电液驱动气门系统设计
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 无凸轮轴气门技术的研究和进展 2
1.3 本课题的选题背景 6
1.4 本章小结 7
2 电液驱动气门系统的设计思路及要求 7
2.1 无凸轮轴电液驱动气门结构 7
2.2 电液驱动气门的总体结构及工作原理 8
2.3 电液驱动可变配气相位机构液压系统设计 10
2.4 电液驱动气门系统安装环境 11
2.5 本章小结 11
3 电液驱动配气系统设计及模型建立 12
3.1 气门设计 12
3.2 上端盖设计 14
3.3 气门弹簧的设计 17
3.4 液压系统设计 18
3.5 本章小结 22
4 基于 Matlab 的改质系统建模与仿真 23
4.1 液压泵模型 23
4.2 蓄能器模型 25
4.3 电磁阀控制液压缸模型 26
4.4 基于 Matlab/Simulink 的电液驱动气门系统仿真 28
4.5 本章小结 30
5 全文总结及工作展望 31
5.1 全文总结 31
5.2 研究展望 31
参考文献 32
致 谢 33
1 绪论
1.1 引言
我国的汽车工业虽然发展的有点晚，可在近几年发展迅猛，机动车已经成为人们生活不可或缺的一部分。2014年，我国汽车累计产销2927.18万辆和2930.64万辆，同比增长4.63%和4.33% *景先生毕设|www.jxszl.com +Q: ^351916072*
，截止2014年底，全国机动车保有量达到3.32亿量，其中汽车保有量约为1.53亿辆。随着内燃机的应用越来越广泛，汽车保有量迅速增加的同时也消耗着大量的能源并向环境排放着大量的有毒气体和微粒。在2013年内燃机行业的消耗已经占到国内全年石油消耗总量的60%[1]，相当于全年进口石油的总和。
汽车在消耗能源的同时，也带来了噪音与废气等环境污染，在城市中50%以上的空气与噪声污染来自于汽车，最近出现的雾霾等天气现象也是因为空气中PM2.5过高导致，而PM2.5的来源主要是工业生产、汽车行驶燃油燃烧过程中直接产生的微小颗粒物及排气中的SO2、NOx在大气中经过一系列物理化学转化而形成的细微颗粒物。因此，汽车的发展同时面临着能源与环境两大挑战。随着对可持续发展的要求日益提高，面对日趋严重的能源短缺和环境污染问题，开发出更节能、高效、环保的内燃机越来越重要。
传统四冲程发动机的气门运动参数固定不变的。然而汽车是在不同的工况下运行的,所以发动机对其要求是不同的,固定的气门参数是对所有运行工况的一种综合。随着对低油耗和低排放的要求,对其他种类气门的发展提上日程。20世纪80年代末,以凸轮轴为基础的可变气门方案出现。发动机的某些运行工况时这些方案优化了其的性能。但是,相对于无凸轮配气机构来说,可变气门方案只是进行了很少的优化。20世纪90年代中后期,陆续开始了可以连续调节气门运动参数的无凸轮气门机构的研究。无凸轮配气机构就是取消发动机配气机构中的凸轮轴及从动件,而以电磁、电液、电气或者其他的方式进行气门驱动。
近年来,国外有多家公司对电液驱动配气机构进行过研究,但在国内还没有这方面的研究。相对于传统的机械式配气机构来说,无凸轮轴配气机构的优点可以概括为:降低了能耗、增加了扭矩、提高了输出功率和怠速稳定性、减少了磨损和冲击噪声、可以简化发动机结构,降低了发动机的加工成本和重量、实现了发动机的制动性能等等。本论文概述了无凸轮配气机构的发展,并重点论述了电液驱动气门配气机构的基本工作原理、控制模型和控制理论。
1.2 无凸轮轴气门技术的研究和进展
无凸轮发动机气门驱动技术最早在1984年应用到研究中，当时仅仅是出于对比不同凸轮型线的目的。随着电子技术的进步，无凸轮驱动的可变气门系统成为最近几十年来最新的研究领域，图1展示了自1977年到2001年间美国专利和商标局公布的属于无凸轮驱动全可变气门发动机范畴的专利数量[2]。
图1.1无凸轮驱动全可变气门发动机专利柱状图表
随着电子技术的发展，无凸轮发动机气门驱动技术发展方向为采用直接地通过电磁(EM)或电液(EH)VVA系统驱动发动机气门。本论文讨论的电液气门驱动机构即为利用电磁阀控制高压流体的流入或流出控制室,利用高压流体驱动气门,进而实现气门的开启和闭合。
1.2.1 电磁气门驱动的基本情况和工作原理
电磁气门驱动是利用电磁铁产生的电磁力驱动气门。早期试验的电磁气门驱动装置中没有起能量回收作用的弹簧或只有回收部分能量的单弹簧,导致能耗过大并有严重的气门落座冲击。故该方案基本废除。AuraSystems公司、FEV公司和通用汽车公司分别提出了工作原理基本相同的采用双弹簧双电磁铁气门驱动方案,并进行了多年的研究。目前,AuraSystems和FEV的电磁气门驱动机构已经装车试用。
电磁气门驱动机构主要由两个相同的电磁铁(共用一个衔铁)、两个相同的弹簧和气门组成。
未通电状态 气门全部闭合状态
气门全开状态
图1.2电磁气门驱动原理
图1.2为双弹簧双电磁铁型气门。发动机静止时,线圈1及线圈2不通电,气门处于半开半闭合状态;发动机启动后,驱动装置初始化,控制系统依据曲轴转角大小来判定气门在这一时刻应有的开、关状态,使线圈1或线圈2通电,电磁力克服弹簧力,将气门关闭或开启。当气门处于开启状态时,线圈1不通电,线圈2则必须通电,使电磁力等于或大于弹簧力以保持气门开启。当要关闭气门时,线圈2断电,衔铁和气门在弹簧力的作用下向上运动;在气门接近关闭位置时,线圈1通电,电磁力帮助气门及衔铁运动至关闭位置;此后线圈1保持通电,使气门保持在关闭状态。需要开启时，线圈1断电，衔铁和气门在弹簧力作用下向下运动，如此循环往复。
Aur公司的电磁气门驱动装置在汽油机上演示时,设转速为11000r/min，气门到最大升程的时间为3ms,气门落座速度为0.1m/s;初始化时的线圈电流为15A~25A,气门保持在关闭或最大升程位置时线圈电流为1.5A~4.0A。汽油机怠速时每个气门上的能量消耗为35W,6000r/min时为135W;柴油机转速在2000r/min时为185W。
Aur使用其电磁气门驱动机构使发动机油耗降低7%~11%,功率增加14%~16%,扭矩增加了16%,HC,CO和NOx排放分别降低34%~37%,33%和50%,但没有关于发动机参数及比较基础的详细说明。1996年SAE年会车展展出了装有采用Aura公司电磁气门驱动装置的汽油机的轻型卡车。
2000年SAE年会展出了采用FEV电磁气门驱动机构的一台每缸4气门汽油机。通用汽车公司则运用电磁气门驱动机构进行了以进气门晚关控制发动机负荷的相关研究,他们在电磁气门驱动机构中使用了永磁铁,目的是为气门在关闭或最大开启位置时提供克服弹簧力的保持力,从而减小电能的消耗。
原文链接：http://www.jxszl.com/jxgc/qcgc/28821.html
