气动-内燃混合动力系统的电液可变气门研究

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内燃机作为汽车的主要动力源，其动力性、经济性和排放性能在经过这-百多年的发展后都得到了很大的改善，但是能量利用效率依然很低，汽油机效率约为30%，柴油机效率约为40%[]。为此，人们提出各种改进技术，包括油电混合技术、气动-内燃混合技术、增压技术、分层燃烧技术等 。

气动-内燃混合动力技术是将气动发动机和内燃机有机结合的-种新型技术，可有效提高燃料利用效率和排放性能：当车辆工作在低负荷区域，采用气动发动机作为动力源，实现零排放；当车辆工作在中等负荷区域，采用内燃机作为动力源，实现内燃机高效运行；当车辆工作在大负荷区域，气动发动机和内燃机同时工作，以提高车辆动力性，并且气动发动机可以有效利用内燃机余热，提高其效率；当车辆制动时，收稿日期：2013-O1-16基金项目：国家重点基础研究发展计划(973”计划)资助项目(2011CB707205)；国家自然科学基金资助项 目(50976104)作者简介：叶 锦(1986-)，男，辅闽清人，主要从事车辆动力能源多元化方面的研究.E-mail：yejin###zju.edu.CB通信联系人：李道飞，男，助理研究员.E-mail：dfli###zju.eda.cn第8期 叶 锦，等：气动-内燃混合动力系统的电液可变气门研究系统可以实现制动能量回收 。

已有研究表明，不同的配气相位对气动发动机动力性和经济性有较大影响 。同时，气动-内燃混合动力汽车在行驶过程中，经常在气动、内燃、制动能量回收以及辅助增压等工作模式下不断切换 ]。采用传统固定相位的配气机构，难以实现气门升程和正时灵活控制，极大地限制了气动-内燃混合动力技术的应用。

国内外-直致力于开发适用于气动-内燃混合动力的可变气门技术。瑞典Lund大学Sasa等人随 采用电控气动全可变气门，将-台Scania D12发动机改造成气动-内燃混合动力发动机。浙江大学陈平录等人 开发了滑阀式电控气动全可变气门，并将其应用于气动发动机。由于气体的可压缩性，电控气动全可变气门控制较为复杂，在控制的动态响应和稳定性方面存在不足，此外还需要耗费-定的压缩空气。

为此 ，本研究设计制作电控液压全可变气门的原理样机，并开发相应的控制系统软、硬件，并进行初步的试验分析。

1 混合动力工作模式分析笔者研究的气动-内燃混合动力系统如图1所示，在传统发动机基础中增加-个可变气门，作为压缩空气控制阀，这种形式的混合动力存在4种不同工作模式：内燃模式、气动模式、制动模式以及辅助增压模式。在内燃模式时，可变气门关闭，此时工作过程等同于传统内燃机。

图1 气动-内燃混合动力系统不意图1.1 气动工作模式气动工作模式可用于车辆起步或者低速时使用。此时发动机停止喷油 ，原有进、排气气门工作条件不变，可变气门激活。在原内燃模式膨胀冲程开启，使气罐内压缩空气进入气缸推动活塞做功。此时的示功图如图2所示。通过延长可变进气门的关闭时间，如将5延长至5 ，则可以增大气动模式的输出功，提高气动模式动力性，适用于车辆起动工况。

图2 气动模式示功图2-进气冲程；2-3-压缩冲程 ；3-4-5- -压缩空气进气及膨胀冲程；6-7-8-排气冲程1.2 制动工作模式制动工作模式可在车辆制动时回收车辆动能，以压缩空气能量储存。此时发动机停止喷油，可变气门激活∝制可变气门在压缩冲程中缸内压力达到气罐压力时开启，使缸内气体进人气罐内，而后在压缩冲程上止点关闭。此时的缸内示功图如图3所示。通过提前开启可变气门，如将3提前至3 ，则可增加制动功，提高车辆制动力。

图3 制动模式不功图1-2-进气冲程；2-3-4-压缩冲程，当缸内压力超过气罐压力时开启可变气门，回收压缩气体 ；4-5-6-膨胀冲程，此时缸 内剩余气体再次膨胀；6-7-排气冲程1-3 辅助增压模式当车辆处于起步或者加速工况时，喷油量增加导致空燃比减小，造成排放恶化等问题。通过辅助增压可以很好地解决这-问题，同时能够提高升功率n 。

该模式在发动机进气过程结束后开启可变气门，利用气罐内高压气体对缸内进行补气，同时通过调整喷油量，提升发动机功率。此时的示功图如图4所示。在此模式中，提前开启可变气门，如将3提前至3 ，此时缸内压力较小，可增加补气量，提高压缩冲程最终压力，增加输出功率。

2 电控液压全可变气门系统设计气动-内燃混合动力系统在低速时，-般采用气动模式，而根据文献[11]的实验结果，气动发动机工作转速超过l 200 dmin后，气耗率恶化，效率大大降低。而可变气门在不同模式工作时开启持续角低于180。CA，同时压缩空气压力远高于大气，气门最大升. 916. 机 电 工 程 第30卷图4 辅助增压模式示功图2-进气冲程；2-3-4-5-压缩冲程，在其 中的某-时刻(图中3”点)开启可变气门，气罐内的压缩气体进入气缸内，增加缸 内气体质量，提高此时的缸内压力；5-6-7-8-燃烧放热及膨胀冲程；8-9-排气冲程程低于原有进排气门的最大升程。本研究设计的可变气门应用对象为290F发动机，总体设计目标为：满足气动模式转速1 200 r/min，进气持续角180。CA，最大气门升程5 mm。

2.1 总体方案电液驱动可变气门系统由液压系统、气门执行机构和控制系统3部分组成，电液驱动可变气门系统示意图如图5所示∝制器接收参数指令，向电磁阀驱动器发出信号，控制气门的开闭。

控制系统液压系统图5 电液驱动可变气门系统示意图1-电动机；2-液压泵；3-电动机；4-单向阀；5-压力表； 流量计；7-溢流阀；8-进油电磁阀B；9-进油电磁阀A；1 -排油电磁阀B；1-排油电磁阀A；12-气门工作原理如下：①气门开启阶段，当进油电磁阀B、排油电磁阀A接受控制信号开启，高压油经过进油电磁阀A进人柱塞上腔室，推动柱塞向下运动，气门开启；②气门保持开启阶段，进油电磁阀和泄油电磁阀全部关闭，上下腔室内油液被封存，由于油液的不可压缩性，气门保持开启位置不变；③气门关闭阶段，进油电磁阀A和排油电磁阀B分别接收控制信号开启，高压油经过进油电磁阀A进入柱塞下腔室，推动柱塞向上运动，气门开始关闭；④气门保持关闭阶段，进油电磁阀和泄油电磁阀保持关闭，气门保持关闭位置不变。

2.2 气门执行机构可变气门执行机构是液压能向机械能转化的核心部件，通过液压油路切换可实现气门执行机构开启、保持和关闭动作〖虑到实际加工的难度，气门机构的设计须尽量减少对原型机缸盖结构的改变。

气门执行机构转配图如图6所示，主要包括壳体、锁紧螺栓、端盖、柱塞和密封圈。这些部件构成气门执行机构上、下液压腔，气门的开启最大升程受下端盖的限制。为保证气门执行机构良好的密封性，本研究采用双向密封的格莱圈来密封柱塞与壳体以及上、下端盖配合面。

图6 可变气门执行机构1-壳体；2-锁紧螺栓；3-上端盖；4-柱塞；5-密封圈；6.-下端盖2.3 液压系统液压系统口 主要包括电动机、液压泵 、蓄能器以及传感器等部件，其主要设计参数为液压系统额定压力、额定流量以及电机额定功率。

对于结构参数固定的电液驱动可变气门系统，液压系统压力决定了气门开启的最大位移和速度。由于本研究的电液驱动可变气门液压系统气门关闭过程中，液压力大于压缩空气作用力 ，液压系统额定压力可由下式计算：P ≥A·6。 4F (1)F： pc0 (2)式中：P -液压系统额定压力，A-液压系统压力损失系数，6-液压系统安全裕度， -柱塞下出杆直径，D -柱塞直径，F-气门上压缩空气作用力，D -气门直径，p -压缩空气压力。

将如表1所示的参数代入式(1，2)计算，得到：PⅣ14.5 MPa。

液压系统额定流量是指液压系统正常工作时的最大流量。对于结构参数固定的电液驱动可变气门· 918 · 机 电 工 程 第3O卷验数据实时显示、数据保存。气门控制信号由主脉宽和PWM两部分组成，系统通过信号的持续时问控制气门的开启与关闭。

3 电控液压全可变气门测试分析测试系统具体实物图如图9所示。气门升程通过激光位移传感器测量，液压系统压力通过压力变送器测量。

图9 电液气门测试系统控制器发出信号后，电控液压驱动可变气门需要经过-段延时后才能响应。延时主要由3个部分组成：电磁的电磁力延时、气门执行机构液压腔室内的液压力变化延时以及电磁阀和液压柱塞的机械延时。在实际应用中，应调整控制信号来减少或消除延时的不利影响。液压系统压力为 13 MPa时的电控液压驱动可变气门响应特性如图l0所示。图中开启信号发出到气门开始运动时，经历的延时时间t 6.2 ms，其中电磁阀完全开启延时3.5 ms，液压腔室压力开始建立到柱塞开始运动之间存在2.7 ms的延时；关闭信号发出到气门开始关闭时，经历的延时时间t 5.8 ms。

0 10 2O 3O 40 50 6Ot/ms图 lO 电控液压驱动 司变气门响应特.I生液压系统压力 14.5 MPa时，不同气门开启信号持续时间所对应的气门升程曲线如图1l所示。随着气门开启信号持续时间增加，气门升程呈现线性增加；当开启信号持续时间为30 ms时，气门升程达到8.9 mm，当开启信号持续时间为21 ms时，气门升程仅达到6.2 mm。因此，在实际应用中，电控液压驱动可变气门可通过控制开启信号持续时间，即进油时间，以调节气门升程大校液压系统压力为l4.5 MPa时，气门位于最大升程0 1O 2O 30 40 50 60t/ms图1 1不同气门开启持续时间时的气门升程规律时，不同的保持时间(气门开启信号结束至气门关闭信号开始)所对应的气门升程曲线如图12所示。图12中，随着气门保持时间增加，气门在最大位移处保持的时间逐渐增长。这表明通过改变气门保持时间，本研究设计的电液气门系统可成功实现气门持续角的控制。从图12中还可得到，如果气门开启持续曲轴转角为 180o、气门最大升程5 mE、保持时间为4 ms时气门打开持续时间约为30 ms，可在发动机转速1 000 r/min时工作，如果减小保持时间至0 ms，可满足发动机转速1 200 dmin的设计要求。

0 1O 2O 3O 40 50t/ms图12 不同气门开启保持时间对应气门升程曲线4 结束语本研究首先讨论了气动-内燃混合动力系统的3种工作模式，以低速工况下混合动力系统气动模式为例 ，设计开发了电液全可变气门；基于NI-CompactRIO平台开发了可变气门控制系统，并采用PWM调制方式驱动电磁阀；最后，对电液气门进行了初步的试验分析。研究结果表明，电液全可变气门具有-定的响应延时，但是其响应特性基本满足工作要求；通过控制进油时间和保持时间，可以实现气门升程和正时的调整和优化，更好地满足气动工作模式可变气门的设计要求。

目前 ，电液驱动可变气 门依然处在试验开发阶段，下-步研究将针对内燃模式、制动能量回收模式以及辅助增压模式等多种模式进-步改进，并开展模式切换瞬态过程中的动力学特性研究。

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