劉波瀾, 余錫洋, 王曉剛, 顏超, 于飛, 王文泰， 韓耀輝

( 北京理工大學(xué) 動(dòng)力系統(tǒng)工程研究所, 北京 100081)

內(nèi)燃機(jī)在未來較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將是全球動(dòng)力市場(chǎng)的主力，即使在新能源汽車飛速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛在全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量中仍然占有90%以上的比例，特別是在貨運(yùn)、農(nóng)用以及眾多非道路車輛領(lǐng)域，傳統(tǒng)柴油機(jī)車的地位很難被撼動(dòng). 然而面對(duì)日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)及能耗標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能、減排、增效技術(shù)仍將是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn). 可變氣門技術(shù)在節(jié)能減排增效等方面均表現(xiàn)出色[1-4].

可變氣門技術(shù)具有減小泵氣損失，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部 EGR，實(shí)現(xiàn)可變有效壓縮比，實(shí)現(xiàn)可變排量，改善怠速穩(wěn)定性，提高充氣效率，降低能耗等優(yōu)點(diǎn). 與固定配氣相位相比，可變配氣相位則可以在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，提供合適的氣門開啟、關(guān)閉時(shí)刻或升程，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣性能，較好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷與小負(fù)荷時(shí)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、廢氣排放的要求，整體提高發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能.

目前應(yīng)用較廣的可變氣門技術(shù)按照可變的配氣參數(shù)主要可分為VVT和VVL[5]. 前者是通過調(diào)節(jié)凸輪軸的相對(duì)位置來改變氣門的啟閉時(shí)刻，如豐田的VVT-i，福特的 VCT等，該技術(shù)無法改變氣門升程大小. 而后者是通過改變凸輪型線來調(diào)節(jié)氣門升程與啟閉時(shí)刻，如本田的VTEC，奧迪的AVS等，該技術(shù)往往是2～3級(jí)可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍較窄. 另外，無凸輪的電磁式可變氣門存在成本高昂、控制復(fù)雜等缺點(diǎn). 而凸輪驅(qū)動(dòng)的液壓式可變氣門機(jī)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來逐漸被國(guó)內(nèi)外研究人員重視[6-8].

文中針對(duì)現(xiàn)有可變氣門技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，在1015型單缸柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于凸輪驅(qū)動(dòng)的液壓式可變氣門機(jī)構(gòu)(cam driven hydraulic fully variable valve system,CD-HFVVS)，并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)配氣參數(shù)的全無極可變，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，控制方便.

1 CD-HFVVS系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是在已有的某型單缸柴油機(jī)缸蓋上進(jìn)行改裝完成的. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示.

該機(jī)構(gòu)可以分為低壓油路部分、凸輪柱塞部分和活塞氣門部分.

低壓油路部分主要包括液壓油箱，低壓油泵，溢流閥和調(diào)壓閥等. 低壓油泵負(fù)責(zé)將液壓油從油箱中泵出，并為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的低壓油. 溢流閥的作用主要是，在泄油階段，高壓油道的液壓油瞬間涌入低壓油路，該部分液壓油大多經(jīng)溢流閥回流至油箱，溢流閥的開啟壓力應(yīng)略大于低壓油路壓力.

凸輪柱塞部分主要包括凸輪、挺柱總成、柱塞、柱塞套以及柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)套等. 凸輪推動(dòng)柱塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞頂面及頸部斜槽同進(jìn)回油口的連通狀態(tài)決定了壓油與泄油的時(shí)刻，也就決定了氣門開啟，關(guān)閉時(shí)刻以及升程.

活塞氣門部分主要包括液壓活塞、活塞套、氣門與氣門彈簧等.

機(jī)構(gòu)的具體工作原理如下：

低壓油泵將液壓油從油箱中泵出，為系統(tǒng)提供0.5 MPa的低壓液壓油；曲軸帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪推動(dòng)挺柱從而帶動(dòng)液壓柱塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng). 當(dāng)柱塞上升至柱塞頂面封閉進(jìn)油口時(shí)，高壓油道的內(nèi)的液壓油為封閉狀態(tài)，由于液體的不可壓縮性，高壓油道內(nèi)的液壓油可視為剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu). 由于柱塞上行的擠壓作用，油道內(nèi)的油壓瞬間升高，當(dāng)油路壓力作用在活塞頂面的力升高至氣門彈簧預(yù)緊力的時(shí)候，氣門被頂開；柱塞繼續(xù)上行至斜槽與回(進(jìn))油口連通時(shí)，高壓油路的壓力瞬間降低至低壓油路壓力，油路壓力作用在活塞頂面的力瞬間降低，氣門在氣門彈簧力的作用下開始回落.

機(jī)構(gòu)配氣參數(shù)調(diào)節(jié)的核心元件是液壓柱塞，其局部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

柱塞頸部位置開有一個(gè)斜槽，柱塞頂面開有一個(gè)中心孔與斜槽向連通. 低壓油路兼負(fù)進(jìn)油和回油的任務(wù)，循環(huán)開始時(shí)，高壓油道跟低壓油道向連通，油壓為低壓油泵所建立的0.5 MPa. 當(dāng)柱塞在凸輪的作用下上行，其頂面封閉進(jìn)油口時(shí)，高壓油路壓力瞬間升高，氣門被頂開. 柱塞繼續(xù)上行，柱塞斜槽與進(jìn)油口相連，高壓油路通過柱塞中心孔經(jīng)柱塞斜槽與低壓油路相連通，油壓瞬間降低，氣門回落. 因此，該系統(tǒng)的配氣參數(shù)調(diào)節(jié)主要是通過柱塞頂面初始位置及柱塞斜槽初始位置，即柱塞縱向和周向初始位置的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的. 具體的調(diào)節(jié)規(guī)律如下.

1.2 柱塞縱向初始位置調(diào)節(jié)

柱塞縱向初始位置的調(diào)節(jié)是通過在柱塞座與挺柱之間加工梯形傳動(dòng)螺紋來實(shí)現(xiàn)的. 該位置調(diào)節(jié)過程中的調(diào)節(jié)量可以稱為延后壓油量 ，即柱塞頂面的初始位置距離封閉進(jìn)油口的距離，如圖2所示. 在凸輪推動(dòng)柱塞開始上行直至柱塞頂面封閉進(jìn)油口之前，高壓油道與低壓油道是始終相連的，此階段盡管柱塞上行，氣門也不會(huì)被頂起，直至柱塞繼續(xù)上行至封閉進(jìn)油口，氣門才會(huì)在高壓油的作用下被頂開. 因此，配氣凸輪行程的前hy段是不起作用的，如圖3所示，氣門的實(shí)際升程與關(guān)閉角也會(huì)有相應(yīng)的減少. 通過調(diào)節(jié)hy的值即可使氣門的開啟角，升程和關(guān)閉角同時(shí)改變.

1.3 柱塞周向初始位置調(diào)節(jié)

柱塞周向初始位置的調(diào)節(jié)是通過轉(zhuǎn)動(dòng)柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)套帶動(dòng)柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的. 該位置調(diào)節(jié)過程中的調(diào)節(jié)量可以稱為提前泄油量 ，即從柱塞上行至斜槽連通進(jìn)油口到凸輪最大升程處柱塞所上升的距離的值可以由以下的式子求出：

ha=ht-h′a,

(1)

式中:ha為提前泄油量;ht為凸輪最大升程;h′a為柱塞斜槽與進(jìn)油口連通時(shí)凸輪已走的行程. 調(diào)節(jié)量ha可以理解為在凸輪行程升至最大的ht前ha處開始泄油，故將該調(diào)節(jié)量稱為提前泄油量. 當(dāng)泄油開始時(shí)，即高壓油路與低壓油路相連通時(shí)，高壓油道壓力瞬間降低，氣門在氣門彈簧的作用下回落. 由圖3可知，配氣凸輪的h′a到ht段也是不起作用的. 因此，通過調(diào)節(jié)ha的值即可使氣門的升程和關(guān)閉角同時(shí)改變.

綜上所述，在配氣凸輪型線有足夠冗余量的情況下，通過合理調(diào)節(jié)延后壓油量hb及提前泄油量ha，即可實(shí)現(xiàn)滿足全工況范圍的氣門開啟角、關(guān)閉角和升程的配氣參數(shù)全無極可變.

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

進(jìn)行試驗(yàn)的主要目的是為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基于凸輪驅(qū)動(dòng)的液壓全可變氣門機(jī)構(gòu)的實(shí)際可行性，以及探究該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律，油路壓力變化，氣門落座特性等. 基于以上試驗(yàn)?zāi)康乃O(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖4所示.

試驗(yàn)在單缸機(jī)缸蓋上進(jìn)行，通過直流電機(jī)來代替曲軸輸出動(dòng)力給凸輪軸. 試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)可以分為4個(gè)部分：凸輪驅(qū)動(dòng)部分、CD-HFVVS系統(tǒng)部分、低壓油路部分和信號(hào)采集部分. 各部分組成如表1所示. 試驗(yàn)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，油泵將液壓油泵出油箱送入柱塞腔，并建立低壓油路壓力；變頻控制柜控制直流電機(jī)的開關(guān)與轉(zhuǎn)速，從而模擬曲軸帶動(dòng)凸輪的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行；兩個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)套和柱塞座的旋轉(zhuǎn)，從而控制配氣參數(shù)的變化.

表1 試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)各部分組成Tab.1 Composition of test bench system

試驗(yàn)中采用德國(guó)米銥LD-1627-200型激光位移傳感器，該傳感器量程為200 mm，測(cè)量范圍為200～400 mm，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為-10 ～ +10 V. 響應(yīng)頻率可達(dá)30 kHz，分辨率為120 μm. 壓力傳感器為奇石樂6052CU20 型壓電晶體式傳感器，量程為0～25 MPa. 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器和60缺2齒的信號(hào)盤用以測(cè)量凸輪軸轉(zhuǎn)速和位置.

3 CD-HFVVS系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 提前泄油量的變化對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

根據(jù)CD-HFVVS系統(tǒng)的工作原理，提前泄油量的增大將使得氣門升程和關(guān)閉角同時(shí)降低，而氣門的開啟角不會(huì)改變. 圖6所示為延后壓油為1 mm，提前泄油量分別為0、1、2、3、4 mm 情況下的氣門升程曲線. 可以看出，在不同提前泄油量的情況下，氣門的開啟時(shí)刻不變，而氣門升程和關(guān)閉角隨提前泄油量的增大而降低. 這一氣門變化規(guī)律同理想情況是一致的，由此可見，CD-HFVVS系統(tǒng)的提前泄油量調(diào)節(jié)的可行性得到了驗(yàn)證.

圖7所示為延后壓油1 mm，無提前泄油量情況下的氣門升程和油路壓力的對(duì)比，該圖也可以側(cè)面的反映該機(jī)構(gòu)的工作原理. 當(dāng)柱塞頂面上行至封閉進(jìn)油口時(shí)，油路壓力迅速升高，直至油壓略大于氣門彈簧預(yù)緊力時(shí)，氣門打開；氣門開啟后，油壓會(huì)有些許的降低隨后再升高，這可能是因?yàn)樵跉忾T開啟瞬間，液壓油除了要克服彈簧預(yù)緊力，還要克服系統(tǒng)的摩擦力，氣門開啟后，靜摩擦力轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦力，故油路會(huì)有一定的下降.

對(duì)氣門升程進(jìn)行微分處理即可得到氣門的速度值，圖8為不同提前泄油量情況下的氣門速度. 可以看出，在機(jī)構(gòu)開始泄油之前不同提前泄油量下的氣門速度幾乎是一樣的，這是因?yàn)樵撾A段氣門的運(yùn)動(dòng)是由凸輪推動(dòng)的. 當(dāng)機(jī)構(gòu)開始泄油時(shí)，氣門速度開始脫離原始的速度曲線，即無提前泄油量下的氣門速度曲線. 由于泄油過程中，油路壓力是瞬間降低的，液壓油作用在活塞上端的力較氣門彈簧力相比很小，所以氣門回落的速度較原始速度要快一些. 而氣門落座瞬間的速度在0.3～0.4 m/s之間，根據(jù)AVL以及FEV公司制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)良的氣門落座速度應(yīng)小于0.5 m/s，因此該機(jī)構(gòu)的氣門落座速度仍在合理的范圍內(nèi)，但是較原機(jī)的氣門落座速度相比還是有一定的惡化，在長(zhǎng)期使用過程中氣門可能會(huì)撞擊磨損. 針對(duì)這一問題，可以在未來的改進(jìn)中為該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)加裝落座緩沖裝置來解決.

3.2 延后壓油量的變化對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

根據(jù)CD-HFVVS系統(tǒng)的工作原理，延后壓油量的增大將使得氣門升程，開啟角和關(guān)閉角同時(shí)降低，其作用效果相當(dāng)于截取了不同的凸輪段. 圖9所示為無提前泄油量，延后壓油量分別為1、2、3、4 mm情況下的氣門升程曲線. 可以看出，在不同延后壓油量的情況下，氣門的升程和持續(xù)期均隨延后壓油量的增大而減小. 這一氣門變化規(guī)律與理想情況也是一致的，由此可見，CD-HFVVS系統(tǒng)的提前泄油量調(diào)節(jié)的可行性同樣得到了驗(yàn)證.

對(duì)氣門升程進(jìn)行微分處理即可得到不同延后壓油量下的氣門的速度值. 由圖9中可以看出，在機(jī)構(gòu)開始?jí)河偷介_始泄油階段，各個(gè)情況下的氣門速度幾乎是一樣的，因?yàn)樵撾A段的氣門運(yùn)動(dòng)是由凸輪推動(dòng)的. 而隨著延后壓油量的增大，氣門的開啟時(shí)刻推遲，關(guān)閉時(shí)刻提前. 通過氣門速度的變化規(guī)律也可以得出，延后壓油量的調(diào)節(jié)實(shí)際上是截取不同的配氣凸輪段來推動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng). 另外，各情況下的氣門開啟瞬間速度和關(guān)閉瞬間速度均在0.3 m/s左右.

3.3 改善液壓系統(tǒng)氣門落座的研究

液壓系統(tǒng)，氣門在開啟和關(guān)閉過程沒有凸輪型線的約束，氣門的落座沖擊還是比較大的. 圖8、圖10所示為氣門速度曲線. 可以看出，各情況下氣門落座瞬間的速度在0.3～0.4 m/s之間，根據(jù)AVL以及FEV公司制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)良的氣門落座速度應(yīng)小于0.5 m/s，因此該機(jī)構(gòu)的氣門落座速度仍在合理范圍內(nèi)，但是較原機(jī)的氣門落座速度相比還是有一定的惡化，在長(zhǎng)期的使用過程中氣門可能會(huì)撞擊磨損.

文中通過在液壓活塞頂面加裝錐形落座緩沖塊來實(shí)現(xiàn)氣門落座緩沖的作用，落座緩沖塊的三維示意圖如圖11所示.

圖12和圖13所示分別為加裝了氣門落座緩沖裝置后的不同提前泄油量下的氣門升程曲線和氣門速度曲線，在加裝落座緩沖裝置后，氣門的開啟和落座過程明顯變緩，氣門的落座瞬間速度均小于0.1 m/s，氣門的落座沖擊得到了較好的解決.

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于凸輪驅(qū)動(dòng)的液壓全可變氣門機(jī)構(gòu)(CD-HFVVS)，并搭建了試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了系統(tǒng)可行性驗(yàn)證與分析,CD-HFVVS系統(tǒng)的提前泄油量的調(diào)節(jié)可以使氣門升程和關(guān)閉角同時(shí)可變，而延后壓油量的調(diào)節(jié)可以使氣門升程，開啟角和關(guān)閉角均可變. 在配氣凸輪型線有足夠冗余量的情況下,CD-HFVVS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)滿足全工況的配氣參數(shù)全無極可變. 由于該系統(tǒng)氣門在回落過程中沒有凸輪的約束，高壓油路自由泄壓，故氣門速度同原機(jī)相比較大. 加入緩沖塊實(shí)現(xiàn)開啟關(guān)閉時(shí)刻的節(jié)流作用，氣門落座沖擊有明顯改善.