陳俊，李建，宋小田，路勇

1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108 2.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

隨著內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境污染與能源短缺問(wèn)題，節(jié)能與環(huán)保已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)發(fā)展的主題。為了降低內(nèi)燃機(jī)的能耗與排放，新興的內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排技術(shù)也快速發(fā)展[1-3]。全可變配氣技術(shù)作為突破傳統(tǒng)柴油機(jī)性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，將在未來(lái)內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排方面扮演重要的角色[4-6]。全可變配氣技術(shù)可以內(nèi)燃機(jī)配氣正時(shí)，氣閥升程以及氣閥開(kāi)啟速度全可變，這使得柴油機(jī)配氣參數(shù)在全工況下保持最優(yōu)成為可能[7-8]。低速二沖程柴油機(jī)由于其進(jìn)氣過(guò)程一般采用掃氣的形式，所以對(duì)低速二沖程的全可變配氣研究主要集中在排氣閥的全可變。由于低速二沖程柴油機(jī)的排氣閥具有氣閥升程大、氣閥運(yùn)動(dòng)慣性大等特點(diǎn)，使得高速柴油機(jī)與汽油機(jī)的全可變氣閥相關(guān)的研究不能應(yīng)用于低速二沖程柴油機(jī)[9-11]。

為開(kāi)展低速二沖程柴油機(jī)的相關(guān)可變配氣技術(shù)研究，需要對(duì)低速二沖程柴油機(jī)排氣閥及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模。但在目前的國(guó)內(nèi)外研究當(dāng)中，一方面，對(duì)低速機(jī)電液式排氣閥建模的研究相對(duì)較少；另一方面，目前對(duì)對(duì)排氣閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的建模多采用簡(jiǎn)化處理，在研究電液驅(qū)動(dòng)氣閥的時(shí)候，簡(jiǎn)化后的模型無(wú)法滿足研究氣閥驅(qū)動(dòng)特性的要求[12-14]。

本文以6EX340EF柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立二沖程柴油機(jī)排氣系統(tǒng)模型，分析排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)特性，為搭建低速二沖程可變配氣試驗(yàn)臺(tái)提供理論基礎(chǔ)。

1 340柴油機(jī)排氣閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

1.1 排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理

340柴油機(jī)的排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由共軌管、兩位三通控制閥、排氣閥控制單元以及排氣閥總成組成。

圖1 排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)氣閥需要打開(kāi)的時(shí)候，兩位三通閥得電，共軌管中的高壓油經(jīng)過(guò)兩位三通閥到達(dá)氣閥控制單元(valve contriol unit,VCU)中的A腔，A腔中的高壓油推動(dòng)大小活塞P1與P2向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，阻斷高壓補(bǔ)油通道O1。當(dāng)大活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，大小活塞分離，小活塞繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)。大小活塞向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)壓縮C腔與D腔中的液壓油使D腔中的油壓升高，推動(dòng)活塞P3、P4與氣閥克服氣缸K中的排氣壓力以及空氣彈簧G內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)，氣閥打開(kāi)。當(dāng)小活塞運(yùn)動(dòng)到上極限位置時(shí)，空氣彈簧壓縮到最大，氣閥升程達(dá)到最大。

當(dāng)氣閥需要關(guān)閉的時(shí)候，兩位三通閥切換到低壓油，此時(shí)A腔中充滿低壓油，C腔與D腔中的高壓油推動(dòng)大小活塞P1與P2向下運(yùn)動(dòng)，D腔中的油壓力降低，排氣閥與活塞P3以及空氣彈簧P4在空氣彈簧以及排氣壓力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，氣閥開(kāi)始關(guān)閉。當(dāng)氣閥快要關(guān)閉的時(shí)候，活塞P3進(jìn)入D腔并經(jīng)過(guò)活塞上的緩沖節(jié)流孔減速，氣閥開(kāi)始緩沖直到氣閥落座，活塞P3的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，活塞上的4個(gè)緩沖槽可以有效降低氣閥落座速度，降低氣閥噪聲。

圖2 排氣閥緩沖結(jié)構(gòu)

在氣閥關(guān)閉的時(shí)候，共軌管中的高壓油經(jīng)補(bǔ)油通道O1進(jìn)入C腔與D腔，再經(jīng)補(bǔ)油通道O2進(jìn)入F腔，最終進(jìn)入低壓油箱。

1.2 排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模模塊劃分

根據(jù)排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理，將系統(tǒng)分為以下4部分進(jìn)行建模。

1)共軌管及兩位三通閥模塊

共軌管與兩位三通閥建模決定大小活塞的驅(qū)動(dòng)壓力，兩位三通閥的動(dòng)態(tài)特性決定大小活塞的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)而決定氣閥開(kāi)啟速度。

2)排氣閥控制單元VCU模塊

VCU模塊中大小活塞的運(yùn)動(dòng)直接決定C腔與D腔中油的壓力，C腔與D腔的壓力直接決定氣閥開(kāi)啟速度。

3)排氣閥總成模塊

排氣閥總成模塊中的建模關(guān)鍵點(diǎn)在緩沖結(jié)構(gòu)的建模。緩沖結(jié)構(gòu)的建模決定氣閥落座速度。

4)空氣彈簧、排氣背壓以及氣缸壓力建模

空氣彈簧、排氣背壓以及氣缸壓力部分的建模決定氣閥在開(kāi)啟過(guò)程中受到的阻力以及氣閥落座過(guò)程中的動(dòng)力。

2 柴油機(jī)排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模

根據(jù)第1節(jié)所述，排氣閥動(dòng)作過(guò)程中，排氣閥的受力情況決定排氣閥的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

排氣閥開(kāi)啟瞬間，閥桿受力應(yīng)該滿足式(1)：

(1)

如果假設(shè)為理想狀態(tài)，不考慮高壓油管內(nèi)的壓力損失，理論上，PC=PD。

排氣閥維持階段，閥桿受力應(yīng)滿足：

排氣閥關(guān)閉階段，閥桿受力應(yīng)滿足：

式中：PD、PE、PG、PH、PK為圖1中D腔、E腔、空氣缸G腔、排氣道H腔以及氣缸K腔的壓力；DD、DP3、DH、DG、DK分別指對(duì)應(yīng)腔的等效直徑。

由上述分析可知，排氣閥運(yùn)動(dòng)的決定因素為驅(qū)動(dòng)活塞上腔壓力、空氣缸壓力、氣缸壓力以及排氣道背壓。

2.1 供油系統(tǒng)及換向閥建模

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的供油系統(tǒng)及換向閥模型如圖3所示。利用電機(jī)帶動(dòng)定量泵經(jīng)過(guò)溢流閥產(chǎn)生高壓流體來(lái)模擬實(shí)際柴油機(jī)系統(tǒng)中的柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中的共軌壓力。為了模擬共軌中的壓力，在系統(tǒng)中增加大容量的蓄能器來(lái)使共軌系統(tǒng)的壓力保持穩(wěn)定。供油系統(tǒng)的主要系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。根據(jù)表1所建立的供油系統(tǒng)模型仿真結(jié)果如圖4所示。圖中的壓力突變是由于換向閥切換的時(shí)候，供油系統(tǒng)向A腔供油，使得供油系統(tǒng)壓力瞬降。

圖3 供油系統(tǒng)及換向閥模型

名稱數(shù)值定量泵排量/(cc·r-1)120電機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1500溢流閥開(kāi)啟壓力/MPa30蓄能器容積/L5蓄能器氣體壓力/MPa7換向閥自然頻率/Hz200

圖4 供油系統(tǒng)模型仿真結(jié)果

2.2 排氣閥控制單元VCU建模

排氣閥控制單元VCU模型如圖5所示。模型中的1代表圖1中的P1與P2兩個(gè)活塞的質(zhì)量；2表示了大小活塞之間力的傳遞關(guān)系；3表示了大活塞P1運(yùn)動(dòng)到上極限位置時(shí)與B腔之間的沖擊；4表示油路中管道的容腔；5表示大活塞P1的上下腔；6、7分別表示小活塞P2的下腔與上腔；8表示大小活塞的泄漏；9表示小活塞上腔C腔與排氣閥總成上腔D腔之間的高壓油管；10表示小活塞上腔的高壓補(bǔ)油通道。

圖5 排氣閥控制單元VCU模型

對(duì)建好的模型進(jìn)行仿真，仿真得到的大小活塞P1與P2的運(yùn)動(dòng)曲線如圖6所示。大活塞P1運(yùn)動(dòng)的最大距離為8 mm，小活塞運(yùn)動(dòng)的最大距離為36 mm。

圖6 大小活塞運(yùn)動(dòng)曲線

2.3 排氣閥總成建模

排氣閥總成建模的難點(diǎn)在于氣閥緩沖結(jié)構(gòu)的建模，排氣閥緩沖結(jié)構(gòu)如圖2所示?；钊鸓3頂部的凸臺(tái)形狀以及活塞側(cè)面的4個(gè)緩沖溝槽共同組成了氣閥的緩沖結(jié)構(gòu)。本文利用4個(gè)節(jié)流孔以及1個(gè)凸臺(tái)模型組成。本文建立的排氣閥總成模型如圖7所示。圖中1為4個(gè)節(jié)流孔，2為圖1中的D腔，3為活塞泄漏模型，4、5共同構(gòu)成了圖1中的O2泄油通道。當(dāng)氣閥升程小于17 mm時(shí)，緩沖節(jié)流孔開(kāi)始工作。因此在可變節(jié)流孔的控制策略6中，需要用氣閥升程與固定值k=17 mm進(jìn)行比較。

圖7 排氣閥總成建模

2.4 氣缸、氣道與空氣彈簧建模

氣缸、氣道以及空氣彈簧建模的難點(diǎn)在于氣閥受到的氣缸與排氣背壓的力。由于本文不涉及燃燒，無(wú)法準(zhǔn)確模擬全周期工況下氣缸和氣道的壓力。所關(guān)注的柴油機(jī)周期是排氣閥開(kāi)啟過(guò)程中排氣閥的受力情況。因此，依據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的氣缸壓力曲線與排氣背壓曲線作為氣閥閥盤的受力輸入?？諝鈴椈刹糠郑疚目紤]空氣缸的泄漏，利用一個(gè)恒壓氣源作為空氣彈簧的補(bǔ)氣輸入，維持空氣缸在每循環(huán)開(kāi)啟前空氣缸壓力的一致性。建立的空氣彈簧與氣缸部分的模型如圖8所示。

1.氣彈簧的模型；2.氣背壓模型；3.缸壓力模型圖8 氣缸與空氣彈簧建模

3 原理及性能仿真驗(yàn)證

本節(jié)首先對(duì)第2節(jié)建立的排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)定，基于標(biāo)定后的排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，開(kāi)展排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)特性研究。

3.1 排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)定

在157 r/min、100%負(fù)荷下標(biāo)定氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。標(biāo)定的重點(diǎn)是氣閥開(kāi)啟速度、氣閥關(guān)閉速度以及氣閥升程。氣閥正時(shí)可通過(guò)調(diào)整圖1或圖5中的兩位三通閥得失電時(shí)刻進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于不涉及柴油機(jī)模型，因此在無(wú)需對(duì)氣閥正時(shí)標(biāo)定。通過(guò)調(diào)整緩沖節(jié)流孔的尺寸、大小活塞的泄漏系數(shù)等，標(biāo)定以后的氣閥升程與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如圖9所示。圖中，實(shí)驗(yàn)值的升程峰值波動(dòng)比仿真值波動(dòng)大且波動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中，排氣閥的供油系統(tǒng)不僅用來(lái)驅(qū)動(dòng)排氣閥，還作為高壓噴油的燃油供應(yīng)，柴油機(jī)噴油時(shí)，軌壓波動(dòng)造成氣閥波動(dòng)；另一方面，由于所有的排氣閥共軌，因此在其余排氣閥打開(kāi)的時(shí)候，軌壓也會(huì)降低，造成氣閥升程波動(dòng)。在仿真中，只針對(duì)單氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)展，軌壓波動(dòng)較小，因此仿真中氣閥升程的波動(dòng)較實(shí)驗(yàn)結(jié)果較小。

圖9 氣閥升程標(biāo)定

3.2 排氣閥驅(qū)動(dòng)特性分析

通過(guò)對(duì)排氣閥驅(qū)動(dòng)原理分析，排氣閥的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源與大小活塞的兩級(jí)增壓裝置。經(jīng)兩級(jí)增壓后的高壓油克服空氣彈簧與氣缸壓力推動(dòng)氣閥運(yùn)動(dòng)。由于氣缸壓力與進(jìn)氣以及燃燒相關(guān)，因此，排氣閥的驅(qū)動(dòng)特性主要集中在排氣閥控制單元VCU中大小活塞的兩級(jí)增壓結(jié)構(gòu)。

1)氣閥開(kāi)啟速度特性分析

小活塞P2上腔C腔與D腔的壓力建立過(guò)程決定氣閥開(kāi)啟速度，大小活塞的運(yùn)動(dòng)速度決定小活塞上腔壓力建立過(guò)程，而共軌油的供油壓力決定大小活塞的運(yùn)動(dòng)速度。圖10中通過(guò)改變共軌油的供油壓力即可改變氣閥開(kāi)啟速度。

圖10 氣閥開(kāi)啟速度特性

2)氣閥最大升程特性分析

氣閥的最大升程取決于C腔與D腔中被壓縮油液的體積。在不考慮兩腔中液壓泄漏與油液壓縮的情況下，兩腔中液壓油的體積始終保持不變。因此，在不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下，排氣閥的升程無(wú)法改變。

3)氣閥關(guān)閉速度特性分析

排氣閥的關(guān)閉速度與C腔與D腔的泄油速度相關(guān)，泄油速度取決于大小活塞的運(yùn)動(dòng)速度，大小活塞的運(yùn)動(dòng)速度取決于A腔的排油速度。因此，為改變排氣閥的落座速度，可以調(diào)節(jié)兩位三通控制閥的開(kāi)度，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量來(lái)改變大小活塞的運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到改變氣閥落座速度的目的。調(diào)節(jié)閥的開(kāi)口量得到不同的氣閥升程曲線如圖11所示。

圖11 氣閥關(guān)閉速度特性

綜上所述，在不改變排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)尺寸的情況下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩位三通閥的得失電時(shí)刻調(diào)節(jié)排氣閥的開(kāi)啟與關(guān)閉相位；通過(guò)調(diào)節(jié)高壓油供油壓力，可以調(diào)節(jié)排氣閥的開(kāi)啟速度；通過(guò)調(diào)節(jié)兩位三通比例電磁閥的開(kāi)口，可以調(diào)節(jié)兩位三通閥的關(guān)閉速度。

4)氣閥保持階段氣閥升程波動(dòng)特性分析

在多缸排氣閥同時(shí)工作時(shí)，建立如圖12所示的多缸模型，圖中cylinder_1至cylinder_6中為排氣閥開(kāi)啟相位不同的6個(gè)排氣閥驅(qū)動(dòng)模型。仿真后得到的排氣閥1的升程如圖13所示。排氣閥的升程在氣閥開(kāi)啟保持階段波動(dòng)較大是因?yàn)榇藭r(shí)的共軌油壓力波動(dòng)較大。

圖12 多缸排氣閥驅(qū)動(dòng)模型

圖13 排氣閥1升程與共軌壓力

4 結(jié)論

本文根據(jù)二沖程柴油機(jī)電液驅(qū)動(dòng)排氣閥的工作原理，建立排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)AMESim仿真模型，并對(duì)仿真模型標(biāo)定。利用標(biāo)定后的AMESim仿真模型，探究了排氣閥系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)特性，得到以下結(jié)論：

1)排氣閥控制單元VCU中大小活塞的運(yùn)動(dòng)速度決定排氣閥打開(kāi)與關(guān)閉的速度。大小活塞的運(yùn)動(dòng)速度越快，排氣閥開(kāi)啟與關(guān)閉速度越快；

2)在不改變排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的前提下，排氣閥的最大升程在不同工況下保持不變；

3)在不改變排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的前提下，通過(guò)改變供油壓力，可以改變排氣閥開(kāi)啟速度；

4)在不改變排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的前提下，調(diào)節(jié)兩位三通閥液壓閥的開(kāi)口大小可以調(diào)節(jié)排氣閥的關(guān)閉速度；

5)排氣閥在氣閥升程保持階段氣閥升程存在較大波動(dòng)的原因是其余缸噴油與排氣閥打開(kāi)引起的軌壓波動(dòng)造成的。