二甲醚可控預混合燃燒系統機電液控制研究

周吉偉 ，鄭安文 ，趙慧勇 ，2，張光德

（1.武漢科技大學 汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081；2.湖北汽車工業學院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，湖北 十堰 442002）

1 引言

近年來，隨著石油資源的日趨枯竭，能源問題已成為制約國家經濟健康發展的重要因素；與此同時，汽車保有量的持續快速增加，汽車排放有害物對大氣污染日益嚴重，已成為我國大氣環境的主要污染源之一。面對能源和環境的雙重挑戰，尋找一種清潔環保的替代燃料已成為當前汽車工業發展的首要任務，二甲醚以其獨特的物化特性成為目前較為理想的選擇之一[1-2]。

目前關于二甲醚作為替代燃料的研究主要是基于均質充量壓燃（HCCI）燃燒模式[3-4]。從國內外學者實驗研究結果來看，HCCI燃燒模式尚不成熟，依然存在著火時刻難以控制、低負荷失火、高負荷爆燃等技術障礙[5]。為了解決這些問題，學者們提出了二甲醚可控預混合燃燒（ControllablePremixedCombustion，簡稱CPC）系統[6-7]。該燃燒系統通過主燃燒室和副燃燒室之間的控制閥控制預混合氣的形成、著火及燃燒，其控制閥的開閉動作由安裝在進氣或者排氣凸輪軸上的驅動凸輪直接驅動[8]。這種控制方式的弊端在于過度依賴凸輪的型線對控制閥的開度進行控制，無法滿足預混合燃燒系統中控制閥需要長時間保持較大開度開啟狀態的要求。

針對此問題，設計了一種機電液控制系統，該系統能夠滿足一個工作循環中控制閥需要相對較長時間保持較大開度開啟狀態的需求，實現控制閥正時及升程可變控制，并能有效減緩控制閥與控制閥座之間的沖擊，減小噪聲并延長控制閥的使用壽命，提高了燃燒效率[9-10]?；贏MEsim軟件重點對控制系統的控制特性進行分析研究。

2 二甲醚可控預混合燃燒控制閥機電液控制系統結構及工作原理

控制閥機電液控制系統主要由凸輪及液壓驅動機構、控制閥開閉執行機構、供油回路及控制閥落座緩沖回路、系統ECU構成，該系統結構，如圖1所示。

圖1 機電液控制系統結構Fig.1 Structure of Mechanical and Electro-hydraulic Control System

該系統工作原理：壓縮行程末期，關閉控制閥，此時凸輪從動件與凸輪接觸部位處于凸輪的近休止期，ECU發出指令打開電磁閥18，關閉電磁閥8。此時，油箱中的液壓油在油泵的作用下經過供油回路進入活塞缸1，由于控制閥彈簧的預緊力遠高于液壓油作用與活塞缸14的活塞表面產生的壓力，使得活塞缸的活塞保持靜止狀態。關閉電磁閥18，凸輪進入推程期，通過封閉的液壓油作用與活塞缸14，打開控制閥。在單向閥17的作用下，當凸輪進入回程期，控制閥依然可以保持打開狀態，并持續到下一工作循環的進氣行程末期。ECU發出指令，打開電磁閥8，活塞缸14內的液壓油在控制閥彈簧13的作用下，經過單向閥15所在回路流回油箱，接近落座時刻活塞上移自動封閉單向閥15所在回路，余留的液壓油只能通過節流閥16所在回路流回油箱，從而達到落座緩沖的目的。

3 數學建模及分析

3.1 控制閥開閉階段運動學分析

開啟階段，電磁閥均保持關閉狀態，將活塞缸（14）中的液壓活塞和閥門組件作為一集中質量m處理，則機電液控制系統中的閥門開啟部分簡化為受液壓驅動力作用下的單質量運動模型。對該單質量系統進行受力分析，其運動學方程：

式中：Bc—阻尼系數；k—閥門彈簧的剛度系數；x—閥門的升程；x0—彈簧的預壓縮量；P1—活塞缸內液壓油壓力；A1—活塞截面積；P2—閥門開啟時刻主燃燒室內的氣體壓力；A2—控制閥門最大截面積。在仿真中不考慮P2A2。m—當量質量，即：

式中：m1—活塞質量；m2—控制閥門、上彈簧座和鎖夾質量；m3—閥門彈簧質量（閥門彈簧一端固定在副燃燒室頂端的下彈簧座，取其質量的1/3）。

3.2 控制閥關閉階段運動學分析

控制閥門關閉階段，該機電液控制系統即簡化為受閥門彈簧回復力作用下的單質量運動模型。對該單質量系統進行受力分析，其運動學方程：

在控制閥關閉過程中，系統中電磁閥及節流閥油口均按照短孔處理，流量計算公式如下：

液壓油經過節流閥油口時，油路有效斷面收縮，由伯努利方程得：

式中：P—經過節流閥油口前的油壓；ρ—液壓油密度；g—重力加速度；P0—經過節流閥油口后的油壓；v2—經過節流閥之后的液壓油平均流速；hω—單位質量液壓油流經節流閥油口的能量損失；ξ—局部阻力系數；CV—流速系數；Cc—斷面收縮系數。

4 仿真建模及分析

為深入研究該機電液控制系統控制特性及其關鍵影響參數，根據控制系統原理在AMEsim軟件中建立二甲醚可控預混合燃燒機電液控制系統仿真模型，如圖2所示；以此為基礎搭建控制系統試驗臺架，其原理如圖3所示。

圖2 機電液控制系統仿真模型Fig.2 Simulation Model of Mechanical and Electro-hydraulic Control System

圖3 試驗臺架原理圖Fig.3 Principle Diagram of Test Bench

根據臺架組成元件實際規格設置仿真模型各模塊的參數，液壓缸14活塞桿頭部裝有位移傳感器。根據液壓缸14上油孔間距設定信號比較器初始值，傳感器所收集信號與信號比較器設定的初始值值相比較，從而決定電磁閥8的開啟關閉時刻?？刂崎y升程仿真結果與試驗結果對比圖，如圖4所示。

圖4 控制閥升程仿真結果與試驗結果對比Fig.4 Control Valve Lift Simulation Results Compared with Test Results

由圖4可知，試驗結果與仿真結果相吻合，這較好證明了該控制系統的可行性。以此仿真模型為基礎對控制閥升程及速度變化規律、影響因素進行分析。重點研究電磁閥18的持續開啟時間、控制閥彈簧剛度、油口α和β的間距三個因素對控制閥升程及速度變化規律的影響。

4.1 電磁閥18的持續開啟時間（Δt）長短對控制閥升程及速度變化規律的影響

Δt是指油泵供給液壓油到液壓缸1的過程中，電磁閥18保持開啟狀態的時間，即液壓油的供給時間。Δt設定為8ms、10ms、12ms，其它模型參數保持不變，控制閥升程及速度的變化規律，如圖5所示。圖5表明，電磁閥18的持續開啟時間（Δt）不同，控制閥升程和速度變化趨勢基本相同。由圖5（a）可看出，Δt越長，控制閥的最大升程越大。這是因為Δt越長，液壓缸1中封閉的液壓油柱越長，從而在凸輪驅動作用下最終打開控制閥的升程也越大。由圖5（b）可看出，Δt越長，控制閥開啟和關閉過程中的最大速度也會越大。這是因為Δt越長，液壓缸1中封閉的液壓油柱越長，因此凸輪推程期中有效轉角越大，從而使控制閥加速的時間也越長，達到更大的速度。而在控制閥關閉時刻，由于Δt增加使控制閥的最大升程增大，控制閥彈簧的壓縮量更大，控制閥在關閉時的加速度也越大，即在相同時間內達到更大的速度。

圖5 電磁閥18的持續開啟時間長短對控制閥升程及速度變化規律的影響Fig.5 Effect of Solenoid Valve 18 Duration on Control Valve Lift and Velocity

4.2 控制閥彈簧剛度對控制閥升程及速度變化規律的影響

設定控制閥彈簧剛度為16N/mm、18N/mm、20N/mm，其它模型參數保持不變，控制閥升程及速度的變化規律，如圖6所示。圖6表明，在不同的彈簧剛度下，控制閥升程和速度變化趨勢基本相同。由圖6（a）可知，彈簧的剛度越小，在控制閥升程最大位移處振動幅度越大。這是因為在控制閥達到最大速度時，控制閥及控制閥彈簧可以近似簡化受到初始激勵的自由振動，控制閥的動能轉化為彈簧的彈性勢能，因此，在初始動能不變的情況下，彈簧的剛度越小，壓縮量越大，即振動的幅度越大。由圖6（b）可知，彈簧剛度越大，控制閥關閉過程中的最大速度越大。這是因為控制閥關閉過程初期，控制閥主要受彈簧回復力作用，彈簧的剛度越大，（控制閥的振動幅度與彈簧壓縮量相比可忽略不計）所受彈簧回復力越大，加速度也越大，從而在相同距離（油孔α和β所在截面沿缸體軸線方向的直線距離）的加速階段，獲得更大的速度。

圖6 控制閥彈簧剛度對控制閥升程及速度變化規律的影響Fig.6 Effect of Control Valve Spring Stiffness on Control Valve Lift and Velocity

4.3 油孔間距對控制閥升程及速度變化規律的影響

油孔間距是指液壓缸14的缸體上，油孔α和β所在截面沿缸體軸線方向的直線距離，其中油孔α的位置固定在液壓缸14端部，通過改變油孔β的位置來改變兩個油孔的間距。油孔間距設定為0mm、6mm、8mm，油孔間距為0表示油孔α和β位置重合，在泄油過程中液壓缸14中的液壓油只通過油口β所在管路流回油箱。其它模型參數不變，控制閥升程及速度的變化規律，如圖7所示。由圖7（a）可知，油孔間距越大，控制閥完成落座所用時間越長。這是因為油孔間距越大，控制閥在關閉過程中，液壓缸14的活塞與油孔β所在截面沿缸體軸線方向直線距離越小?；钊涍^油孔β后，油孔β自動被封閉，無桿腔內剩余的液壓油只能經油孔α所在回路流回油箱，由于油孔α所在油路中節流閥有效孔徑遠小于油孔β所在油路中油管管徑。因此控制閥落座所用時間越更長。由圖7（b）可知，經過節流閥回路的緩沖作用，控制閥接近落座時刻瞬時速度由1.5m/s降為0.5m/s，這是因為油孔α所在油路中節流閥有效孔徑遠小于油孔β所在油路中油管管徑，液壓油流經節流閥所在回路受到更大的阻尼力，從而減緩控制閥落座速度。

圖7 油孔間距對控制閥升程及速度變化規律的影響Fig.7 Effect of Oil Hole Spacing on Control Valve Lift and Velocity

5 結論

（1）本機電液控制系統既能實現控制閥升程可變控制，也能較好滿足二甲醚可控預混合燃燒在一個工作循環中控制閥需要相對較長時間保持較大開度開啟狀態的需求。（2）電磁閥18持續開啟時間長短決定了控制閥的最大開度大小，在設定的最大開度范圍內，持續開啟時間越長控制閥開啟的最大開度越大；控制閥彈簧剛度大小對控制閥開啟到最大開度時候的振動幅度有較大影響，剛度越大，振動幅度越小。（3）通過節流閥緩沖回路能夠使控制閥接近落座時刻瞬時速度由1.5m/s降為0.5m/s，有效減小控制閥與閥座之間的沖擊，實現控制閥平緩落座。