種電控液壓全可變氣門驅動系統設計方案.基于此方案，建立了系統數學、物理計算模型，研究了系統可控性參數旋轉閥相位差角、液壓蓄能器壓力及發動機轉速對最大氣門升程、氣門開啟持續期、氣門啟閉時刻、氣門速度及加速度的影響程度及規律，為實現氣門全可變控制策略的制定及控制器開發奠定基礎.該系統實現了氣門相位及升程的獨立調節，控制方法簡單易行.

1 電控液壓全可變氣門驅動系統設計

如圖1所示，在發動機運行的每一個循環內，氣門工作過程分成4個階段：氣門開啟階段、氣門開啟保持階段、氣門關閉階段及氣門關閉保持階段.當進油控制激活的時候，氣門開始打開，進入開啟階段.當進油控制失效而出油控制還沒激活的階段是氣門開啟保持階段，此階段，氣門保持最大升程狀態.當進油控制失效而出油控制激活的時候，氣門開始關閉，進入氣門關閉階段.出油控制失效后，系統處于氣門關閉保持階段.

在不同發動機工況下，為了實現氣門正時及升程的全可變，系統必須實現氣門正時及升程的可控.如圖2所示，系統在發動機曲軸及電機的聯合作用下，通過進出油控制機構及供油壓力實現對氣門正時及升程的控制.同時，為了滿足系統的高響應特征，進出油控制機構開啟頻率必須滿足系統需求.

雙旋轉閥電控液壓全可變氣門驅動系統原理如圖3所示，在發動機曲軸的驅動下，齒輪泵轉動，液壓油經過濾器過濾后，將油箱中的液壓油吸入泵內.液壓油在齒輪泵內增壓后，進入蓄能器，蓄能器有穩壓的作用，因此保證了高壓閥進油口的壓力穩定同時，在發動機曲軸的驅動下，通過皮帶傳動機構，相位轉換器開始動作，高低壓旋轉閥隨相位轉換器的輸出端同步轉動.皮帶傳動機構傳動比根據發動機沖程數決定，相位轉換器能夠改變旋轉閥啟閉時刻，從而對氣門啟閉時刻進行控制.

當高壓旋轉閥打開后，高壓油進入液壓缸，驅動活塞使得氣門開啟，即為圖1所示的氣門開啟階段.高壓旋轉閥關閉后，氣門運行到最大升程并保持其最大升程直到低壓旋轉閥打開.低壓旋轉閥打開后，氣門開始進入關閉階段，低壓旋轉閥關閉后，氣門處于完全關閉狀態.

2 系統數學物理模型及其模型驗證

2.1 系統數學物理模型

電控液壓全可變氣門驅動系統計算模型如圖4所示.系統包括油泵、蓄能器、高、低壓旋轉閥、管路及液壓缸等.應用其各種數學、物理方程模擬不同運行條件下的氣門運動特性，從而確定本系統結構參數及相關參數對氣門升程、開閉時刻、持續期及氣門落座速度的影響規律.

1）油泵流量計算公式為：

Q=Vdisp×n6×107（1）

式中：Vdisp為油泵的排量，m3；n為發動機轉速，r/min.

4）管路壓力損失計算公式為[10]：

dpdx=-128μπd4 Qpipe （7）

式中：x為管路單位長度，m；μ為動力粘度，Pa·s； d為管路半徑，m.

5）液壓缸組件動力學模型.

mx″=p0Ac-kx-Fpre-cx′-

sign（x′）Ff-Fgas（8）

式中：m為活塞組件質量，kg；k為彈簧剛度，N/m；Fpre為彈簧預緊力，N；c為阻尼系數，N/（m·s-1）；Ff為活塞運動摩擦力，N；Fgas為缸內氣體力，N； P0為液壓缸缸內壓力.

dp0dt=βVc0+Acx（Q0-Acx′）（9）

式中：Vc0為液壓缸壓縮余隙，m3；Ac為活塞頂部面積，m2.

6）低壓旋轉閥流量計算[9].

QLPSV=CdALPSVsign（pLPSV，in-pLPSV，out）×

2pLPSV，in-pLPSV，outρ（10）

式中：pLPSV，in為高壓旋轉閥進口壓力，Pa；pLPSV，out為高壓旋轉閥出口壓力，Pa；ALPSV為流體流通面積，計算方程如式（4），式（5）及式（6）.

2.2 非線性微分方程求解及模型驗證

由式（1）-式（10）可知，此系統求解方程屬于二階非線性方程組，由于系統高度的非線性特征，因此給系統的求解帶來了一定的難度.本次計算基于MATLAB/Simulink平臺，動力學方程采用4階龍格庫塔方法進行求解.

為了校核計算模型的精確性，搭建可變氣門驅動系統試驗臺架，如圖6所示.試驗模擬了發動機轉速為1 000 r/min，氣門升程預設目標為5 mm的運行工況，其他主要系統參數如表1所示.

3 全可變氣門驅動系統的可控性分析

3.1 旋轉閥相位差角的影響

旋轉閥相位差角指低壓旋轉閥開啟時刻與高壓旋轉閥開啟時刻的曲軸轉角之差，如圖8所示.驅動系統通過控制相位器控制此相位差角從而對氣門相位進行控制，結合系統控制策略，以實現可變氣門正時.

曲軸轉角/（°）

旋轉閥相位差角對氣門升程的影響如圖9所示.本次計算旨在發動機轉速為2 000 r/min，保持蓄能器壓力為4.5 MPa，研究可變氣門驅動系統在不同的旋轉閥相位差角下氣門運行參數的變化規律.按照如圖1所示對氣門升程進行分段，因此可以看出，氣門開啟階段及氣門關閉階段升程曲線沒有變化，氣門開啟保持階段隨旋轉閥相位差角增大而增大.氣門最大升程保持不變，氣門開啟持續期隨旋轉閥相位差角增大而延長，氣門關閉時刻推遲.同時可以看出，氣門開啟時刻完全由高壓旋轉閥啟動時刻控制，而氣門關閉時刻則不完全由低壓旋轉閥決定.當低壓旋轉閥全關閉的時刻，氣門已經提前完全關閉.所以，氣門關閉時刻需要考慮更多的因素對其進行控制.當旋轉閥相位差角為180°CA（Crank Angle）的時候，氣門關閉時刻為240°CA.

在不同旋轉閥相位差角下，可變氣門驅動系統氣門速度及加速度曲線如圖10所示.與氣門升程趨勢相似，旋轉閥相位差角對氣門開啟階段氣門速度與加速度沒有影響.在氣門關閉階段，旋轉閥相位差角改變了速度的相位而未改變其幅值.其對加速度的影響基本相同，不同的是當旋轉閥相位差角為120°CA的時候，氣門關閉階段加速度幅值增大.這是因為當旋轉閥相位差角為120°CA的時候，高、低壓閥存在同時開啟的現象從而導致液壓缸內壓力波動（高、低壓閥開啟持續角度是132.5°CA，其大于旋轉閥相位差角）.

3.2 液壓蓄能器壓力的影響

液壓蓄能器為可變氣門驅動系統提供穩定、連續的高壓壓力，從而保證系統實時、精確運行在發動機的各個工況.不同的蓄能器壓力產生不同的氣門升程，因此，通過控制蓄能器壓力的方法可以達到氣門驅動系統氣門升程連續可變的目的.不同蓄能器壓力對氣門升程的影響如圖11所示.從圖11可以看出，氣門最大升程隨蓄能器壓力的增大而增大，氣門關閉時刻及氣門開啟持續期均保持不變，當蓄壓器壓力為4.8 MPa的時候，最大氣門升程達到了12 mm，完全滿足發動機最大氣門升程的需求蓄壓器壓力對氣門速度和加速度的影響如圖12所示.氣門最大速度隨蓄壓器壓力增大而遞增，因此，當采用控制蓄壓器壓力對可變氣門升程進行控制的時候，有必要采用合適的控制方法及其實現方式對氣門速度進行控制，從而保證驅動系統正常、可持續運行.蓄壓器壓力對氣門加速度沒有明顯的影響，就數值大小而言，在本文研究的4個蓄壓器壓力下，其最大加速度均小于4 000 m/s2，且出現在氣門關閉階段.

4 發動機轉速對氣門驅動系統的影響

發動機為電控液壓全可變氣門驅動系統提供液壓泵動力源，同時驅動高、低壓旋轉閥保持氣門的正常工作.因此，發動機轉速主要通過兩個方面影響氣門驅動系統，其一是影響高壓閥輸入端的壓力；其二是通過影響高、低壓閥轉速導致氣門升程規律的變化.發動機轉速對氣門升程規律的影響如圖13所示.從圖中可以看出，發動機轉速不僅影響氣門開啟段與關閉段升程規律，還影響氣門關閉時刻.隨著發動機轉速的提高，最大氣門升程有減小的趨勢，氣門關閉時刻推遲，氣門開啟持續期延遲但氣門升程斷面積減小.

發動機轉速對氣門速度和加速度的影響如圖14所示.隨著發動機轉速的提高，氣門開啟段與關閉段速度最大值均延遲；同時，關閉段的速度最大值隨發動機轉速的提高有增大的趨勢.加速度受發動機轉速的影響規律與速度相同，即在氣門關閉階段，加速度最大值隨發動機轉速的提高而增大.

5 結 論

1）旋轉閥相位差角通過延長氣門開啟持續期推遲氣門關閉時刻，不改變氣門最大升程.旋轉閥相位差角不影響氣門開啟段升程規律；同時，旋轉閥相位差角是影響氣門關閉時刻最重要的因素，但不是唯一因素.旋轉閥相位差角改變了速度及加速度的相位而不改變其幅值.

2）氣門最大升程隨蓄能器壓力的增大而增大，氣門關閉時刻及氣門開啟持續期均保持不變.氣門最大速度隨蓄壓器壓力增大而遞增，最大加速度有增大趨勢，但不明顯.

3）發動機轉速不僅影響氣門開啟段與關閉段升程規律，還影響氣門關閉時刻.隨著發動機轉速的提高，最大氣門升程有減小的趨勢，氣門關閉時刻推遲，氣門開啟持續期延遲但氣門升程斷面積減小.氣門開啟段與關閉段速度最大值均延遲；同時，關閉段的速度最大值隨發動機轉速的提高有增大的趨勢.在氣門關閉階段，加速度最大值隨發動機轉速的提高而增大.

4）本次研究僅是通過仿真和初步試驗的方法對設計的系統的升程規律、速度和加速度進行了分析，但沒有涉及到氣門落座速度的控制研究，有待在今后進行研究.

參考文獻

[1] 王毅，楊靖，鄧幫林，等.試驗與仿真相結合的發動機活塞熱負荷分析[J].湖南大學學報：自然科學版，2014，41（8）：23-29.

WANG Yi， YANG Jing， DENG Banglin，et al. Thermal load analysis of engine piston combined experiment with simulation[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2014，41（8）：23-29. （In Chinese）

[2] 楊靖，馮仁華，鄧幫林，等. 汽油機凸輪型線改進設計[J]. 湖南大學學報： 自然科學版，2009，36（11）：21-26.

YANG Jing， FENG Renghua， DENG Banglin，et al. Improvement design fo gasoline engine cam profile[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2009，36（11）：21-26. （In Chinese）

[3] 劉發發，王云開，李華，等.電控液壓可變氣門機構性能及應用[J].內燃機學報，2011（1）：54-60.

LIU Fafa， WANG Yunkai， LI Hua， et al. Performance of electro-hydraulic valve train and application[J].Transaction of CSICE， 2011（1）：54-60. （In Chinese）

[4] 崔靖晨，隆武強，田江平，等.雙模式電液全可變氣門驅動系統的可控性研究[J].內燃機工程，2014，35（2）：36-41.

CUI Jingchen，LONG Wuqiang，TIAN Jiangping，et al. Investigation on controllability of dual-mode fully variable valve electro-hydraulic actuation system [J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2014， 35（2）：36-41. （In Chinese）

[5] WONG P K，MOK K W.Design and modeling of a novel electro-mechanical fully variable valve system[R]. Washington DC：SAE International，2008-01-1733.

[6] BUTZMANN S，MELBERT J.Sensorless control of electromagnetic actuator for variable valve train[R]. Washington DC：SAE International， 2000-01-1225.

[7] PARLIKAR T A，CHANGE W S，QIU Y H， et al.Design and experimental implementation of an electromagnetic engine valve drive [C]// IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2005，10（5）：482-494.

[8] MOHAMMAD P，AMIR F，AMIR K.A robust lift control technique in electro-hydraulic camless valves using system average model[C]// IMECE2010.Vancouver， 2010.

[9] ALLEN J， LAW D. Production electro-hydraulic variable valve train for a new generation of I.C. engines[R]. Washington DC：SAE International，2002-01-1109.

[10]高鋒軍.汽油HCCI發動機電控液壓氣門性能及仿真研究[D].長春：吉林大學汽車工程學院，2013.

GAO Fengjun.Model and performance studies of electro-hydraulic valve actuators on gasoline HCCI engine[D].Changchun： College of Automative Engineering， Jilin University， 2013.（In Chinese）