柴油机凸轮-液压式气门启闭特性实验研究

吴学舜，彭义增，魏远文，潘锁柱，樊利康，祁新华

(1.西华大学汽车与交通学院，四川 成都　610039；2. 长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保定　071000)



柴油机凸轮-液压式气门启闭特性实验研究

吴学舜1，彭义增1，魏远文1，潘锁柱1，樊利康1，祁新华2

(1.西华大学汽车与交通学院，四川 成都610039；2. 长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保定071000)

摘要：自主开发一套电控液压进气门晚关机构(EHLIVC)，将该机构应用在DK4A柴油机缸盖上，并搭建EHLIVC系统的试验台架，通过实验研究供油压力和控制脉宽对EHLIVC系统的气门启闭特性的影响规律。研究发现：供油压力对附加升程关闭动作完成时间影响很小，但供油压力对气门附加升程开启动作完成时间影响明显，附加升程开启动作完成时间随供油压力的增大而呈现线性减小的趋势；供油压力对附加升程开启延迟影响不大，但对附加升程关闭延迟影响明显，供油压力越大，关闭延迟越小，供油压力超过4.5 MPa时，关闭延迟基本保持不变；控制脉宽对附加升程开启、关闭延迟影响均不大，但对附加升程开启持续时间影响明显，附加升程开启持续时间随脉宽的增大而呈现线性增长的趋势。

关键词：柴油机；进气门晚关；附加升程；启闭特性

配气相位直接影响发动机的进气状态参数，进而影响发动机缸内的燃烧状况，导致发动机性能的差异[1-3]。传统发动机配气相位、气门升程、气门开启持续期都是固定不变的，无法保证发动机在各个工况下都处于最优性能。为了保证发动机在不同工况下的经济性和排放性，配气相位应根据发动机缸内燃油和空气的混合状态以及化学反应特点选取最佳值[4-8]。可变气门机构由于能够实现配气参数的连续改变，进而实现对进气状态参数的控制而备受研究者的青睐。可变气门机构按照驱动方式可分为传统凸轮轴驱动可变气门机构和无凸轮轴驱动可变气门机构。凸轮轴驱动可变气门机构已经广泛应用在发动机产品上，主要包括可变凸轮型线、可变凸轮从动件及可变凸轮相位3种类型，其未来的发展将是以机械式全可变气门机构为研究重心；但这种驱动方式因为凸轮轴的存在会使配气参数的调节范围受到一定的限制。无凸轮轴驱动可变气门机构主要包括电液式、电磁式及电气式可变气门驱动机构。这3类可变气门驱动机构由于取消了发动机凸轮轴及从动件而使机构变得更为简单，且都能灵活、独立地调节配气参数[9-15]。其中，电液式可变气门机构因调节范围宽、成本低、实现起来比较容易而研究得最多。

目前大多数的可变气门机构都取消了原机凸轮轴，直接采用液压驱动的方式驱动气门运动，而同时兼备凸轮和液压驱动的可变气门机构却研究较少；因此，本文基于DK4A柴油机开发了一款电磁阀控制的凸轮-液压式进气门晚关机构，并搭建其实验平台。由于多数电磁阀控制式的电控液式可变气门机构系统在工作过程中电磁阀的开启、关闭、液压油压力的建立以及液压管路的阻力等因素的综合作用，会使系统在工作中产生很大的延迟，从而影响气门的启闭特性，影响整个系统的性能；因此，在将机构应用在柴油机之前有必要对开发的电控液压进气门晚关系统的气门启闭特性进行研究，为优化系统延迟和优化气门控制策略提供实验基础。

1进气门晚关机构工作原理

本文所设计的电控液压进气门晚关机构是在凸轮顶置配气机构的基础上改造而成的。原柴油机配气机构的传动方式为凸轮-挺柱盖-气门，加入设计的进气门晚关机构后传动方式变为凸轮-液压腔-活塞-气门，保留了原机的凸轮轴，机构安装在凸轮轴与气门之间，对原机改动较少。该可变气门机构具有传统发动机凸轮轴驱动配气机构及无凸轮轴驱动可变气门系统两者的优点，当液压系统出现问题时，发动机仍能继续按照原机凸轮型线运动，使发动机工作可靠。图1为电控液压进气门晚关系统示意图。电液进气门晚关系统由气门驱动机构、液压系统和控制系统3部分组成。液压系统主要由油箱、滤清器、齿轮泵、电动机、溢流阀、蓄能器及压力表等液压元件组成，液压系统的主要功能是为进气门晚关机构提供驱动气门运动的动力源。

图1　电控液压进气门晚关系统示意

控制系统的作用是控制两位三通阀的开启与关闭，从而决定液压油是否能够进入液压腔进而驱动气门运动，产生附加升程。气门驱动机构的主要功能是通过液压能、气门弹簧势能及气门动能3种能量之间的转换来实现附加升程的开启与关闭。气门驱动机构由进气门晚关机构和原机气门弹簧组件构成，其中进气门晚关机构的结构如图2所示。

图2　进气门晚关机构结构

进气门晚关机构由液压缸、固定套、限位螺母、液压活塞以及柱塞套组成，其中液压活塞与液压缸组成密闭的液压腔容积，液压油进入密闭容积腔产生附加升程，叠加在原机气门升程上。

2实验装置及测试方法

2.1实验装置及设备

试验平台的搭建是基于绵阳新晨动力的DK4A柴油机，原机配气机构为顶置凸轮轴驱动方式，进排气门的开启、关闭是由凸轮轴直接驱动，在对发动机缸盖做适当的改变后，成功地将设计的进气门晚关机构安装在DK4A柴油机缸盖上，并搭建了该机构的实验测试平台，试验平台测试系统如图3所示。

图3　试验平台测量示意

试验通过LVDT(linear variable differential transformer)线性位移传感器直接测量气门的升程，电磁阀后液压腔前的压力采用Kistler公司生产的缸压传感器测量，电磁阀前压力利用压力变送器测得，试验中压力信号、位移信号、电磁阀控制信号、光电编码器信号等都由采集卡采集并保存在PC机上。实验中采用的主要仪器及设备如表1所示。

表1　试验主要设备及仪器

2.2试验方法

电控液压进气门晚关系统控制参数供油压力、控制脉宽、控制定时、机油温度等都会影响气门的启闭特性，但供油压力和控制脉宽是决定气门启闭特性的主要因素。电控液压进气门晚关系统的启闭特性主要由气门附加升程的开启延迟、关闭延迟、附加升程开启动作完成时间、附加升程关闭动作完成时间以及附加升程开启持续时间等5个特征参数来表征，研究控制参数与上述5个特征值之间的变化关系有利于对系统进行精确的控制。

图4为控制信号、附加升程信号、晚关后气门总升程、原机气门升程组成的时序示意图。附加升程是由位移传感器测得的气门总升程和原机气门升程之差得出，通过控制信号和附加升程信号之间的对比就可以确定气门开启和关闭延迟时间，附加升程开启、关闭动作完成时间和附加升程开启持续期则通过气门附加升程即可将特征参数提取出来。实验中气门总升程曲线是通过连续20个循环采样，并对每次采样的20个循环做平均处理，得出最后的气门总升程曲线。

图4　控制信号与升程信号时序示意图

3实验结果与分析

3.1供油压力对附加升程启闭特性的影响

供油压力的大小直接决定液压腔里液压驱动力的大小，对附加升程的启闭特性影响很大。图5示出控制脉宽为16 ms时，不同供油压力下附加升程的变化规律。

图5　供油压力对附加升程的影响

从图5可以看出：供油压力对附加升程最大值的影响起决定性作用，附加升程最大值随供油压力的增长而增大；供油压力对气门附加升程开启响应延迟影响很小，但对气门附加升程关闭响应延迟影响较大；供油压力对附加升程开启、关闭动作时间的影响明显。为了更清楚地分析供油压力与这5个特征参数之间的关系，本文提取了5个特征参数中最能体现供油压力对气门启闭特性影响作用的4个特征参数：开启延迟、关闭响应延迟和附加升程开启动作完成时间、附加升程关闭动作完成时间。图6和图7分别示出附加升程开启、关闭响应延迟和附加升程开启、关闭动作完成时间与供油压力之间的变化关系。

图6　供油压力与附加升程开启、关闭响应延迟之间的关系

图7供油压力与附加升程开启、关闭动作完成时间之间的关系

从图6可知，供油压力对气门开启响应延迟影响不明显。这是因为供油压力增大使得液压腔的液压压力建立迅速而导致液压延迟减小；但供油压力增大会使电磁阀开启阻力增大，电磁阀开启变得困难，电磁阀开启响应变慢。两者综合使得供油压力大小对气门附加升程开启响应基本保持不变。供油压力对气门附加升程关闭延迟影响明显，供油压力越大，气门附加升程关闭响应延迟越小，当供油压力超过4.5 MPa时，关闭延迟基本保持不变。出现这种变化趋势可以从2个方面来分析：一方面，气门附加升程最大值会随供油压力的升高增大，因此弹簧回复力增大，附加升程回落越迅速；另一方面，供油压力的增大使得液压腔与外界的泄油压差变大，泄油动力变大，泄油迅速，附加升程回落迅速。两者综合作用使得气门附加升程关闭响应会随供油压力的增大而减小。

从图7可知，气门开启动作完成时间随供油压力的增大而减小。这是因为供油压力增大导致液压腔液压驱动力足够使得气门开启迅速，导致开启动作完成时间减小。供油压力增大会使附加升程关闭动作完成时间稍稍增大，但影响很小。这是由于附加升程最大值的增加使得气门回位行程稍稍增加的缘故。

3.2控制脉宽对附加升程启闭特性的影响

控制脉宽即电磁阀的驱动脉宽，控制脉宽决定着气门附加升程的开启始点及关闭终点，即在很大程度上决定着附加升程的开启持续时间，从而决定气门的晚关角度，改变控制脉宽的触发、结束时刻能改变附加升程开启持续时间及关闭角度。图8示出系统供油压力3.0 MPa，控制脉宽从6～28 ms变化时，气门附加升程的变化规律。

图8　控制脉宽对附加升程的影响

从图8可以初步看出控制脉宽对开启、关闭响应延迟影响很小，对附加升程最大值有一定影响，附加升程最大值随脉宽的增长而增加，但到达一定脉宽值后，附加升程的最大值基本稳定不变。控制脉宽最主要影响附加升程开启持续时间，气门开启持续时间随控制脉宽的增大而增加。为了进一步具体地研究控制脉宽与气门启闭特性的影响，本文提取了5个特征参数中最能体现控制脉宽对启闭特性影响作用的3个特征参数：开启延迟、关闭延迟以及气门开启持续时间。图9和图10分别示出附加升程开启延迟、关闭延迟和附加升程开启持续时间与控制脉宽之间的变化关系。

图9　控制脉宽与附加升程开启、关闭响应延迟之间的关系

图10　控制脉宽与附加升程开启持续时间之间的关系

从图9可知：当系统供油压力一定时附加升程开启响应延迟与控制脉宽长度无关；控制脉宽对附加升程关闭响应有一定影响，但影响很小；控制脉宽对附加升程开启持续时间起决定性作用。从图10可知附加升程开启持续时间随控制脉宽的增加基本呈线性增长的趋势。

以上分析可知供油压力和控制脉宽对附加升程启闭特性都有影响；但影响的启闭特征参数并不一样，且作用的效果也不尽相同。通过对上述附加升程开启、关闭延迟的分析，有助于了解电控液压柴油机进气门晚关系统延迟的影响因素以及控制参数对延迟影响的大小。对气门开启、延迟进行标定，可以确定系统在不同工况下的补偿控制量，尽可能地消除因为气门动作延迟带来的影响。通过对附加升程开启、关闭动作完成时间以及附加升程开启持续时间的分析，有助于选取气门开启、关闭迅速且在相同晚关角度下具有更大的气门流通截面积的气门升程曲线，对选取气门升程和正时的最优控制方式非常有利。

4结论

供油压力对附加升程开启延迟响应影响很小，但对附加升程关闭延迟影响明显，附加升程关闭延迟随供油压力的增大而减小，当供油压力超过4.5 MPa，关闭延迟变化很小；控制脉宽则对附加升程开启、关闭延迟响应均很小。

控制脉宽一定时，附加升程全开耗时随供油压力的增大而呈线性减小的趋势，附加升程开启越迅速，而附加升程关闭耗时随供油压力的增大则有增加的趋势，但增大趋势并不明显。

附加升程开启持续时间由控制脉宽长短决定，且附加升程开启持续时间随脉宽的增大呈线性增大的趋势。

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(编校：夏书林)

Experimental Research on the Opening and Closing Characteristics of Intake Valve for Diesel Engine

WU Xueshun1, PENG Yizeng1, WEI Yuanwen1, PAN Suozhu1, FAN Likang1, QI Xinhua2

(1.SchoolofAutomobileandTraffic,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.GreatWallMotorCompanyTechnicalCenter,Baoding071000China)

Abstract:The test bench of the electro-hydraulic late intake valve closing (EHLIVC) mechanism was built after the new EHLIVC mechanism was developed based on DK4A diesel engine. The effects of oil pressure and control pulse on the opening and closing characteristics of EHLIVC were investigated. Results indicate that the oil pressure has little influence on the closing action time of the additional lift, but it has obvious influence on the opening action time of the additional lift and the opening action time keep linearly decrease with the increase of the oil pressure. And the oil pressure has little effect on the opening delay of the additional, but it has significantly influence on the closing delay of the additional and the closing delay decreased with the increase of the oil pressure. When the oil pressure beyond 4.5MPa, the closing delay keep constant. In contrast, the control pulse has no effect on both the opening delay and closing delay. However , it has important impact on the opening duration of the additional lift and the opening duration time keep linearly increase trend with the increase of the control pulse.

Keywords:diesel; late intake valve closing; additional lift; opening and closing characteristics

收稿日期：2015-04-29

基金项目：四川省教育厅项目(14ZB0128)。

*通信作者：魏远文(1963—)，男，教授，主要研究方向为内燃机替代燃料及排放控制技术。E-mail：wywandwmwjr@mail.xhu.edu.cn

中图分类号：TK413.4

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)03-0026-5

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.03.006

第一作者：吴学舜(1987—)，男，助理实验师，硕士，主要研究方向为发动机新技术。

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