电液驱动气门系统的仿真分析
目 录
1 绪论 2
1.1 引言 2
1.2 可变气门技术的发展现状及其技术特点 2
1.3 课题研究背景 11
1.4 课题研究前景及设计意义 11
2 可变气门技术对发动机性能的影响 12
2.1 可变进气门正时 13
2.2 可变排气门正时 14
2.3 可变气门升程 15
2.4 停滞气门 17
2.5 可变气门速度 17
2.6 可变气门重叠角 17
2.7 本章小结 18
3 电-液驱动可变气门系统总体设计 18
3.1 某型柴油机基本参数 18
3.2 某型柴油机凸轮驱动气门升程计算 18
3.3 液压驱动气门系统模型的建立 19
3.4 液压驱动机构参数计算 20
3.5 电-液驱动系统仿真设计与结论分析 25
总 结 31
参 考 文 献 33
致 谢 34
1 绪论
1.1 引言
现代高科技的发展已将发动机的节能、增效、低排放作为“节能一高效一环保”一体化课题进行综合研究和技术开发。而配气相位直接影响着发动机的进排气性能,对燃烧过程的优劣起着至关重要的作用，配气相位的选择既要考虑到发动机的高速功率、低速扭矩、怠速油耗部分负荷下的燃油经济性,又要兼顾低速平稳性和废气排放等问题。
为了获得较好的发动机性能,配气相位应随着转速和负荷的变化而变化，即发动机在高速和大负荷下需要较大的气门重叠角和进气门迟闭角,以便得到较高的功率输出;反之,在怠速和低速小负荷 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
下则需要较小的进气门迟闭角和气门重叠角,以便得到较好的怠速平稳性和废气排放性能。传统的发动机配气相位是固定不变的,是通过各种不同的配气相位试验,从中选取兼顾各种工况下发动机性能的一种折衷方案,不能在各种情况下提供最佳正时,发动机性能潜力不能得到充分发挥,而随着电控喷油技术、相继增压技术、可变喷嘴涡轮增压技术等在发动机上的成功应用,使得配气相位固定不变的缺点日益凸显。
可变气门定时(VVT)正是基于以上考虑,提出通过对发动机气门的启闭定时、持续时间和升程等参数进行独立调节,以满足发动机多工况下对配气系统的要求。与固定配气相位相比,可变气门技术可实时调节发动机进气、排气参数,较好的满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时的动力性、经济性以及排放性能的要求,从整体上提高发动机综合性能。
1.2 可变气门技术的发展现状及其技术特点
可变气门系统最早出现在美国,自1880年,第一件可变气门装置专利在美国申请,至1987年约有近800件。VVT技术由于自身的优点,日益受到人们重视,多年来仍在持续不断地发展。世界各国多年来开发了多种可变气门系统,这些系统有的部分实现了上述功能,有的只能对个别参数进行调整。只有少量结构简单、成本较低的实现了产品化,大多数可变气门驱动机构由于成本较高,或者可靠性的问题,只限于专利形式或者只进行了实验研究。
气门驱动系统按驱动方式不同可分为凸轮驱动系统和非凸轮驱动系统两大类。凸轮驱动可变气门系统研究时间相对较长,系统相对简单可靠,在发动机上得到了广泛的应用。随着微电子技术的发展,非凸轮驱动可变气门系统成为最近20年来研究的新领域,由于其涉及液压、电磁、电子等多个领域,结构较为复杂,实现产品化尚需时日。
1.2.1 凸轮驱动可变气门系统
凸轮驱动可变气门系统通过对凸轮轴传动、摇臂比、顶柱或正时皮带的调节达到改变气门正时或升程的目的,多为机械控制,也有少量为电子控制。由于保留了凸轮,其调节能力仍受到原凸轮型线的限制。
a）凸轮轴调相式
这种机构每个气门一般只有一瓣凸轮(也有两瓣的),它通过凸轮轴和曲轴的相位改变一个角度,以使气门的正时发生变化,而气门开启持续角度保持不变。大量的可变气门正时系统都属于这一类,它们主要的差异在于实现凸轮轴调相的方式不一样。该类机构原理简单,对原机改动小,成本低,便于采用,应用较为广泛,不足之处是只能对气门相位进行调节,而不能改变气门开启持续时间和升程。
Lexus、Alfa Romemo、Toyota以及Mercedes一BenzToyota等公司的可变气门正时系统都属于这一类,原理大致相同,它包括由正时齿形带或链轮驱动的外齿轮和与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮,以及一个处于内齿轮、外齿轮之间的可动活塞组成。活塞的内、外表面上有螺旋形花键槽。活塞沿轴向的移动,会改变内、外齿轮的相对位置,从而产生配气相位的连续改变。图1-1为Lexus公司的可变气门正时系统的结构图,图1-2为其工作原理图。
根据发动机ECU的指令,当凸轮轴正时控制阀位于图(a)所示时,机油压力施加在活塞的左侧,使得活塞向右移动。由于活塞上的旋转花键的作用,进气凸轮轴相对于凸轮轴正时带轮提前某一角度。
当凸轮轴正时控制阀位于图(b)位置时,活塞向左移动,并向延迟的方向旋转。进而,凸轮轴正时控制阀关闭油道,保持活塞两侧的压力平衡,从而保持配气相位,由此得到理想的配气正时。
另外一种典型的凸轮轴调相机构通过谐波传动实现，它主要由刚轮、柔轮和波发生器三个构件组成。柔轮是易变形的薄壁外齿圈,刚轮是刚性内齿轮波发生器由椭圆盘和柔性轴承组成。三个构件的任何一个都可作为主动件,另两个一个固定,一个从动：亦可以任意两个为主动件,其余一个从动。通过使波发生器转动,使柔轮及凸轮轴相对于刚轮及正时齿轮转过一定角度,达到调相的目的。Nelson/Elrod和清华大学都进行过这种结构凸轮轴调相机构的研究。
图1-1 Lexus公司可变气门正时机构
图1-2 Lexus公司可变气门正时机构工作原理
这些机构的特点是:便于实现气门正时，可以实现无极可调,但无法实现气门升程和气门开启持续期的调节。
b）可变凸轮式
1）三维凸轮驱动
在Fiat公司的带三维凸轮可变气门机构中,原理示意图见图1-3凸轮轴的轴向移动使得凸轮的不同部分与可倾斜导板接触,改变了气门的升程和正时。凸轮轴的轴向移动通过润滑油系统的润滑油压力控制，控制方式有机械的,也有电子的。该系统曾经安装在一台Ferrari V8发动机上做过试验。
图1-3 三维凸轮机构
该机构的优点是设计者能在很大程度上控制气门开启及回位的特性,落座速度可以控制,但气门正时和升程变化范围受到限制,且由于凸轮与导板之间为线接触,工作过程中,接触应力较大。
2)多凸轮驱动
配气参数主要包括发动机进、排气门的启、闭正时,启、闭速度,气门开启的最大升程以及气门开启持续期等。这些参数的优化可以改变发动机的压缩比,减小泵气损失,加快进气气流速度,改善混合气质量,改变残余废气系数,提高进气效率,最终改善发动机的燃烧过程,使发动机的动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高。就可变气门技术而言,全可变配气相位机构由于气门正时和升程均可变,可控制自由度最多,实现的功能最为广泛,成为应用该技术的较理想的机构。本文综合各种可变配气相位机构的优点,对配气相位中影响发动机性能的各种因素予以剖析。
1 绪论 2
1.1 引言 2
1.2 可变气门技术的发展现状及其技术特点 2
1.3 课题研究背景 11
1.4 课题研究前景及设计意义 11
2 可变气门技术对发动机性能的影响 12
2.1 可变进气门正时 13
2.2 可变排气门正时 14
2.3 可变气门升程 15
2.4 停滞气门 17
2.5 可变气门速度 17
2.6 可变气门重叠角 17
2.7 本章小结 18
3 电-液驱动可变气门系统总体设计 18
3.1 某型柴油机基本参数 18
3.2 某型柴油机凸轮驱动气门升程计算 18
3.3 液压驱动气门系统模型的建立 19
3.4 液压驱动机构参数计算 20
3.5 电-液驱动系统仿真设计与结论分析 25
总 结 31
参 考 文 献 33
致 谢 34
1 绪论
1.1 引言
现代高科技的发展已将发动机的节能、增效、低排放作为“节能一高效一环保”一体化课题进行综合研究和技术开发。而配气相位直接影响着发动机的进排气性能,对燃烧过程的优劣起着至关重要的作用，配气相位的选择既要考虑到发动机的高速功率、低速扭矩、怠速油耗部分负荷下的燃油经济性,又要兼顾低速平稳性和废气排放等问题。
为了获得较好的发动机性能,配气相位应随着转速和负荷的变化而变化，即发动机在高速和大负荷下需要较大的气门重叠角和进气门迟闭角,以便得到较高的功率输出;反之,在怠速和低速小负荷 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
下则需要较小的进气门迟闭角和气门重叠角,以便得到较好的怠速平稳性和废气排放性能。传统的发动机配气相位是固定不变的,是通过各种不同的配气相位试验,从中选取兼顾各种工况下发动机性能的一种折衷方案,不能在各种情况下提供最佳正时,发动机性能潜力不能得到充分发挥,而随着电控喷油技术、相继增压技术、可变喷嘴涡轮增压技术等在发动机上的成功应用,使得配气相位固定不变的缺点日益凸显。
可变气门定时(VVT)正是基于以上考虑,提出通过对发动机气门的启闭定时、持续时间和升程等参数进行独立调节,以满足发动机多工况下对配气系统的要求。与固定配气相位相比,可变气门技术可实时调节发动机进气、排气参数,较好的满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时的动力性、经济性以及排放性能的要求,从整体上提高发动机综合性能。
1.2 可变气门技术的发展现状及其技术特点
可变气门系统最早出现在美国,自1880年,第一件可变气门装置专利在美国申请,至1987年约有近800件。VVT技术由于自身的优点,日益受到人们重视,多年来仍在持续不断地发展。世界各国多年来开发了多种可变气门系统,这些系统有的部分实现了上述功能,有的只能对个别参数进行调整。只有少量结构简单、成本较低的实现了产品化,大多数可变气门驱动机构由于成本较高,或者可靠性的问题,只限于专利形式或者只进行了实验研究。
气门驱动系统按驱动方式不同可分为凸轮驱动系统和非凸轮驱动系统两大类。凸轮驱动可变气门系统研究时间相对较长,系统相对简单可靠,在发动机上得到了广泛的应用。随着微电子技术的发展,非凸轮驱动可变气门系统成为最近20年来研究的新领域,由于其涉及液压、电磁、电子等多个领域,结构较为复杂,实现产品化尚需时日。
1.2.1 凸轮驱动可变气门系统
凸轮驱动可变气门系统通过对凸轮轴传动、摇臂比、顶柱或正时皮带的调节达到改变气门正时或升程的目的,多为机械控制,也有少量为电子控制。由于保留了凸轮,其调节能力仍受到原凸轮型线的限制。
a）凸轮轴调相式
这种机构每个气门一般只有一瓣凸轮(也有两瓣的),它通过凸轮轴和曲轴的相位改变一个角度,以使气门的正时发生变化,而气门开启持续角度保持不变。大量的可变气门正时系统都属于这一类,它们主要的差异在于实现凸轮轴调相的方式不一样。该类机构原理简单,对原机改动小,成本低,便于采用,应用较为广泛,不足之处是只能对气门相位进行调节,而不能改变气门开启持续时间和升程。
Lexus、Alfa Romemo、Toyota以及Mercedes一BenzToyota等公司的可变气门正时系统都属于这一类,原理大致相同,它包括由正时齿形带或链轮驱动的外齿轮和与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮,以及一个处于内齿轮、外齿轮之间的可动活塞组成。活塞的内、外表面上有螺旋形花键槽。活塞沿轴向的移动,会改变内、外齿轮的相对位置,从而产生配气相位的连续改变。图1-1为Lexus公司的可变气门正时系统的结构图,图1-2为其工作原理图。
根据发动机ECU的指令,当凸轮轴正时控制阀位于图(a)所示时,机油压力施加在活塞的左侧,使得活塞向右移动。由于活塞上的旋转花键的作用,进气凸轮轴相对于凸轮轴正时带轮提前某一角度。
当凸轮轴正时控制阀位于图(b)位置时,活塞向左移动,并向延迟的方向旋转。进而,凸轮轴正时控制阀关闭油道,保持活塞两侧的压力平衡,从而保持配气相位,由此得到理想的配气正时。
另外一种典型的凸轮轴调相机构通过谐波传动实现，它主要由刚轮、柔轮和波发生器三个构件组成。柔轮是易变形的薄壁外齿圈,刚轮是刚性内齿轮波发生器由椭圆盘和柔性轴承组成。三个构件的任何一个都可作为主动件,另两个一个固定,一个从动：亦可以任意两个为主动件,其余一个从动。通过使波发生器转动,使柔轮及凸轮轴相对于刚轮及正时齿轮转过一定角度,达到调相的目的。Nelson/Elrod和清华大学都进行过这种结构凸轮轴调相机构的研究。
图1-1 Lexus公司可变气门正时机构
图1-2 Lexus公司可变气门正时机构工作原理
这些机构的特点是:便于实现气门正时，可以实现无极可调,但无法实现气门升程和气门开启持续期的调节。
b）可变凸轮式
1）三维凸轮驱动
在Fiat公司的带三维凸轮可变气门机构中,原理示意图见图1-3凸轮轴的轴向移动使得凸轮的不同部分与可倾斜导板接触,改变了气门的升程和正时。凸轮轴的轴向移动通过润滑油系统的润滑油压力控制，控制方式有机械的,也有电子的。该系统曾经安装在一台Ferrari V8发动机上做过试验。
图1-3 三维凸轮机构
该机构的优点是设计者能在很大程度上控制气门开启及回位的特性,落座速度可以控制,但气门正时和升程变化范围受到限制,且由于凸轮与导板之间为线接触,工作过程中,接触应力较大。
2)多凸轮驱动
配气参数主要包括发动机进、排气门的启、闭正时,启、闭速度,气门开启的最大升程以及气门开启持续期等。这些参数的优化可以改变发动机的压缩比,减小泵气损失,加快进气气流速度,改善混合气质量,改变残余废气系数,提高进气效率,最终改善发动机的燃烧过程,使发动机的动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高。就可变气门技术而言,全可变配气相位机构由于气门正时和升程均可变,可控制自由度最多,实现的功能最为广泛,成为应用该技术的较理想的机构。本文综合各种可变配气相位机构的优点,对配气相位中影响发动机性能的各种因素予以剖析。
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