新型电液全可变气门驱动系统关键技术研究

发布时间：2017-08-29 21:47

  本文关键词：新型电液全可变气门驱动系统关键技术研究

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【摘要】：迫于环境恶化的压力,发动机动力性、经济性及排放性要求日益严格。由传统内燃机衍生出的空气混合动力能够实现道路用车辆的再生制动,有效回收刹车能量,从而达到降低能耗的目的;同时,再生能量的再利用减少传统内燃机模式运行的时间,有效地降低了排放。然而,空气混合动力的换气过程及各个运行模式间的切换仅通过传统凸轮驱动的配气机构是不能实现的;而全可变气门驱动系统可实现配气相位、开启持续期和气门升程的连续可变,能够满足空气混合动力换气过程的要求及实现对不同运行模式的切换。因此,全可变气门驱动系统的开发具有重要的现实意义。电液式全可变气门驱动系统可实现对气门运动规律的柔性调节,具有很大的实用价值。但其发展和应用有较大阻力,其困难在于:1)由于电液式全可变气门驱动系统中普遍使用电磁换向阀控制流体方向,因此,系统性能对该电磁阀性能的依赖性较大;电磁换向阀的响应速度限制了系统在高速发动机上的应用范围;2)气门落座冲击力较大,减小了气门及相关部件的使用寿命;3)驱动系统高能耗;4)由于气门背压、系统泄露、液压油属性变化所导致气门开启延迟、气门运动规律失调,不能满足气门运动规律的精确及稳健控制要求。基于此,本论文设计开发了一种电液全可变气门驱动系统(Fully Flexible Electro-hydraulic Variable Valve Actuation System,简称FEVVA),致力于解决系统的几个关键问题:1)设计开发与发动机同步运行的流体控制旋转阀,有效避免对电磁换向阀的依赖性,拓展FEVVA系统在高速发动机上的应用范围;2)基于可变节流面积的缓冲机理,设计气门落座缓冲结构,缓冲气门落座速度,减小气门落座冲击力;3)以减小系统能耗为目标,采用合理的优化方法,优化FEVVA系统参数,以达到降低系统能耗的目的;4)研究系统泄露、液压油属性变化及气门背压等扰动因素对气门运动规律的影响,探索驱动系统气门运动规律的可控性,提出FEVVA系统正时及升程控制策略,从而保证气门运动规律的精确性和稳健性。论文主要研究结果和重要结论如下:(1)通过试验研究了单罐与双罐压缩制动策略的能量回收效能,结果表明,双罐压缩制动策略的能量回收效能高于单罐压缩制动策略;基于GT-POWER数值计算平台仿真研究表明,在100个循环内,低压罐气体压力的最大值随转速的升高而减小,高压罐末循环的压力值随着转速的递增而减小;(2)完成了FEVVA系统关键零部件的详细设计,基于MATLAB/Simulink平台建立的数值模型研究结果表明:a)高低压旋转阀开启时刻能够有效控制气门开启持续期(Valve Event Duration,简称VED);旋转阀相位差角通过增大VED值,推迟气门关闭时刻;旋转阀相位差角不影响气门开启段升程规律,不改变最大气门升程(Maximum Valve Lift,简称MVL);b)通过对供给压力的控制,可以有效调节系统MVL值,而气门关闭时刻及系统VED值均保持不变。c)旋转阀间隙的变化破坏系统MVL的保持状态,可能导致气门的二次开启。随着温度的升高,气门开启与关闭时刻提前,系统MVL值增大,气门落座速度有增大的趋势;液压油温度对气门开启时刻影响相对较小。系统气门升程特征受进气过程的影响较小,受排气过程的影响较大;排气背压使得气门开启和关闭时刻滞后,同时导致系统MVL值减小。d)发动机转速不仅影响气门开启段与关闭段升程规律,还影响气门关闭时刻。随着发动机转速的提高,系统MVL值有减小的趋势,气门关闭时刻推迟,系统VED值增大但气门升程断面积减小。(3)提出了三种气门落座速度缓冲结构,建立了FEVVA系统动力学评价机制。结果表明,液压缸直径对气门落座速度有较大影响;但弹簧刚度对气门落座速度影响较小。随着气门弹簧预紧力的增大,液压活塞开启阻力增加,气门开启过程中加速度减少,进而使气门运动速度降低。发动机转速对气门落座速度不敏感。(4)提出了用以评价系统能量消耗的能耗指数(Energy Consumption Index,简称ECI),比较了三种方案的能耗。结果表明,在同一转速下,方案A的能耗指数最高,方案B次之,方案C最小。采用单因素“扰动法”衡量系统参数对系统能耗影响的灵敏度,确定了弹簧预紧力、弹簧刚度、旋转轴出口半径、液压缸直径、蓄能器初始体积和蓄能器初始压力为待优化参数。优化结果表明,发动机转速在2000r/min时,优化后的气门驱动功率减小了26.5%。(5)通过FEVVA系统试验研究结果表明,FEVVA系统能够实现对气门正时,气门持续期和气门升程的柔性调节。在扰动因素影响下,采用的可变气门正时和可变气门升程控制方法,能够实现对气门运动规律的精确控制。在60个循环内,气门开启时刻及系统VED值的循环差异性均维持在±5°CA,系统MVL值的循环差异性维持在±0.3mm。此外,在各个转速下,气门落座速度均能控制在合格范围内。以上研究实现了FEVVA系统对气门运动规律的灵活调节,既是为实现空气混合动力换气过程及各个运行模式间的切换提供坚实的技术支撑,又是为实现FEVVA系统的现实应用及其产业化奠定基础。此外,研究结果揭示和剖析了系统参数及扰动因素对FEVVA系统的影响规律,总结得出电液系统工作的共性规律,为同类型电液全可变气门驱动系统的设计开发提供理论依据。
【关键词】：空气混合动力 全可变气门 再生制动 气门落座速度 系统能耗 多参数优化
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.134.3
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-22
• 第1章 绪论22-44
• 1.1 研究背景22-25
• 1.2 空气混合动力及其实现方法25-27
• 1.3 全可变气门驱动系统研究的意义27-31
• 1.3.1 提高充量系数27-28
• 1.3.2 加强缸内气体流动28-29
• 1.3.3 降低泵气损失29
• 1.3.4 实现可变有效压缩比29-30
• 1.3.5 实现可调内部EGR30-31
• 1.3.6 实现发动机停缸31
• 1.4 全可变气门驱动系统研究现状31-41
• 1.4.1 机械全可变气门执行机构34-35
• 1.4.2 电磁全可变气门驱动系统35-36
• 1.4.3 电气全可变气门驱动系统36
• 1.4.4 电液全可变气门驱动系统36-41
• 1.5 本文研究的主要内容41-44
• 第2章 基于FEVVA系统的空气混合动力及其实现方法44-60
• 2.1 基于刹车能量回收的压缩制动策略44-47
• 2.2 基于FEVVA系统的新型空气混合动力原理47-49
• 2.3 FEVVA气门驱动系统方案49-51
• 2.4 基于FEVVA系统的新型空气混合动力仿真研究51-58
• 2.4.1 仿真模型的建立51-53
• 2.4.2 CB模式数值计算结果53-56
• 2.4.3 AM模式数值计算结果56-58
• 2.5 本章小结58-60
• 第3章 FEVVA系统仿真研究60-93
• 3.1 流体控制旋转阀的设计与分析60-64
• 3.2 FEVVA系统物理模型的建立64-71
• 3.2.1 流体控制旋转阀64-65
• 3.2.2 液压执行器65-67
• 3.2.3 新型相位器67-69
• 3.2.4 油泵流量计算69
• 3.2.5 液压蓄能器模型69
• 3.2.6 管路流体模型69-71
• 3.3 FEVVA系统液压油属性研究71-79
• 3.3.1 液压油密度71-76
• 3.3.2 液压油有效体积模量76-78
• 3.3.3 液压油粘度78-79
• 3.4 基于Matlab/Simulink的数值计算模型及其验证79-81
• 3.5 数值研究结果及分析81-91
• 3.5.1 气门运动规律可控性研究81-83
• 3.5.2 系统结构参数对气门运动规律的影响83-84
• 3.5.3 液压油温度和含气率对气门运动规律的影响84-86
• 3.5.4 流体控制旋转阀泄露对气门运动规律的影响86-88
• 3.5.5 发动机换气过程对气门运动规律的影响88-89
• 3.5.6 发动机转速对气门运动规律的影响89-91
• 3.6 本章小结91-93
• 第4章 基于可变节流面积的气门缓冲机构研究93-122
• 4.1 高速气门落座速度控制方案93-95
• 4.2 基于可变节流面积和多孔节流的气门缓冲机理95-98
• 4.2.1 可变节流面积机理95-97
• 4.2.2 多孔节流机理97-98
• 4.3 FEVVA系统动力学评价98
• 4.4 高速气门缓冲特性研究98-119
• 4.4.1 方案A缓冲特性分析98-105
• 4.4.2 方案B缓冲特性分析105-112
• 4.4.3 方案C缓冲特性分析112-119
• 4.5 高速气门缓冲方案对比分析119-120
• 4.6 本章小结120-122
• 第5章 以减小能耗为目标的FEVVA系统多参数优化122-136
• 5.1 FEVVA系统优化参数122-125
• 5.1.1 不同缓冲方案能耗评估122-123
• 5.1.2 基于能耗指数的优化参数确定123-125
• 5.2 FEVVA系统优化模型的建立125-133
• 5.2.1 基于遗传算法的优化策略125-126
• 5.2.2 目标函数的建立126-129
• 5.2.3 约束条件的确定129-130
• 5.2.4 优化模型校核130-131
• 5.2.5 优化算法设置131-133
• 5.3 系统优化结果及分析133-135
• 5.4 本章小结135-136
• 第6章 FEVVA系统性能试验研究136-154
• 6.1 驱动系统测试台架组成及工作原理136-139
• 6.2 驱动系统气门运动规律试验研究139-144
• 6.2.1 相位器与气门正时试验研究140-141
• 6.2.2 供油泵转速与气门运动规律试验研究141-142
• 6.2.3 比例溢流阀控制的供给压力与气门运动规律试验研究142-143
• 6.2.4 液压油温度与气门运动规律试验研究143-144
• 6.3 基于最小二乘法的系统参数估计144-146
• 6.4 可变气门正时控制方法146-148
• 6.5 可变气门升程控制方法148-149
• 6.6 FEVVA系统性能评估及分析149-152
• 6.6.1 FEVVA系统循环差异性149-151
• 6.6.2 FEVVA系统气门落座速度151-152
• 6.7 本章小结152-154
• 工作总结与展望154-157
• 参考文献157-171
• 附录A 攻读博士学位期间发表的学术论文目录171-172
• 附录B 攻读博士学位期间参与的课题172-173
• 致谢173

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 魏超;周俊杰;苑士华;;液压油体积弹性模量稳态模型与动态模型的对比[J];兵工学报;2015年07期

2 赵博文;杨曙东;陶爱华;罗瑜林;周林;;超高压力温度状态液压油体积弹性模量测量装置故障分析[J];液压与气动;2015年04期

3 赵国斌;盖永田;耿帅;金灵;伍恒;;WHSC/WHTC与ESC/ETC测试循环的试验比较与研究[J];汽车工程学报;2015年01期

4 杨曙东;周林;陶爱华;陆才发;罗瑜林;高辉;;超高压力温度状态液压油的体积弹性模量测量装置设计研究[J];液压与气动;2014年07期

5 张士强;刘瑞林;刘伍权;戴俊;周广猛;迟淼;;可变气门相异升程4气门汽油机稳态流动特性[J];内燃机学报;2014年01期

6 王雷;李道飞;徐焕祥;樊之鹏;俞小莉;;发动机压缩空气再生制动理想热力循环分析[J];天津大学学报(自然科学与工程技术版);2014年01期

7 王雷;李道飞;叶锦;徐焕祥;俞小莉;;车用发动机压缩空气制动循环特性[J];浙江大学学报(工学版);2014年01期

8 徐涛;詹樟松;吴学松;钟睿;;可变气门升程技术现状及发展趋势[J];内燃机;2013年06期

9 班智博;谢辉;何宇;;汽油机电液式可变气门正时系统响应性能仿真与试验[J];农业机械学报;2013年09期

10 赵昌普;钟博;朱云尧;张军;董大陆;李小毡;;可变气门升程对涡轮增压缸内直喷汽油机缸内流动特性的影响[J];天津大学学报;2013年08期

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 付建勤;车用发动机瞬变工况运行与性能参数连续检测及热功转换过程研究[D];湖南大学;2014年

2 邓帮林;生物丁醇应用于高速汽油机及其层流火焰速度研究[D];湖南大学;2014年

3 高锋军;汽油HCCI发动机电控液压气门性能及仿真研究[D];吉林大学;2013年

4 谢宗法;基于配气凸轮驱动的全可变液压气门机构的研究[D];山东大学;2011年

5 冯斌;液压油有效体积弹性模量及测量装置的研究[D];浙江大学;2011年

6 胡顺堂;全可变气门机构汽油机泵气损失控制及对燃烧过程的影响[D];天津大学;2009年

7 刘金榕;基于高速电液阀的变气门执行系统关键技术研究[D];浙江大学;2009年

8 方清华;压缩空气/燃油混合动力发动机工作过程的数值模拟与试验研究[D];浙江大学;2009年

9 李莉;电磁驱动气门机构的设计开发和试验研究[D];浙江大学;2004年

10 王希珍;电磁全可变气门的仿真控制及相关研究[D];浙江大学;2003年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 朱亚红;兰州市碳排放现状及低碳城市发展研究[D];甘肃农业大学;2014年

2 丁佳;基于能量累计的气门落座磨损特性分析[D];杭州电子科技大学;2014年

3 王刚德;可变气门升程直喷汽油机缸内气流运动特性研究[D];天津大学;2010年

4 王岩;发动机全可变液压气门机构气门运动规律的研究[D];山东大学;2010年

5 陈超;液压油体积弹性模量在线检测装置设计及研究[D];浙江大学;2008年

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本文编号：755626