凸轮驱动的液压全可变气门机构研究

刘波澜, 余锡洋, 王晓刚, 颜超, 于飞, 王文泰， 韩耀辉

( 北京理工大学 动力系统工程研究所, 北京 100081)

内燃机在未来较长一段时间内仍将是全球动力市场的主力，即使在新能源汽车飞速发展的今天，传统内燃机车辆在全国机动车保有量中仍然占有90%以上的比例，特别是在货运、农用以及众多非道路车辆领域，传统柴油机车的地位很难被撼动. 然而面对日益严苛的排放法规及能耗标准，内燃机的节能、减排、增效技术仍将是该领域的研究重点. 可变气门技术在节能减排增效等方面均表现出色[1-4].

可变气门技术具有减小泵气损失，实现内部 EGR，实现可变有效压缩比，实现可变排量，改善怠速稳定性，提高充气效率，降低能耗等优点. 与固定配气相位相比，可变配气相位则可以在发动机整个工作范围内的转速和负荷下，提供合适的气门开启、关闭时刻或升程，从而改善发动机进、排气性能，较好地满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时动力性、经济性、废气排放的要求，整体提高发动机综合性能.

目前应用较广的可变气门技术按照可变的配气参数主要可分为VVT和VVL[5]. 前者是通过调节凸轮轴的相对位置来改变气门的启闭时刻，如丰田的VVT-i，福特的 VCT等，该技术无法改变气门升程大小. 而后者是通过改变凸轮型线来调节气门升程与启闭时刻，如本田的VTEC，奥迪的AVS等，该技术往往是2～3级可调，调节范围较窄. 另外，无凸轮的电磁式可变气门存在成本高昂、控制复杂等缺点. 而凸轮驱动的液压式可变气门机构因其结构简单，控制方便等优点，近年来逐渐被国内外研究人员重视[6-8].

文中针对现有可变气门技术的优缺点，在1015型单缸柴油机的基础上，设计开发了一种基于凸轮驱动的液压式可变气门机构(cam driven hydraulic fully variable valve system,CD-HFVVS)，并进行了台架试验验证了其可行性，所设计的机构可以实现配气参数的全无极可变，且结构简单，成本低廉，控制方便.

1 CD-HFVVS系统机构设计

1.1 系统结构及工作原理

机构的设计是在已有的某型单缸柴油机缸盖上进行改装完成的. 系统结构原理图如图1所示.

该机构可以分为低压油路部分、凸轮柱塞部分和活塞气门部分.

低压油路部分主要包括液压油箱，低压油泵，溢流阀和调压阀等. 低压油泵负责将液压油从油箱中泵出，并为系统提供稳定的低压油. 溢流阀的作用主要是，在泄油阶段，高压油道的液压油瞬间涌入低压油路，该部分液压油大多经溢流阀回流至油箱，溢流阀的开启压力应略大于低压油路压力.

凸轮柱塞部分主要包括凸轮、挺柱总成、柱塞、柱塞套以及柱塞转动套等. 凸轮推动柱塞上下往复运动，柱塞顶面及颈部斜槽同进回油口的连通状态决定了压油与泄油的时刻，也就决定了气门开启，关闭时刻以及升程.

活塞气门部分主要包括液压活塞、活塞套、气门与气门弹簧等.

机构的具体工作原理如下：

低压油泵将液压油从油箱中泵出，为系统提供0.5 MPa的低压液压油；曲轴带动凸轮轴转动，凸轮推动挺柱从而带动液压柱塞上下往复运动. 当柱塞上升至柱塞顶面封闭进油口时，高压油道的内的液压油为封闭状态，由于液体的不可压缩性，高压油道内的液压油可视为刚性的机械结构. 由于柱塞上行的挤压作用，油道内的油压瞬间升高，当油路压力作用在活塞顶面的力升高至气门弹簧预紧力的时候，气门被顶开；柱塞继续上行至斜槽与回(进)油口连通时，高压油路的压力瞬间降低至低压油路压力，油路压力作用在活塞顶面的力瞬间降低，气门在气门弹簧力的作用下开始回落.

机构配气参数调节的核心元件是液压柱塞，其局部结构图如图2所示.

柱塞颈部位置开有一个斜槽，柱塞顶面开有一个中心孔与斜槽向连通. 低压油路兼负进油和回油的任务，循环开始时，高压油道跟低压油道向连通，油压为低压油泵所建立的0.5 MPa. 当柱塞在凸轮的作用下上行，其顶面封闭进油口时，高压油路压力瞬间升高，气门被顶开. 柱塞继续上行，柱塞斜槽与进油口相连，高压油路通过柱塞中心孔经柱塞斜槽与低压油路相连通，油压瞬间降低，气门回落. 因此，该系统的配气参数调节主要是通过柱塞顶面初始位置及柱塞斜槽初始位置，即柱塞纵向和周向初始位置的调节来实现的. 具体的调节规律如下.

1.2 柱塞纵向初始位置调节

柱塞纵向初始位置的调节是通过在柱塞座与挺柱之间加工梯形传动螺纹来实现的. 该位置调节过程中的调节量可以称为延后压油量 ，即柱塞顶面的初始位置距离封闭进油口的距离，如图2所示. 在凸轮推动柱塞开始上行直至柱塞顶面封闭进油口之前，高压油道与低压油道是始终相连的，此阶段尽管柱塞上行，气门也不会被顶起，直至柱塞继续上行至封闭进油口，气门才会在高压油的作用下被顶开. 因此，配气凸轮行程的前hy段是不起作用的，如图3所示，气门的实际升程与关闭角也会有相应的减少. 通过调节hy的值即可使气门的开启角，升程和关闭角同时改变.

1.3 柱塞周向初始位置调节

柱塞周向初始位置的调节是通过转动柱塞转动套带动柱塞转动来实现的. 该位置调节过程中的调节量可以称为提前泄油量 ，即从柱塞上行至斜槽连通进油口到凸轮最大升程处柱塞所上升的距离的值可以由以下的式子求出：

ha=ht-h′a,

(1)

式中:ha为提前泄油量;ht为凸轮最大升程;h′a为柱塞斜槽与进油口连通时凸轮已走的行程. 调节量ha可以理解为在凸轮行程升至最大的ht前ha处开始泄油，故将该调节量称为提前泄油量. 当泄油开始时，即高压油路与低压油路相连通时，高压油道压力瞬间降低，气门在气门弹簧的作用下回落. 由图3可知，配气凸轮的h′a到ht段也是不起作用的. 因此，通过调节ha的值即可使气门的升程和关闭角同时改变.

综上所述，在配气凸轮型线有足够冗余量的情况下，通过合理调节延后压油量hb及提前泄油量ha，即可实现满足全工况范围的气门开启角、关闭角和升程的配气参数全无极可变.

2 试验装置与试验方法

进行试验的主要目的是为了验证所设计的基于凸轮驱动的液压全可变气门机构的实际可行性，以及探究该系统在实际运行过程中的气门运动规律，油路压力变化，气门落座特性等. 基于以上试验目的所设计的试验系统原理图如图4所示.

试验在单缸机缸盖上进行，通过直流电机来代替曲轴输出动力给凸轮轴. 试验台架系统可以分为4个部分：凸轮驱动部分、CD-HFVVS系统部分、低压油路部分和信号采集部分. 各部分组成如表1所示. 试验台架的结构图如图5所示，油泵将液压油泵出油箱送入柱塞腔，并建立低压油路压力；变频控制柜控制直流电机的开关与转速，从而模拟曲轴带动凸轮的旋转，进而带动机构运行；两个伺服电机分别驱动柱塞转动套和柱塞座的旋转，从而控制配气参数的变化.

表1 试验台架系统各部分组成Tab.1 Composition of test bench system

试验中采用德国米铱LD-1627-200型激光位移传感器，该传感器量程为200 mm，测量范围为200～400 mm，对应的输出电压为-10 ～ +10 V. 响应频率可达30 kHz，分辨率为120 μm. 压力传感器为奇石乐6052CU20 型压电晶体式传感器，量程为0～25 MPa. 磁电式转速传感器和60缺2齿的信号盘用以测量凸轮轴转速和位置.

3 CD-HFVVS系统试验验证与分析

3.1 提前泄油量的变化对气门运动规律的影响

根据CD-HFVVS系统的工作原理，提前泄油量的增大将使得气门升程和关闭角同时降低，而气门的开启角不会改变. 图6所示为延后压油为1 mm，提前泄油量分别为0、1、2、3、4 mm 情况下的气门升程曲线. 可以看出，在不同提前泄油量的情况下，气门的开启时刻不变，而气门升程和关闭角随提前泄油量的增大而降低. 这一气门变化规律同理想情况是一致的，由此可见，CD-HFVVS系统的提前泄油量调节的可行性得到了验证.

图7所示为延后压油1 mm，无提前泄油量情况下的气门升程和油路压力的对比，该图也可以侧面的反映该机构的工作原理. 当柱塞顶面上行至封闭进油口时，油路压力迅速升高，直至油压略大于气门弹簧预紧力时，气门打开；气门开启后，油压会有些许的降低随后再升高，这可能是因为在气门开启瞬间，液压油除了要克服弹簧预紧力，还要克服系统的摩擦力，气门开启后，静摩擦力转化为动摩擦力，故油路会有一定的下降.

对气门升程进行微分处理即可得到气门的速度值，图8为不同提前泄油量情况下的气门速度. 可以看出，在机构开始泄油之前不同提前泄油量下的气门速度几乎是一样的，这是因为该阶段气门的运动是由凸轮推动的. 当机构开始泄油时，气门速度开始脱离原始的速度曲线，即无提前泄油量下的气门速度曲线. 由于泄油过程中，油路压力是瞬间降低的，液压油作用在活塞上端的力较气门弹簧力相比很小，所以气门回落的速度较原始速度要快一些. 而气门落座瞬间的速度在0.3～0.4 m/s之间，根据AVL以及FEV公司制定的相关标准，优良的气门落座速度应小于0.5 m/s，因此该机构的气门落座速度仍在合理的范围内，但是较原机的气门落座速度相比还是有一定的恶化，在长期使用过程中气门可能会撞击磨损. 针对这一问题，可以在未来的改进中为该机构设计加装落座缓冲装置来解决.

3.2 延后压油量的变化对气门运动规律的影响

根据CD-HFVVS系统的工作原理，延后压油量的增大将使得气门升程，开启角和关闭角同时降低，其作用效果相当于截取了不同的凸轮段. 图9所示为无提前泄油量，延后压油量分别为1、2、3、4 mm情况下的气门升程曲线. 可以看出，在不同延后压油量的情况下，气门的升程和持续期均随延后压油量的增大而减小. 这一气门变化规律与理想情况也是一致的，由此可见，CD-HFVVS系统的提前泄油量调节的可行性同样得到了验证.

对气门升程进行微分处理即可得到不同延后压油量下的气门的速度值. 由图9中可以看出，在机构开始压油到开始泄油阶段，各个情况下的气门速度几乎是一样的，因为该阶段的气门运动是由凸轮推动的. 而随着延后压油量的增大，气门的开启时刻推迟，关闭时刻提前. 通过气门速度的变化规律也可以得出，延后压油量的调节实际上是截取不同的配气凸轮段来推动气门运动. 另外，各情况下的气门开启瞬间速度和关闭瞬间速度均在0.3 m/s左右.

3.3 改善液压系统气门落座的研究

液压系统，气门在开启和关闭过程没有凸轮型线的约束，气门的落座冲击还是比较大的. 图8、图10所示为气门速度曲线. 可以看出，各情况下气门落座瞬间的速度在0.3～0.4 m/s之间，根据AVL以及FEV公司制定的相关标准，优良的气门落座速度应小于0.5 m/s，因此该机构的气门落座速度仍在合理范围内，但是较原机的气门落座速度相比还是有一定的恶化，在长期的使用过程中气门可能会撞击磨损.

文中通过在液压活塞顶面加装锥形落座缓冲块来实现气门落座缓冲的作用，落座缓冲块的三维示意图如图11所示.

图12和图13所示分别为加装了气门落座缓冲装置后的不同提前泄油量下的气门升程曲线和气门速度曲线，在加装落座缓冲装置后，气门的开启和落座过程明显变缓，气门的落座瞬间速度均小于0.1 m/s，气门的落座冲击得到了较好的解决.

4 结束语

设计开发了一种基于凸轮驱动的液压全可变气门机构(CD-HFVVS)，并搭建了试验台架进行了系统可行性验证与分析,CD-HFVVS系统的提前泄油量的调节可以使气门升程和关闭角同时可变，而延后压油量的调节可以使气门升程，开启角和关闭角均可变. 在配气凸轮型线有足够冗余量的情况下,CD-HFVVS系统可以实现满足全工况的配气参数全无极可变. 由于该系统气门在回落过程中没有凸轮的约束，高压油路自由泄压，故气门速度同原机相比较大. 加入缓冲块实现开启关闭时刻的节流作用，气门落座冲击有明显改善.