液壓可變氣門系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對氣門型線的影響研究

韓志強，劉智

（測控與安全四川省重點實驗室，西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039）

液壓可變氣門系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對氣門型線的影響研究

韓志強，劉智

（測控與安全四川省重點實驗室，西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039）

基于DK4柴油機設(shè)計了一套電控液壓驅(qū)動可變氣門系統(tǒng)。通過數(shù)值模擬建立可變氣門系統(tǒng)模型，研究可變氣門系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對氣門型線的影響規(guī)律。結(jié)果表明，增大可變氣門系統(tǒng)的供油壓力，增加進油孔直徑以及增長供油持續(xù)期均能增加氣門的延遲關(guān)閉角。同時減小轉(zhuǎn)子截面積，提高供油壓力、增大進油孔直徑是有效提高氣門響應(yīng)速度的有效途徑。

柴油機；進氣門延遲關(guān)閉；數(shù)值模擬；延遲關(guān)閉角度

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-63-04

前言

配氣相位直接影響著發(fā)動機的進、排氣特性，對燃燒過程的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用。為了實現(xiàn)發(fā)動機的高效清潔燃燒，配氣相位應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速和負荷的氣路狀態(tài)參數(shù)需求來調(diào)控[1]?？勺儦忾T技術(shù)正是實現(xiàn)配氣相位和升程調(diào)整的關(guān)鍵，而可變氣門系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇，以及控制參數(shù)的優(yōu)化匹配是該技術(shù)的核心[2-5]。

國內(nèi)外學(xué)者針對可變氣門系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)展開了大量研究。G. B. Parvate-Patil等人建立了仿真模型[6]，研究了進排氣門處氣體的動態(tài)過程，特別是壓力-容積和氣門處的反向流動等。仿真計算結(jié)果顯示， 進氣門早關(guān) (Early Intake Valve Closing，EIVC)可使在壓縮過程中的返流降低或消失，泵氣損失降低。而進氣門晚關(guān)(Late Intake Valve Closing，LIVC)在壓縮過程中一部分氣體返流進入進氣管。泵氣損失降低，返流導(dǎo)致進氣減少，壓縮過程中溫度和壓力降低。Murata[7]等人研究了進氣門晚關(guān)配合進氣增壓、排氣再循環(huán)（EGR）和高壓燃油噴射使用，能在保證柴油機熱效率的同時，證實了柴油機可變氣門不僅能減小泵氣損失，還能改變?nèi)紵吔鐥l件，優(yōu)化發(fā)動機燃燒過程，降低發(fā)動機的排放。Rinu Thomas[8]等人通過可變氣門改變發(fā)動機有效壓縮比，發(fā)現(xiàn)在不同工況使用不同的壓縮比能夠得到更高的熱效率。謝宗法[9]研究了液壓可變氣門系統(tǒng)中節(jié)流孔節(jié)流面積和節(jié)流孔形狀對氣門落座沖擊的影響。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4 000 r／min得出結(jié)論，當(dāng)節(jié)流孔流通面積隨氣門升程變化率較大時，節(jié)流孔節(jié)流作用較強，使節(jié)流時的活塞腔壓力較高，氣門開啟持續(xù)期減小，氣門落座速度增大；陳學(xué)勤[10]在2135G氣缸蓋上安裝試驗，共軌壓力為10 MPa，轉(zhuǎn)速為1 500r／min發(fā)現(xiàn)隨著控制信號脈寬增加；氣門開啟的持續(xù)時間也增加；當(dāng)共軌壓力增加時，氣門開啟的速度加快，并且隨共軌壓力的提高氣門的最大升程增加；彭義增等人[11]建立了柴油機的數(shù)值模型，分析了附加升程限位對進氣狀態(tài)參數(shù)的影響。研究表明，最大附加升程限位對進氣質(zhì)量流量影響很小，最大附加升程限位對壓縮終了溫度和壓力影響很小。

本文以轉(zhuǎn)子式液壓可變氣門系統(tǒng)為研究對象，利用數(shù)值模擬的方式研究關(guān)鍵參數(shù)對可變氣門系統(tǒng)型線及附加升程型線的影響規(guī)律，為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與控制MAP的優(yōu)化匹配提供方案論證與數(shù)據(jù)支持。

1、可變氣門結(jié)構(gòu)及原理

圖1 可變氣門機構(gòu)

圖2 可變氣門工作原理

針對原機雙頂置凸輪軸，無搖臂式的配氣機構(gòu)。設(shè)計的可變氣門系統(tǒng)如圖1所示。具體工作原理如圖2所示。油泵從油底殼把液壓油泵出，經(jīng)過機體油道進入凸輪軸中轉(zhuǎn)子與定子形成的液壓腔室，高速電磁閥控制液壓油進入液壓腔的相位與進油量。液壓腔產(chǎn)生的液壓力使轉(zhuǎn)子逆向的轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和凸輪軸與發(fā)動機曲軸相位發(fā)生相對改變，進而實現(xiàn)氣門配氣相位的調(diào)節(jié)。

2、可變氣門系統(tǒng)模型構(gòu)建

為了研究可變氣門系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對氣門的運動規(guī)律的影響，構(gòu)建的模型做如下假設(shè)：

1）假設(shè)液壓油為可壓縮、粘性、均勻流體；

2）忽略液壓油蒸發(fā)以及空穴。

3）液壓腔室的充油、泄油過程滿足質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒。

模型主要方程如下[11-14]：

質(zhì)量守恒方程：

能量守恒方程：

動量守恒方程：

液壓管路壓力損失：

式中：為損失系數(shù)，l為管長，d為直徑，v為管中平均斷面流速，g為重力加速度。

阻尼小孔流量方程：

移相器液壓腔液體連續(xù)方程：

式中：Qi為流入流量，Qo為流出流量，Ql為泄露流量，V為延遲液腔體積，β為液壓油體積模量，p為液壓腔內(nèi)壓力，t表示時間，x為轉(zhuǎn)子位移，A為轉(zhuǎn)子截面積。

3、關(guān)鍵參數(shù)對氣門型線的影響

以DK4A柴油機為對象，建立可變氣門系統(tǒng)模型。模型定義排氣上止點時刻為0°CA，原機進氣門開啟相位-30° CA，關(guān)閉相位220°CA。設(shè)計的可變氣門機構(gòu)最大延遲角度為20°CA。基于模型邊界條件，課題組開展關(guān)鍵參數(shù)對氣門型線的影響研究。

3.1 供油壓力對氣門型線的影響

圖3為可變氣門系統(tǒng)進油孔直徑3mm，轉(zhuǎn)子截面200mm2，控制脈寬12ms，電磁閥開啟相位50oCA，發(fā)動機運行在2000r/min條件下，供油壓力在1.5-5Mpa時氣門型線的變化規(guī)律。由圖可知，隨著供油壓力增加，氣門關(guān)閉角度推遲。進一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著供油壓力增加，附加升程開啟相位提前，最大附加升程最大高度增加。這是因為隨著供油壓力增加，液壓驅(qū)動力增加氣門開啟響應(yīng)變快。此外，隨供油壓力增加，如圖4所示，氣門延遲角度增加，油壓大于3Mpa時，達到20°CA延遲角度，且隨著供油壓力增加，達到最大延遲角度所需時間減小，由此可知，供油壓力對可變氣門系統(tǒng)響應(yīng)速度影響較大。

圖3 供油壓力對氣門型線的影響規(guī)律

圖4 供油壓力對延遲角度所需時間的影響

3.2 轉(zhuǎn)子截面積對氣門型線的影響

圖5 液壓腔室示意圖

在發(fā)動機運行在2000r/min，進油孔直徑3mm，供油壓力4Mpa，電磁閥開啟相位50oCA，控制脈寬12ms，保持可變氣門延遲腔室角a最大值為20°CA的條件下，隨轉(zhuǎn)子截面積增加，氣門延遲關(guān)閉角度提前，如6圖所示。這是由于承壓面積增加，液壓腔室體積增加，腔室內(nèi)壓力降低，如圖7所示。此時，由于腔室體積的增加，腔內(nèi)壓力增幅變緩，轉(zhuǎn)子的響應(yīng)速度隨轉(zhuǎn)子截面積的增加而變慢，達到最大延遲角度的耗時逐漸增加，如圖8所示，在截面積超過300mm2時已不能夠達到最大的延遲關(guān)閉角度。

圖6 轉(zhuǎn)子截面積對氣門型線的影響

圖7 延遲腔室體積與腔內(nèi)液壓油壓力

圖8 轉(zhuǎn)子截面對達到最大延遲角度的影響

3.3 進油孔直徑對氣門型線的影響

圖9 進油孔直徑對氣門型線的影響

圖10 不同進油孔直徑的流量

在發(fā)動機運行在2000r/min，可變氣門系統(tǒng)轉(zhuǎn)子截面積200mm2，供油壓力4Mpa，電磁閥開啟相位50oCA，控制脈寬12ms的條件下，如9圖所示，隨進油孔直徑增加，氣門延遲關(guān)閉角度變大。這是因為孔徑增加后有利于減小局部損失，增加了單位時間流入腔室的流量，如10圖所示。此外，隨著進油孔徑的增加，氣門延遲響應(yīng)速度變快，由圖11可知，進油孔徑≥3mm時，氣門達到最大的延遲角度?？讖健?.5mm后，氣門達到最大的延遲角度所需時間變化較小，繼續(xù)增加進油孔徑對氣門響應(yīng)意義不大。

圖11 進油孔直徑對延遲關(guān)閉角度的影響

3.4 電磁閥開啟時刻對氣門型線的影響

圖13為在發(fā)動機運行在2000r/min，可變氣門系統(tǒng)轉(zhuǎn)子截面積200mm2，供油壓力4Mpa，油孔直徑3.5mm，控制脈寬12ms的條件下，電磁閥開啟相位在-60 -60°CA范圍內(nèi)調(diào)整，氣門型線的變化規(guī)律。如圖所示，原機的氣門開啟相位為-30°CA，當(dāng)電磁閥在-60oCA和-40oCA開啟時，氣門型線呈現(xiàn)往延遲方向平移的規(guī)律，這是因為氣門未開啟前，液壓腔進入液壓油，轉(zhuǎn)子往凸輪反方向移動，此時凸輪處于基圓位置，相對改變凸輪與氣門的配氣相位，使氣門延遲開啟，故出現(xiàn)型線平移的狀態(tài)。當(dāng)電磁閥相位在50oCA和60oCA開啟時，氣門在-30oCA已經(jīng)開啟，液壓油進入液壓腔后，氣門型線在50oCA和60oCA后才開始平移，進而產(chǎn)生關(guān)閉延遲。

圖12 電磁閥開啟相位對氣門型線的影響

3.5 供油持續(xù)期對晚關(guān)角度的影響

如13圖所示，電磁閥開啟持續(xù)期為6ms-12ms，隨著供油持續(xù)期的增大，氣門延遲關(guān)閉角度逐漸增大，并且只有當(dāng)供油持續(xù)期在12ms以上時才能夠達到最延遲關(guān)閉度。

圖13 供油持續(xù)期對氣門延遲關(guān)閉角度的影響

4、結(jié)論

本文以轉(zhuǎn)子式液壓可變氣門系統(tǒng)為研究對象，利用數(shù)值模擬的方式研究關(guān)鍵參數(shù)對可變氣門系統(tǒng)型線及附加升程型線的影響規(guī)律，具體得到如下結(jié)論：

1）供油壓力增加有利于提高氣門響應(yīng)速度，縮短達到最延遲關(guān)閉角度的耗時；

2）隨著進油孔直徑增加，延遲關(guān)閉角度增加，同時氣門的響應(yīng)速度變快。

3）保持可變氣門延遲腔室角最大值不變條件下，氣門響應(yīng)速度隨轉(zhuǎn)子截面積增加而變慢。

4）電磁閥開啟相位在原機氣門開啟相位之前，則氣門型線往延遲方向整體平移；電磁閥開啟相位在原機氣門開啟相位之后，則氣門型線在電磁閥開啟相位后產(chǎn)生關(guān)閉延遲。

5）隨著供油持續(xù)期的增加，氣門延遲關(guān)閉角度增加。

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Effects of the Key Parameters of hydraulic Variable Valve System On the valve profile

Han Zhiqiang, Liu Zhi
（Vehicle Measurement, Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province, School of Automotive and Transportation, Xihua University, Sichuan Chengdu 610039）

An Electro—Hydraulic Variable Valve System Was invented on the basis of DK4A diesel engine .A Variable Valve System simulation model was established by a numerical model in order to the influence of the key parameters of the Electro—Hydraulic Variable Valve System on valve profile. Results indicate that increasing the oil pressure ,the diameter of inflow hole and the duration of suppling oil of the variable valve system can all increase the valve closing delay angle. Meanwhile it is an effective approch to improve vavle response through decreasing rotor cross - sectional area,increasing oil pressure and increasing the diameter of inflow hole.

diesel; late intake vavle closing; numerical model; late closing angle

U462.1

A

1671-7988 (2017)05-63-04

通訊作者：韓志強，副教授博士，主要從事內(nèi)燃機燃燒與控制方面研究?；痦椖浚航逃看簳熡媱濏椖浚╖2014059）；測流體及動力機械教育部重點實驗室開放課題（szjj2016-006）；測控與安全四川省重點實驗室開發(fā)課題（szjj2013-028）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.021