液壓驅(qū)動(dòng)全可變氣門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性

孫常林,謝宗法

1.濰坊職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院,山東濰坊 261041;2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250061;3.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南 250061

0 引言

隨著全球油價(jià)持續(xù)升高和環(huán)境污染日益加劇,各國不斷降低汽車燃油消耗率,加嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn),全可變氣門正時(shí)技術(shù)可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性,廣泛應(yīng)用于各類汽車發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]。

氣門正時(shí)與氣門升程是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能和充氣效率的重要因素。全可變氣門正時(shí)技術(shù)通過合理選擇配氣正時(shí),提高進(jìn)氣充量,增加充量系數(shù),使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率得到進(jìn)一步的提高。

全可變氣門正時(shí)技術(shù)主要分為3種:機(jī)械式、電磁式、電液式。機(jī)械式全可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)如德國BMW的Valvetronic機(jī)構(gòu)[3-5],通過調(diào)節(jié)偏心軸齒輪實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞旋轉(zhuǎn)中心的連續(xù)變化,實(shí)現(xiàn)氣門升程全可變,但尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電磁式全可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)如德國FEV[6]和法國Valeo[7-8]的電磁驅(qū)動(dòng)全可變氣門系統(tǒng),通過電磁力控制氣門正時(shí)全可變,但電磁鐵頻響特性低,噪聲、磨損大。電液式全可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)如意大利FIAT的UNIAIR系統(tǒng)[8-10],通過液壓驅(qū)動(dòng)及電磁閥控制,實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)全可變,但受限于系統(tǒng)中電磁閥響應(yīng)頻率,無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高速工況,應(yīng)用范圍有限。

為改善高速工況下全可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)性能,解決電磁閥響應(yīng)頻率不足的問題,本文中通過對(duì)氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)仿真分析和臺(tái)架試驗(yàn)研究,優(yōu)化設(shè)計(jì)一種液壓驅(qū)動(dòng)全可變氣門機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過機(jī)械式的泄油控制器控制泄油時(shí)刻,突破電磁閥頻響特性限制,實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)全可變,拓寬正時(shí)技術(shù)應(yīng)用范圍,適用于發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況。

1 液壓驅(qū)動(dòng)全可變氣門機(jī)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

某液壓驅(qū)動(dòng)全可變氣門機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)工作時(shí)液壓油壓力,液壓驅(qū)動(dòng)全可變氣門機(jī)構(gòu)分為高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)。

圖1 液壓驅(qū)動(dòng)全可變氣門機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

液壓驅(qū)動(dòng)全可變氣門機(jī)構(gòu)工作時(shí),泄油控制器連續(xù)調(diào)節(jié)泄油相位角,實(shí)現(xiàn)配氣相位、氣門升程連續(xù)可變及對(duì)進(jìn)氣量的控制。發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷時(shí),調(diào)節(jié)泄油閥提早打開,控制氣門提前落位,減小進(jìn)氣量;發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷時(shí),調(diào)節(jié)泄油閥遲后打開,控制氣門遲后落位,增大進(jìn)氣量,液壓驅(qū)動(dòng)全可變氣門機(jī)構(gòu)工作原理詳見文獻(xiàn)[2]。

1.2 仿真模型

基于CFD的ADINA-FSI流-固耦合分析模塊分別建立全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)流體部分和固體部分的有限元模型[7-8]。模型網(wǎng)格質(zhì)量決定仿真結(jié)果精度,網(wǎng)格密度越小,計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確,但求解速度越慢。經(jīng)過測試計(jì)算,本模型流體部分采用密度為1.8的四面體網(wǎng)格,固體部分采用密度為3.0的四面體網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后,全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)流體部分、固體部分的有限元模型如圖2所示。

a)流體部分模型 b)固體部分模型圖2 全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)流體部分、固體部分的有限元模型

泄油控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)泄油時(shí)刻的調(diào)節(jié)和控制,設(shè)置為時(shí)間函數(shù)控制的Gap邊界;液壓活塞腔端面與液壓活塞直接接觸,設(shè)置為FSI流-固耦合邊界[9-10];因液壓油為黏性流體,旁通單向閥腔、系統(tǒng)連接油路均設(shè)置為Wall邊界中的無滑移邊界;入口單向閥開啟,為機(jī)構(gòu)提供所需的液壓油,設(shè)置為壓力邊界,開啟壓力為0.2 MPa;挺柱腔端面模擬整個(gè)系統(tǒng)的凸輪驅(qū)動(dòng)部分,設(shè)置為由凸輪型線決定的Moving Wall可移動(dòng)壁面邊界條件[11]。

固體部分模型主要包括旁通單向閥模塊和液壓活塞-氣門模塊;旁通單向閥彈簧自由度、氣門彈簧自由度與氣門運(yùn)動(dòng)、單向閥開閉運(yùn)動(dòng)方向均一致;旁通單向閥座、氣門座均采用接觸分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)單向閥和液壓活塞極限位置的約束[12]。

1.3 仿真分析

1.3.1 氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

1.3.1.1 泄油相位角

曲軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,泄油相位角對(duì)應(yīng)的上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角分別為28°、68°、108°時(shí),氣門升程曲線如圖3所示。由圖3可知:泄油相位角增大,氣門開啟期間的曲軸轉(zhuǎn)角和氣門升程都增大。由于泄油相位角可以連續(xù)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)配氣相位、氣門升程的全可變。

圖3 不同泄油相位角的氣門升程曲線

1.3.1.2 曲軸轉(zhuǎn)速

泄油相位角對(duì)應(yīng)的上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角為108°,曲軸轉(zhuǎn)速分別為2 000、3 000、4 000 r/min時(shí),氣門升程和氣門運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖4所示。由圖4a)可知:在到達(dá)泄油相位角之前,不同轉(zhuǎn)速時(shí)氣門運(yùn)動(dòng)特性差異很小,均與凸輪型線吻合;當(dāng)?shù)竭_(dá)泄油相位角后,氣門升程曲線呈快速回落趨勢(shì)。由圖4b)可知:在到達(dá)泄油相位角之前,氣門運(yùn)動(dòng)速度與曲軸轉(zhuǎn)速正相關(guān);泄油期間,氣門運(yùn)動(dòng)速度差異不大。分析原因?yàn)?泄油期間,泄油控制機(jī)構(gòu)打開泄油閥,液壓油由高壓系統(tǒng)進(jìn)入低壓系統(tǒng),在氣門彈簧的作用下氣門回落,由于氣門經(jīng)液壓活塞與液壓油耦合,因此泄油過程中氣門升程及運(yùn)動(dòng)速度主要由泄油量決定。

a)氣門升程 b)氣門運(yùn)動(dòng)速度 圖4 不同曲軸轉(zhuǎn)速下,氣門升程和氣門運(yùn)動(dòng)速度曲線

由圖3、4可知:氣門升程運(yùn)動(dòng)規(guī)律受曲軸轉(zhuǎn)速影響較小,與泄油相位角密切相關(guān)。分析原因?yàn)?曲軸轉(zhuǎn)速增大,氣門運(yùn)動(dòng)組件和高壓液壓油的動(dòng)能越大,泄油速度越小;同時(shí)泄油閥開啟速度增加,泄油速度增大;兩方面共同作用下,泄油量變化不大,曲軸轉(zhuǎn)速對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響有限。

1.3.2 液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)分析

以液壓系統(tǒng)液壓活塞腔內(nèi)壓力為研究對(duì)象,某液壓活塞腔泄油相位角對(duì)應(yīng)的上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角為108°,曲軸轉(zhuǎn)速分別為2 000、4 000 r/min時(shí),活塞腔壓力及曲軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的氣門升程如圖5所示。由圖5可知:曲軸轉(zhuǎn)角為0°左右時(shí),氣門升程迅速增加,活塞腔壓力升高形成波峰;曲軸轉(zhuǎn)角不斷增加,氣門進(jìn)一步開啟,氣門升程增大,液壓活塞腔壓力隨氣門彈簧不斷壓縮而增大;曲軸轉(zhuǎn)角到達(dá)上止點(diǎn)后108°時(shí),高、低壓系統(tǒng)經(jīng)泄油孔連通,泄油閥打開,液壓油由高壓系統(tǒng)進(jìn)入低壓系統(tǒng),活塞腔壓力迅速降低,氣門回落;氣門升程減小,當(dāng)氣門下降至靠近氣門座位置時(shí),泄油通道截面減小,活塞腔壓力迅速增大并形成另一個(gè)波峰;隨著曲軸轉(zhuǎn)速升高,液壓活塞腔壓力波動(dòng)劇烈,氣門開啟初期和落座緩沖階段產(chǎn)生的活塞腔壓力峰值明顯增大,最小壓力明顯減小。

圖5 液壓活塞腔壓力與氣門升程

2 試驗(yàn)研究與分析

由于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中受溫度變化、負(fù)載波動(dòng)等因素影響,進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)研究氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律及液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力波動(dòng)。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用其型號(hào)為K157的汽油發(fā)動(dòng)機(jī),以全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)代替原配氣機(jī)構(gòu),氣缸工作容積為124 mL,其他主要設(shè)備包括功率為4 kW的YVP132M-4三相異步電動(dòng)機(jī)、AVL QC42-X壓電式壓力傳感器、LVDH位移傳感器、AVL 3056電荷放大器等,電動(dòng)機(jī)通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)行,與曲軸轉(zhuǎn)速一致,泄油控制器調(diào)節(jié)泄油相位角,控制氣門運(yùn)動(dòng),信息采集卡實(shí)時(shí)采集曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)、氣門位移信號(hào)及液壓系統(tǒng)壓力信號(hào),臺(tái)架試驗(yàn)測量原理如圖6所示。

圖6 臺(tái)架試驗(yàn)測量原理

2.2 試驗(yàn)過程

具體試驗(yàn)過程如下:1)搭建倒拖試驗(yàn)臺(tái),確保各部分安裝穩(wěn)固,并將泄油控制機(jī)構(gòu)的初始泄油角調(diào)節(jié)為上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角28°;2)啟動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī),倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),通過變頻器逐步調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)頻率使電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1 000 r/min左右,穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)15 min;3)調(diào)整三相異步電機(jī)頻率,控制電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2 000、3 000、4 000 r/min,測量對(duì)應(yīng)的氣門升程及液壓活塞腔內(nèi)壓力;4)調(diào)節(jié)泄油相位角對(duì)應(yīng)的上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角分別為68°、108°,測量曲軸轉(zhuǎn)速為2 000、3 000、4 000 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的氣門升程及缸內(nèi)壓力。

2.3 結(jié)果分析

曲軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,泄油相位角對(duì)應(yīng)的上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角分別為28°、68°、108°時(shí),不同泄油相位角對(duì)應(yīng)的氣門升程如圖7所示。曲軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min,泄油相位角對(duì)應(yīng)的上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角為108°時(shí),液壓活塞腔內(nèi)壓力仿真和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖8所示。不同曲軸轉(zhuǎn)速下,氣門開啟初期液壓活塞腔內(nèi)壓力波動(dòng)對(duì)比如圖9所示。

圖7 曲軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)不同泄油相位角對(duì)應(yīng)的氣門升程曲線 圖8 曲軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)液壓活塞腔內(nèi)壓力仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖9 不同曲軸轉(zhuǎn)速下,氣門開啟初期液壓活塞腔內(nèi)壓力波動(dòng)

由圖7可知:調(diào)整泄油相位角可實(shí)現(xiàn)氣門運(yùn)動(dòng)全可變,與圖3仿真結(jié)果一致,臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)科學(xué)合理。

由圖8可知:氣門開啟初期(曲軸轉(zhuǎn)角大約為-25°～25°)和落座末期(曲軸轉(zhuǎn)角為175°～200°),由于節(jié)流作用,液壓活塞腔內(nèi)形成2個(gè)較大的波峰,其余時(shí)刻由于壓力波動(dòng)形成一系列的波動(dòng);液壓活塞腔壓力仿真曲線與臺(tái)架試驗(yàn)曲線趨勢(shì)基本一致,仿真模型科學(xué)合理,仿真結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性較高。

由圖9可知,隨轉(zhuǎn)速的增加,液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)增大,最低壓力減小。當(dāng)波谷處壓力低于低壓系統(tǒng)壓力(0.2 MPa)時(shí),泄油閥開啟階段無法正常泄油,氣門不能正常落座,產(chǎn)生失控現(xiàn)象[13-14]。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)增加,波谷壓力可能低于空氣分離壓,產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象,導(dǎo)致液壓驅(qū)動(dòng)的全可變氣門機(jī)構(gòu)振動(dòng)噪聲增大,加速液壓系統(tǒng)相關(guān)部件損壞,產(chǎn)生穴蝕,同時(shí)降低液壓系統(tǒng)剛度,加劇壓力波動(dòng),影響機(jī)構(gòu)可靠性。

2.4 改進(jìn)方案

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),液壓驅(qū)動(dòng)的全可變氣門機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)部件壽命和工作可靠性明顯降低的問題,基于理論分析,從減小運(yùn)動(dòng)組件總質(zhì)量、優(yōu)化流道、合理設(shè)計(jì)氣門彈簧3方面進(jìn)行改進(jìn),降低液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力波動(dòng),改善機(jī)構(gòu)高速工況性能,拓寬液壓系統(tǒng)工作范圍。

1)減小運(yùn)動(dòng)組件總質(zhì)量

氣門機(jī)構(gòu)固有頻率

式中:m為運(yùn)動(dòng)組件總質(zhì)量,c為機(jī)構(gòu)剛度。

原機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)組件總質(zhì)量為200 g,記為方案1,減小運(yùn)動(dòng)組件總質(zhì)量分別減小為150、100 g,記為方案2、方案3。曲軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí),不同方案下,液壓活塞腔壓力對(duì)比如圖10所示。

圖10 運(yùn)動(dòng)組件總質(zhì)量對(duì)活塞腔壓力的影響

由圖10可知:隨著氣門運(yùn)動(dòng)組件總質(zhì)量減小,液壓活塞腔壓力波動(dòng)明顯減小。在設(shè)計(jì)液壓驅(qū)動(dòng)的全可變氣門機(jī)構(gòu)時(shí),可通過減小零件尺寸、采用輕質(zhì)材料、設(shè)計(jì)空心結(jié)構(gòu)等方式,減少運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量,減輕壓力波動(dòng),改進(jìn)機(jī)構(gòu)性能。

2)優(yōu)化流道

液壓系統(tǒng)內(nèi)部因流道截面變化產(chǎn)生節(jié)流現(xiàn)象,在變化截面的兩側(cè)產(chǎn)生壓差,造成流動(dòng)損失并加劇系統(tǒng)壓力波動(dòng)[15]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)采用截面形狀、大小一致的直流道,減緩節(jié)流現(xiàn)象,降低系統(tǒng)內(nèi)壓力波動(dòng)的幅度。

3)合理設(shè)計(jì)氣門彈簧

氣門彈簧作用力增大,增大波谷處的油壓,使泄油時(shí)不易失控,但驅(qū)動(dòng)氣門引起的動(dòng)力損失也會(huì)增大。綜合考慮以上因素,應(yīng)適當(dāng)增加氣門彈簧的設(shè)計(jì)剛度及預(yù)緊力,提高液壓系統(tǒng)內(nèi)部整體壓力,保證液壓油及時(shí)排出,避免氣穴及穴蝕的產(chǎn)生。

綜合上述分析,采用以上方案對(duì)本機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后,改善液壓系統(tǒng)的壓力波動(dòng),提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性及壽命,進(jìn)一步提高全可變氣門機(jī)構(gòu)最高使用轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)論

1)通過調(diào)節(jié)泄油相位角,可實(shí)現(xiàn)配氣相位、氣門升程的全可變,提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

2)泄油相位角和曲軸轉(zhuǎn)速共同影響氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律,但泄油相位角對(duì)氣門升程影響較大。

3)曲軸轉(zhuǎn)速升高會(huì)使液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)過大,導(dǎo)致發(fā)生氣穴、穴蝕現(xiàn)象,嚴(yán)重影響機(jī)構(gòu)的可靠性。

4)基于理論分析,可從減小運(yùn)動(dòng)組件質(zhì)量、優(yōu)化流道及氣門彈簧設(shè)計(jì)等方面改進(jìn)全可變液壓氣門機(jī)構(gòu),減小液壓系統(tǒng)的壓力波動(dòng),提高氣門機(jī)構(gòu)工作性能。