韓志強(qiáng)，劉智

（測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西華大學(xué)交通與汽車(chē)工程學(xué)院，四川 成都 610039）

液壓可變氣門(mén)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響研究

韓志強(qiáng)，劉智

（測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西華大學(xué)交通與汽車(chē)工程學(xué)院，四川 成都 610039）

基于DK4柴油機(jī)設(shè)計(jì)了一套電控液壓驅(qū)動(dòng)可變氣門(mén)系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)值模擬建立可變氣門(mén)系統(tǒng)模型，研究可變氣門(mén)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，增大可變氣門(mén)系統(tǒng)的供油壓力，增加進(jìn)油孔直徑以及增長(zhǎng)供油持續(xù)期均能增加氣門(mén)的延遲關(guān)閉角。同時(shí)減小轉(zhuǎn)子截面積，提高供油壓力、增大進(jìn)油孔直徑是有效提高氣門(mén)響應(yīng)速度的有效途徑。

柴油機(jī)；進(jìn)氣門(mén)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(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣特性，對(duì)燃燒過(guò)程的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高效清潔燃燒，配氣相位應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的氣路狀態(tài)參數(shù)需求來(lái)調(diào)控[1]?？勺儦忾T(mén)技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)配氣相位和升程調(diào)整的關(guān)鍵，而可變氣門(mén)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(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)可變氣門(mén)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)展開(kāi)了大量研究。G. B. Parvate-Patil等人建立了仿真模型[6]，研究了進(jìn)排氣門(mén)處氣體的動(dòng)態(tài)過(guò)程，特別是壓力-容積和氣門(mén)處的反向流動(dòng)等。仿真計(jì)算結(jié)果顯示， 進(jìn)氣門(mén)早關(guān) (Early Intake Valve Closing，EIVC)可使在壓縮過(guò)程中的返流降低或消失，泵氣損失降低。而進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)(Late Intake Valve Closing，LIVC)在壓縮過(guò)程中一部分氣體返流進(jìn)入進(jìn)氣管。泵氣損失降低，返流導(dǎo)致進(jìn)氣減少，壓縮過(guò)程中溫度和壓力降低。Murata[7]等人研究了進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)配合進(jìn)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(jī)熱效率的同時(shí)，證實(shí)了柴油機(jī)可變氣門(mén)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(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。Rinu Thomas[8]等人通過(guò)可變氣門(mén)改變發(fā)動(dòng)機(jī)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(mén)系統(tǒng)中節(jié)流孔節(jié)流面積和節(jié)流孔形狀對(duì)氣門(mén)落座沖擊的影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)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(mén)升程變化率較大時(shí)，節(jié)流孔節(jié)流作用較強(qiáng)，使節(jié)流時(shí)的活塞腔壓力較高，氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期減小，氣門(mén)落座速度增大；陳學(xué)勤[10]在2135G氣缸蓋上安裝試驗(yàn)，共軌壓力為10 MPa，轉(zhuǎn)速為1 500r／min發(fā)現(xiàn)隨著控制信號(hào)脈寬增加；氣門(mén)開(kāi)啟的持續(xù)時(shí)間也增加；當(dāng)共軌壓力增加時(shí)，氣門(mén)開(kāi)啟的速度加快，并且隨共軌壓力的提高氣門(mén)的最大升程增加；彭義增等人[11]建立了柴油機(jī)的數(shù)值模型，分析了附加升程限位對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的影響。研究表明，最大附加升程限位對(duì)進(jìn)氣質(zhì)量流量影響很小，最大附加升程限位對(duì)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(mén)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬的方式研究關(guān)鍵參數(shù)對(duì)可變氣門(mén)系統(tǒng)型線(xiàn)及附加升程型線(xiàn)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(mén)結(jié)構(gòu)及原理

圖1 可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)

圖2 可變氣門(mén)工作原理

針對(duì)原機(jī)雙頂置凸輪軸，無(wú)搖臂式的配氣機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的可變氣門(mén)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(guò)機(jī)體油道進(jìn)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(jìn)入液壓腔的相位與進(jìn)油量。液壓腔產(chǎn)生的液壓力使轉(zhuǎn)子逆向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和凸輪軸與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相位發(fā)生相對(duì)改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣門(mén)配氣相位的調(diào)節(jié)。

2、可變氣門(mén)系統(tǒng)模型構(gòu)建

為了研究可變氣門(mén)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)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(guò)程滿(mǎn)足質(zhì)量守恒、動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)，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(shí)間，x為轉(zhuǎn)子位移，A為轉(zhuǎn)子截面積。

3、關(guān)鍵參數(shù)對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響

以DK4A柴油機(jī)為對(duì)象，建立可變氣門(mén)系統(tǒng)模型。模型定義排氣上止點(diǎn)時(shí)刻為0°CA，原機(jī)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟相位-30° CA，關(guān)閉相位220°CA。設(shè)計(jì)的可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)最大延遲角度為20°CA?；谀Ｐ瓦吔鐥l件，課題組開(kāi)展關(guān)鍵參數(shù)對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響研究。

3.1 供油壓力對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響

圖3為可變氣門(mén)系統(tǒng)進(jìn)油孔直徑3mm，轉(zhuǎn)子截面200mm2，控制脈寬12ms，電磁閥開(kāi)啟相位50oCA，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在2000r/min條件下，供油壓力在1.5-5Mpa時(shí)氣門(mén)型線(xiàn)的變化規(guī)律。由圖可知，隨著供油壓力增加，氣門(mén)關(guān)閉角度推遲。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著供油壓力增加，附加升程開(kāi)啟相位提前，最大附加升程最大高度增加。這是因?yàn)殡S著供油壓力增加，液壓驅(qū)動(dòng)力增加氣門(mén)開(kāi)啟響應(yīng)變快。此外，隨供油壓力增加，如圖4所示，氣門(mén)延遲角度增加，油壓大于3Mpa時(shí)，達(dá)到20°CA延遲角度，且隨著供油壓力增加，達(dá)到最大延遲角度所需時(shí)間減小，由此可知，供油壓力對(duì)可變氣門(mén)系統(tǒng)響應(yīng)速度影響較大。

圖3 供油壓力對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響規(guī)律

圖4 供油壓力對(duì)延遲角度所需時(shí)間的影響

3.2 轉(zhuǎn)子截面積對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響

圖5 液壓腔室示意圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在2000r/min，進(jìn)油孔直徑3mm，供油壓力4Mpa，電磁閥開(kāi)啟相位50oCA，控制脈寬12ms，保持可變氣門(mén)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(mén)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(shí)，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(dá)到最大延遲角度的耗時(shí)逐漸增加，如圖8所示，在截面積超過(guò)300mm2時(shí)已不能夠達(dá)到最大的延遲關(guān)閉角度。

圖6 轉(zhuǎn)子截面積對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)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(duì)達(dá)到最大延遲角度的影響

3.3 進(jìn)油孔直徑對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響

圖9 進(jìn)油孔直徑對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響

圖10 不同進(jìn)油孔直徑的流量

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在2000r/min，可變氣門(mén)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子截面積200mm2，供油壓力4Mpa，電磁閥開(kāi)啟相位50oCA，控制脈寬12ms的條件下，如9圖所示，隨進(jìn)油孔直徑增加，氣門(mén)延遲關(guān)閉角度變大。這是因?yàn)榭讖皆黾雍笥欣跍p小局部損失，增加了單位時(shí)間流入腔室的流量，如10圖所示。此外，隨著進(jìn)油孔徑的增加，氣門(mén)延遲響應(yīng)速度變快，由圖11可知，進(jìn)油孔徑≥3mm時(shí)，氣門(mén)達(dá)到最大的延遲角度?？讖健?.5mm后，氣門(mén)達(dá)到最大的延遲角度所需時(shí)間變化較小，繼續(xù)增加進(jìn)油孔徑對(duì)氣門(mén)響應(yīng)意義不大。

圖11 進(jìn)油孔直徑對(duì)延遲關(guān)閉角度的影響

3.4 電磁閥開(kāi)啟時(shí)刻對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響

圖13為在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在2000r/min，可變氣門(mén)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(kāi)啟相位在-60 -60°CA范圍內(nèi)調(diào)整，氣門(mén)型線(xiàn)的變化規(guī)律。如圖所示，原機(jī)的氣門(mén)開(kāi)啟相位為-30°CA，當(dāng)電磁閥在-60oCA和-40oCA開(kāi)啟時(shí)，氣門(mén)型線(xiàn)呈現(xiàn)往延遲方向平移的規(guī)律，這是因?yàn)闅忾T(mén)未開(kāi)啟前，液壓腔進(jìn)入液壓油，轉(zhuǎn)子往凸輪反方向移動(dòng)，此時(shí)凸輪處于基圓位置，相對(duì)改變凸輪與氣門(mén)的配氣相位，使氣門(mén)延遲開(kāi)啟，故出現(xiàn)型線(xiàn)平移的狀態(tài)。當(dāng)電磁閥相位在50oCA和60oCA開(kāi)啟時(shí)，氣門(mén)在-30oCA已經(jīng)開(kāi)啟，液壓油進(jìn)入液壓腔后，氣門(mén)型線(xiàn)在50oCA和60oCA后才開(kāi)始平移，進(jìn)而產(chǎn)生關(guān)閉延遲。

圖12 電磁閥開(kāi)啟相位對(duì)氣門(mén)型線(xiàn)的影響

3.5 供油持續(xù)期對(duì)晚關(guān)角度的影響

如13圖所示，電磁閥開(kāi)啟持續(xù)期為6ms-12ms，隨著供油持續(xù)期的增大，氣門(mén)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(shí)才能夠達(dá)到最延遲關(guān)閉度。

圖13 供油持續(xù)期對(duì)氣門(mén)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(mén)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬的方式研究關(guān)鍵參數(shù)對(duì)可變氣門(mén)系統(tǒng)型線(xiàn)及附加升程型線(xiàn)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(mén)響應(yīng)速度，縮短達(dá)到最延遲關(guān)閉角度的耗時(shí)；

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

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

4）電磁閥開(kāi)啟相位在原機(jī)氣門(mén)開(kāi)啟相位之前，則氣門(mén)型線(xiàn)往延遲方向整體平移；電磁閥開(kāi)啟相位在原機(jī)氣門(mén)開(kāi)啟相位之后，則氣門(mén)型線(xiàn)在電磁閥開(kāi)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(mén)延遲關(guān)閉角度增加。

[1] 蘇萬(wàn)華,高密度-低溫柴油機(jī)燃燒理論與技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2008,S1：3-6.

[2] 謝宗法,孔超,王建昕等.發(fā)動(dòng)機(jī)全可變液壓氣門(mén)機(jī)構(gòu)進(jìn)氣性能的研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)[J].2009，27(5)：435—439．

[3] 韓志強(qiáng),蘇萬(wàn)華,戰(zhàn)強(qiáng)等.IVCA機(jī)構(gòu)與增壓系統(tǒng)在柴油機(jī)中等負(fù)荷的優(yōu)化匹配研究，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào).2013.44(3)：17-23.

[4] 戰(zhàn)強(qiáng).重型柴油機(jī)可變氣門(mén)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué),2012.57-75.

[5] 劉發(fā)發(fā),黃為鈞,王云開(kāi)等.電控液壓驅(qū)動(dòng)可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī).2010(1),70-72.

[6] G.B.Parvate-Patil, H.Hong,B.Gordon. Analysis of variable valve timing events and their effects on single cylinder diesel rngine[J]. SAE paper ,2004-05-0103.

[7] Y Murata，K Jin，M Odaka，Y Daisho，D Kawano. Achievement of Medium Engine Speed and Load Premixed Diesel Combustion with Variable Valve Timing[J].SAE Paper,2006-01-0203.

[8] Rinu Thomas, Sreesankaran M , Jeevan Jaidi.Experimental Evaluation of the Effect of Variable Compression Ratio onPerformance and Emission of SI Engine Fuelled with Petrol and n-Butanol Blend at Different Loads.[J] Perspectives in Science, S2213-0209(16)30215-4,2016.

[9] 謝宗法,王志明,劉力.全可變液壓氣門(mén)機(jī)構(gòu)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)特性的研究.內(nèi)燃機(jī)科技[N].2010.

[10] 陳勤學(xué),崔可潤(rùn),朱國(guó)偉.中壓共軌電控柴油機(jī)可變氣門(mén)系統(tǒng)的研制.熱科學(xué)與技術(shù).[J].2002,1(2)：123-127.

[11] 潘鎖柱,彭義增,韓偉強(qiáng),等.柴油機(jī)進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)進(jìn)氣性能的影響研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2015,24：3312-3317.

[12] 張廷羽．電液氣門(mén)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析．流體傳動(dòng)與控制[J].2005(3)：1-4．

[13] 尹朧,王海,曾東建,彭義增,王瑜等.可變氣門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J].內(nèi)燃機(jī).2015，（2）：34-35

[14] 謝宗法.基于配氣凸輪驅(qū)動(dòng)的全可變液壓氣門(mén)機(jī)構(gòu)的研究[D].山東：山東大學(xué),2011.86-90.

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(qiáng)，副教授博士，主要從事內(nèi)燃機(jī)燃燒與控制方面研究。基金項(xiàng)目：教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目（Z2014059）；測(cè)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（szjj2016-006）；測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)課題（szjj2013-028）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.021