路勇，李建，李博，熊麗君，侯秀芹

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

發(fā)動(dòng)機(jī)電液全可變配氣系統(tǒng)建模與同步仿真

路勇，李建，李博，熊麗君，侯秀芹

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

為了研究全可變配氣系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響，基于CY4102BG柴油機(jī)，借助GT-power建立柴油機(jī)整機(jī)與全可變配氣系統(tǒng)的同步仿真模型，利用優(yōu)化得到的氣閥運(yùn)動(dòng)最佳配氣參數(shù)，完成電液全可變配氣柴油機(jī)的性能同步仿真。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在中低轉(zhuǎn)速工況下，柴油機(jī)有效功率的增幅為0.33%～5.65%，有效油耗率的降幅為0.33%～5.35%;在高轉(zhuǎn)速工況下，柴油機(jī)的性能改善不明顯。

發(fā)動(dòng)機(jī)； 電液； 全可變配氣； 建模； 同步仿真； 配氣參數(shù)

隨著內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的高速發(fā)展，低能耗和低污染已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展目標(biāo)。可變配氣技術(shù)對(duì)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與排放性有著重要的意義[1-2]。電液驅(qū)動(dòng)的全可變配氣技術(shù)能夠在全工況下同時(shí)對(duì)氣閥升程、相位、持續(xù)期連續(xù)可調(diào)，從而控制缸內(nèi)進(jìn)氣充量和換氣質(zhì)量，使新鮮充量與燃油在合適的空燃比下進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和節(jié)能減排有重要的意義[3-4]。同時(shí)電液驅(qū)動(dòng)全可變配氣系統(tǒng)又可以有效控制氣閥落座速度，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的低噪聲設(shè)計(jì)[5-7]。

在臺(tái)架試驗(yàn)前，建立全可變配氣系統(tǒng)與柴油機(jī)同步仿真模型，評(píng)價(jià)電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、響應(yīng)速度等性能，為臺(tái)架試驗(yàn)提供理論依據(jù)，具有重要意義。

1 電液全可變配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電液全可變配氣系統(tǒng)由電磁閥1、2、3、油源、蓄能器、溢流閥、內(nèi)反饋滑閥4、活塞5等基本部分組成。

1.1 全可變配氣工作原理

全可變配氣機(jī)構(gòu)的工作原理如圖1所示。執(zhí)行器不工作時(shí)：氣閥在彈簧力的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)兩位三通電磁閥3失電接通低壓油，開關(guān)電磁閥1、2失電接通低壓油，液壓腔s、s1、s2、a、a1、a2為低壓油；執(zhí)行器工作時(shí)，在PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，兩位三通電磁閥3得電，高壓油通過(guò)5中的液壓腔進(jìn)入4主液壓缸的a腔內(nèi)，使得a腔壓力升高，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，活塞推桿與氣閥相接觸，氣閥開啟；當(dāng)氣閥要達(dá)到該工況下的最大升程時(shí)，為了使氣閥保持在最大升程位置，電磁閥1得電，使得主腔a1內(nèi)壓力升高，加上彈簧壓縮量變大，氣閥運(yùn)動(dòng)變慢，同時(shí)s1壓力升高使得錐形滑閥上移，切斷高壓油路，氣閥在達(dá)到新的平衡點(diǎn)后運(yùn)動(dòng)終止；當(dāng)氣閥落座時(shí)，電磁閥1斷電，在氣閥回復(fù)彈簧的作用下氣閥回彈上升，在氣閥即將完成落座時(shí)，電磁閥2得電，a2腔壓力上升，氣閥落座速度降低，減小落座沖擊。

注：1.兩位兩通電磁閥，2.兩位兩通電磁閥， 3.兩位三通電磁閥，4.錐形滑閥，5.主液壓缸。圖1 電液全可變配氣系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 The working principle of electro-hydraulic full variable valve system

1.2 全可變配氣執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)全可變配氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理，結(jié)合CY4102柴油機(jī)的配氣要求，設(shè)計(jì)全可變配氣執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖2所示，執(zhí)行器主要參數(shù)如表1所示。

圖2 全可變配氣執(zhí)行器二維圖Fig.2 2D model of full variable valve executor

參數(shù)數(shù)值活塞直徑/mm30錐形滑閥直徑/mm15系統(tǒng)壓強(qiáng)/MPa7

2 同步仿真模型搭建

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

CY4102BG為頂置凸輪式柴油機(jī)，基于此柴油機(jī)，建立可變配氣柴油機(jī)一維工作過(guò)程模型，如圖3所示，4102柴油機(jī)主要參數(shù)如表2。

表2 CY4102BG發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

為了更精確地開展仿真研究，需要對(duì)仿真模型進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)測(cè)CY4102發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況下的缸內(nèi)壓力以及外特性指標(biāo)，并以此作為標(biāo)定模型的對(duì)標(biāo)基準(zhǔn)。微調(diào)各個(gè)模塊參數(shù)后，仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

綜合以上標(biāo)定結(jié)果，各主要性能參數(shù)的仿真值同實(shí)驗(yàn)值的平均誤差均低于5%，且波動(dòng)范圍較小，表明該仿真模型的整體精度較高，可以代替CY4 102發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2 電液全可變配氣系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，基于CY4102柴油機(jī)，其參數(shù)如表3，利用GT-Power軟件建立全可變配氣執(zhí)行器與控制器的液壓模型，如圖5。

為了后續(xù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真，需要對(duì)全可變配氣系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證氣閥最大升程可控，氣閥開啟相位可控，氣閥開啟持續(xù)期可控以及氣閥落座緩沖可控這4個(gè)方面，仿真結(jié)果如圖6。

上述仿真結(jié)果表明該全可變配氣系統(tǒng)仿真模型對(duì)氣閥升程、開啟相位和持續(xù)期均可控，可以有效減小氣閥落座沖擊，降低氣閥機(jī)構(gòu)噪聲。為后續(xù)CY4102柴油機(jī)整機(jī)模型和全可變配氣機(jī)構(gòu)液壓模型的同步仿真提供了基礎(chǔ)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型Fig.3 Engine simulation model

圖4 標(biāo)定結(jié)果Fig.4 Calibration results

項(xiàng)目名稱尺寸/mm進(jìn)氣閥閥頭45密封環(huán)帶42閥桿9排氣閥閥頭38密封環(huán)帶36閥桿9

2.3 電液全可變配氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能同步仿真模型

將CY4102柴油機(jī)模型的原始配氣系統(tǒng)模型用電液全可變配氣系統(tǒng)模型代替，建立CY4102柴油機(jī)與電液全可變配氣系統(tǒng)的同步仿真模型。二者之間的通訊借助GT-power中信號(hào)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)[8]。利用外部執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的氣閥模塊代替原發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥模塊，增加信號(hào)接收模塊與壓力模塊。信號(hào)傳輸可以將配氣模型中的氣閥升程曲線以升程信號(hào)的方式傳輸給整機(jī)模型中的氣閥模塊，同時(shí)將整機(jī)模型中的發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓曲線和進(jìn)排氣道壓強(qiáng)曲線轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)信號(hào)傳輸給液壓模型中的氣閥組件，實(shí)現(xiàn)了兩模型間的通訊。

運(yùn)行上述同步仿真模型，得到進(jìn)排氣閥的升程曲線圖，如圖7。從圖中可以看出：同步仿真后，進(jìn)排氣閥的配氣參數(shù)均能實(shí)現(xiàn)全可變，說(shuō)明此通信方式可以滿足這種電液全可變配氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)配氣的通信要求。

圖5 配氣系統(tǒng)液壓模型Fig.5 Hydraulic model of gas distribution system

圖6 全可變配氣系統(tǒng)性能驗(yàn)證Fig.6 Performance verification of full variable valve system

圖7 同步仿真驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 The results of synchronizing simulation

3 同步性能仿真

3.1 全可變氣閥參數(shù)優(yōu)化

電液全可變配氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)氣閥升程、相位、開啟持續(xù)期在全工況下均可變，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)到最佳，在同步仿真之前，需要對(duì)原固定凸輪氣閥參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

本文利用GT-POWER軟件中的Optimizer功能對(duì)全可變配氣參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為了全面評(píng)價(jià)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)能力，以柴油機(jī)的最大有效功率為優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化。運(yùn)用布倫特法(Brent-met hod)在多次迭代后，可確定最大有效功率，利用GT-POST后處理得到該功率下的一組最佳配氣參數(shù)，本文中給出進(jìn)氣閥運(yùn)動(dòng)參數(shù)最佳值如表4。

表4 優(yōu)化后進(jìn)氣閥運(yùn)動(dòng)參數(shù)

Table 4 Intake valve motion parameters after optimization

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)進(jìn)氣閥升程/mm進(jìn)氣閥開啟相位/(°)進(jìn)氣閥關(guān)閉相位/(°)4001122335592154222600110193531765536458001104135146455700310001115335044455900312001035234986567121400103493489865782751600998434396858184618009550343171591994200096233376666047832200934732821461430324008625325467619876

3.2 同步仿真及結(jié)果分析

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，可得到柴油機(jī)配氣系統(tǒng)改進(jìn)前后扭矩、有效功率、燃油消耗率、有效熱效率、充氣效率和NOx排放率比對(duì)圖，如圖8。圖8(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后柴油機(jī)的功率、扭矩、燃油消耗率、熱效率與NOx排放率的對(duì)比圖，圖中這4個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)與原機(jī)的變化趨勢(shì)相同，在400～2 000 r/min改進(jìn)后柴油機(jī)有效功率提高0.33%～5.65%，燃油消耗率降低0.33%～5.35%，熱效率提高0.33%～5.65%，NOx排放率降低1.07%～5.64%。在2 000 r/min以下時(shí)，柴油機(jī)的功率、扭矩、燃油消耗率與熱效率均有明顯的改善。在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，柴油機(jī)的性能改善效果最好。在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)2 000 r/min以后，柴油機(jī)性能改善不明顯。

圖8(f)為配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后柴油機(jī)的充氣效率對(duì)比圖，柴油機(jī)改進(jìn)后仿真所得充氣效率的變化趨勢(shì)與原機(jī)的不同，原機(jī)的充氣效率是隨轉(zhuǎn)速的增加而逐漸變大的，而全可變配氣柴油機(jī)的充氣效率在1 200 r/min以內(nèi)基本保持在一個(gè)較高的值，1 200 r/min之后開始逐漸降低，在1 800 r/min后低于原機(jī)仿真值，說(shuō)明柴油機(jī)處于中低轉(zhuǎn)速時(shí)，其充氣效率可得到明顯的提升。在400～1 800 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機(jī)充氣效率的增幅隨轉(zhuǎn)速的增加由8.43%逐漸降為0.92%，大于1 800 r/min時(shí)，充氣效率開始減小。

圖8 柴油機(jī)配氣系統(tǒng)改進(jìn)前后性能對(duì)比圖Fig.8 Comparison of engine performance before and after optimization

轉(zhuǎn)速超過(guò)2 000 RPM以后，柴油機(jī)性能改善不明顯與柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況下的電液配氣執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)能力有關(guān)，如圖9所示。

圖9 不同工況下氣閥最大升程Fig.9 The maximum valve lift in different conditions

從圖9中可以看出，在高轉(zhuǎn)速工況下，電液驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)能力下降。理論上，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越高，對(duì)進(jìn)氣充量的需求就越大，但仿真結(jié)果表明：在高轉(zhuǎn)速工況下，氣閥的最大升程相對(duì)于中低轉(zhuǎn)速工況下要小，而且氣閥開啟和落座的速度也變慢了，使得氣閥在相同開啟持續(xù)期下最大升程位置處的停留時(shí)間變短，致使進(jìn)氣充量變小，從而影響了柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況下的性能。電液驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)能力下降的原因是系統(tǒng)的電液全可變配氣系統(tǒng)流量過(guò)大，系統(tǒng)中電磁閥的響應(yīng)速度無(wú)法滿足要求所致[9-10]。這為后續(xù)其他機(jī)型的電液全可變配氣系統(tǒng)匹配與改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論支持。

4 結(jié)論

1)在GT-power中柴油機(jī)與全可變配氣系統(tǒng)的同步仿真模型工作正常，可以用來(lái)開展電液全可變配氣系統(tǒng)的柴油機(jī)性能同步仿真研究；

2)在中低轉(zhuǎn)速工況下，電液全可變配氣柴油機(jī)有效功率提高0.33～5.65%，有效油耗率降低0.33%～5.35%，說(shuō)明全可變配氣系統(tǒng)可以明顯柴油機(jī)性能；

3)在高轉(zhuǎn)速工況下，全可變配氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能改善效果不明顯，主要是在高轉(zhuǎn)速下，本文所設(shè)計(jì)的全可變配氣執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)能力不能滿足配氣要求，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)流量及電磁閥改進(jìn)設(shè)計(jì)后可以解決。

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本文引用格式：

路勇，李建，李博，等. 發(fā)動(dòng)機(jī)電液全可變配氣系統(tǒng)建模與同步仿真研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 38(7): 1129-1134.

LU Yong, LI Jian, LI Bo, et al. of the engine′s electro-hydraulic full variable valve system[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(7): 1129 -1134.

Modeling and synchronous simulation of the engine′s electro-hydraulic full variable valve system

LU Yong, LI Jian, LI Bo, XIONG Lijun, Hou Xiuqin

(College of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Fully variable electro-hydraulic valve technology can realize the flexible regulation of valve parameters, improve the performance of diesel engine, and thus overcome the limitations of traditional mechanical cam mechanisms. By using a CY4102BG diesel engine and GT-power, we established a synchronous simulation model on the complete diesel engine and the full variable valve system. These steps were carried out to study the effect of a fully variable gas distribution system on diesel engine performance. Furthermore, by using the optimum gas distribution parameters on valve motion, which were attained via optimization, we achieved the synchronous simulation on the performances of the electro-hydraulic full variable distribution diesel engine. The simulation results indicate that, under the low-speed conditions, the effective power of a diesel engine can be improved by 0.33%～5.65% and that fuel consumption rate can be reduced by 0.33%～5.35%. However, the improvement is not significant under high-speed conditions.

engine; electro hydraulic; fully variable valve; modeling; synchronous simulation; valve parameters

2016-08-01.

日期：2017-04-27.

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51579050).

路勇(1978-), 男, 副教授,博士生導(dǎo)師； 李建(1993-), 男, 碩士研究生.

李建, E-mail:allen_lee_1993@163.com.

10.11990/jheu.201608003

TK421.3

A

1006-7043(2017)07-1129-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1329.032.html