集约型多功能可变气门驱动系统及其可控性研究

发布时间：2017-10-23 14:45

  本文关键词：集约型多功能可变气门驱动系统及其可控性研究

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【摘要】：近年来,日益严格的节能减排和车辆安全性方面的法律法规,推动着内燃机先进技术的快速发展。可变气门、可变冲程数、停缸、辅助制动、可变燃烧方式、可变压缩比、可变EGR等技术具有改善内燃机性能的潜力,受到广泛关注并取得丰富的研究成果。这些技术的效果很大程度上依赖于进排气门运行参数的可变灵活程度,由于现有可变气门驱动系统的灵活程度有限,使得这些技术的实际应用效果大打折扣。目前,国内外的研究趋势是研究上述技术协同作用对内燃机性能的影响,将各项技术的现有执行系统同时应用在内燃机上的方案不具备可行性。因此,无论是从学术研究,还是从工程应用角度,一套适用于上述技术的可变气门驱动系统的研发工作至关重要。基于在驱动-制动全工况范围内分区优化内燃机性能的思想,本文提出了一种多模式内燃机的方案。该内燃机具有四种模式：在低速大扭矩的驱动工况下采用的二冲程驱动模式、在其他驱动工况下采用的四冲程驱动模式、在大负荷制动工况下采用的二冲程制动模式以及在小负荷制动工况下采用的四冲程制动模式。在每种模式下,根据当前工况特点,调节喷油和气门运行情况来获得最佳的油-气混合效果,进而实现高效清洁燃烧。多模式内燃机要求可变气门驱动系统必须分别适用于上述四种模式,并且在每种模式下,各缸气门独立运行,进排气门运行参数灵活可调。针对四冲程内燃机或者二冲程内燃机的驱动模式开发的现有可变气门驱动系统无法满足多模式内燃机的要求。作为多模式内燃机的前期研究部分和重要的技术支持,本文提出了一种集约型多功能可变气门驱动系统(Compact Multi-functional Variable Valve Actuation system, CMVVA)。CMVVA系统包括四种类型：用于4缸内燃机的连续可变式CMVVA-C4系统、用于4缸内燃机的全可变式CMVVA-F4系统、用于6缸内燃机的连续可变式CMVVA-C6系统和用于6缸内燃机的全可变式CMVVA-F6系统。该系统具有四冲程驱动、四冲程制动、二冲程驱动和二冲程制动四种模式。采用自主设计的模式转换器实现了二冲程模式和四冲程模式之间的切换。采用凸轮轴调相器不仅实现了气门开启正时的调节,而且实现了固定冲程数的驱动模式和制动模式之间的切换。较现有主从活塞式系统相比,对于内燃机所有进／排气门,CMVVA-C系统采用自主设计的分配器实现了系统所需供油器和泄油阀的数量均降低为2个,并且通过控制泄油阀,实现了气门开启正时的调节独立于气门最大升程和气门关闭正时的连续可变气门事件CMVVA-F系统采用自主设计的分配器实现了系统所需供油器、电磁阀和泄油阀数量分别降低为2个、2个和1个,并且通过控制电磁阀和泄油阀,实现了气门开启正时、气门最大升程、气门关闭正时的调节相互独立的全可变气门事件。所有CMVVA系统均可实现不同气缸的气门运行情况的调节相互独立。本文采用AVL Hydsim软件,分别建立CMVVA-C系统和CMVVA-F系统的仿真模型。为了深入探讨系统工作机理,获得系统优化和匹配的依据,以气门开启延迟、最大升程、开启持续期以及落座速度为系统特性指标,分别研究了这两类系统的主要结构参数对系统运行情况的影响规律。研究结果表明：这两类系统的结构参数对系统特性的影响情况复杂多变。采用相关性分析方法,定量研究了与各系统特性指标呈现高度线性相关的系统结构参数及相应的影响程度。通过优化系统结构,并且采用优化后的模型,以气门开启正时、最大升程、开启持续期和开启时面值为气门运行指标。CMVVA-C系统采用供油开始正时和泄油正时作为控制参数,而CMVVA-F系统采用供油开始正时、供油停止正时、吸油正时和泄油正时作为控制参数,分别进行了其可变气门灵活程度的研究；采用相关性分析方法,定量研究了各控制参数对气门运行参数的影响程度,并且进行了系统的可控性研究。CMVVA-C系统的模拟结果表明：通过控制泄油阀,气门最大升程、气门关闭正时以及气门开启时面值在全转速范围内均可连续调节,气门开启正时在低速下可连续调节。随着转速的提高,气门开启正时不变,气门开启速度可连续调节。进一步的相关性分析表明：除了气门开启正时与供油开始正时仅在低速下呈现高度线性相关,以及气门开启持续期与泄油正时在中低速下呈现高度线性相关外,其他气门运行参数均在全转速范围内与相应的控制参数之间呈现高度线性相关,相应的相关系数均不低于0.9,验证了CMVVA-C系统具有良好的可控性。CMVVA-F系统的模拟结果表明：通过控制电磁阀和泄油阀,气门开启正时、气门最大升程、气门关闭正时以及气门开启时面值在全转速范围内均可独立调节;进一步的相关性分析表明：全转速范围内,所有气门运行参数均与相应的控制参数之间呈现高度线性相关,所有的相关系数均不低于0.95,验证了CMVVA-F系统具有良好的可控性。本文开发了一套CMVVA-C4系统并进行台架试验。通过仿真和试验结果的对比,不仅验证了仿真模型的有效性,并且指出提高计算准确度的方法,以及气门驱动器应增加通孔式活塞套的设计方案。试验结果表明：CMVVA-C系统通过控制泄油阀可实现连续可变气门事件,相关性分析结果表明CMVVA-C系统的气门运行参数与控制参数之间呈现高度线性相关,并且相关系数均不低于0.9,验证了该系统具有良好的可控性。
【关键词】：多模式内燃机 可变气门驱动 电控液压 可控性
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK403
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-22
• 主要符号表22-23
• 1 绪论23-60
• 1.1 问题提出与研究意义23-40
• 1.1.1 可变气门技术25-31
• 1.1.2 可变压缩比技术31-33
• 1.1.3 可变EGR技术33-35
• 1.1.4 停缸技术35-36
• 1.1.5 可变冲程数技术36-37
• 1.1.6 可变燃烧方式技术37-38
• 1.1.7 内燃机辅助制动技术38-40
• 1.2 可变气门驱动系统的研究进展40-58
• 1.2.1 有凸轮机械式可变气门驱动系统40-46
• 1.2.2 无凸轮式可变气门驱动系统46-53
• 1.2.3 主从活塞式可变气门驱动系统53-58
• 1.3 本文主要研究思路与内容58-60
• 2 集约型多功能可变气门驱动系统60-98
• 2.1 多模式内燃机的提出及研究目标的确定60-63
• 2.2 CMVVA系统63-96
• 2.2.1 集约型供油方式及供油器66-71
• 2.2.2 模式转换器71-73
• 2.2.3 分配器73-78
• 2.2.4 CMVVA-C4系统工作原理78-81
• 2.2.5 CMVVA-F4系统工作原理81-86
• 2.2.6 CMVVA-C6系统工作原理86-90
• 2.2.7 CMVVA-F6系统工作原理90-96
• 2.3 本章小结96-98
• 3 CMVVA系统工作过程数值模拟98-166
• 3.1 CMVVA系统建模简化及数学模型98-104
• 3.1.1 CMVVA系统建模简化99
• 3.1.2 CMVVA系统数学模型99-104
• 3.2 CMVVA-C系统工作过程数值模拟104-131
• 3.2.1 CMVVA-C系统仿真模型104-106
• 3.2.2 CMVVA-C系统特性分析106-127
• 3.2.3 CMVVA-C系统可控性分析127-131
• 3.3 CMVVA-F系统工作过程数值模拟131-164
• 3.3.1 CMVVA-F系统仿真模型131-132
• 3.3.2 CMVVA-F系统特性分析132-159
• 3.3.3 CMVVA-F系统可控性分析159-164
• 3.4 本章小结164-166
• 4 CMVVA-C4系统试验研究166-186
• 4.1 新型CMVVA-C4系统166-172
• 4.1.1 新型CMVVA-C4系统及主要部件166-168
• 4.1.2 新型CMVVA-C4系统工作原理168-172
• 4.2 新型CMVVA-C4系统试验台架搭建172-178
• 4.2.1 供油器173-174
• 4.2.2 集成化新型模式转换器和新型分配器174-176
• 4.2.3 气门驱动器176
• 4.2.4 试验台架176-178
• 4.3 新型CMVVA-C4系统试验结果及分析178-184
• 4.4 本章小结184-186
• 5 结论与展望186-191
• 5.1 结论186-189
• 5.2 创新点189
• 5.3 展望189-191
• 参考文献191-201
• 附录A 缩写201-203
• 附录B CMVVA系统的主要计算参数及相关性分析结果203-207
• 附录C 控制参数对气门运行参数的影响结果207-213
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果213-216
• 致谢216-217
• 作者简介217

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本文编号：1083944