解方喜，鐘 兵，楊國志，趙 平，洪 偉，蘇 巖

（1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025； 2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130025；3.一汽鑄造有限公司，長春 130062）

前言

日趨靈活的可變氣門系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)米勒循環(huán)，降低汽油機(jī)部分負(fù)荷泵氣損失，提高熱效率。Wang［1］通過米勒循環(huán)使汽油機(jī) 0.65 MPa平均指示壓力時(shí)的凈效率提升6.9%。Li等人［2］的研究發(fā)現(xiàn)采用米勒循環(huán)時(shí)的比油耗與原機(jī)相比降低11%。但是，現(xiàn)有量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的可變氣門大多無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變。

全可變氣門驅(qū)動(dòng)（fully variable valve actuation，F(xiàn)VVA）能夠?qū)崿F(xiàn)氣門參數(shù)的靈活控制，其優(yōu)勢［3－5］在于：（1）實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)無節(jié)氣門負(fù)荷控制，降低泵氣損失；（2）實(shí)現(xiàn)停缸技術(shù)，提高經(jīng)濟(jì)性；（3）實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR，抑制爆震或?qū)崿F(xiàn)均質(zhì)壓燃；（4）實(shí)現(xiàn)相異升程，提高缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)。

可變氣門驅(qū)動(dòng)通?？煞譃橛型馆喪胶蜔o凸輪式。機(jī)械式可變氣門屬于有凸輪式。例如，本田公司的VETC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高低凸輪的切換，但依然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活性有限的缺點(diǎn)。無凸輪式主要有電液式和電磁式。電磁式存在運(yùn)動(dòng)控制的難題［6］，電液式具有能量密度大的優(yōu)點(diǎn)。凸輪驅(qū)動(dòng)式液壓可變氣門使用凸輪軸代替電磁閥控制氣門啟閉，可將發(fā)動(dòng)機(jī)許用轉(zhuǎn)速提高到5 000－6 000 r·min－1。菲亞特的 1.4 L MultiAir發(fā)動(dòng)機(jī)［7－8］已完成量產(chǎn)，額定轉(zhuǎn)速5 500 r·min－1，相較于原型機(jī)比油耗最高降低7.6%。謝宗法等人［9］已完成樣機(jī)試制，能夠?qū)崿F(xiàn)汽油機(jī)無節(jié)氣門負(fù)荷控制。Hu［10］使用連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu)降低柴油機(jī)NOx排放。因此，凸輪驅(qū)動(dòng)液壓可變氣門具有良好的應(yīng)用前景，但國內(nèi)關(guān)于液壓波動(dòng)［11］和降低落座速度［12］的研究較少，且鮮有見報(bào)。

本文中提出一種新型凸輪驅(qū)動(dòng)式液壓可變氣門機(jī)構(gòu)，通過控制節(jié)流閥開度，實(shí)現(xiàn)氣門升程和關(guān)閉時(shí)刻的連續(xù)可變。壓力波動(dòng)與機(jī)構(gòu)可靠性息息相關(guān)，本文中通過仿真手段探求降低方法，并以此選取結(jié)構(gòu)參數(shù)；為降低氣門落座速度設(shè)計(jì)了一種單向節(jié)流式落座緩沖機(jī)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)工況機(jī)油溫度一般在70～90℃［13］，且熱機(jī)過程具有較大的溫度變化，因此有必要研究液壓油溫度對氣門運(yùn)動(dòng)特性及落座速度的影響。本研究對于豐富氣門早關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式、降低液壓波動(dòng)和氣門落座速度以及了解溫度對氣門運(yùn)動(dòng)特性的影響具有積極意義。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 機(jī)構(gòu)原理

圖1 所示為所開發(fā)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)示意圖。該機(jī)構(gòu)由低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)組成，其中高壓系統(tǒng)由挺柱活塞組、氣門活塞組、節(jié)流閥和緩沖機(jī)構(gòu)等組成。低壓系統(tǒng)由液壓站和溫度控制系統(tǒng)組成，液壓站作為恒定壓力源負(fù)責(zé)為高壓系統(tǒng)補(bǔ)油，溫度控制器控制加熱棒負(fù)責(zé)液壓油溫度的恒定控制。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)挺柱活塞向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)挺柱活塞腔逐漸建立高壓，高低壓單向閥關(guān)閉，進(jìn)而推動(dòng)氣門活塞開啟，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度改變回流流通面積，實(shí)現(xiàn)氣門最大升程的連續(xù)可變；凸輪轉(zhuǎn)過尖角后，系統(tǒng)壓力降低氣門逐漸回落，回落后期，落座緩沖機(jī)構(gòu)為氣門落座提供液壓制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)落座。

所設(shè)計(jì)的單向節(jié)流式落座緩沖機(jī)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)氣門處于開啟過程中時(shí)，在壓差的存在下單向節(jié)流閥開啟，液壓油從單向節(jié)流閥之間的空隙流過進(jìn)入氣門活塞腔；氣門回落過程中，單向節(jié)流閥回位；在活塞未關(guān)閉活塞套上的主回油孔時(shí)（升程大于2 mm），液壓油從主回油通路回流；活塞繼續(xù)上行關(guān)閉主回油孔后，液壓油只能從單向節(jié)流閥上的薄壁小孔流過，從而在其兩端形成較大的壓差而給氣門提供液壓制動(dòng)。單向節(jié)流閥正向起到單向閥的作用，而反向起到薄壁小孔節(jié)流的作用，因此稱其為單向節(jié)流閥，該緩沖機(jī)構(gòu)稱為單向節(jié)流式緩沖機(jī)構(gòu)。

圖2 單向節(jié)流式落座緩沖機(jī)構(gòu)

1.2 仿真模型

為降低開發(fā)周期和節(jié)約成本，使用Simulink中的Simhydraulic模塊搭建了上述機(jī)構(gòu)的仿真模型，如圖3所示。

圖3 Simhydraulic仿真模型

1.3 試驗(yàn)方法及設(shè)備

在所搭建的倒拖試驗(yàn)臺上，保持供油壓力為0.3 MPa，變頻電機(jī)控制倒拖轉(zhuǎn)速，改變節(jié)流閥開度和液壓油溫度，數(shù)據(jù)采集卡采集氣門升程，燃燒分析儀采集氣門腔壓力，相關(guān)設(shè)備如表1所示。

本文在第2部分首先使用試驗(yàn)結(jié)果介紹了可變氣門系統(tǒng)的液壓波動(dòng)，隨后使用仿真模型分別以降低液壓波動(dòng)和氣門落座速度為目標(biāo)確定了活塞直徑和節(jié)流孔徑，并使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對落座速度和仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。第3部分試驗(yàn)研究不同節(jié)流閥開度和倒拖轉(zhuǎn)速下的氣門運(yùn)動(dòng)特性及液壓油溫度的影響，探究機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)氣門早關(guān)的可行性。

表1 試驗(yàn)設(shè)備

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)選取及模型驗(yàn)證

使用上述Simhydraulic仿真模型，保持液壓油溫度80±3℃、轉(zhuǎn)速 4 000 r·min－1、節(jié)流閥全關(guān)，用于確定活塞直徑和節(jié)流孔徑。然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對模型進(jìn)行驗(yàn)證。下文中的0°CA為進(jìn)氣上止點(diǎn)。

圖4給出了氣門活塞偶件和單向節(jié)流閥的示意圖，薄壁小孔位于單向節(jié)流閥的頂端。

圖4 氣門活塞偶件和單項(xiàng)節(jié)流閥示意圖

2.1 活塞直徑對壓力波動(dòng)的影響

圖5 壓力波動(dòng)曲線

圖5 所示為液壓油溫度80±3℃、供油壓力0.3 MPa、倒拖轉(zhuǎn)速 2 400 r·min－1、節(jié)流閥開度 0.1圈時(shí)的氣門活塞腔壓力波動(dòng)曲線。挺柱活塞速度增大的過程中，由于液壓油的可壓縮性會(huì)形成一系列壓縮波以速度a向氣門活塞腔傳播，壓縮波所到之處壓力升高。挺柱活塞速度降低時(shí)，靠近活塞處原本受壓縮的微元開始膨脹，壓力降低，從而形成一系列膨脹波以速度a向氣門腔傳播，膨脹波所到之處壓力降低。沖擊波在系統(tǒng)里以壓縮波和膨脹波的形式傳播，經(jīng)過多次反射和疊加，就導(dǎo)致了管路中的壓力沖擊［14］。挺柱腔壓力和氣門腔壓力變化規(guī)律相同，其變化頻率與凸輪軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，屬于低頻基振；轉(zhuǎn)速增大，低頻基振之上疊加了高頻諧振成分，其頻率是低頻基振數(shù)倍，該高頻振動(dòng)是流體壓力波動(dòng)與管道和壁面相互作用的結(jié)果。液壓油的可壓縮性用體積彈性模量表征，并與溫度和壓力有關(guān)，一旦液壓油中混入空氣，其可壓縮性將大大加強(qiáng)?？勺儦忾T機(jī)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)較為復(fù)雜，作者今后會(huì)通過試驗(yàn)對可壓縮性及液壓空化現(xiàn)象進(jìn)行深入研究。

圖6所示為挺柱活塞選取依據(jù)。實(shí)際改裝時(shí)，需要對氣門室蓋進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并保留排氣搖臂，因此挺柱活塞直徑不能大于18.74 mm。仿真時(shí)，最大挺柱活塞直徑為18 mm。原機(jī)具有搖臂，根據(jù)此搖臂比可以確定多組不同的挺柱活塞直徑和氣門活塞直徑。

圖6 挺柱活塞直徑選取依據(jù)

選定的 5組活塞直徑分別為 14／12、15／12.8、16／13.7、17／14.5和 18／15.4（挺柱活塞直徑／氣門活塞直徑，mm），用以探究不同活塞直徑對挺柱活塞腔壓力的影響，結(jié)果如圖7所示。由圖可知，隨著活塞直徑的增大，挺柱腔最高壓力和壓縮波峰值逐漸降低?；钊睆接?4／12增大到18／15.4時(shí)，最大升程時(shí)的最高壓力由5.7減小到3.4 MPa，壓縮波峰值由 7.5減小到 3.8 MPa。當(dāng)活塞直徑為 15／12.8和14／12時(shí)，系統(tǒng)壓力產(chǎn)生波動(dòng)，因此適當(dāng)增大活塞直徑可以減小壓力波動(dòng)。隨活塞直徑增大，獲得相同作用力的壓力減小，加之壓縮波和膨脹波逐漸減小，因此壓力波動(dòng)減小。同時(shí)，增大活塞直徑會(huì)使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量增加，反而不利于提高系統(tǒng)剛度，考慮到選擇的挺柱回位彈簧的外徑為12 mm，加之活塞需要一定的壁厚保證其強(qiáng)度，所以實(shí)際加工時(shí)選擇挺柱活塞和氣門活塞直徑分別為17和14.5 mm。

圖7 不同活塞直徑對應(yīng)的挺柱腔壓力變化

2.2 節(jié)流孔徑對落座速度的影響

薄壁小孔可在其兩端形成較大的壓差，且對溫度和液壓油黏度不敏感，是最理想的節(jié)流原件。氣門關(guān)閉過程中，當(dāng)氣門升程為2 mm左右時(shí)，主回油孔完全關(guān)閉，此后液壓油只能通過薄壁小孔回流。

不同節(jié)流面積所對應(yīng)的氣門落座速度如圖8所示。隨著過流面積逐漸由7.0減小到2.0 mm2，落座速度由 2.3降低到 0.46 m·s－1，由文獻(xiàn)［15］可知，只要落座速度小于0.5 m·s－1即可滿足要求。因此過流面積需小于2.0 mm2，此時(shí)對應(yīng)的薄壁小孔直徑為1.6 mm，因此孔徑需≤1.6 mm。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)使用的孔徑為1.2和1.4 mm，直徑由小到大，單向節(jié)流閥可多次重復(fù)使用。

圖8 不同節(jié)流面積對應(yīng)的氣門落座速度

圖9 所示為實(shí)測氣門落座速度和3 600 r·min－1時(shí)的氣門關(guān)閉時(shí)刻，由圖可見落座速度滿足要求。但圖12（b）中部分升程曲線的氣門關(guān)閉時(shí)刻已經(jīng)在壓縮上止點(diǎn)（360°CA ATDC）之后，因此在氣門落座速度滿足要求的前提下（見圖9（a）），可適當(dāng)增加節(jié)流孔徑。由圖 9（b）可見，3 600 r·min－1時(shí)，節(jié)流孔徑由1.2增大到1.4 mm，節(jié)流閥全關(guān)時(shí)的氣門關(guān)閉時(shí)刻由360減小到320°CA，此時(shí)氣門落座速度雖有所增大，但并未大于 0.5 m·s－1（見圖 9（a））。

圖9 氣門落座速度和關(guān)閉時(shí)刻

2.3 仿真模型驗(yàn)證

仿真轉(zhuǎn)速 2 400 r·min－1，仿真時(shí)間 0.056 s，仿真步長0.000 01 s，使用隱式歐拉法求解模型。試驗(yàn)時(shí)節(jié)流閥全關(guān)，節(jié)流孔徑為1.6 mm，仿真和試驗(yàn)所獲得的氣門升程曲線及氣門腔壓力對比如圖10所示，由圖可知兩者具有較為一致的變化過程，最大升程誤差為2.5%。由于仿真模型較為理想，實(shí)際機(jī)構(gòu)仍然存在壓力波動(dòng)，壓力曲線存在差異，但趨勢一致。因此仿真結(jié)果能夠反映實(shí)際過程，仿真結(jié)果具有一定的可信度。

圖10 仿真模型驗(yàn)證

3 氣門運(yùn)動(dòng)特性分析及液壓油溫度的影響

圖11為節(jié)流閥示意圖及流量特性。增大節(jié)流閥開度，閥芯離閥體的距離x也會(huì)增大（見圖11（a）），相同壓差下的流量也就越大（見圖11（b））。節(jié)流閥開度為0圈時(shí)，節(jié)流閥處于全關(guān)狀態(tài)。

圖11 節(jié)流閥示意圖及流量特性

3.1 節(jié)流閥開度和倒拖轉(zhuǎn)速對氣門運(yùn)動(dòng)特性的影響

液壓油溫度為80±3°C，不同轉(zhuǎn)速和節(jié)流閥開度下的氣門升程曲線如圖12所示。由圖可知，同一轉(zhuǎn)速下，隨節(jié)流閥開度的增大，氣門升程逐漸降低、關(guān)閉時(shí)刻愈發(fā)提前。倒拖轉(zhuǎn)速為1 200 r·min－1時(shí)，節(jié)流閥開度由0增大到0.4圈時(shí)，氣門最大升程由7.15減小到0.5 mm，氣門關(guān)閉時(shí)刻由260減小到100°CA。本文所用節(jié)流閥閥口為環(huán)狀薄壁小孔，由流量公式 q＝可知，流量q隨小孔面積A0的增大而逐漸增大。隨著節(jié)流閥開度的增大，閥芯距離閥體的距離x也就越遠(yuǎn)，兩者之間的節(jié)流面積也就越大（見圖11（a）），相同壓差下通過節(jié)流閥的回流量則越多，因此節(jié)流閥開度越大升程越小，氣門關(guān)閉時(shí)刻愈發(fā)提前。

圖12 不同轉(zhuǎn)速和節(jié)流閥開度下的氣門升程曲線

圖13 氣門最大升程及其線性擬合結(jié)果

圖13 所示為液壓油溫度為80±3°C時(shí)，不同轉(zhuǎn)速和節(jié)流閥開度下的氣門最大升程及其線性擬合結(jié)果。從圖中可以看出，同一節(jié)流閥開度下，轉(zhuǎn)速越高氣門最大升程也就越大，并且這種差異在大節(jié)流閥開度時(shí)更加明顯。節(jié)流閥開度為0時(shí)，1 200 r·min－1時(shí)的氣門最大升程為8.0 mm，而當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到4 800 r·min－1時(shí)，氣門最大升程增大為 8.2 mm，兩者之差為0.2 mm；節(jié)流閥開度為0.4圈時(shí)，兩者之差為4.8 mm。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，氣門完成一次動(dòng)作的時(shí)間也就越少。由流經(jīng)薄壁小孔的體積公式V＝qt可知，流量q不變時(shí)，轉(zhuǎn)速增大升程也逐漸升高。

3.2 液壓油溫度對氣門運(yùn)動(dòng)特性的影響

液壓可變氣門機(jī)構(gòu)布置到發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，低壓油采用發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵供油為最佳供給方式，這樣既能夠降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，亦能降低成本。發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)工況具有較大的溫度變化，因此本節(jié)研究液壓油溫度對氣門運(yùn)動(dòng)特性的影響。

倒拖轉(zhuǎn)速為 2 400 r·min－1、供油壓力為0.3 MPa時(shí)，液壓油溫度對氣門運(yùn)動(dòng)特性的影響如圖14所示。從圖中可以看出，相同液壓油溫度，氣門最大升程隨節(jié)流閥開度的增大逐漸減小。相同節(jié)流閥開度，隨液壓油溫度升高，氣門最大升程逐漸減小。節(jié)流閥開度為0時(shí)，液壓油溫度為20和80°C時(shí)所對應(yīng)的氣門最大升程分別為8.17和8.05 mm，相差0.12 mm；節(jié)流閥開度增大到0.5圈時(shí)，20和80°C所對應(yīng)的氣門最大升程變?yōu)?3.19和2.38 mm，相差0.81 mm。節(jié)流閥全關(guān)時(shí)的升程差異較小的原因是液壓油密度隨壓力或溫度的變化量一般很?。?6］，可以忽略不計(jì)，因此通過活塞偶件的泄漏量差別不大，液壓油溫度對氣門最大升程的影響較小。開度增大，升程差異增大是因?yàn)橐簤河宛ざ葘囟茸兓置舾?。石油基液壓油一般為牛頓液體，溫度升高黏度降低，液層間切應(yīng)力減?。?0］，從而沿其界面產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力減小，因此溫度升高液壓油更易經(jīng)由節(jié)流閥回流，氣門腔壓力逐漸降低（圖14（c）），最大升程差異也更加明顯。

3.3 液壓油溫度對氣門落座速度的影響

試驗(yàn)過程中，供油壓力為0.3 MPa，倒拖轉(zhuǎn)速為2 400 r·min－1。圖15所示為液壓油溫度對氣門落座速度的影響。由圖15（a）所示的升程 速度圖可見，各溫度之間的氣門升程和氣門運(yùn)動(dòng)速度具有很小的差異，圖15（b）給出的不同溫度之間的氣門落座速度方差（COV）僅為4.9%。這主要是因?yàn)榱鹘?jīng)薄壁小孔的流量與小孔前后的壓差的平方根以及小孔面積成正比，而與黏度無關(guān)，溫度主要影響液壓油黏度。因此氣門落座速度對溫度不敏感，具有較好的一致性。

圖14 液壓油溫度對氣門運(yùn)動(dòng)特性的影響

4 結(jié)論

（1）通過改變凸輪驅(qū)動(dòng)式液壓可變氣門的節(jié)流閥開度，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在0～4 800 r·min－1轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的氣門升程在0～8.2 mm范圍內(nèi)連續(xù)可變。

（2）適當(dāng)增大活塞直徑到17／14.5 mm有利于降低工作壓力和壓縮波峰值，并最終減小壓力波動(dòng)。小于1.6 mm的節(jié)流孔徑可使4 000 r·min－1時(shí)的氣門落座速度小于 0.5 m·s－1。

圖15 液壓溫度對落座速度的影響

（3）轉(zhuǎn)速不變，隨節(jié)流閥開度的增大，氣門升程逐漸降低；節(jié)流閥開度不變，轉(zhuǎn)速越高氣門最大升程越大；節(jié)流閥開度越大，不同轉(zhuǎn)速時(shí)的最大升程差異也更加明顯。

（4）節(jié)流閥全關(guān)，液壓油溫度對升程的影響很??；相同節(jié)流閥開度，隨液壓油溫度升高，氣門腔壓力最大升程逐漸降低；氣門落座速度對液壓油溫度不敏感，不同溫度的氣門落座速度方差僅為4.9%。