电液驱动可变气门机构性能试验及应用

叶年业,杨晓,蓝志宝

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007)

随着能源危机及环境污染问题的日益突出，提高燃油经济性和降低排放成为内燃机发展的目标。其中，无凸轮轴可变气门机构可以实现气门正时、气门升程的连续可变，是优化发动机性能的有效手段之一。无凸轮轴可变气门机构主要有电磁驱动、电控气压驱动和电液驱动3种方式：电磁驱动可变气门机构的气门升程曲线接近矩形，气门开启及关闭速度很大，气门落座速度及冲击噪声较大[1]；电控气压驱动可变气门机构的系统体积大，并且气体可压缩性高，难以实现精确控制[2-3]；电液驱动可变气门机构主要有单向作用活塞[4]和双向作用活塞[5]两种驱动液压缸结构型式，其缓冲设计能充分利用液压阻尼，控制方式灵活[6-8]。因此，相比电磁驱动方式，电液驱动具有气门落座缓冲方式丰富、控制灵活的优点；相比电控气压驱动方式，电液驱动具有控制精度高、响应快、体积小的优点。因此，本研究基于电液驱动可变气门机构开展性能试验及应用研究。

可变气门机构由于其配气性能的优势，除了在传统发动机上得到应用，还应用于GCI等高效清洁燃烧方式的研究中。Mark Sellnau等人采用机械式可变气门机构实现排气门二次开启，研究了中低负荷下GCI燃烧性能[9]。尧命发等人采用电液式可变气门机构实现排气门二次开启，研究了GCI低负荷下的燃烧性能，实现NOx排放低于0.4 g/(kW·h)、炭烟排放低于0.1 FSN、指示热效率达到40%以上的GCI稳定燃烧，并将低负荷极限拓展至0.15 MPa[10]。王云开通过改变配气正时和升程，设计了5种捕捉高温废气参与下一循环燃烧的策略[11]。其中，负气门重叠配气策略(排气门早关，进气门晚开)与排气门二次开启配气策略相比，可以实现更广的内部EGR率调节范围，对混合气的均匀性调节效果更加显著。

本研究在电液驱动可变气门机构与发动机匹配的试验平台上，首先确定了气门正时的控制方式；然后在发动机着火条件下，设计了负气门重叠配气策略下进、排气门气门正时变化范围，并对控制参数进行标定；进一步分析了气门升程曲线的可重复性，考察机构的配气性能。在此基础上，研究了负气门重叠配气策略对GCI燃烧性能的影响。

1 试验装置与试验方法

1.1 试验装置

1.1.1电液驱动可变气门机构

图1示出了电液驱动可变气门机构的实物图，主要由高压液源、液压控制单元、气门运动机构及信号采集单元4个部分组成。高压液源包括液压站及蓄能器；液压控制单元为三位四通电磁阀(G761-3004B)及控制单元，通过控制三位四通电磁阀的动作，进而控制气门的运动特性；气门运动机构包括液压缸(YG40/8-8)及气门运动组件，根据液压控制单元的信号输入实现相应的气门运动；信号采集单元包括位移传感器(EX-422V)及数据采集单元等，对气门位移进行采集、显示和记录。电液驱动可变气门机构的原理见图2。

图1 电液驱动可变气门机构实物图

1.1.2发动机试验装置

将上述可变气门机构与Ricardo E6试验单缸机进行匹配，其试验装置示意见图3。该试验单缸机的主要参数见表1。

图3 发动机试验装置示意

型式单缸、立式、水冷、四冲程缸径/mm80行程/mm100排量/L0．5压缩比3．5～17．5配气机构电液驱动可变气门机构供油方式气道喷射+缸内直喷

1.2 试验方法

在电液驱动可变气门机构性能试验中，首先发动机不点火，通过改变电磁阀输入信号确定电磁阀输入信号对气门正时的影响规律；然后考虑到发动机缸内压力对气门正时的影响，在发动机着火条件下设计了负气门重叠配气策略下进、排气门正时变化范围，并对控制参数进行标定，同时对气门升程曲线的可重复性作进一步分析。本机构中所使用的三位四通电磁阀输入信号为±40 mA的额定电流，其中“±”表示电流的方向，电磁阀输入信号为3阶段信号输入方式(见图4)。给定阶段1的信号时，三位四通电磁阀向一个方向动作，使高压液源与液压缸上方连通，油箱与液压缸下方连通，气门开启；给定阶段2的信号时，三位四通电磁阀回到中间位置，切断液压缸与高压液源的管路，液压缸活塞上方和下方液压力迅速平衡，使气门达到某个升程并保持不变；给定阶段3的信号时，三位四通电磁阀向另一个方向动作，使高压液源与液压缸下方连通，油箱与液压缸上方连通，气门关闭。

图4 电磁阀输入信号方式

基于负气门重叠配气策略进行GCI燃烧性能试验，试验在压缩比为17∶1下进行，采用进气加热的方式进行冷起动，将进气温度加热至60 ℃可以实现GCI冷起动，并调节参数保证GCI的稳定燃烧，然后将进气温度降至50 ℃后保持不变，并在此进气温度下进行GCI性能的试验研究。试验过程中冷却水温度固定在(75±3) ℃，进气温度维持在(50±2) ℃，润滑油温度保持在(80±3) ℃，每个工况采集200个循环的缸压数据，以保证试验的可重复性。

2 试验结果与分析

2.1 负气门重叠配气策略设计

在发动机转速1 500 r/min，系统液压力为10 MPa时，电磁阀输入信号为3阶段方式，以进气上止点为0°，电磁阀输入信号与曲轴转角对应关系见表2，表中a，b，c，d参照图4。

表2 电磁阀输入信号对应的曲轴转角

根据表2中电磁阀输入信号，得到电磁阀输入信号对气门正时的影响规律(见图5)。对于表2中1～3信号，电磁阀输入信号阶段1和阶段3持续的曲轴转角不变，起始角信号a及阶段2持续角发生改变，气门升程曲线如图5a所示。可以看到，随着起始角信号a的推迟和阶段2持续角减小，气门开启时刻逐渐推迟，气门关闭时刻保持不变。对于表3中4～6信号，电磁阀输入信号阶段1和阶段3持续的曲轴转角不变，结束角信号d及阶段2持续角发生改变，气门升程曲线如图5b所示。可以看到，随着结束角信号d的提前和阶段2持续角减小，气门关闭时刻逐渐提前，气门开启时刻保持不变。

图5 电磁阀输入信号对气门正时的影响

对于负气门重叠配气策略，需要改变进气门开启时刻及排气门关闭时刻，而进气门关闭时刻及排气门开启时刻保持不变。从上述试验结果可以看出，电磁阀输入信号调节方式可以很好地实现负气门重叠配气策略。

在发动机转速1 500 r/min，系统液压力6 MPa时，进行发动机着火状态下负气门重叠配气策略的电磁阀输入信号标定。根据上述电磁阀输入信号对气门正时的影响规律，设定控制进气门的电磁阀输入信号为a—(a+40°)—190°—260°，控制排气门的电磁阀输入信号为590°—630°—(d-70°)—d，标定结果见图6。可以看到，随着进气门开启时刻的推迟，信号a对应曲轴转角线性推迟；随着排气门关闭时刻的推迟，信号d对应曲轴转角线性推迟。

图6 负气门重叠配气策略控制信号标定

2.2 气门机构重复性试验

在上述试验基础上，进一步分析气门升程曲线的可重复性，以保证机构的配气性能。图7示出发动机着火状态下100个循环的气门升程曲线。图中气门升程曲线整体上可重复性较好，但是还是有小幅波动，需要进一步量化和分析。

对于负气门重叠配气策略，分析进气门开启角及排气门关闭角改变对气门升程的影响，结果见图8。由图8a可知，随着进气门开启时刻的推迟，进气门升程小幅降低；由图8b可知，随着排气门关闭时刻的推迟，排气门升程小幅升高。这是因为进气门开启时刻推迟，气门开启持续期减小，对应的电磁阀输入信号脉宽减小，使进气门升程减小；排气门关闭时刻推迟，气门开启持续期增大，对应的电磁阀输入信号脉宽增大，使排气门升程增大。同时，气门升程有小幅波动，其中进气门升程偏差上限最大值为0.10 mm，偏差下限最大值为0.07 mm，标准差最大值为0.032 mm；排气门升程偏差上限最大值为0.11 mm，偏差下限最大值为0.12 mm，标准差最大值为0.056 mm。可以看到，排气门升程比进气门升程波动相对要大一些，这是因为发动机处于着火状态，排气门开启过程中缸内压力较大，缸内压力的变化对气门运动的影响更为显著，因此排气门升程波动更大。从整体上来说，在每一个试验工况，气门升程波动幅值都在0.2 mm以内，因此可以满足使用要求。

图7 气门升程曲线可重复性

图8 气门升程、偏差及标准差

3 电液式可变气门机构对GCI燃烧性能的影响

负气门重叠配气策略可以实现内部EGR率的改变，进而研究其对GCI燃烧性能的影响。在发动机转速1 500 r/min时，采用燃油两次喷射策略，第一次喷射时刻220°BTDC，喷油脉宽0.7 ms，第二次喷油时刻34°BTDC，喷油脉宽1.4 ms，并保持喷油参数不变，改变进气门开启时刻及排气门关闭时刻，研究其对GCI燃烧性能的影响。

内部EGR率及当量比随着进气门开启时刻(θIVO)及排气门关闭时刻(θEVC)的变化见图9。可以看到，随着排气门关闭时刻的提前，内部EGR率增大；进气门开启时刻改变时，内部EGR率会有小幅波动，但是其对内部EGR率的变化趋势没有影响。这是因为排气门关闭时刻越提前，残留在缸内的废气量越大，下一循环的进气量越少，内部EGR率也越大。当量比的变化规律与内部EGR率基本一致，这是因为喷油参数保持不变时，随着内部EGR率的增大，循环新鲜进气量减少，当量比减小，混合气变浓。

图9 不同θIVO和θEVC下的内部EGR率、当量比

保持进气门开启时刻不变，改变排气门关闭时刻时缸内压力及放热率见图10a。由图10a可知，随着排气门关闭时刻的提前，发动机着火时刻提前，峰值压力降低。保持排气门关闭时刻不变，改变进气门开启时刻缸内压力及放热率见图10b，可以看出，进气门开启时刻对GCI燃烧影响较小，且没有明显规律。

图10 缸内压力及放热率曲线

进一步分析进气门开启时刻及排气门关闭时刻对GCI燃烧性能的影响，结果见图11。可以看到，平均指示压力随着排气门关闭时刻提前而减小，其循环变动随着排气门关闭时刻提前而增大，燃料燃烧质量分数50%时对应的曲轴转角θCA50随着排气门关闭时刻提前而提前，排气温度随着排气门关闭时刻的提前而降低。进气门开启时刻对燃烧性能参数影响较小，这与上述缸内压力变化一致。进气门开启时刻及排气门关闭时刻对燃烧持续期都有影响，这是因为燃烧持续期不仅取决于着火时刻，还取决于发动机缸内充量均匀性及温度均匀性等因素，进气门开启时刻的变化会引起进气参数的波动，影响发动机缸内充量及温度均匀性，进而影响燃烧持续期。同理，在排气门关闭时刻提前角较小时，进气门开启时刻的改变对排气温度的影响较大，也是因为排气门关闭时刻提前角较小时，内部EGR率较小，进气门开启时刻的变化对缸内充量均匀性及温度均匀性影响显著，从而引起燃烧温度的波动。

综上所述，对于负气门重叠配气策略，内部EGR率的变化主要受排气门关闭时刻的影响，因此相比进气门开启时刻，排气门关闭时刻对GCI燃烧性能的影响占主导作用。

图11 θIVO和θEVC改变对GCI燃烧性能的影响

4 结论

a) 通过改变电磁阀输入信号，可以实现气门正时的线性调节；

b) 采用改变电磁阀输入信号的方式调节气门正时，气门升程会发生变化，随着气门开启持续期的减小，气门升程小幅减小；

c) 在发动机着火状态下，改变进排气门的气门正时，气门升程曲线重复性较好，气门升程波动幅值在0.2 mm以内，最大标准差为0.056 mm；

d) 相比于进气门开启时刻，排气门关闭时刻对GCI燃烧性能的影响较大，占主导作用。

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