電液驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)及應(yīng)用

葉年業(yè),楊曉,藍(lán)志寶

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

隨著能源危機(jī)及環(huán)境污染問(wèn)題的日益突出，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放成為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的目標(biāo)。其中，無(wú)凸輪軸可變氣門機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)、氣門升程的連續(xù)可變，是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能的有效手段之一。無(wú)凸輪軸可變氣門機(jī)構(gòu)主要有電磁驅(qū)動(dòng)、電控氣壓驅(qū)動(dòng)和電液驅(qū)動(dòng)3種方式：電磁驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)的氣門升程曲線接近矩形，氣門開啟及關(guān)閉速度很大，氣門落座速度及沖擊噪聲較大[1]；電控氣壓驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)體積大，并且氣體可壓縮性高，難以實(shí)現(xiàn)精確控制[2-3]；電液驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)主要有單向作用活塞[4]和雙向作用活塞[5]兩種驅(qū)動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)型式，其緩沖設(shè)計(jì)能充分利用液壓阻尼，控制方式靈活[6-8]。因此，相比電磁驅(qū)動(dòng)方式，電液驅(qū)動(dòng)具有氣門落座緩沖方式豐富、控制靈活的優(yōu)點(diǎn)；相比電控氣壓驅(qū)動(dòng)方式，電液驅(qū)動(dòng)具有控制精度高、響應(yīng)快、體積小的優(yōu)點(diǎn)。因此，本研究基于電液驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)開展性能試驗(yàn)及應(yīng)用研究。

可變氣門機(jī)構(gòu)由于其配氣性能的優(yōu)勢(shì)，除了在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用，還應(yīng)用于GCI等高效清潔燃燒方式的研究中。Mark Sellnau等人采用機(jī)械式可變氣門機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)排氣門二次開啟，研究了中低負(fù)荷下GCI燃燒性能[9]。堯命發(fā)等人采用電液式可變氣門機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)排氣門二次開啟，研究了GCI低負(fù)荷下的燃燒性能，實(shí)現(xiàn)NOx排放低于0.4 g/(kW·h)、炭煙排放低于0.1 FSN、指示熱效率達(dá)到40%以上的GCI穩(wěn)定燃燒，并將低負(fù)荷極限拓展至0.15 MPa[10]。王云開通過(guò)改變配氣正時(shí)和升程，設(shè)計(jì)了5種捕捉高溫廢氣參與下一循環(huán)燃燒的策略[11]。其中，負(fù)氣門重疊配氣策略(排氣門早關(guān)，進(jìn)氣門晚開)與排氣門二次開啟配氣策略相比，可以實(shí)現(xiàn)更廣的內(nèi)部EGR率調(diào)節(jié)范圍，對(duì)混合氣的均勻性調(diào)節(jié)效果更加顯著。

本研究在電液驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的試驗(yàn)平臺(tái)上，首先確定了氣門正時(shí)的控制方式；然后在發(fā)動(dòng)機(jī)著火條件下，設(shè)計(jì)了負(fù)氣門重疊配氣策略下進(jìn)、排氣門氣門正時(shí)變化范圍，并對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；進(jìn)一步分析了氣門升程曲線的可重復(fù)性，考察機(jī)構(gòu)的配氣性能。在此基礎(chǔ)上，研究了負(fù)氣門重疊配氣策略對(duì)GCI燃燒性能的影響。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1電液驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)

圖1示出了電液驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)的實(shí)物圖，主要由高壓液源、液壓控制單元、氣門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及信號(hào)采集單元4個(gè)部分組成。高壓液源包括液壓站及蓄能器；液壓控制單元為三位四通電磁閥(G761-3004B)及控制單元，通過(guò)控制三位四通電磁閥的動(dòng)作，進(jìn)而控制氣門的運(yùn)動(dòng)特性；氣門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括液壓缸(YG40/8-8)及氣門運(yùn)動(dòng)組件，根據(jù)液壓控制單元的信號(hào)輸入實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的氣門運(yùn)動(dòng)；信號(hào)采集單元包括位移傳感器(EX-422V)及數(shù)據(jù)采集單元等，對(duì)氣門位移進(jìn)行采集、顯示和記錄。電液驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)的原理見圖2。

圖1 電液驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

1.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置

將上述可變氣門機(jī)構(gòu)與Ricardo E6試驗(yàn)單缸機(jī)進(jìn)行匹配，其試驗(yàn)裝置示意見圖3。該試驗(yàn)單缸機(jī)的主要參數(shù)見表1。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置示意

型式單缸、立式、水冷、四沖程缸徑/mm80行程/mm100排量/L0．5壓縮比3．5～17．5配氣機(jī)構(gòu)電液驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)供油方式氣道噴射+缸內(nèi)直噴

1.2 試驗(yàn)方法

在電液驅(qū)動(dòng)可變氣門機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)中，首先發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火，通過(guò)改變電磁閥輸入信號(hào)確定電磁閥輸入信號(hào)對(duì)氣門正時(shí)的影響規(guī)律；然后考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力對(duì)氣門正時(shí)的影響，在發(fā)動(dòng)機(jī)著火條件下設(shè)計(jì)了負(fù)氣門重疊配氣策略下進(jìn)、排氣門正時(shí)變化范圍，并對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)對(duì)氣門升程曲線的可重復(fù)性作進(jìn)一步分析。本機(jī)構(gòu)中所使用的三位四通電磁閥輸入信號(hào)為±40 mA的額定電流，其中“±”表示電流的方向，電磁閥輸入信號(hào)為3階段信號(hào)輸入方式(見圖4)。給定階段1的信號(hào)時(shí)，三位四通電磁閥向一個(gè)方向動(dòng)作，使高壓液源與液壓缸上方連通，油箱與液壓缸下方連通，氣門開啟；給定階段2的信號(hào)時(shí)，三位四通電磁閥回到中間位置，切斷液壓缸與高壓液源的管路，液壓缸活塞上方和下方液壓力迅速平衡，使氣門達(dá)到某個(gè)升程并保持不變；給定階段3的信號(hào)時(shí)，三位四通電磁閥向另一個(gè)方向動(dòng)作，使高壓液源與液壓缸下方連通，油箱與液壓缸上方連通，氣門關(guān)閉。

圖4 電磁閥輸入信號(hào)方式

基于負(fù)氣門重疊配氣策略進(jìn)行GCI燃燒性能試驗(yàn)，試驗(yàn)在壓縮比為17∶1下進(jìn)行，采用進(jìn)氣加熱的方式進(jìn)行冷起動(dòng)，將進(jìn)氣溫度加熱至60 ℃可以實(shí)現(xiàn)GCI冷起動(dòng)，并調(diào)節(jié)參數(shù)保證GCI的穩(wěn)定燃燒，然后將進(jìn)氣溫度降至50 ℃后保持不變，并在此進(jìn)氣溫度下進(jìn)行GCI性能的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過(guò)程中冷卻水溫度固定在(75±3) ℃，進(jìn)氣溫度維持在(50±2) ℃，潤(rùn)滑油溫度保持在(80±3) ℃，每個(gè)工況采集200個(gè)循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)，以保證試驗(yàn)的可重復(fù)性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 負(fù)氣門重疊配氣策略設(shè)計(jì)

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，系統(tǒng)液壓力為10 MPa時(shí)，電磁閥輸入信號(hào)為3階段方式，以進(jìn)氣上止點(diǎn)為0°，電磁閥輸入信號(hào)與曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2，表中a，b，c，d參照?qǐng)D4。

表2 電磁閥輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角

根據(jù)表2中電磁閥輸入信號(hào)，得到電磁閥輸入信號(hào)對(duì)氣門正時(shí)的影響規(guī)律(見圖5)。對(duì)于表2中1～3信號(hào)，電磁閥輸入信號(hào)階段1和階段3持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角不變，起始角信號(hào)a及階段2持續(xù)角發(fā)生改變，氣門升程曲線如圖5a所示。可以看到，隨著起始角信號(hào)a的推遲和階段2持續(xù)角減小，氣門開啟時(shí)刻逐漸推遲，氣門關(guān)閉時(shí)刻保持不變。對(duì)于表3中4～6信號(hào)，電磁閥輸入信號(hào)階段1和階段3持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角不變，結(jié)束角信號(hào)d及階段2持續(xù)角發(fā)生改變，氣門升程曲線如圖5b所示?？梢钥吹?，隨著結(jié)束角信號(hào)d的提前和階段2持續(xù)角減小，氣門關(guān)閉時(shí)刻逐漸提前，氣門開啟時(shí)刻保持不變。

圖5 電磁閥輸入信號(hào)對(duì)氣門正時(shí)的影響

對(duì)于負(fù)氣門重疊配氣策略，需要改變進(jìn)氣門開啟時(shí)刻及排氣門關(guān)閉時(shí)刻，而進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻及排氣門開啟時(shí)刻保持不變。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，電磁閥輸入信號(hào)調(diào)節(jié)方式可以很好地實(shí)現(xiàn)負(fù)氣門重疊配氣策略。

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，系統(tǒng)液壓力6 MPa時(shí)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)著火狀態(tài)下負(fù)氣門重疊配氣策略的電磁閥輸入信號(hào)標(biāo)定。根據(jù)上述電磁閥輸入信號(hào)對(duì)氣門正時(shí)的影響規(guī)律，設(shè)定控制進(jìn)氣門的電磁閥輸入信號(hào)為a—(a+40°)—190°—260°，控制排氣門的電磁閥輸入信號(hào)為590°—630°—(d-70°)—d，標(biāo)定結(jié)果見圖6?？梢钥吹剑S著進(jìn)氣門開啟時(shí)刻的推遲，信號(hào)a對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角線性推遲；隨著排氣門關(guān)閉時(shí)刻的推遲，信號(hào)d對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角線性推遲。

圖6 負(fù)氣門重疊配氣策略控制信號(hào)標(biāo)定

2.2 氣門機(jī)構(gòu)重復(fù)性試驗(yàn)

在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析氣門升程曲線的可重復(fù)性，以保證機(jī)構(gòu)的配氣性能。圖7示出發(fā)動(dòng)機(jī)著火狀態(tài)下100個(gè)循環(huán)的氣門升程曲線。圖中氣門升程曲線整體上可重復(fù)性較好，但是還是有小幅波動(dòng)，需要進(jìn)一步量化和分析。

對(duì)于負(fù)氣門重疊配氣策略，分析進(jìn)氣門開啟角及排氣門關(guān)閉角改變對(duì)氣門升程的影響，結(jié)果見圖8。由圖8a可知，隨著進(jìn)氣門開啟時(shí)刻的推遲，進(jìn)氣門升程小幅降低；由圖8b可知，隨著排氣門關(guān)閉時(shí)刻的推遲，排氣門升程小幅升高。這是因?yàn)檫M(jìn)氣門開啟時(shí)刻推遲，氣門開啟持續(xù)期減小，對(duì)應(yīng)的電磁閥輸入信號(hào)脈寬減小，使進(jìn)氣門升程減小；排氣門關(guān)閉時(shí)刻推遲，氣門開啟持續(xù)期增大，對(duì)應(yīng)的電磁閥輸入信號(hào)脈寬增大，使排氣門升程增大。同時(shí)，氣門升程有小幅波動(dòng)，其中進(jìn)氣門升程偏差上限最大值為0.10 mm，偏差下限最大值為0.07 mm，標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.032 mm；排氣門升程偏差上限最大值為0.11 mm，偏差下限最大值為0.12 mm，標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.056 mm?？梢钥吹?，排氣門升程比進(jìn)氣門升程波動(dòng)相對(duì)要大一些，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)處于著火狀態(tài)，排氣門開啟過(guò)程中缸內(nèi)壓力較大，缸內(nèi)壓力的變化對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)的影響更為顯著，因此排氣門升程波動(dòng)更大。從整體上來(lái)說(shuō)，在每一個(gè)試驗(yàn)工況，氣門升程波動(dòng)幅值都在0.2 mm以內(nèi)，因此可以滿足使用要求。

圖7 氣門升程曲線可重復(fù)性

圖8 氣門升程、偏差及標(biāo)準(zhǔn)差

3 電液式可變氣門機(jī)構(gòu)對(duì)GCI燃燒性能的影響

負(fù)氣門重疊配氣策略可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR率的改變，進(jìn)而研究其對(duì)GCI燃燒性能的影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)，采用燃油兩次噴射策略，第一次噴射時(shí)刻220°BTDC，噴油脈寬0.7 ms，第二次噴油時(shí)刻34°BTDC，噴油脈寬1.4 ms，并保持噴油參數(shù)不變，改變進(jìn)氣門開啟時(shí)刻及排氣門關(guān)閉時(shí)刻，研究其對(duì)GCI燃燒性能的影響。

內(nèi)部EGR率及當(dāng)量比隨著進(jìn)氣門開啟時(shí)刻(θIVO)及排氣門關(guān)閉時(shí)刻(θEVC)的變化見圖9?？梢钥吹剑S著排氣門關(guān)閉時(shí)刻的提前，內(nèi)部EGR率增大；進(jìn)氣門開啟時(shí)刻改變時(shí)，內(nèi)部EGR率會(huì)有小幅波動(dòng)，但是其對(duì)內(nèi)部EGR率的變化趨勢(shì)沒有影響。這是因?yàn)榕艢忾T關(guān)閉時(shí)刻越提前，殘留在缸內(nèi)的廢氣量越大，下一循環(huán)的進(jìn)氣量越少，內(nèi)部EGR率也越大。當(dāng)量比的變化規(guī)律與內(nèi)部EGR率基本一致，這是因?yàn)閲娪蛥?shù)保持不變時(shí)，隨著內(nèi)部EGR率的增大，循環(huán)新鮮進(jìn)氣量減少，當(dāng)量比減小，混合氣變濃。

圖9 不同θIVO和θEVC下的內(nèi)部EGR率、當(dāng)量比

保持進(jìn)氣門開啟時(shí)刻不變，改變排氣門關(guān)閉時(shí)刻時(shí)缸內(nèi)壓力及放熱率見圖10a。由圖10a可知，隨著排氣門關(guān)閉時(shí)刻的提前，發(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí)刻提前，峰值壓力降低。保持排氣門關(guān)閉時(shí)刻不變，改變進(jìn)氣門開啟時(shí)刻缸內(nèi)壓力及放熱率見圖10b，可以看出，進(jìn)氣門開啟時(shí)刻對(duì)GCI燃燒影響較小，且沒有明顯規(guī)律。

圖10 缸內(nèi)壓力及放熱率曲線

進(jìn)一步分析進(jìn)氣門開啟時(shí)刻及排氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)GCI燃燒性能的影響，結(jié)果見圖11?？梢钥吹?，平均指示壓力隨著排氣門關(guān)閉時(shí)刻提前而減小，其循環(huán)變動(dòng)隨著排氣門關(guān)閉時(shí)刻提前而增大，燃料燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角θCA50隨著排氣門關(guān)閉時(shí)刻提前而提前，排氣溫度隨著排氣門關(guān)閉時(shí)刻的提前而降低。進(jìn)氣門開啟時(shí)刻對(duì)燃燒性能參數(shù)影響較小，這與上述缸內(nèi)壓力變化一致。進(jìn)氣門開啟時(shí)刻及排氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)燃燒持續(xù)期都有影響，這是因?yàn)槿紵掷m(xù)期不僅取決于著火時(shí)刻，還取決于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)充量均勻性及溫度均勻性等因素，進(jìn)氣門開啟時(shí)刻的變化會(huì)引起進(jìn)氣參數(shù)的波動(dòng)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)充量及溫度均勻性，進(jìn)而影響燃燒持續(xù)期。同理，在排氣門關(guān)閉時(shí)刻提前角較小時(shí)，進(jìn)氣門開啟時(shí)刻的改變對(duì)排氣溫度的影響較大，也是因?yàn)榕艢忾T關(guān)閉時(shí)刻提前角較小時(shí)，內(nèi)部EGR率較小，進(jìn)氣門開啟時(shí)刻的變化對(duì)缸內(nèi)充量均勻性及溫度均勻性影響顯著，從而引起燃燒溫度的波動(dòng)。

綜上所述，對(duì)于負(fù)氣門重疊配氣策略，內(nèi)部EGR率的變化主要受排氣門關(guān)閉時(shí)刻的影響，因此相比進(jìn)氣門開啟時(shí)刻，排氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)GCI燃燒性能的影響占主導(dǎo)作用。

圖11 θIVO和θEVC改變對(duì)GCI燃燒性能的影響

4 結(jié)論

a) 通過(guò)改變電磁閥輸入信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)的線性調(diào)節(jié)；

b) 采用改變電磁閥輸入信號(hào)的方式調(diào)節(jié)氣門正時(shí)，氣門升程會(huì)發(fā)生變化，隨著氣門開啟持續(xù)期的減小，氣門升程小幅減??；

c) 在發(fā)動(dòng)機(jī)著火狀態(tài)下，改變進(jìn)排氣門的氣門正時(shí)，氣門升程曲線重復(fù)性較好，氣門升程波動(dòng)幅值在0.2 mm以內(nèi)，最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.056 mm；

d) 相比于進(jìn)氣門開啟時(shí)刻，排氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)GCI燃燒性能的影響較大，占主導(dǎo)作用。

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