葉 錦，李道飛，王 雷，徐煥祥，俞小莉

（浙江大學(xué) 能源工程學(xué)系，浙江 杭州 310027）

0 引 言

內(nèi)燃機作為汽車的主要動力源，其動力性、經(jīng)濟性和排放性能在經(jīng)過這一百多年的發(fā)展后都得到了很大的改善，但是能量利用效率依然很低，汽油機效率約為30%，柴油機效率約為40%［1］。為此，人們提出各種改進技術(shù)，包括油電混合技術(shù)、氣動-內(nèi)燃混合技術(shù)、增壓技術(shù)、分層燃燒技術(shù)等［2-4］。

氣動-內(nèi)燃混合動力技術(shù)是將氣動發(fā)動機和內(nèi)燃機有機結(jié)合的一種新型技術(shù)，可有效提高燃料利用效率和排放性能:當(dāng)車輛工作在低負(fù)荷區(qū)域，采用氣動發(fā)動機作為動力源，實現(xiàn)零排放；當(dāng)車輛工作在中等負(fù)荷區(qū)域，采用內(nèi)燃機作為動力源，實現(xiàn)內(nèi)燃機高效運行；當(dāng)車輛工作在大負(fù)荷區(qū)域，氣動發(fā)動機和內(nèi)燃機同時工作，以提高車輛動力性，并且氣動發(fā)動機可以有效利用內(nèi)燃機余熱，提高其效率；當(dāng)車輛制動時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)制動能量回收［5］。

已有研究表明，不同的配氣相位對氣動發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性有較大影響［6］。同時，氣動-內(nèi)燃混合動力汽車在行駛過程中，經(jīng)常在氣動、內(nèi)燃、制動能量回收以及輔助增壓等工作模式下不斷切換［7］。采用傳統(tǒng)固定相位的配氣機構(gòu)，難以實現(xiàn)氣門升程和正時靈活控制，極大地限制了氣動-內(nèi)燃混合動力技術(shù)的應(yīng)用。國內(nèi)外一直致力于開發(fā)適用于氣動-內(nèi)燃混合動力的可變氣門技術(shù)。瑞典Lund大學(xué)Sasa等人［8］采用電控氣動全可變氣門，將一臺Scania D12發(fā)動機改造成氣動-內(nèi)燃混合動力發(fā)動機。浙江大學(xué)陳平錄等人［9］開發(fā)了滑閥式電控氣動全可變氣門，并將其應(yīng)用于氣動發(fā)動機。由于氣體的可壓縮性，電控氣動全可變氣門控制較為復(fù)雜，在控制的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性方面存在不足，此外還需要耗費一定的壓縮空氣。

為此，本研究設(shè)計制作電控液壓全可變氣門的原理樣機，并開發(fā)相應(yīng)的控制系統(tǒng)軟、硬件，并進行初步的試驗分析。

1 混合動力工作模式分析

筆者研究的氣動-內(nèi)燃混合動力系統(tǒng)如圖1所示，在傳統(tǒng)發(fā)動機基礎(chǔ)中增加一個可變氣門，作為壓縮空氣控制閥，這種形式的混合動力存在4種不同工作模式:內(nèi)燃模式、氣動模式、制動模式以及輔助增壓模式。在內(nèi)燃模式時，可變氣門關(guān)閉，此時工作過程等同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機。

圖1 氣動-內(nèi)燃混合動力系統(tǒng)示意圖

1.1 氣動工作模式

氣動工作模式可用于車輛起步或者低速時使用。此時發(fā)動機停止噴油，原有進、排氣氣門工作條件不變，可變氣門激活。在原內(nèi)燃模式膨脹沖程開啟，使氣罐內(nèi)壓縮空氣進入氣缸推動活塞做功。此時的示功圖如圖2所示。通過延長可變進氣門的關(guān)閉時間，如將5延長至5'，則可以增大氣動模式的輸出功，提高氣動模式動力性，適用于車輛起動工況。

圖2 氣動模式示功圖

1.2 制動工作模式

制動工作模式可在車輛制動時回收車輛動能，以壓縮空氣能量儲存。此時發(fā)動機停止噴油，可變氣門激活?？刂瓶勺儦忾T在壓縮沖程中缸內(nèi)壓力達(dá)到氣罐壓力時開啟，使缸內(nèi)氣體進入氣罐內(nèi)，而后在壓縮沖程上止點關(guān)閉。此時的缸內(nèi)示功圖如圖3所示。通過提前開啟可變氣門，如將3提前至3'，則可增加制動功，提高車輛制動力。

圖3 制動模式示功圖

1.3 輔助增壓模式

當(dāng)車輛處于起步或者加速工況時，噴油量增加導(dǎo)致空燃比減小，造成排放惡化等問題。通過輔助增壓可以很好地解決這一問題，同時能夠提高升功率［10］。該模式在發(fā)動機進氣過程結(jié)束后開啟可變氣門，利用氣罐內(nèi)高壓氣體對缸內(nèi)進行補氣，同時通過調(diào)整噴油量，提升發(fā)動機功率。此時的示功圖如圖4所示。在此模式中，提前開啟可變氣門，如將3提前至3'，此時缸內(nèi)壓力較小，可增加補氣量，提高壓縮沖程最終壓力，增加輸出功率。

2 電控液壓全可變氣門系統(tǒng)設(shè)計

氣動-內(nèi)燃混合動力系統(tǒng)在低速時，一般采用氣動模式，而根據(jù)文獻［11］的實驗結(jié)果，氣動發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速超過1 200 r/min后，氣耗率惡化，效率大大降低。而可變氣門在不同模式工作時開啟持續(xù)角低于180°CA，同時壓縮空氣壓力遠(yuǎn)高于大氣，氣門最大升程低于原有進排氣門的最大升程。本研究設(shè)計的可變氣門應(yīng)用對象為290F發(fā)動機，總體設(shè)計目標(biāo)為:滿足氣動模式轉(zhuǎn)速1 200 r/min，進氣持續(xù)角180°CA，最大氣門升程5 mm。

圖4 輔助增壓模式示功圖

2.1 總體方案

電液驅(qū)動可變氣門系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、氣門執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)3部分組成，電液驅(qū)動可變氣門系統(tǒng)示意圖如圖5所示。控制器接收參數(shù)指令，向電磁閥驅(qū)動器發(fā)出信號，控制氣門的開閉。

圖5 電液驅(qū)動可變氣門系統(tǒng)示意圖

工作原理如下:①氣門開啟階段，當(dāng)進油電磁閥B、排油電磁閥A接受控制信號開啟，高壓油經(jīng)過進油電磁閥A進入柱塞上腔室，推動柱塞向下運動，氣門開啟；②氣門保持開啟階段，進油電磁閥和泄油電磁閥全部關(guān)閉，上下腔室內(nèi)油液被封存，由于油液的不可壓縮性，氣門保持開啟位置不變；③氣門關(guān)閉階段，進油電磁閥A和排油電磁閥B分別接收控制信號開啟，高壓油經(jīng)過進油電磁閥A進入柱塞下腔室，推動柱塞向上運動，氣門開始關(guān)閉；④氣門保持關(guān)閉階段，進油電磁閥和泄油電磁閥保持關(guān)閉，氣門保持關(guān)閉位置不變。

2.2 氣門執(zhí)行機構(gòu)

可變氣門執(zhí)行機構(gòu)是液壓能向機械能轉(zhuǎn)化的核心部件，通過液壓油路切換可實現(xiàn)氣門執(zhí)行機構(gòu)開啟、保持和關(guān)閉動作?？紤]到實際加工的難度，氣門機構(gòu)的設(shè)計須盡量減少對原型機缸蓋結(jié)構(gòu)的改變。氣門執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)配圖如圖6所示，主要包括殼體、鎖緊螺栓、端蓋、柱塞和密封圈。這些部件構(gòu)成氣門執(zhí)行機構(gòu)上、下液壓腔，氣門的開啟最大升程受下端蓋的限制。為保證氣門執(zhí)行機構(gòu)良好的密封性，本研究采用雙向密封的格萊圈來密封柱塞與殼體以及上、下端蓋配合面。

圖6 可變氣門執(zhí)行機構(gòu)

2.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)［12］主要包括電動機、液壓泵、蓄能器以及傳感器等部件，其主要設(shè)計參數(shù)為液壓系統(tǒng)額定壓力、額定流量以及電機額定功率。

對于結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的電液驅(qū)動可變氣門系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)壓力決定了氣門開啟的最大位移和速度。由于本研究的電液驅(qū)動可變氣門液壓系統(tǒng)氣門關(guān)閉過程中，液壓力大于壓縮空氣作用力，液壓系統(tǒng)額定壓力可由下式計算:

式中:PN—液壓系統(tǒng)額定壓力，λ—液壓系統(tǒng)壓力損失系數(shù)，δ—液壓系統(tǒng)安全裕度，Dl—柱塞下出桿直徑，Dm—柱塞直徑，F(xiàn)—氣門上壓縮空氣作用力，Dv—氣門直徑，pcom—壓縮空氣壓力。

將如表1所示的參數(shù)代入式（1，2）計算，得到:PN=14.5 MPa。

液壓系統(tǒng)額定流量是指液壓系統(tǒng)正常工作時的最大流量。對于結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的電液驅(qū)動可變氣門系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)額定流量同樣決定了氣門開啟速度。由于柱塞上、下出桿直徑不同，氣門關(guān)閉時的液壓腔室的進油流量大于氣門打開時的進油流量，額定流量按氣門關(guān)閉時的流量計算:

表1 液壓系統(tǒng)額定壓力計算參數(shù)表

式中:QN—液壓系統(tǒng)額定流量，ξ—液壓系統(tǒng)流量損失系數(shù)，L—最大氣門升程，t—氣門關(guān)閉動作完成時間。

氣動-內(nèi)燃混合動力系統(tǒng)工作于純氣動模式，其進氣過程持續(xù)180°CA，包括進氣門打開、保持和關(guān)閉3個過程，為簡化計算，假設(shè)3個過程所需要的時間一樣，因此可設(shè)置進氣門關(guān)閉持續(xù)角為60°CA，即氣門關(guān)閉動作完成時間為:

式中:r—可變氣門設(shè)計滿足的最高轉(zhuǎn)速。

將式（4）代入式（3），并將如表1、表2所示的參數(shù)代入計算，可以得到:QN=3.8 L/min。

表2 液壓系統(tǒng)額定流量計算參數(shù)表

對于液壓系統(tǒng)，電動機功率和液壓系統(tǒng)額定壓力和額定流量的關(guān)系如下式所示:

式中:P—電機動率，kW；PN—液壓系統(tǒng)額定壓力，MPa；QN—液壓系統(tǒng)額定流量，L/min；ηp—液壓泵總效率；ψ—轉(zhuǎn)換效率。

電機功率設(shè)計算參數(shù)表如表3所示。由表3參數(shù)進行計算，得到P=0.95 kW。

2.4 控制系統(tǒng)硬件選型

控制系統(tǒng)主要包括液壓電磁閥、電磁閥驅(qū)動器和控制器。電磁閥用于控制液壓油的通斷，其響應(yīng)速度、流通面積對氣門的開啟速度和關(guān)閉速度有著重要的影響。因此，在滿足系統(tǒng)流量需求的情況下，宜盡量選擇開啟和關(guān)閉延遲小的電磁閥。本研究采用的HSV兩位兩通高速開關(guān)電磁閥如圖7所示，在壓力為14 MPa的時候，流量為9 L/min，大于液壓系統(tǒng)最大流量（3.8 L/min），滿足要求。同時電磁閥開啟時間小于3.5 ms，關(guān)閉時間小于2.5 ms。電磁閥驅(qū)動方法采用PWM調(diào)制方式，根據(jù)所選的電磁閥，本研究采用HLQDQ-4H電磁閥驅(qū)動器。控制器選用美國國家儀器公司NI-CompactRIO智能實時嵌入式控制系統(tǒng)，通過NI9401輸出5 V TTL信號作為電磁閥驅(qū)動器的控制信號。

表3 電機功率設(shè)計算參數(shù)表

圖7 兩位兩通高速開關(guān)電磁閥

2.5 控制器軟件開發(fā)

本研究中，控制器軟件采用LabVIEW圖形化編程平臺，包括Realtime（RT）程序和底層FPGA程序，可變氣門控制程序結(jié)構(gòu)及控制信號示意圖如圖8所示，F(xiàn)P?GA程序包括電磁閥控制信號輸出模塊和傳感器信號采集模塊。RT程序的主要功能包括配置運行參數(shù)、試驗數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)保存。氣門控制信號由主脈寬和PWM兩部分組成，系統(tǒng)通過信號的持續(xù)時間控制氣門的開啟與關(guān)閉。

圖8 可變氣門控制程序結(jié)構(gòu)及控制信號示意圖

3 電控液壓全可變氣門測試分析

測試系統(tǒng)具體實物圖如圖9所示。氣門升程通過激光位移傳感器測量，液壓系統(tǒng)壓力通過壓力變送器測量。

圖9 電液氣門測試系統(tǒng)

控制器發(fā)出信號后，電控液壓驅(qū)動可變氣門需要經(jīng)過一段延時后才能響應(yīng)。延時主要由3個部分組成:電磁的電磁力延時、氣門執(zhí)行機構(gòu)液壓腔室內(nèi)的液壓力變化延時以及電磁閥和液壓柱塞的機械延時。在實際應(yīng)用中，應(yīng)調(diào)整控制信號來減少或消除延時的不利影響。液壓系統(tǒng)壓力為13 MPa時的電控液壓驅(qū)動可變氣門響應(yīng)特性如圖10所示。圖中開啟信號發(fā)出到氣門開始運動時，經(jīng)歷的延時時間t1=6.2 ms，其中電磁閥完全開啟延時3.5 ms，液壓腔室壓力開始建立到柱塞開始運動之間存在2.7 ms的延時；關(guān)閉信號發(fā)出到氣門開始關(guān)閉時，經(jīng)歷的延時時間t2=5.8 ms。

圖10 電控液壓驅(qū)動可變氣門響應(yīng)特性

液壓系統(tǒng)壓力14.5 MPa時，不同氣門開啟信號持續(xù)時間所對應(yīng)的氣門升程曲線如圖11所示。隨著氣門開啟信號持續(xù)時間增加，氣門升程呈現(xiàn)線性增加；當(dāng)開啟信號持續(xù)時間為30 ms時，氣門升程達(dá)到8.9 mm，當(dāng)開啟信號持續(xù)時間為21 ms時，氣門升程僅達(dá)到6.2 mm。因此，在實際應(yīng)用中，電控液壓驅(qū)動可變氣門可通過控制開啟信號持續(xù)時間，即進油時間，以調(diào)節(jié)氣門升程大小。

圖11 不同氣門開啟持續(xù)時間時的氣門升程規(guī)律

液壓系統(tǒng)壓力為14.5 MPa時，氣門位于最大升程時，不同的保持時間（氣門開啟信號結(jié)束至氣門關(guān)閉信號開始）所對應(yīng)的氣門升程曲線如圖12所示。圖12中，隨著氣門保持時間增加，氣門在最大位移處保持的時間逐漸增長。這表明通過改變氣門保持時間，本研究設(shè)計的電液氣門系統(tǒng)可成功實現(xiàn)氣門持續(xù)角的控制。從圖12中還可得到，如果氣門開啟持續(xù)曲軸轉(zhuǎn)角為180°、氣門最大升程5 mm、保持時間為4 ms時氣門打開持續(xù)時間約為30 ms，可在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 000 r/min時工作，如果減小保持時間至0 ms，可滿足發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 200 r/min的設(shè)計要求。

圖12 不同氣門開啟保持時間對應(yīng)氣門升程曲線

4 結(jié)束語

本研究首先討論了氣動-內(nèi)燃混合動力系統(tǒng)的3種工作模式，以低速工況下混合動力系統(tǒng)氣動模式為例，設(shè)計開發(fā)了電液全可變氣門；基于NI-CompactRIO平臺開發(fā)了可變氣門控制系統(tǒng)，并采用PWM調(diào)制方式驅(qū)動電磁閥；最后，對電液氣門進行了初步的試驗分析。研究結(jié)果表明，電液全可變氣門具有一定的響應(yīng)延時，但是其響應(yīng)特性基本滿足工作要求；通過控制進油時間和保持時間，可以實現(xiàn)氣門升程和正時的調(diào)整和優(yōu)化，更好地滿足氣動工作模式可變氣門的設(shè)計要求。

目前，電液驅(qū)動可變氣門依然處在試驗開發(fā)階段，下一步研究將針對內(nèi)燃模式、制動能量回收模式以及輔助增壓模式等多種模式進一步改進，并開展模式切換瞬態(tài)過程中的動力學(xué)特性研究。

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