发动机新型全可变液压气门机构运动规律仿真

贾锡臣，孙培岩，满长忠

（大连理工大学能源与动力学院，辽宁 大连 116024）

前言

随着世界石油能源的日益匮乏以及国内外人民的日常生活出行对于汽车这种交通方式依赖程度的增加，汽车的节能问题越发突出。对于汽油机来说，不管是改变气门的升程还是改变气门相位，亦或是两种同时改变，其中的目的一是为了提高发动机进气量；二是为了能够减小发动机在进排气过程中产生的大量泵气损失，提高做功效率[1]。汽油机负荷大小与进气量成正比，而进气量是通过节气门来调节的。在小负荷工况下，汽油机需要较少进气量，则节气门开度较小，进气过程泵气损失大[2]。可变气门技术理论的提出可以在很大程度上提高汽油机在中小负荷工况下的进排气效率，从而提高燃油经济性[3]。可变气门技术一方面通过充分利用气流惯性或扫气效果等方法来提高进排气效率，另一方面进气量通过改变气门升程直接调节而不再需要节气门，降低进排气过程中的泵气损失。本论文设计的新型全可变液压气门机构可以实现气门升程以及配气定时的全可变，从而可以取消节气门。

1 全可变液压气门机构的工作过程

本文设计了一种由配气凸轮驱动的新型全可变液压气门机构，原理图如图1所示。本机构的工作过程介绍如下：

（1）高压油泵凸轮 1上行时，柱塞油槽 6与出油孔 7不连通，柱塞5上行，液压油处于密封空间，液压油受压，压力升高，液压油流向气门油腔13，推动气门活塞14以带动气门17克服气门弹簧16的弹力打开，此时气门的运动规律基本是由凸轮型线控制。由于单向阀12关闭，低压液压油经低压输油泵9打压后，由溢流阀10流回储油罐8。

（2）高压油泵凸轮1继续上行时，旋转拨叉4使柱塞油槽6与出油孔7连通，高压油管11内的高压油泄压，液压油经由气门油腔13、高压油管11、柱塞油槽6、出油孔7泄回储油罐8，当高压油管11内的液压低于溢流阀10的限定值时，单向阀12打开。气门17在复位弹簧16作用下回落，气门活塞13的凸起尚在高压油管11外，气门17的回落速度较大，当锥形凸起开始进入高压油管，此时开始形成可变节流通道，该可变节流通道形成节流作用，使气门的回落速度降低，最终实现气门的平稳回落。

图1 全可变液压气门机构原理图

（3）高压油泵凸轮1 下行时，柱塞5下行，油压容积变大，液压油经单向阀12提供。气门关闭。

（4）高压油泵凸轮 1在基圆运行时，液压油经单向阀12已充满高压油管11及气门油腔13，单向阀12关闭，气门17 关闭，低压输油泵9加压的液压油经溢流阀10流回储油罐8。

（5）气门17 开启角度调整方法如下：通过调整拨叉4，从而改变柱塞5有效行程，实现气门17 不同开度。

2 发动机全可变液压气门机构模拟仿真

2.1 气门运动规律AMESim模型的建立

AMESim是一款模块化的仿真软件，建模时将相应的模块拖入工作区并将它们之间按实际情况进行连接即可。整体模型如图2所示。

图2 气门运动规律AMESim模型

该模型主要分为以下几大部分[4]：

（1）液压油部分。本机构为机械和液压方式驱动气门运动，因此在仿真中要对液压油进行选取。另外还要对液压油模块的液压油性质进行设置以使仿真正常工作。

（2）低压供油部分。该部分可以为系统持续提供恒定压力的液压油。在本模型中由电动机驱动液压泵工作，并通过溢流阀控制出口压力。

（3）泄油控制部分。在本机构中通过控制液压腔内液压油的泄油时刻来控制气门的升程和关闭时刻。因为机械构件库中没有直观的机械结构可以代替拨叉，所以利用信号控制库中的控制模块设置控制方程来对泄油时刻进行控制。

（4）液压缸体模块。液压缸体模块主要由气门组件模块、柱塞腔模块、活塞腔模块以及它们之间的连接管路组成。柱塞腔模块由AMESim中的HCD(Hydraulic Component Design)库中带弹簧的活塞液压缸搭建。而气门组件模块与活塞腔模块则由带质量、弹簧的单作用活塞进行模拟。

2.2 影响气门运动规律的主要因素

拨叉旋转时刻（即泄油相位角）对气门运动规律的影响

图3、图4为该机构的一组模拟气门运动规律曲线，定义上止点角度为 0°CA。图 3中设置发动机转速为2000r/min，图4中设置发动机转速为4000r/min。图3、图4的拨叉旋转时刻（即泄油相位角）相同。曲线1至8的泄油相位角依次为-15、5、25、45、65、85、105、125°CA。

图3 2000r/min时不同泄油相位角的气门升程曲线

图4 4000r/min时不同泄油相位角的气门升程曲线

从图3、图4可以看出，该机构的气门运动规律具有如下的特点：

a.气门升程和气门开启持续期随泄油相位角的增大而逐渐增加，当达到某一相位角气门达到最大升程，此时泄油相位角继续增加，气门最大升程保持不变，而气门开启持续角却逐渐增加。

b.随着泄油时刻的变化，气门的升程和开启持续期变化幅度比较一致，证明了该机构的仿真模型参数设置比较合理。

c.通过控制拨叉旋转时刻（即泄油时刻）可以实现气门升程的可变，从而可以取消节气门，通过气门升程的可变来控制进气量继而控制发动机的负荷。

d.本机构不能实现气门开启时刻的可变。

（2）发动机转速对气门运动规律的影响

图5至图8示出了泄油相位角在15、45、85、105°CA时不同发动机转速的气门升程曲线。

图5 泄油相位角15°CA的气门升程曲线

图6 泄油相位角45°CA的气门升程曲线

图7 泄油相位角85°CA的气门升程曲线

由图5至图8可以看出发动机转速增加，气门的升程以及开启持续期都会增加。由图5、图6可以看出，当泄油相位角较小时，由于凸轮此时具有较大的速度，因而可以驱动气门继续上升一段距离，发动机转速越高，可以赋予气门的动能越大，气门的升程以及开启持续期都会有所增加。由图7、图8可以看出，当泄油相位角较大时，凸轮处于最大升程的位置，此时转速的增加不会引起气门升程的增大，只会使气门的开启持续期增加。

图8 泄油相位角105°CA的气门升程曲线

3 总结

综上所诉，本机构可以实现气门升程以及气门开启持续期的连续可变。通过以上分析可以看出发动机转速以及拨叉旋转时刻（即泄油相位角）都对气门运动规律有着一定的影响，但发动机转速对气门运动规律的影响比较有限，拨叉旋转时刻（即泄油相位角）对气门运动规律的影响是决定性的。通过控制拨叉旋转时刻（即泄油相位角）可以实现气门升程从0到最大设计升程连续可变，气门开启持续期在较大曲轴转角范围内连续可变。

参考文献

[1] 贾慧利.汽车发动机的可变气门技术探讨[J].中国高新技术企业.2016,(02):79-80.

[2] 王天友,张运泉,王利民等,无节气门负荷控制策略对汽油机性能影响的研究[J].内燃机学报. 2009,(03):224-230.

[3] 秦磊.基于进气门早关的无节气门汽油机泵气损失的研究[D].山东:山东大学,2011.

[4] 王岩.发动机全可变液压气门机构气门运动规律的研究[D].山东:山东大学,2010.