賈錫臣，孫培巖，滿長(zhǎng)忠

（大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 大連 116024）

前言

隨著世界石油能源的日益匱乏以及國(guó)內(nèi)外人民的日常生活出行對(duì)于汽車這種交通方式依賴程度的增加，汽車的節(jié)能問(wèn)題越發(fā)突出。對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，不管是改變氣門的升程還是改變氣門相位，亦或是兩種同時(shí)改變，其中的目的一是為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量；二是為了能夠減小發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)排氣過(guò)程中產(chǎn)生的大量泵氣損失，提高做功效率[1]。汽油機(jī)負(fù)荷大小與進(jìn)氣量成正比，而進(jìn)氣量是通過(guò)節(jié)氣門來(lái)調(diào)節(jié)的。在小負(fù)荷工況下，汽油機(jī)需要較少進(jìn)氣量，則節(jié)氣門開度較小，進(jìn)氣過(guò)程泵氣損失大[2]?？勺儦忾T技術(shù)理論的提出可以在很大程度上提高汽油機(jī)在中小負(fù)荷工況下的進(jìn)排氣效率，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性[3]?？勺儦忾T技術(shù)一方面通過(guò)充分利用氣流慣性或掃氣效果等方法來(lái)提高進(jìn)排氣效率，另一方面進(jìn)氣量通過(guò)改變氣門升程直接調(diào)節(jié)而不再需要節(jié)氣門，降低進(jìn)排氣過(guò)程中的泵氣損失。本論文設(shè)計(jì)的新型全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)氣門升程以及配氣定時(shí)的全可變，從而可以取消節(jié)氣門。

1 全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程

本文設(shè)計(jì)了一種由配氣凸輪驅(qū)動(dòng)的新型全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)，原理圖如圖1所示。本機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程介紹如下：

（1）高壓油泵凸輪 1上行時(shí)，柱塞油槽 6與出油孔 7不連通，柱塞5上行，液壓油處于密封空間，液壓油受壓，壓力升高，液壓油流向氣門油腔13，推動(dòng)氣門活塞14以帶動(dòng)氣門17克服氣門彈簧16的彈力打開，此時(shí)氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本是由凸輪型線控制。由于單向閥12關(guān)閉，低壓液壓油經(jīng)低壓輸油泵9打壓后，由溢流閥10流回儲(chǔ)油罐8。

（2）高壓油泵凸輪1繼續(xù)上行時(shí)，旋轉(zhuǎn)撥叉4使柱塞油槽6與出油孔7連通，高壓油管11內(nèi)的高壓油泄壓，液壓油經(jīng)由氣門油腔13、高壓油管11、柱塞油槽6、出油孔7泄回儲(chǔ)油罐8，當(dāng)高壓油管11內(nèi)的液壓低于溢流閥10的限定值時(shí)，單向閥12打開。氣門17在復(fù)位彈簧16作用下回落，氣門活塞13的凸起尚在高壓油管11外，氣門17的回落速度較大，當(dāng)錐形凸起開始進(jìn)入高壓油管，此時(shí)開始形成可變節(jié)流通道，該可變節(jié)流通道形成節(jié)流作用，使氣門的回落速度降低，最終實(shí)現(xiàn)氣門的平穩(wěn)回落。

圖1 全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)原理圖

（3）高壓油泵凸輪1 下行時(shí)，柱塞5下行，油壓容積變大，液壓油經(jīng)單向閥12提供。氣門關(guān)閉。

（4）高壓油泵凸輪 1在基圓運(yùn)行時(shí)，液壓油經(jīng)單向閥12已充滿高壓油管11及氣門油腔13，單向閥12關(guān)閉，氣門17 關(guān)閉，低壓輸油泵9加壓的液壓油經(jīng)溢流閥10流回儲(chǔ)油罐8。

（5）氣門17 開啟角度調(diào)整方法如下：通過(guò)調(diào)整撥叉4，從而改變柱塞5有效行程，實(shí)現(xiàn)氣門17 不同開度。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)模擬仿真

2.1 氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律AMESim模型的建立

AMESim是一款模塊化的仿真軟件，建模時(shí)將相應(yīng)的模塊拖入工作區(qū)并將它們之間按實(shí)際情況進(jìn)行連接即可。整體模型如圖2所示。

圖2 氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律AMESim模型

該模型主要分為以下幾大部分[4]：

（1）液壓油部分。本機(jī)構(gòu)為機(jī)械和液壓方式驅(qū)動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)，因此在仿真中要對(duì)液壓油進(jìn)行選取。另外還要對(duì)液壓油模塊的液壓油性質(zhì)進(jìn)行設(shè)置以使仿真正常工作。

（2）低壓供油部分。該部分可以為系統(tǒng)持續(xù)提供恒定壓力的液壓油。在本模型中由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，并通過(guò)溢流閥控制出口壓力。

（3）泄油控制部分。在本機(jī)構(gòu)中通過(guò)控制液壓腔內(nèi)液壓油的泄油時(shí)刻來(lái)控制氣門的升程和關(guān)閉時(shí)刻。因?yàn)闄C(jī)械構(gòu)件庫(kù)中沒(méi)有直觀的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以代替撥叉，所以利用信號(hào)控制庫(kù)中的控制模塊設(shè)置控制方程來(lái)對(duì)泄油時(shí)刻進(jìn)行控制。

（4）液壓缸體模塊。液壓缸體模塊主要由氣門組件模塊、柱塞腔模塊、活塞腔模塊以及它們之間的連接管路組成。柱塞腔模塊由AMESim中的HCD(Hydraulic Component Design)庫(kù)中帶彈簧的活塞液壓缸搭建。而氣門組件模塊與活塞腔模塊則由帶質(zhì)量、彈簧的單作用活塞進(jìn)行模擬。

2.2 影響氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要因素

撥叉旋轉(zhuǎn)時(shí)刻（即泄油相位角）對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

圖3、圖4為該機(jī)構(gòu)的一組模擬氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，定義上止點(diǎn)角度為 0°CA。圖 3中設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，圖4中設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4000r/min。圖3、圖4的撥叉旋轉(zhuǎn)時(shí)刻（即泄油相位角）相同。曲線1至8的泄油相位角依次為-15、5、25、45、65、85、105、125°CA。

圖3 2000r/min時(shí)不同泄油相位角的氣門升程曲線

圖4 4000r/min時(shí)不同泄油相位角的氣門升程曲線

從圖3、圖4可以看出，該機(jī)構(gòu)的氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有如下的特點(diǎn)：

a.氣門升程和氣門開啟持續(xù)期隨泄油相位角的增大而逐漸增加，當(dāng)達(dá)到某一相位角氣門達(dá)到最大升程，此時(shí)泄油相位角繼續(xù)增加，氣門最大升程保持不變，而氣門開啟持續(xù)角卻逐漸增加。

b.隨著泄油時(shí)刻的變化，氣門的升程和開啟持續(xù)期變化幅度比較一致，證明了該機(jī)構(gòu)的仿真模型參數(shù)設(shè)置比較合理。

c.通過(guò)控制撥叉旋轉(zhuǎn)時(shí)刻（即泄油時(shí)刻）可以實(shí)現(xiàn)氣門升程的可變，從而可以取消節(jié)氣門，通過(guò)氣門升程的可變來(lái)控制進(jìn)氣量繼而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。

d.本機(jī)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)氣門開啟時(shí)刻的可變。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

圖5至圖8示出了泄油相位角在15、45、85、105°CA時(shí)不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的氣門升程曲線。

圖5 泄油相位角15°CA的氣門升程曲線

圖6 泄油相位角45°CA的氣門升程曲線

圖7 泄油相位角85°CA的氣門升程曲線

由圖5至圖8可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，氣門的升程以及開啟持續(xù)期都會(huì)增加。由圖5、圖6可以看出，當(dāng)泄油相位角較小時(shí)，由于凸輪此時(shí)具有較大的速度，因而可以驅(qū)動(dòng)氣門繼續(xù)上升一段距離，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，可以賦予氣門的動(dòng)能越大，氣門的升程以及開啟持續(xù)期都會(huì)有所增加。由圖7、圖8可以看出，當(dāng)泄油相位角較大時(shí)，凸輪處于最大升程的位置，此時(shí)轉(zhuǎn)速的增加不會(huì)引起氣門升程的增大，只會(huì)使氣門的開啟持續(xù)期增加。

圖8 泄油相位角105°CA的氣門升程曲線

3 總結(jié)

綜上所訴，本機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)氣門升程以及氣門開啟持續(xù)期的連續(xù)可變。通過(guò)以上分析可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及撥叉旋轉(zhuǎn)時(shí)刻（即泄油相位角）都對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律有著一定的影響，但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響比較有限，撥叉旋轉(zhuǎn)時(shí)刻（即泄油相位角）對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響是決定性的。通過(guò)控制撥叉旋轉(zhuǎn)時(shí)刻（即泄油相位角）可以實(shí)現(xiàn)氣門升程從0到最大設(shè)計(jì)升程連續(xù)可變，氣門開啟持續(xù)期在較大曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)連續(xù)可變。

參考文獻(xiàn)

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