基于配氣凸輪驅(qū)動的全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)的研究.pdf

1、全可變氣門機(jī)構(gòu)(fully variable valve system，簡稱FVVS)可實(shí)現(xiàn)氣門最大升程、氣門開啟持續(xù)角和配氣相位三者的連續(xù)可變，對發(fā)動機(jī)的節(jié)能減排具有重要意義。FVVS能夠采用進(jìn)氣門早關(guān)(EIVC)或進(jìn)氣門遲閉(LIVC)的方式控制進(jìn)入氣缸內(nèi)的工質(zhì)數(shù)量，從而取消節(jié)氣門，實(shí)現(xiàn)對汽油機(jī)負(fù)荷的調(diào)節(jié)。由于完全取消了節(jié)氣門對進(jìn)氣的節(jié)流作用，這種無節(jié)氣門汽油機(jī)將大幅度地降低泵氣損失，使中小負(fù)荷時的燃油耗降低10-15％。此外，全可

2、變氣門機(jī)構(gòu)可通過改善充量系數(shù)，提高發(fā)動機(jī)功率；通過發(fā)動機(jī)內(nèi)部EGR減少有害氣體的排放。全可變氣門技術(shù)已成為發(fā)動機(jī)新技術(shù)的發(fā)展方向之一。
　　 全可變氣門機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式有機(jī)械式、電磁式和電液式。電液全可變氣門機(jī)構(gòu)由于流體的可流動性，可靈活控制氣門運(yùn)動規(guī)律，其研究己受到人們的重視。具有較大影響的電液全可交氣門機(jī)構(gòu)有Lotus的EHFVVT系統(tǒng)和菲亞特的UNIAIR系統(tǒng)。但這些機(jī)構(gòu)尚存在氣門落座沖擊大、電磁閥響應(yīng)速度不夠高的問題。

3、因而阻礙了電液式全可變氣門機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展和商品化生產(chǎn)。
　　 為了開展對全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步研究，本文設(shè)計開發(fā)了一種配氣凸輪驅(qū)動的全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)，簡稱SDFVVS系統(tǒng)。該機(jī)構(gòu)通過設(shè)置在配氣凸輪與進(jìn)氣門之間的液壓氣門驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)使進(jìn)氣門開啟，用泄油控制機(jī)構(gòu)釋放液壓系統(tǒng)中的油壓使進(jìn)氣門關(guān)閉，并采用落座緩沖機(jī)構(gòu)控制氣門落座速度。由于采用了泄油控制機(jī)構(gòu)作為液壓系統(tǒng)的油控開關(guān)，不但降低了制造成本，而且克服了高頻電磁閥頻響特性低的

4、不足。為全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　 根據(jù)液壓氣門機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了SDFVVS系統(tǒng)氣門運(yùn)動規(guī)律的計算模型，并對氣門運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了模擬計算。采用位移傳感器和壓力傳感器對SDFVVS系統(tǒng)的氣門升程和液壓壓力進(jìn)行了試驗(yàn)測量。通過對模擬計算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對比，證明了模擬計算的正確性。模擬計算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果表明：SDFVVS系統(tǒng)可通過改變泄油相位角實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門最大升程和進(jìn)氣遲閉角的連續(xù)可變，完全達(dá)到了其設(shè)計

5、目的。
　　 控制氣門落座速度是全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)技術(shù)難題。在SDFVVS系統(tǒng)中，氣門落座緩沖機(jī)構(gòu)采用流通面積可變的節(jié)流孔控制氣門落座速度。通過合理匹配節(jié)流孔的節(jié)流面積變化率、最小節(jié)流面積和最小節(jié)流面積對應(yīng)的氣門升程等措施控制氣門落座速度。試驗(yàn)結(jié)果表明SDFVVS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氣門的平穩(wěn)落座。試驗(yàn)結(jié)果同時證明SDFVVS系統(tǒng)的氣門最大升程對氣門落座速度的影響較大，而發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對氣門落座速度的影響相對較小。
　　 提高液

6、壓氣門機(jī)構(gòu)的最高使用轉(zhuǎn)速，對SDFVVS系統(tǒng)具有重要意義。液壓氣門機(jī)構(gòu)內(nèi)的液壓壓力波動決定了的其最高允許轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過該最高允許轉(zhuǎn)速時，液壓系統(tǒng)內(nèi)壓力波動將加劇，最低壓力波谷值將會達(dá)到或低于低壓系統(tǒng)的壓力值。在此情況下，液壓油將不能及時得到排出，氣門運(yùn)動規(guī)律已失去有效控制，SDFVVS系統(tǒng)對進(jìn)氣量也失去調(diào)節(jié)作用。通過研究發(fā)現(xiàn)：降低氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動件質(zhì)量、提高液壓氣門機(jī)構(gòu)的剛度、減小液壓系統(tǒng)內(nèi)部的節(jié)流作用，能夠有效降低SDFVV

7、S系統(tǒng)的液壓壓力波動。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計后，SDFVVS系統(tǒng)中的壓力波動明顯降低，樣機(jī)的最高允許轉(zhuǎn)速己達(dá)到5600r/min。
　　 在SDFVVS系統(tǒng)中，配氣凸輪是氣門運(yùn)動的動力驅(qū)動源，也是氣門機(jī)構(gòu)的振動源。因此要改善液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動，提高SDFVVS系統(tǒng)的最高使用轉(zhuǎn)速，最根本的問題是設(shè)計合理的配氣凸輪型線。模擬計算結(jié)果表明：采用最大加速度點(diǎn)在凸輪工作段始點(diǎn)、最大速度值相對較低的高次多項(xiàng)式配氣凸輪，對改善液壓系統(tǒng)內(nèi)

8、的壓力波動現(xiàn)象十分有利。
　　 SDFVVS系統(tǒng)通過改變泄油相位角可以實(shí)現(xiàn)氣門最大升程和氣門開啟持續(xù)角的連續(xù)可變，從而取消節(jié)氣門，實(shí)現(xiàn)對汽油機(jī)負(fù)荷的調(diào)節(jié)。這種無節(jié)氣門汽油機(jī)的進(jìn)氣性能與傳統(tǒng)節(jié)氣門式汽油機(jī)有本質(zhì)的區(qū)別。通過建立發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過程一維流動的數(shù)學(xué)模型，對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣性能進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬計算。并采用低壓傳感器對進(jìn)氣管內(nèi)的進(jìn)氣壓力進(jìn)行了試驗(yàn)測量。通過對模擬計算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣壓力的實(shí)測結(jié)果與模擬計算結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證

9、了進(jìn)氣過程模擬計算的正確性。
　　 通過對進(jìn)氣管內(nèi)實(shí)測進(jìn)氣壓力的對比發(fā)現(xiàn)：在節(jié)氣門的節(jié)流作用下，原機(jī)進(jìn)氣壓力隨充量系數(shù)的降低和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高迅速下降，節(jié)氣門之后的壓力與節(jié)氣門之前的壓力之比甚至小于臨界值，節(jié)氣門處的氣體流動已達(dá)到臨界狀態(tài)。但在無節(jié)氣門汽油機(jī)中，進(jìn)氣量的改變對進(jìn)氣管內(nèi)的壓力幾乎沒有影響；轉(zhuǎn)速的升高雖然使進(jìn)氣壓力有所降低，但變化幅度很小。因此無節(jié)氣門汽油機(jī)顯著提高了中小負(fù)荷時的進(jìn)氣管壓力。進(jìn)氣流動的模擬計算結(jié)果表明

10、：與傳統(tǒng)節(jié)氣門式汽油機(jī)相比，無節(jié)氣門汽油機(jī)顯著降低了中小負(fù)荷時的泵氣損失，這種較低的泵氣損失使氣缸內(nèi)的工質(zhì)溫度有一定程度地降低。
　　 為了研究SDFVVS系統(tǒng)對進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)作用，采用進(jìn)氣流量計試驗(yàn)測量了無節(jié)氣門汽油機(jī)的進(jìn)氣量。研究結(jié)果表明：SDFVVS系統(tǒng)完全能夠采用進(jìn)氣門早關(guān)或進(jìn)氣門晚關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)。當(dāng)采用進(jìn)氣門早關(guān)方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣量時，相同泄油相位角條件下的進(jìn)氣充量隨轉(zhuǎn)速的增大而增加；當(dāng)采用進(jìn)氣門晚關(guān)方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣量