無凸輪電液可變氣門機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

杜 強(qiáng)，章振宇，趙長祿，張?bào)w恩，吳 瑤

(1. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 北京機(jī)電工程總體設(shè)計(jì)部，北京 100081；3. 中國人民解放軍火箭軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表室，重慶 400000)

內(nèi)燃機(jī)電氣化是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，滿足日趨嚴(yán)苛的排放法規(guī)的重要手段之一，電氣化的主要控制對(duì)象是缸內(nèi)燃燒過程．在影響燃燒的要素中，噴油和點(diǎn)火已實(shí)現(xiàn)電子控制，內(nèi)燃機(jī)電子控制在換氣領(lǐng)域中也逐漸得以應(yīng)用[1]．文獻(xiàn)[2—9]表明，采用可變氣門技術(shù)可以減小泵氣損失、優(yōu)化燃燒過程、提高內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、排放和經(jīng)濟(jì)性．

可變氣門技術(shù)可分為凸輪驅(qū)動(dòng)式可變氣門機(jī)構(gòu)和無凸輪可變氣門機(jī)構(gòu)．在發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，無凸輪可變氣門機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)升程與正時(shí)的柔性可變，因而優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)．

無凸輪可變氣門機(jī)構(gòu)可分為電氣式、電磁式和電液式3種[10]．電氣式可實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)與升程的柔性可變，但由于其工質(zhì)能量密度低、可壓縮性強(qiáng)且容易泄露使得可變氣門機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部件尺寸大、控制難度高且可靠性差[10-14]．電磁式可變氣門機(jī)構(gòu)控制難度低，但是其最大升程難以調(diào)節(jié)，氣門在保持開啟和關(guān)閉時(shí)需保持電磁鐵上電狀態(tài)，能耗較大[15-17]．電液式可變氣門機(jī)構(gòu)因其設(shè)計(jì)靈活、功率密度大等特點(diǎn)，可以通過各種主動(dòng)或被動(dòng)的方式來控制驅(qū)動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)的液壓油流量，進(jìn)而得到靈活可控的氣門運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)軟著陸，被廣泛認(rèn)為是一種具有良好應(yīng)用前景的無凸輪氣門機(jī)構(gòu)．

當(dāng)前針對(duì)無凸輪電液可變氣門機(jī)構(gòu)的研究多圍繞汽油機(jī)的應(yīng)用開展[18-20]，然而在轉(zhuǎn)速不斷提高的背景下，可變氣門機(jī)構(gòu)在柴油機(jī)上逐漸得以應(yīng)用．與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)氣門升程較大，而當(dāng)前的無凸輪電液可變氣門機(jī)構(gòu)難以滿足較大氣門升程(大于10mm)[21-22]．因此，筆者在總結(jié)前人工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可以滿足較大氣門升程與較快發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的無凸輪電液可變氣門機(jī)構(gòu)(EHVVA)，并開展運(yùn)行特性試驗(yàn)．該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高速柴油機(jī)氣門正時(shí)、升程的完全柔性可變，提供理想的氣門運(yùn)動(dòng)型線；在探索氣門運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，研究氣門運(yùn)動(dòng)過程中油壓波動(dòng)對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，并且進(jìn)一步研究EHVVA的循環(huán)變動(dòng)特性．該研究成果可以為機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與精細(xì)化控制提供依據(jù)．

1 EHVVA工作原理與試驗(yàn)平臺(tái)建立

圖1為筆者開發(fā)的EHVVA試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理示意．EHVVA試驗(yàn)平臺(tái)由機(jī)電液耦合執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電子控制單元(ECU)與上位機(jī)組成．機(jī)電液耦合執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)并且可以通過傳感器采集系統(tǒng)內(nèi)部的信息．ECU負(fù)責(zé)控制氣門運(yùn)動(dòng)、接收傳感器發(fā)送的信號(hào)、接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令及向上位機(jī)發(fā)送傳感器所接受到的各類系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)．上位機(jī)中的人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)發(fā)送指令、接收并處理ECU所傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)信息以及實(shí)時(shí)顯示并儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鞑蓸訑?shù)據(jù)．

圖1 電液可變氣門機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic of the experimental set-up for EHVVA

ECU內(nèi)部由高頻電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、壓力控制比例閥驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器信號(hào)接收模塊和通訊電路模塊組成．為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面所應(yīng)具有的功能，其內(nèi)部包括用于通訊、支持底層通訊協(xié)議的CAN總線數(shù)據(jù)接收模塊，用于處理底層設(shè)備所采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊以及用于向底層設(shè)備發(fā)送改變工況命令的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送模塊．面向柴油機(jī)運(yùn)行工況，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別為2500、2000、1500和1000r/min，氣門開啟持續(xù)期分別為210°、240°和270°CA，氣門最大升程為12mm．

當(dāng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，高頻電磁閥打開，高壓油路與柱塞腔連通，柱塞在高壓油的驅(qū)動(dòng)下推動(dòng)氣門克服彈簧預(yù)緊力開啟．此時(shí)，柱塞背面與背壓油路相通，從而減緩柱塞對(duì)機(jī)構(gòu)的沖擊，背壓油路壓力由減壓閥控制．隨著高頻電磁閥關(guān)閉，柱塞腔與低壓油路連通，氣門在彈簧的作用下落座．ECU通過控制高頻電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)而控制氣門開啟與關(guān)閉的正時(shí)，通過比例閥控制高壓端壓力結(jié)合氣門開啟信號(hào)脈寬實(shí)現(xiàn)正時(shí)與升程的柔性可變．氣門升程通過米銥ILD1420-25激光位移傳感器采集，驅(qū)動(dòng)壓力由愛爾AE-H-G-H1傳感器采集，二者采樣頻率均為2kHz．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 EHVVA與凸輪機(jī)構(gòu)對(duì)比

為更好評(píng)價(jià)EHVVA的性能，將EHVVA的運(yùn)動(dòng)特性與傳統(tǒng)凸輪驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性相對(duì)比．采用豐滿系數(shù)ψ[23]定量表征氣門型線性能，即

式中：h為氣門升程；α為氣門在某升程下所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；θ為氣門開啟持續(xù)期；Hmax為氣門升程最大值．

定義EHVVA豐滿系數(shù)為ψH，基于凸輪驅(qū)動(dòng)的配氣機(jī)構(gòu)豐滿系數(shù)為ψC；EHVVA的氣門落座速度(氣門關(guān)閉過程中升程為0.1mm所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的速度)為vHc．選取動(dòng)力性能好且豐滿系數(shù)高的高次多項(xiàng)式凸輪型線作為與EHVVA氣門運(yùn)動(dòng)型線比較的對(duì)象[23]，即

式中：y為氣門位移；C0、C2、Cp、Cq、Cr和 sC為方程待定系數(shù)；x為凸輪曲軸轉(zhuǎn)角；p、q、r和s為方程待定指數(shù)．方程待定系數(shù)與方程待定指數(shù)并不獨(dú)立．在確定方程待定指數(shù)后通過氣門運(yùn)動(dòng)最大升程、工作段半包角、初始速度和加速度約束來確定方程待定系數(shù)．其中C0受氣門運(yùn)動(dòng)最大升程約束為12．凸輪機(jī)構(gòu)氣門落座速度定義為緩沖段終點(diǎn)氣門速度，其大小的選取取決于氣門間隙和凸輪與氣門間傳動(dòng)系剛度．為方便比較，設(shè)氣門間隙為0mm，凸輪與氣門間傳動(dòng)系剛度無限大，因而氣門落座速度為0[23]．

通過優(yōu)化不同p、q、r和s時(shí)的 0C、C2、Cp、qC、Cr和 sC獲得最優(yōu)型線．凸輪型線的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在氣門開啟過程正加速度持續(xù)時(shí)間大于15°CA的條件下豐滿系數(shù)最大[23]．表1所示氣門開啟持續(xù)期為210°、240°和270°CA時(shí)凸輪型線方程的最優(yōu)指數(shù)、系數(shù)組合．

表1 不同開啟持續(xù)期的凸輪驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of the cam-derived valve mechanism under different durations

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法以及氣門運(yùn)動(dòng)邊界條件，最終確定了不同氣門開啟持續(xù)期下的最優(yōu)凸輪型線并與試驗(yàn)獲得的EHVVA氣門運(yùn)動(dòng)型線對(duì)比，結(jié)果如圖2所示．圖2a所示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)EHVVA與傳統(tǒng)基于凸輪的配氣機(jī)構(gòu)氣門運(yùn)動(dòng)型線對(duì)比，表明EHVVA豐滿系數(shù)比傳統(tǒng)基于凸輪式的配氣機(jī)構(gòu)大3.13%．這說明在柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速下EHVVA可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率，并且能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒對(duì)于換氣的需求．

圖2 不同轉(zhuǎn)速下EHVVA與凸輪機(jī)構(gòu)氣門型線對(duì)比Fig.2 Comparison of valve lift between EHVVAand cam-derived valve mechanism under different engine speeds

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低到2000r/min如圖2b所示，EHVVA的氣門豐滿系數(shù)ψH增加，而傳統(tǒng)凸輪氣門機(jī)構(gòu)的豐滿系數(shù)ψC保持不變．隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)降低，ψH持續(xù)增加如圖2c所示．當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最終降為1000r/min時(shí)，ψH比ψC高出36%～42%如圖2d所示．隨著氣門開啟持續(xù)期由210°CA增加到270°CA，EHVVA與傳統(tǒng)凸輪驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)氣門升程曲線的豐滿系數(shù)都隨之增大．

對(duì)于傳統(tǒng)的凸輪型線，其豐滿系數(shù)是由高次多項(xiàng)式系數(shù)以及氣門運(yùn)動(dòng)約束所決定，因而ψC與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并無關(guān)聯(lián)．而EHVVA中，氣門上升與下降過程主要受高頻電磁閥流通特性影響，流量在油壓與油溫不變時(shí)變化較?。虼耍珽HVVA氣門上升與下降的時(shí)間不隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或氣門開啟持續(xù)期的變化而變化；當(dāng)氣門開啟持續(xù)期增加時(shí)，氣門循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加、氣門上升和下降時(shí)間所占比例減少，有利于提高ψH；ψH與氣門開啟持續(xù)期正相關(guān)，與轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)．

圖3為EHVVA與凸輪機(jī)構(gòu)的氣門運(yùn)動(dòng)速度對(duì)比，氣門落座速度也同時(shí)在圖中給出．當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2500r/min時(shí)，二者速度峰值大致相同，而EHVVA氣門速度相較于凸輪機(jī)構(gòu)而言波動(dòng)較為明顯，尤其是在氣門上升階段，如圖3a所示．這是由于EHVVA中氣門運(yùn)動(dòng)特性受油壓波動(dòng)影響，由圖1所示的EHVVA原理可知，液壓氣門上升過程受到液壓驅(qū)動(dòng)力的影響，下降過程受彈簧彈力主導(dǎo)．因此，氣門在上升階段速度波動(dòng)更為明顯，而這種油壓波動(dòng)在EHVVA工作循環(huán)間會(huì)產(chǎn)生較大差異進(jìn)而造成速度上的波動(dòng)，使得EHVVA氣門運(yùn)動(dòng)循環(huán)間產(chǎn)生差異．圖3b所示當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到2000r/min時(shí)，EHVVA的氣門運(yùn)動(dòng)速度峰值高于凸輪機(jī)構(gòu)氣門運(yùn)動(dòng)速度．當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降達(dá)到1500r/min和1000r/min如圖3c、圖3d所示，EHVVA的速度峰值明顯高于凸輪機(jī)構(gòu)，二者速度峰值差值隨著轉(zhuǎn)速降低而升高，并且各個(gè)轉(zhuǎn)速下氣門運(yùn)動(dòng)過程速度都具有波動(dòng)．這是由于EHVVA氣門運(yùn)動(dòng)速度受電磁閥通過流量控制與轉(zhuǎn)速無關(guān)，而凸輪機(jī)構(gòu)的氣門運(yùn)動(dòng)速度受轉(zhuǎn)速與凸輪型線控制，其氣門運(yùn)動(dòng)速度與轉(zhuǎn)速直接相關(guān)．因而當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)氣門運(yùn)動(dòng)速度隨之降低，但EHVVA速度變化情況在其上升與落座過程不隨著轉(zhuǎn)速變化而變化．

圖3 不同轉(zhuǎn)速下EHVVA與凸輪機(jī)構(gòu)氣門速度對(duì)比Fig.3 Comparison of valve velocity between EHVVA and cam-derived valve mechanism under different engine speeds

從圖3可以看出，各轉(zhuǎn)速下EHVVA氣門落座過程速度峰值大，且落座過程負(fù)向速度持續(xù)期短，這就使得EHVVA氣門落座過程時(shí)間較短．原因在于電磁閥的流通特性較好，當(dāng)高頻電磁閥斷電時(shí)驅(qū)動(dòng)活塞在兩端壓差和彈簧作用下促使氣門迅速關(guān)閉．而這種現(xiàn)象也使得EHVVA氣門開始落座的時(shí)刻偏晚，進(jìn)而使得氣門運(yùn)動(dòng)型線有較高的豐滿系數(shù)．

圖4 為EHVVA與凸輪驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的氣門運(yùn)動(dòng)加速度對(duì)比．當(dāng)轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)，EHVVA加速度曲線在升程較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，這是由于柱塞腔內(nèi)的液壓油壓力波動(dòng)所致．此時(shí)，EHVVA加速度的峰值小于凸輪機(jī)構(gòu)．隨著轉(zhuǎn)速降為2000r/min，凸輪機(jī)構(gòu)加速度曲線波動(dòng)趨緩．當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，EHVVA的加速度峰值開始超過凸輪機(jī)構(gòu)的加速度，同時(shí)氣門升程較大時(shí)的加速度波動(dòng)幾乎消失．當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降為1000r/min時(shí)EHVVA的加速度峰值明顯高于凸輪機(jī)構(gòu)．由于EHVVA的加速度不受轉(zhuǎn)速影響，不同轉(zhuǎn)速下EHVVA加速度變化較?。鴮?duì)于凸輪機(jī)構(gòu)，氣門運(yùn)動(dòng)受其凸輪型線限制．隨著轉(zhuǎn)速升高，其氣門加速度峰值增加．高轉(zhuǎn)速下EHVVA相比凸輪機(jī)構(gòu)具有較低的加速度，因而有較小的慣性力．但低轉(zhuǎn)速下EHVVA加速度峰值相對(duì)較大，但其絕對(duì)值較小，對(duì)于配氣機(jī)構(gòu)可靠性影響較?。?/p>

圖4 不同轉(zhuǎn)速下EHVVA與凸輪機(jī)構(gòu)氣門加速度對(duì)比Fig.4 Comparison of valve acceleration between EHVVA and cam-derived valve mechanism under different engine speeds

2.2 EHVVA動(dòng)態(tài)特性分析

由于液壓油作為驅(qū)動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)的工質(zhì)，其工作周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化特性對(duì)于機(jī)構(gòu)的運(yùn)行有著直接的影響，開展了不同轉(zhuǎn)速下氣門運(yùn)動(dòng)與油壓變化關(guān)系的研究．由于柱塞腔無法安裝傳感器因而將傳感器安裝在高頻電磁閥與柱塞腔之間的油道上，并用此油壓表征柱塞腔內(nèi)油壓變化規(guī)律．圖5為不同轉(zhuǎn)速下單個(gè)周期內(nèi)EHVVA氣門升程與柱塞腔油道油壓及控制信號(hào)的變化對(duì)比，此時(shí)氣門開啟角為240°CA．

圖5 氣門升程為12mm時(shí)EHVVA的控制信號(hào)、油壓與升程Fig.5 Control signal，driving pressure and valve lift for EHVVA under the lift of 12mm

圖5a所示轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)EHVVA的動(dòng)態(tài)特性．當(dāng)控制信號(hào)發(fā)出后，氣門并未立即開啟，而是延時(shí)cφ后，柱塞腔油道油壓開始上升．當(dāng)柱塞腔油道油壓經(jīng)過液壓響應(yīng)時(shí)間dφ后上升到第一個(gè)峰值時(shí)，氣門開始開啟，此時(shí)柱塞腔容積增大，油壓開始回落．這是由于活塞所受的密封圈靜摩擦力與氣門所受彈簧預(yù)緊力合力較大，較低的油壓無法打開氣門．但當(dāng)油壓上升至足夠大即由柱塞腔油壓所產(chǎn)生的油壓驅(qū)動(dòng)力可以克服靜摩擦力與氣門彈簧預(yù)緊力使得氣門開始打開時(shí)，氣門的運(yùn)動(dòng)使得柱塞腔內(nèi)容積突然增大，從而導(dǎo)致油壓降低．驅(qū)動(dòng)油壓在氣門上升過程中不斷震蕩，也導(dǎo)致了如圖4a所示的加速度波動(dòng)．

氣門在最大升程保持一段時(shí)間后，電磁閥關(guān)閉，低壓油路接通，液壓油由柱塞腔進(jìn)入低壓油路．此時(shí)柱塞腔內(nèi)油壓迅速下降，但由于活塞所受密封圈靜摩擦力的作用及氣門與活塞等部件的慣性，當(dāng)油腔內(nèi)油壓迅速下降時(shí)氣門并未開始關(guān)閉，而是等油壓下降到一定程度時(shí)氣門才會(huì)開始落座．此時(shí)柱塞腔內(nèi)的容積迅速減小，而機(jī)構(gòu)中氣門的落座速度高于高頻電磁閥的流通能力，使得柱塞擠壓尚未及時(shí)流出的液壓油，導(dǎo)致油壓在氣門落座過程又產(chǎn)生一個(gè)峰值．

隨著轉(zhuǎn)速降低，氣門升程曲線出現(xiàn)了明顯的“平臺(tái)”，當(dāng)氣門升程達(dá)到平臺(tái)位置時(shí)，受機(jī)械限位限制，柱塞運(yùn)動(dòng)停止，油腔容積不再變化，柱塞腔內(nèi)的油壓在驅(qū)動(dòng)端與蓄能器的作用下開始增加，形成了油壓的一個(gè)極小值點(diǎn)，油壓曲線也出現(xiàn)了相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)期(持續(xù)期hφ)，隨后油壓開始下降，經(jīng)過fφ時(shí)長后油壓回歸到低壓端壓力，氣門運(yùn)動(dòng)也隨之結(jié)束，如圖5b～圖5d所示．

因此，中、低轉(zhuǎn)速下氣門單個(gè)工作循環(huán)內(nèi)柱塞腔油壓變化過程可分為：(1)氣門打開過程由高頻電磁閥與供油端壓力所主導(dǎo)的柱塞腔油壓建立過程Sφ；(2)氣門達(dá)到其最大升程(如控制信號(hào)脈寬足夠長，此時(shí)液壓油達(dá)到其最大油壓值后的第一個(gè)極小值)到油壓開始下降的油壓保持階段hφ；(3)從油壓開始下降到柱塞腔油壓完全卸荷，由高頻電磁閥、低壓油路油壓和氣門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所共同影響的油壓卸荷階段fφ．而圖5a所示的高速工況，油壓只出現(xiàn)兩階段變化是由于控制信號(hào)脈寬較短，柱塞腔油道油壓尚未達(dá)到油壓保持階段，低壓油路即被接通．

為更好實(shí)現(xiàn)對(duì)EHVVA機(jī)構(gòu)的控制，定義出現(xiàn)油壓保持階段的氣門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為系統(tǒng)充分響應(yīng)狀態(tài)，反之則為非充分響應(yīng)狀態(tài)．

圖6為試驗(yàn)獲得的不同區(qū)域之間躍遷，當(dāng)供油壓力小于5MPa時(shí)驅(qū)動(dòng)油壓無法突破機(jī)構(gòu)自身存在的靜摩擦力與氣門彈簧預(yù)緊力之和，試驗(yàn)中最大供油壓力為14MPa．當(dāng)供油油壓不變時(shí)，氣門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨著控制信號(hào)脈寬的增加逐漸由非充分響應(yīng)狀態(tài)到充分響應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并且出現(xiàn)具有充分響應(yīng)狀態(tài)與非充分響應(yīng)狀態(tài)并存現(xiàn)象的過渡區(qū)．

圖6 不同供油油壓下的系統(tǒng)工作油壓躍遷Fig.6 Transition between different system’s supplyoil pressure response state under different supply oil pressure

從試驗(yàn)結(jié)果可知，充分響應(yīng)區(qū)、過渡區(qū)和非充分響應(yīng)區(qū)的轉(zhuǎn)換邊界可近似采用線性擬合為

式中：S為控制信號(hào)脈寬；p為供油系統(tǒng)供油壓力．

氣門能夠運(yùn)動(dòng)到最大穩(wěn)定升程是油壓能夠完全建立的必要條件．而在對(duì)于EHVVA單循環(huán)動(dòng)態(tài)特性分析中(圖5)，氣門達(dá)到最大穩(wěn)定升程前控制信號(hào)經(jīng)歷兩個(gè)階段，即油壓延時(shí) cφ和油壓建立 Sφ，延時(shí)期cφ在不同供油油壓下變化較?。诠┯陀蛪簽?～10MPa時(shí)，氣門最大升程尚未到達(dá)機(jī)械限位，氣門升程隨著供油油壓的增大而升高，因而氣門到達(dá)最大升程所需油量增加，使得Sφ有增加趨勢(shì)；另一方面，油壓增大使得氣門運(yùn)動(dòng)速度增加，會(huì)抑制Sφ增大．兩方面因素競(jìng)爭(zhēng)使得此油壓范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)氣門充分響應(yīng)所需控制信號(hào)脈寬先增加后減?。?dāng)供油壓力超過10MPa時(shí)，受機(jī)械限位影響，氣門最大升程保持為12mm，驅(qū)動(dòng)氣門達(dá)到最大升程的液壓油量不變，且此時(shí)驅(qū)動(dòng)油壓足夠高，氣門運(yùn)動(dòng)速度變化的影響較小，因而充分響應(yīng)所需脈寬幾乎不變．當(dāng)供油壓力達(dá)到14MPa時(shí)，系統(tǒng)溢流閥開始工作，因此，油壓建立過程較慢，所需脈寬明顯增大．

2.3 EHVVA循環(huán)波動(dòng)特性

為研究氣門多循環(huán)特性，圖7顯示轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)在供油壓力為9MPa和7MPa條件下50個(gè)工作循環(huán)的EHVVA氣門運(yùn)動(dòng)曲線與柱塞腔驅(qū)動(dòng)油壓的變化，此時(shí)氣門升程小于12mm，因而不會(huì)達(dá)到機(jī)構(gòu)所設(shè)定的機(jī)械限位的程度，可充分反映油壓波動(dòng)與氣門運(yùn)動(dòng)波動(dòng)特性的影響．

圖7 EHVVA多循環(huán)工作動(dòng)態(tài)Fig.7 Multi-cycle dynamic performance for EHVVA

為了更好地評(píng)價(jià)氣門工作循環(huán)間各參數(shù)變動(dòng)程度，選取單循環(huán)最大油壓pmax、單循環(huán)氣門最大升程Lmax、EHVVA單循環(huán)氣門型線時(shí)面值Tf，并引入循環(huán)變動(dòng)率CoV用于評(píng)價(jià)各個(gè)EHVVA循環(huán)特征參數(shù)的循環(huán)間波動(dòng)程度[24]，分析EHVVA多循環(huán)變動(dòng)情況．其定義為

式中：σX為樣本標(biāo)準(zhǔn)差；X為樣本平均值．

不同循環(huán)間高壓油道壓力波動(dòng)變化導(dǎo)致氣門上升過程的速度差異，從而引起氣門運(yùn)動(dòng)型線時(shí)面值的循環(huán)變動(dòng)．氣門運(yùn)動(dòng)型線時(shí)面值Tf定義為

圖8為不同供油壓力下氣門運(yùn)動(dòng)時(shí)面值隨循環(huán)發(fā)生變化示意．當(dāng)供油壓力為9MPa時(shí)，氣門運(yùn)動(dòng)時(shí)面值平均值為92.18mm·°CA，循環(huán)變動(dòng)率為2.6%；當(dāng)供油壓力為7MPa時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)氣門運(yùn)動(dòng)時(shí)面值平均值為62.31mm·°CA，循環(huán)變動(dòng)率為3.0%．氣門運(yùn)動(dòng)型線時(shí)面值循環(huán)變動(dòng)率都低于4.0%，說明氣門運(yùn)動(dòng)型線時(shí)面值的循環(huán)一致性較好．

圖8 不同供油壓力下氣門運(yùn)動(dòng)型線時(shí)面值多循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Result of multi-cycle test on valve motion profile’s time area value under different oil supply pressures

圖9為不同供油壓力下EHVVA最大升程的多循環(huán)變動(dòng)情況．當(dāng)供油壓力為9MPa時(shí)，多數(shù)循環(huán)內(nèi)EHVVA的最大升程保持在11.22mm，其循環(huán)變動(dòng)率為1.0%；當(dāng)供油壓力為7MPa時(shí)，氣門最大升程平均值為7.5mm，其循環(huán)變動(dòng)率為3.1%．說明EHVVA系統(tǒng)的升程循環(huán)變動(dòng)小，有利于實(shí)現(xiàn)升程全工況柔性可變．

圖9 EHVVA最大升程多循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Multi-cycle dynamic characteristics of Lmax for EHVVA

圖10為不同供油壓力下EHVVA驅(qū)動(dòng)油壓的最大值循環(huán)變動(dòng)．由于EHVVA的驅(qū)動(dòng)依賴于液壓油作為工質(zhì)推動(dòng)柱塞腔活塞進(jìn)而推動(dòng)氣門，油壓的變化就會(huì)直接影響配氣機(jī)構(gòu)中氣門的運(yùn)動(dòng)．由圖5可知，驅(qū)動(dòng)油壓最大值出現(xiàn)在氣門達(dá)到升程峰值之前．氣門在上升過程中，其運(yùn)動(dòng)速度小于液壓油流動(dòng)速度，使得液壓油壓力上升至峰值進(jìn)而推動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)至最大升程處．由試驗(yàn)可知，供油壓力為9MPa時(shí)EHVVA驅(qū)動(dòng)壓力峰值的平均值為13.57MPa，其循環(huán)變動(dòng)率為3.3%；供油壓力為7MPa時(shí)EHVVA驅(qū)動(dòng)壓力峰值的平均值為7.13MPa，其循環(huán)變動(dòng)率為2.6%．

圖10 不同供油壓力下最大油壓多循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experiment results under multi-cycle condition of pmax under different oil supply pressures

循環(huán)內(nèi)油壓值在不同供油壓力下變化較大，這是因?yàn)樵诓煌┯蛪毫l件下氣門運(yùn)動(dòng)達(dá)到峰值之前氣門運(yùn)動(dòng)與高頻電磁閥通流所產(chǎn)生的液壓油擠壓情況發(fā)生變化較大所導(dǎo)致．但在不同供油壓力下循環(huán)變動(dòng)率都小于4.0%，這就使得氣門運(yùn)動(dòng)型線時(shí)面值循環(huán)變動(dòng)率可以控制在較小范圍內(nèi)．

為了探索3個(gè)循環(huán)特征之間的內(nèi)部聯(lián)系，引入線性相關(guān)性系數(shù)ρ，探尋不同特征之間的關(guān)系．

式中：N為循環(huán)特征樣本量；Xi、Yi為循環(huán)特征樣本值；X、Y為循環(huán)特征樣本平均值；式中分子部分為不同循環(huán)特征間協(xié)方差；Xσ、Yσ為循環(huán)特征標(biāo)準(zhǔn)差．

表2為單循環(huán)內(nèi)最大油壓、最大升程和時(shí)面值之間的相關(guān)性系數(shù)．其中，7MPa下最大升程與時(shí)面值呈現(xiàn)極強(qiáng)的線性相關(guān)性，而9MPa下二者線性相關(guān)性較小，這是由于此時(shí)氣門運(yùn)動(dòng)過程對(duì)油壓波動(dòng)較為敏感，因而最大升程也隨之波動(dòng)．當(dāng)驅(qū)動(dòng)油壓較大時(shí)，油壓波動(dòng)對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)過程影響較小，因而時(shí)面值與最大升程的相關(guān)性變?。齃max與Tf外其余各循環(huán)特征線性相關(guān)性較低．這是由于這3個(gè)指標(biāo)的主要影響因素不同．pmax主要受驅(qū)動(dòng)端壓力、高頻電磁閥通流特性以及氣門運(yùn)動(dòng)的影響．Lmax受油壓驅(qū)動(dòng)端壓力影響．Tf在較高驅(qū)動(dòng)壓力下主要由電磁閥響應(yīng)性所決定．從對(duì)最大升程、時(shí)面值的影響因素上看，為了實(shí)現(xiàn)氣門運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定快速控制和實(shí)現(xiàn)氣門運(yùn)動(dòng)最優(yōu)化，提升高頻電磁閥響應(yīng)性與流通特性，針對(duì)EHVVA的油壓波動(dòng)性的補(bǔ)償控制是提升EHVVA性能的有效途徑．

表2 不同供油壓力下循環(huán)特征間相關(guān)性系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of different cyclical characteristic under different oil supply pressures

3 結(jié)論

(1) 研究了2500、2000、1500和1000r/min下EHVVA的運(yùn)行特性，并與傳統(tǒng)凸輪驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)特性對(duì)比，結(jié)果表明EHVVA的氣門豐滿系數(shù)在上述轉(zhuǎn)速下均高于傳統(tǒng)凸輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)．

(2) EHVVA的運(yùn)動(dòng)速度、加速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)性很小，主要受系統(tǒng)的機(jī)-電-液特性影響；在高轉(zhuǎn)速下氣門加速度持續(xù)時(shí)間長、加速度峰值小，有利于減小慣性力，提高氣門墊圈壽命，低轉(zhuǎn)速下加速度峰值相對(duì)于傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)加速度峰值大，但其值與高轉(zhuǎn)速時(shí)的差別很?。?/p>

(3) 氣門運(yùn)動(dòng)可根據(jù)柱塞腔內(nèi)油壓變化分為3個(gè)階段，分別是由高頻電磁閥響應(yīng)性能與供油端壓力主導(dǎo)的油壓建立階段，由供油系統(tǒng)供油壓力與信號(hào)脈寬主導(dǎo)的油壓保持階段，受低壓油壓與氣門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)共同影響的油壓卸荷階段．

(4) 隨著轉(zhuǎn)速的增大，氣門驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈寬變小，油壓保持階段漸漸難以維持，氣門運(yùn)動(dòng)逐漸由充分響應(yīng)轉(zhuǎn)捩為非充分響應(yīng)；在供油油壓為5～10MPa時(shí)，氣門最大升程增加與氣門運(yùn)動(dòng)速度加快兩方面因素競(jìng)爭(zhēng)使得此油壓范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)氣門充分響應(yīng)所需控制信號(hào)脈寬先增加后減?。划?dāng)供油壓力超過10MPa時(shí)，氣門最大升程保持不變，氣門運(yùn)動(dòng)速度變化較小，充分響應(yīng)所需脈寬幾乎不變；當(dāng)供油壓力達(dá)到14MPa時(shí)，系統(tǒng)溢流閥開始工作，油壓建立過程較慢，所需脈寬明顯增大．

(5) EHVVA多循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，其運(yùn)行過程中循環(huán)波動(dòng)較小，典型指標(biāo)的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)均小于4.0%；EHVVA驅(qū)動(dòng)油壓循環(huán)間的變動(dòng)是導(dǎo)致氣門運(yùn)動(dòng)特性循環(huán)變動(dòng)的主因．