基于改进液压驱动气门柴油机性能优化研究模板

收稿日期：基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2012AA111703）；湖南省科学技术厅重大专项基金资助项目（k201404004-11-1）基于改进液压驱动气门柴油机性能优化研究杨靖1,2，陈小强1,2，刘凯敏1,2，马凯1,2，邓华1,2，李克 1,2（1.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南 长沙 410082；2.湖南大学 先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙 410082）摘 要：在某柴油机上将传统凸轮驱动气门机构改进设计为液压驱动气门机构，利用仿真软件GT-POWER建立液压驱动气门柴油机模型，分析进气滞后角、排气提前角和气门重叠角对柴油机动力性的影响，然后以最大扭矩为目标对配气正时进行联合仿真优化，最后对比两种内部EGR 实现方法在不同负荷下的EGR 率和对NO x 排放量的改善效果。

研究结果表明，在外特性下，液压驱动气门柴油机在中低转速时的动力性和经济性有了明显改善，扭矩比原机可提高5.6%，燃油消耗率降低5.1%；但由于液压气门响应滞后，随着转速的升高，改善效果逐渐降低。

以转速2400r/min 为例，排气门晚关比排气门早关可以获得较大的EGR 率，NO x 排放量降幅也比排气门早关的大，在50%负荷时，NO x 排放量降幅最大为23.7%。

关键词：液压驱动气门；配气相位；性能提高；内部EGR中图分类号：U464.122 文献标识码：AResearch on Performance Optimization of the Improved HydraulicDriven Valves Diesel EngineYang Jing1，2，Chen Xiao-qiang1，2，Liu Kai-min1，2，Ma Kai1，2，Deng Hua1，2，Li Ke1，2（1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University; 2.Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hunan University Changsha 410082,China ）Abstract: A hydraulic driven valves system was designed on a diesel engine and used to replace the original cam driven valvessystem, a simulation model of diesel engine with hydraulic driven valves was established by the software GT-POWER to analyze influences of intake retarded angle 、exhaust advanced angle and valve overlap on the engine power, then valve timing combined optimization was conducted for the target of maximum torque, finally, the results of EGR rate and NO x emission under different loads were compared between two methods of internal EGR. The results showed that under full load characteristic, the diesel engine with a hydraulic driven valves system could obviously improve both power and economy in low and medium speed ranges, the torque can be increased by 5.6%, the specific fuel consumption rate can be reduced by 5.1%; while the improvement reduced gradually as engine speed increased because of response lag of the hydraulic valves. For example, at the speed of 2400r/min, the method of exhaust valve closing retardation could obtain higher internal EGR rate than the method of exhaust valve closing advance under all loads, and the decline of NO x emission was also larger, when load was 50%, the decline was largest, which was 23.7%.Key words: Hydraulic Driven Valves; Valve Timing; Performance Improvement; Internal EGR新型节能环保发动机是国家“十二五”重点支持发展的新兴产业，也是世界汽车行业发展的方向。

因此，世界各国的车企和研究单位正积极研究新技术以生产出更加节能、环保、高效的发动机。

其中，可变气门正时系统（VVT, Variable Valve Timing ）相对于传统机械凸轮轴机构能根据发动机的运行工况对气门正时和升程规律做出及时调整，改善发动机动力性、经济性和排放性能[1]，国内外许多高校和科研单位对该项技术都相继展开了研究并取得了一定的进展[2-4]。

按照驱动方式不同VVT 系统可分为凸轮轴式和无凸轮轴式，其中无凸轮轴式主要包括采用电磁、电液、电气等方式来驱动气门[5-7]。

除了能达到和凸轮轴式驱动气门机构一样的效果以外，无凸轮驱动气门机构还具有以下优点：1）气门的布置更加灵活，可以根据燃烧室的实际形状布置气门位置，使发动机结构更加紧凑。

2）可以通过实时调节进气门迟闭角来改变发动机的有效压缩比，更好地适应多燃料对发动机不同压缩比的要求[8]。

3）可以通过改变排气门关闭时刻实现发动机内部EGR ，降低有害气体的排放。

在借鉴前人经验的基础上，本文在国产某直列四缸、两气门柴油机上改进设计了一种新型无凸轮液压驱动气门机构，并利用软件仿真和台架试验对液压驱动气门柴油机性能进行研究分析。

1 液压驱动配气机构简介1.1 工作原理本文设计的无凸轮液压驱动气门机构主要由传动皮带、驱动轴、相位调节器、旋转阀、高压油泵、高压油管、低压油管及气门液压缸组成。

其中旋转阀包括旋转轴和套筒两部分，如图1所示，旋转轴上安装四个有出油孔的套筒，旋转轴轴心有油路，并且根据发动机四个气缸气门开闭顺序在旋转轴上沿圆周方向依次钻四个出油孔，出油孔两两之间法向夹角为90o，四个套筒通过定位销固定在一起。

随着旋转轴的转动，套筒位置固定不动，并且保证旋转轴上的四个出油孔能和四个套筒上的出油孔依次对应。

本次设计共有四个旋转阀组件，分别为a、b 高压油路旋转阀，c、d低压油路旋转阀。

其中旋转阀a、四个气缸的进气门液压缸和旋转阀c通过管子连接在一起，控制四个气缸进气门的开启与关闭；同样旋转阀b、四个气缸的排气门液压缸和旋转阀d 也通过管子连接在一起，控制四个气缸排气门的开启和关闭。

旋转轴通过驱动轴由发动机曲轴带动旋转。

图1 旋转阀组件整套机构的工作原理如图2所示（图中实线为液压油流动方向，虚线为控制信号传递方向）。

从图中可知该机构的工作过程如下：液压泵在传动带的带动下将液压油泵出流入高压油路，当高压油路连通、低压油路关闭时，高压液压油流入液压缸并驱动缸内活塞使气门开启；当高压油路和低压油路同时关闭时，高压液压油被封存于液压缸内，此时为气门保持期；当低压油路连通、高压油路关闭时，液压缸内的液压油经低压油路流入油箱内，气门在弹簧的作用下回位关闭，从而完成一次气门的开启与关闭。

当发动机的转速发生变化时，相位调节器接收ECU发出控制信号，带动旋转轴转动相应的角度，从而改变液压油流进或流出液压缸的时刻，调节进排气正时和气门开启持续期。

本套机构设计的创新点在于采用相位调节器及旋转阀来实现气门正时可变，而非常见的电磁阀控制。

图2 液压驱动气门机构原理图1.2 液压系统计算公式本次设计气门升程与原机气门升程保持一致。

为保证气门升程达到要求，液压系统必须具有足够高的压力，此即为额定压力[9-10]。

由于在做功冲程末端气缸内还具有较高压力，排气门开启所需的液压油压力比进气门的大，因此将排气门开启的液压油压力作为额定压力。

液压系统的额定压力计算公式为：m a x e x epkh p A F maPAαβ+∆++=⋅⋅（1）式中：P为液压系统额定压力；α为系统压力损失系数；β为系统安全裕度；pA为液压缸活塞面积；k为排气门弹簧刚度；maxh为排气门最大升程；exp为排气门开启时刻缸内压力；eA∆为排气门上下两端面面积差；F为排气门回位弹簧预紧力；m为往复运动件总质量，包括挺柱质量、弹簧座圈质量、气门弹簧质量和排气门质量；a为往复运动件加速度。

液压缸活塞摩擦力忽略不计。

取液压系统的最大工作流量为额定流量[9-10]。

额定流量应保证气门能够正常开启，其计算公式为：pA SQtδ=⋅（2）式中，Q为液压系统额定流量；δ为液压系统总的流量损失系数；S为液压缸活塞行程；t为液压缸活塞运动时间。

为降低油路中的压力波动，稳压腔容积应满足如下公式：V N V=⋅液压缸（3）式中：V为稳压腔容积；N为每分钟气门开闭次数；V液压缸为液压缸容积。

2 台架试验本次试验采用的国产某自然吸气柴油机，其主要技术参数见表1，主要试验设备见表2。

表1柴油机主要技术参数项目参数发动机型式直列、四缸缸径/mmｘ行程/mm98ｘ105压缩比17.5排量/L 3.167额定功率/kW 63最大扭矩/N•m191燃油消耗率/(g/(kW•h))238进气提前角/(o CA) 16进气滞后角/(o CA) 77排气提前角/(o CA) 66排气滞后角/(o CA) 43表2 主要试验设备设备名称生产厂商型号交电测功机AVL INDYS12-2/0225-1BS-1数据采集系统AVL PUMA油耗仪AVL7351 CST排放测试仪HORIBA MEXA-7100D燃烧分析仪AVL INDISMART试验分别测得了原机与安装液压驱动气门机构时，发动机转速从1200r/min到3600r/min（3600r/min 为发动机额定转速），间隔转速为400r/min的外特性数据。