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基于高速电液阀的变气门执行系统关键技术研究

刘金榕  
【摘要】:汽车给人们带来方便的同时,也提出了严峻的问题:高能耗和高污染。传统发动机都是采用机械式凸轮轴驱动进气门和排气门,其气门正时、升程和开启持续期等参数都是固定不变的,无法适应各种工况下对不同配气方案的需求,因而发动机的燃油经济性和动力性不高。为了在全部运转工况范围内都能够对发动机的配气参数进行优化,改善发动机燃油的经济性、动力性,降低有害气体排放,需要采用可变气门技术。 论文针对现有基于凸轮驱动气门配气机构的不足,提出了高速电液阀+单出杆液压缸的可变气门执行系统并研制成功,该系统不仅结构简单,而且能够实现气门正时、升程、开启持续期等气门参数柔性调节。针对电液可变气门在启闭过程中存在冲击问题,提出了多孔节流+弹簧缓冲的高速气门缓冲结构,该缓冲结构能够有效减少气门开启和落座时的速度,从而极大减少气门开启和落座冲击,实现高速气门缓冲。针对现有电液阀动态响应较低的问题,提出了一种小匝数、大电流+反接卸荷的高速电液阀功率驱动方案,并基于该方案成功研制高速电液阀的驱动器;通过建立高速电-机械转换器的有限元模型,分析关键结构参数对其驱动特性和动态响应的影响,进而得到优化后的最佳结构参数;试验结果表明通过该驱动器和高速电-机械转换器结构参数优化,高速比例阀和高速开关阀达到1.4mm行程所需要的时间分别为5.6ms和2.2ms,从而显著提高电液阀动态响应能力。针对电液可变气门动态响应慢的问题,提出了无弹簧、压力反馈型高速大流量电液阀结构,该阀是基于滑阀阀芯的两位三通阀,因此能够有效减小液动力,并能够凭借较小的阀芯直径和行程实现较大流量增益;基于该高速大流量阀分别构建电液比例和开关可变气门执行系统,通过仿真和试验分析关键结构参数对电液比例和开关可变气门执行系统动态特性影响,进而得到优化后的最佳结构参数;试验结果表明经过参数优化后比例可变气门执行系统最高动态响应频率可达50Hz,可以用于1500r/min发动机气门控制,而优化后开关可变气门执行系统最高动态响应频率可达133Hz,可以用于4000r/min发动机气门控制。 有关各章内容分述如下: 第一章,对传统凸轮轴式发动机气门系统的不足进行分析,阐述了研究发动机可变气门技术的意义。介绍了可变气门技术的分类,通过对比各种可变气门执行系统,得出电液可变气门执行系统的优势与不足。提出了为解决电液可变气门执行系统不足所采用的关键技术及国内外研究现状。最后,对本课题的背景、研究意义和研究内容进行了归纳。 第二章,通过分析电液可变气门运行机理,提出高速电液阀+单作用液压缸的可变气门执行系统方案。介绍电液可变气门执行系统具体结构以及电液比例和开关可变气门执行系统工作原理。为实现高速瞬时大功率控制,提出无弹簧、压力反馈型高速电液阀结构并详细介绍由其构成高速比例阀和高速开关阀工作原理。根据课题研究目标,得到电液可变气门执行系统关键元件的结构参数。 第三章,分析高速电液可变气门执行系统对控制元件的要求,介绍了高速电-机械转换器的关键技术。为提高电-机械转换器的动态响应,提出了一种小匝数、大电流+反接卸荷的功率驱动方案,并详细介绍其工作原理及电路模块实现。对高速比例和开关电-机械转换器工作特性进行分析,通过建立高速比例和开关电-机械转换器的有限元模型,得到关键结构参数对其驱动特性和动态响应特性影响规律,进而获得优化后的最佳结构参数并对其驱动特性和动态响应进行试验研究。通过建立高速比例和开关阀的数学模型,就其关键结构参数对其流量特性影响进行了评估。 第四章,对现有缓冲技术进行分析的基础上,针对高速气门缓冲特点,提出可变缝隙节流+缓冲弹簧的高速气门缓冲方案,对其具体缓冲结构和缓冲机理进行了分析,得到高速气门缓冲结构参数,并采用Monte carlo算法对节流孔数目、孔径以及分布位置进行了优化。建立带高速气门缓冲的电液开关可变气门执行系统数学模型,基于系统数学模型分析关键结构参数对气门缓冲特性的影响。 第五章,介绍基于高速电液阀的电液可变气门执行系统组成,根据系统的物理模型建立了其数学模型。在AMEsim中分别建立了基于高速比例阀和高速开关阀的电液可变气门执行系统的仿真模型,基于仿真模型对比例可变气门执行系统下气门参数的可控性,系统的稳定性以及气门闭环控制和开关可变气门执行系统的气门参数的可控性进行分析。为了实现系统优化,就关键系统参数对系统动态性能的影响进行了详细的分析,从而得到优化后的系统参数并对优化后系统动态响应进行分析。对提高电液比例和开关可变气门执行系统频响可行性进行分析。 第六章,介绍了基于高速电液阀的电液可变气门执行系统试验台架组成和工作原理。对基于高速比例阀的电液可变气门执行系统气门参数可控性、系统稳定性以及基于高速开关阀的电液可变气门执行系统气门参数可控性进行了试验研究。对弹簧刚度、预紧力等系统参数对电液可变气门执行系统动态特性的影响进行了试验评估,并对优化后电液可变气门执行系统响应进行试验。对电液比例和开关可变气门执行系统特性进行比较。 第七章,概括了全文的主要研究工作和成果,并展望了今后需进一步研究的工作。


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