无凸轮电液可变气门机构动态特性试验

杜 强，章振宇，赵长禄，张体恩，吴 瑶

(1. 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2. 北京机电工程总体设计部，北京 100081；3. 中国人民解放军火箭军装备部驻重庆地区军事代表室，重庆 400000)

内燃机电气化是提高发动机性能，满足日趋严苛的排放法规的重要手段之一，电气化的主要控制对象是缸内燃烧过程．在影响燃烧的要素中，喷油和点火已实现电子控制，内燃机电子控制在换气领域中也逐渐得以应用[1]．文献[2—9]表明，采用可变气门技术可以减小泵气损失、优化燃烧过程、提高内燃机动力性、排放和经济性．

可变气门技术可分为凸轮驱动式可变气门机构和无凸轮可变气门机构．在发动机控制技术不断发展的背景下，无凸轮可变气门机构可实现升程与正时的柔性可变，因而优势逐渐显现．

无凸轮可变气门机构可分为电气式、电磁式和电液式3种[10]．电气式可实现气门正时与升程的柔性可变，但由于其工质能量密度低、可压缩性强且容易泄露使得可变气门机构驱动部件尺寸大、控制难度高且可靠性差[10-14]．电磁式可变气门机构控制难度低，但是其最大升程难以调节，气门在保持开启和关闭时需保持电磁铁上电状态，能耗较大[15-17]．电液式可变气门机构因其设计灵活、功率密度大等特点，可以通过各种主动或被动的方式来控制驱动气门运动的液压油流量，进而得到灵活可控的气门运动轨迹，实现软着陆，被广泛认为是一种具有良好应用前景的无凸轮气门机构．

当前针对无凸轮电液可变气门机构的研究多围绕汽油机的应用开展[18-20]，然而在转速不断提高的背景下，可变气门机构在柴油机上逐渐得以应用．与汽油机相比，柴油机气门升程较大，而当前的无凸轮电液可变气门机构难以满足较大气门升程(大于10mm)[21-22]．因此，笔者在总结前人工作经验的基础上，设计了一种可以满足较大气门升程与较快发动机转速的无凸轮电液可变气门机构(EHVVA)，并开展运行特性试验．该机构可实现高速柴油机气门正时、升程的完全柔性可变，提供理想的气门运动型线；在探索气门运动特性的基础上，研究气门运动过程中油压波动对气门运动的影响规律，并且进一步研究EHVVA的循环变动特性．该研究成果可以为机构的结构优化与精细化控制提供依据．

1 EHVVA工作原理与试验平台建立

图1为笔者开发的EHVVA试验系统工作原理示意．EHVVA试验平台由机电液耦合执行机构、电子控制单元(ECU)与上位机组成．机电液耦合执行机构用于驱动气门运动并且可以通过传感器采集系统内部的信息．ECU负责控制气门运动、接收传感器发送的信号、接收上位机发送的控制指令及向上位机发送传感器所接受到的各类系统信息数据．上位机中的人机交互界面负责发送指令、接收并处理ECU所传输的传感器数据信息以及实时显示并储存传感器采样数据．

图1 电液可变气门机构试验装置示意Fig.1 Schematic of the experimental set-up for EHVVA

ECU内部由高频电磁阀驱动模块、压力控制比例阀驱动模块、传感器信号接收模块和通讯电路模块组成．为实现人机交互界面所应具有的功能，其内部包括用于通讯、支持底层通讯协议的CAN总线数据接收模块，用于处理底层设备所采集到的信号数据处理模块以及用于向底层设备发送改变工况命令的数据信号发送模块．面向柴油机运行工况，试验转速分别为2500、2000、1500和1000r/min，气门开启持续期分别为210°、240°和270°CA，气门最大升程为12mm．

当机构工作时，高频电磁阀打开，高压油路与柱塞腔连通，柱塞在高压油的驱动下推动气门克服弹簧预紧力开启．此时，柱塞背面与背压油路相通，从而减缓柱塞对机构的冲击，背压油路压力由减压阀控制．随着高频电磁阀关闭，柱塞腔与低压油路连通，气门在弹簧的作用下落座．ECU通过控制高频电磁阀的驱动信号进而控制气门开启与关闭的正时，通过比例阀控制高压端压力结合气门开启信号脉宽实现正时与升程的柔性可变．气门升程通过米铱ILD1420-25激光位移传感器采集，驱动压力由爱尔AE-H-G-H1传感器采集，二者采样频率均为2kHz．

2 试验结果分析

2.1 EHVVA与凸轮机构对比

为更好评价EHVVA的性能，将EHVVA的运动特性与传统凸轮驱动气门机构运动特性相对比．采用丰满系数ψ[23]定量表征气门型线性能，即

式中：h为气门升程；α为气门在某升程下所对应的曲轴转角；θ为气门开启持续期；Hmax为气门升程最大值．

定义EHVVA丰满系数为ψH，基于凸轮驱动的配气机构丰满系数为ψC；EHVVA的气门落座速度(气门关闭过程中升程为0.1mm所对应时刻的速度)为vHc．选取动力性能好且丰满系数高的高次多项式凸轮型线作为与EHVVA气门运动型线比较的对象[23]，即

式中：y为气门位移；C0、C2、Cp、Cq、Cr和 sC为方程待定系数；x为凸轮曲轴转角；p、q、r和s为方程待定指数．方程待定系数与方程待定指数并不独立．在确定方程待定指数后通过气门运动最大升程、工作段半包角、初始速度和加速度约束来确定方程待定系数．其中C0受气门运动最大升程约束为12．凸轮机构气门落座速度定义为缓冲段终点气门速度，其大小的选取取决于气门间隙和凸轮与气门间传动系刚度．为方便比较，设气门间隙为0mm，凸轮与气门间传动系刚度无限大，因而气门落座速度为0[23]．

通过优化不同p、q、r和s时的 0C、C2、Cp、qC、Cr和 sC获得最优型线．凸轮型线的设计准则是在气门开启过程正加速度持续时间大于15°CA的条件下丰满系数最大[23]．表1所示气门开启持续期为210°、240°和270°CA时凸轮型线方程的最优指数、系数组合．

表1 不同开启持续期的凸轮驱动气门机构参数Tab.1 Parameters of the cam-derived valve mechanism under different durations

根据上述设计方法以及气门运动边界条件，最终确定了不同气门开启持续期下的最优凸轮型线并与试验获得的EHVVA气门运动型线对比，结果如图2所示．图2a所示发动机转速为2500r/min时EHVVA与传统基于凸轮的配气机构气门运动型线对比，表明EHVVA丰满系数比传统基于凸轮式的配气机构大3.13%．这说明在柴油机高转速下EHVVA可以提升发动机指示热效率，并且能够满足发动机燃烧对于换气的需求．

图2 不同转速下EHVVA与凸轮机构气门型线对比Fig.2 Comparison of valve lift between EHVVAand cam-derived valve mechanism under different engine speeds

随着发动机转速降低到2000r/min如图2b所示，EHVVA的气门丰满系数ψH增加，而传统凸轮气门机构的丰满系数ψC保持不变．随着发动机转速继续降低，ψH持续增加如图2c所示．当发动机转速最终降为1000r/min时，ψH比ψC高出36%～42%如图2d所示．随着气门开启持续期由210°CA增加到270°CA，EHVVA与传统凸轮驱动配气机构气门升程曲线的丰满系数都随之增大．

对于传统的凸轮型线，其丰满系数是由高次多项式系数以及气门运动约束所决定，因而ψC与发动机转速并无关联．而EHVVA中，气门上升与下降过程主要受高频电磁阀流通特性影响，流量在油压与油温不变时变化较小．因此，EHVVA气门上升与下降的时间不随发动机转速或气门开启持续期的变化而变化；当气门开启持续期增加时，气门循环运动时间增加、气门上升和下降时间所占比例减少，有利于提高ψH；ψH与气门开启持续期正相关，与转速负相关．

图3为EHVVA与凸轮机构的气门运动速度对比，气门落座速度也同时在图中给出．当转速达到2500r/min时，二者速度峰值大致相同，而EHVVA气门速度相较于凸轮机构而言波动较为明显，尤其是在气门上升阶段，如图3a所示．这是由于EHVVA中气门运动特性受油压波动影响，由图1所示的EHVVA原理可知，液压气门上升过程受到液压驱动力的影响，下降过程受弹簧弹力主导．因此，气门在上升阶段速度波动更为明显，而这种油压波动在EHVVA工作循环间会产生较大差异进而造成速度上的波动，使得EHVVA气门运动循环间产生差异．图3b所示当转速下降到2000r/min时，EHVVA的气门运动速度峰值高于凸轮机构气门运动速度．当转速继续下降达到1500r/min和1000r/min如图3c、图3d所示，EHVVA的速度峰值明显高于凸轮机构，二者速度峰值差值随着转速降低而升高，并且各个转速下气门运动过程速度都具有波动．这是由于EHVVA气门运动速度受电磁阀通过流量控制与转速无关，而凸轮机构的气门运动速度受转速与凸轮型线控制，其气门运动速度与转速直接相关．因而当转速降低时，凸轮机构气门运动速度随之降低，但EHVVA速度变化情况在其上升与落座过程不随着转速变化而变化．

图3 不同转速下EHVVA与凸轮机构气门速度对比Fig.3 Comparison of valve velocity between EHVVA and cam-derived valve mechanism under different engine speeds

从图3可以看出，各转速下EHVVA气门落座过程速度峰值大，且落座过程负向速度持续期短，这就使得EHVVA气门落座过程时间较短．原因在于电磁阀的流通特性较好，当高频电磁阀断电时驱动活塞在两端压差和弹簧作用下促使气门迅速关闭．而这种现象也使得EHVVA气门开始落座的时刻偏晚，进而使得气门运动型线有较高的丰满系数．

图4 为EHVVA与凸轮驱动配气机构的气门运动加速度对比．当转速为2500r/min时，EHVVA加速度曲线在升程较大时会出现明显的波动，这是由于柱塞腔内的液压油压力波动所致．此时，EHVVA加速度的峰值小于凸轮机构．随着转速降为2000r/min，凸轮机构加速度曲线波动趋缓．当转速为1500r/min时，EHVVA的加速度峰值开始超过凸轮机构的加速度，同时气门升程较大时的加速度波动几乎消失．当转速进一步降为1000r/min时EHVVA的加速度峰值明显高于凸轮机构．由于EHVVA的加速度不受转速影响，不同转速下EHVVA加速度变化较小．而对于凸轮机构，气门运动受其凸轮型线限制．随着转速升高，其气门加速度峰值增加．高转速下EHVVA相比凸轮机构具有较低的加速度，因而有较小的惯性力．但低转速下EHVVA加速度峰值相对较大，但其绝对值较小，对于配气机构可靠性影响较小．

图4 不同转速下EHVVA与凸轮机构气门加速度对比Fig.4 Comparison of valve acceleration between EHVVA and cam-derived valve mechanism under different engine speeds

2.2 EHVVA动态特性分析

由于液压油作为驱动气门运动的工质，其工作周期内的动态变化特性对于机构的运行有着直接的影响，开展了不同转速下气门运动与油压变化关系的研究．由于柱塞腔无法安装传感器因而将传感器安装在高频电磁阀与柱塞腔之间的油道上，并用此油压表征柱塞腔内油压变化规律．图5为不同转速下单个周期内EHVVA气门升程与柱塞腔油道油压及控制信号的变化对比，此时气门开启角为240°CA．

图5 气门升程为12mm时EHVVA的控制信号、油压与升程Fig.5 Control signal，driving pressure and valve lift for EHVVA under the lift of 12mm

图5a所示转速为2500r/min时EHVVA的动态特性．当控制信号发出后，气门并未立即开启，而是延时cφ后，柱塞腔油道油压开始上升．当柱塞腔油道油压经过液压响应时间dφ后上升到第一个峰值时，气门开始开启，此时柱塞腔容积增大，油压开始回落．这是由于活塞所受的密封圈静摩擦力与气门所受弹簧预紧力合力较大，较低的油压无法打开气门．但当油压上升至足够大即由柱塞腔油压所产生的油压驱动力可以克服静摩擦力与气门弹簧预紧力使得气门开始打开时，气门的运动使得柱塞腔内容积突然增大，从而导致油压降低．驱动油压在气门上升过程中不断震荡，也导致了如图4a所示的加速度波动．

气门在最大升程保持一段时间后，电磁阀关闭，低压油路接通，液压油由柱塞腔进入低压油路．此时柱塞腔内油压迅速下降，但由于活塞所受密封圈静摩擦力的作用及气门与活塞等部件的惯性，当油腔内油压迅速下降时气门并未开始关闭，而是等油压下降到一定程度时气门才会开始落座．此时柱塞腔内的容积迅速减小，而机构中气门的落座速度高于高频电磁阀的流通能力，使得柱塞挤压尚未及时流出的液压油，导致油压在气门落座过程又产生一个峰值．

随着转速降低，气门升程曲线出现了明显的“平台”，当气门升程达到平台位置时，受机械限位限制，柱塞运动停止，油腔容积不再变化，柱塞腔内的油压在驱动端与蓄能器的作用下开始增加，形成了油压的一个极小值点，油压曲线也出现了相对稳定的波动期(持续期hφ)，随后油压开始下降，经过fφ时长后油压回归到低压端压力，气门运动也随之结束，如图5b～图5d所示．

因此，中、低转速下气门单个工作循环内柱塞腔油压变化过程可分为：(1)气门打开过程由高频电磁阀与供油端压力所主导的柱塞腔油压建立过程Sφ；(2)气门达到其最大升程(如控制信号脉宽足够长，此时液压油达到其最大油压值后的第一个极小值)到油压开始下降的油压保持阶段hφ；(3)从油压开始下降到柱塞腔油压完全卸荷，由高频电磁阀、低压油路油压和气门运动状态所共同影响的油压卸荷阶段fφ．而图5a所示的高速工况，油压只出现两阶段变化是由于控制信号脉宽较短，柱塞腔油道油压尚未达到油压保持阶段，低压油路即被接通．

为更好实现对EHVVA机构的控制，定义出现油压保持阶段的气门运动状态为系统充分响应状态，反之则为非充分响应状态．

图6为试验获得的不同区域之间跃迁，当供油压力小于5MPa时驱动油压无法突破机构自身存在的静摩擦力与气门弹簧预紧力之和，试验中最大供油压力为14MPa．当供油油压不变时，气门运动状态随着控制信号脉宽的增加逐渐由非充分响应状态到充分响应状态转换，并且出现具有充分响应状态与非充分响应状态并存现象的过渡区．

图6 不同供油油压下的系统工作油压跃迁Fig.6 Transition between different system’s supplyoil pressure response state under different supply oil pressure

从试验结果可知，充分响应区、过渡区和非充分响应区的转换边界可近似采用线性拟合为

式中：S为控制信号脉宽；p为供油系统供油压力．

气门能够运动到最大稳定升程是油压能够完全建立的必要条件．而在对于EHVVA单循环动态特性分析中(图5)，气门达到最大稳定升程前控制信号经历两个阶段，即油压延时 cφ和油压建立 Sφ，延时期cφ在不同供油油压下变化较小．在供油油压为5～10MPa时，气门最大升程尚未到达机械限位，气门升程随着供油油压的增大而升高，因而气门到达最大升程所需油量增加，使得Sφ有增加趋势；另一方面，油压增大使得气门运动速度增加，会抑制Sφ增大．两方面因素竞争使得此油压范围内，实现气门充分响应所需控制信号脉宽先增加后减小．当供油压力超过10MPa时，受机械限位影响，气门最大升程保持为12mm，驱动气门达到最大升程的液压油量不变，且此时驱动油压足够高，气门运动速度变化的影响较小，因而充分响应所需脉宽几乎不变．当供油压力达到14MPa时，系统溢流阀开始工作，因此，油压建立过程较慢，所需脉宽明显增大．

2.3 EHVVA循环波动特性

为研究气门多循环特性，图7显示转速为2500r/min时在供油压力为9MPa和7MPa条件下50个工作循环的EHVVA气门运动曲线与柱塞腔驱动油压的变化，此时气门升程小于12mm，因而不会达到机构所设定的机械限位的程度，可充分反映油压波动与气门运动波动特性的影响．

图7 EHVVA多循环工作动态Fig.7 Multi-cycle dynamic performance for EHVVA

为了更好地评价气门工作循环间各参数变动程度，选取单循环最大油压pmax、单循环气门最大升程Lmax、EHVVA单循环气门型线时面值Tf，并引入循环变动率CoV用于评价各个EHVVA循环特征参数的循环间波动程度[24]，分析EHVVA多循环变动情况．其定义为

式中：σX为样本标准差；X为样本平均值．

不同循环间高压油道压力波动变化导致气门上升过程的速度差异，从而引起气门运动型线时面值的循环变动．气门运动型线时面值Tf定义为

图8为不同供油压力下气门运动时面值随循环发生变化示意．当供油压力为9MPa时，气门运动时面值平均值为92.18mm·°CA，循环变动率为2.6%；当供油压力为7MPa时，配气机构气门运动时面值平均值为62.31mm·°CA，循环变动率为3.0%．气门运动型线时面值循环变动率都低于4.0%，说明气门运动型线时面值的循环一致性较好．

图8 不同供油压力下气门运动型线时面值多循环试验结果Fig.8 Result of multi-cycle test on valve motion profile’s time area value under different oil supply pressures

图9为不同供油压力下EHVVA最大升程的多循环变动情况．当供油压力为9MPa时，多数循环内EHVVA的最大升程保持在11.22mm，其循环变动率为1.0%；当供油压力为7MPa时，气门最大升程平均值为7.5mm，其循环变动率为3.1%．说明EHVVA系统的升程循环变动小，有利于实现升程全工况柔性可变．

图9 EHVVA最大升程多循环试验结果Fig.9 Multi-cycle dynamic characteristics of Lmax for EHVVA

图10为不同供油压力下EHVVA驱动油压的最大值循环变动．由于EHVVA的驱动依赖于液压油作为工质推动柱塞腔活塞进而推动气门，油压的变化就会直接影响配气机构中气门的运动．由图5可知，驱动油压最大值出现在气门达到升程峰值之前．气门在上升过程中，其运动速度小于液压油流动速度，使得液压油压力上升至峰值进而推动气门运动至最大升程处．由试验可知，供油压力为9MPa时EHVVA驱动压力峰值的平均值为13.57MPa，其循环变动率为3.3%；供油压力为7MPa时EHVVA驱动压力峰值的平均值为7.13MPa，其循环变动率为2.6%．

图10 不同供油压力下最大油压多循环试验结果Fig.10 Experiment results under multi-cycle condition of pmax under different oil supply pressures

循环内油压值在不同供油压力下变化较大，这是因为在不同供油压力条件下气门运动达到峰值之前气门运动与高频电磁阀通流所产生的液压油挤压情况发生变化较大所导致．但在不同供油压力下循环变动率都小于4.0%，这就使得气门运动型线时面值循环变动率可以控制在较小范围内．

为了探索3个循环特征之间的内部联系，引入线性相关性系数ρ，探寻不同特征之间的关系．

式中：N为循环特征样本量；Xi、Yi为循环特征样本值；X、Y为循环特征样本平均值；式中分子部分为不同循环特征间协方差；Xσ、Yσ为循环特征标准差．

表2为单循环内最大油压、最大升程和时面值之间的相关性系数．其中，7MPa下最大升程与时面值呈现极强的线性相关性，而9MPa下二者线性相关性较小，这是由于此时气门运动过程对油压波动较为敏感，因而最大升程也随之波动．当驱动油压较大时，油压波动对气门运动过程影响较小，因而时面值与最大升程的相关性变小．除Lmax与Tf外其余各循环特征线性相关性较低．这是由于这3个指标的主要影响因素不同．pmax主要受驱动端压力、高频电磁阀通流特性以及气门运动的影响．Lmax受油压驱动端压力影响．Tf在较高驱动压力下主要由电磁阀响应性所决定．从对最大升程、时面值的影响因素上看，为了实现气门运动的稳定快速控制和实现气门运动最优化，提升高频电磁阀响应性与流通特性，针对EHVVA的油压波动性的补偿控制是提升EHVVA性能的有效途径．

表2 不同供油压力下循环特征间相关性系数Tab.2 Correlation coefficient of different cyclical characteristic under different oil supply pressures

3 结论

(1) 研究了2500、2000、1500和1000r/min下EHVVA的运行特性，并与传统凸轮驱动气门机构特性对比，结果表明EHVVA的气门丰满系数在上述转速下均高于传统凸轮驱动机构．

(2) EHVVA的运动速度、加速度与发动机转速相关性很小，主要受系统的机-电-液特性影响；在高转速下气门加速度持续时间长、加速度峰值小，有利于减小惯性力，提高气门垫圈寿命，低转速下加速度峰值相对于传统配气机构加速度峰值大，但其值与高转速时的差别很小．

(3) 气门运动可根据柱塞腔内油压变化分为3个阶段，分别是由高频电磁阀响应性能与供油端压力主导的油压建立阶段，由供油系统供油压力与信号脉宽主导的油压保持阶段，受低压油压与气门运动状态共同影响的油压卸荷阶段．

(4) 随着转速的增大，气门驱动信号脉宽变小，油压保持阶段渐渐难以维持，气门运动逐渐由充分响应转捩为非充分响应；在供油油压为5～10MPa时，气门最大升程增加与气门运动速度加快两方面因素竞争使得此油压范围内，实现气门充分响应所需控制信号脉宽先增加后减小；当供油压力超过10MPa时，气门最大升程保持不变，气门运动速度变化较小，充分响应所需脉宽几乎不变；当供油压力达到14MPa时，系统溢流阀开始工作，油压建立过程较慢，所需脉宽明显增大．

(5) EHVVA多循环试验结果表明，其运行过程中循环波动较小，典型指标的循环变动系数均小于4.0%；EHVVA驱动油压循环间的变动是导致气门运动特性循环变动的主因．