發(fā)布時(shí)間：2017-08-29 21:47

  本文關(guān)鍵詞：新型電液全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 空氣混合動(dòng)力 全可變氣門 再生制動(dòng) 氣門落座速度 系統(tǒng)能耗 多參數(shù)優(yōu)化

【摘要】：迫于環(huán)境惡化的壓力,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性要求日益嚴(yán)格。由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)衍生出的空氣混合動(dòng)力能夠?qū)崿F(xiàn)道路用車輛的再生制動(dòng),有效回收剎車能量,從而達(dá)到降低能耗的目的;同時(shí),再生能量的再利用減少傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)模式運(yùn)行的時(shí)間,有效地降低了排放。然而,空氣混合動(dòng)力的換氣過程及各個(gè)運(yùn)行模式間的切換僅通過傳統(tǒng)凸輪驅(qū)動(dòng)的配氣機(jī)構(gòu)是不能實(shí)現(xiàn)的;而全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)配氣相位、開啟持續(xù)期和氣門升程的連續(xù)可變,能夠滿足空氣混合動(dòng)力換氣過程的要求及實(shí)現(xiàn)對不同運(yùn)行模式的切換。因此,全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。電液式全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的柔性調(diào)節(jié),具有很大的實(shí)用價(jià)值。但其發(fā)展和應(yīng)用有較大阻力,其困難在于:1)由于電液式全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中普遍使用電磁換向閥控制流體方向,因此,系統(tǒng)性能對該電磁閥性能的依賴性較大;電磁換向閥的響應(yīng)速度限制了系統(tǒng)在高速發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用范圍;2)氣門落座沖擊力較大,減小了氣門及相關(guān)部件的使用壽命;3)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高能耗;4)由于氣門背壓、系統(tǒng)泄露、液壓油屬性變化所導(dǎo)致氣門開啟延遲、氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律失調(diào),不能滿足氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確及穩(wěn)健控制要求�；诖�,本論文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種電液全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Fully Flexible Electro-hydraulic Variable Valve Actuation System,簡稱FEVVA),致力于解決系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題:1)設(shè)計(jì)開發(fā)與發(fā)動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行的流體控制旋轉(zhuǎn)閥,有效避免對電磁換向閥的依賴性,拓展FEVVA系統(tǒng)在高速發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用范圍;2)基于可變節(jié)流面積的緩沖機(jī)理,設(shè)計(jì)氣門落座緩沖結(jié)構(gòu),緩沖氣門落座速度,減小氣門落座沖擊力;3)以減小系統(tǒng)能耗為目標(biāo),采用合理的優(yōu)化方法,優(yōu)化FEVVA系統(tǒng)參數(shù),以達(dá)到降低系統(tǒng)能耗的目的;4)研究系統(tǒng)泄露、液壓油屬性變化及氣門背壓等擾動(dòng)因素對氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響,探索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可控性,提出FEVVA系統(tǒng)正時(shí)及升程控制策略,從而保證氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確性和穩(wěn)健性。論文主要研究結(jié)果和重要結(jié)論如下:(1)通過試驗(yàn)研究了單罐與雙罐壓縮制動(dòng)策略的能量回收效能,結(jié)果表明,雙罐壓縮制動(dòng)策略的能量回收效能高于單罐壓縮制動(dòng)策略;基于GT-POWER數(shù)值計(jì)算平臺(tái)仿真研究表明,在100個(gè)循環(huán)內(nèi),低壓罐氣體壓力的最大值隨轉(zhuǎn)速的升高而減小,高壓罐末循環(huán)的壓力值隨著轉(zhuǎn)速的遞增而減小;(2)完成了FEVVA系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì),基于MATLAB/Simulink平臺(tái)建立的數(shù)值模型研究結(jié)果表明:a)高低壓旋轉(zhuǎn)閥開啟時(shí)刻能夠有效控制氣門開啟持續(xù)期(Valve Event Duration,簡稱VED);旋轉(zhuǎn)閥相位差角通過增大VED值,推遲氣門關(guān)閉時(shí)刻;旋轉(zhuǎn)閥相位差角不影響氣門開啟段升程規(guī)律,不改變最大氣門升程(Maximum Valve Lift,簡稱MVL);b)通過對供給壓力的控制,可以有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)MVL值,而氣門關(guān)閉時(shí)刻及系統(tǒng)VED值均保持不變。c)旋轉(zhuǎn)閥間隙的變化破壞系統(tǒng)MVL的保持狀態(tài),可能導(dǎo)致氣門的二次開啟。隨著溫度的升高,氣門開啟與關(guān)閉時(shí)刻提前,系統(tǒng)MVL值增大,氣門落座速度有增大的趨勢;液壓油溫度對氣門開啟時(shí)刻影響相對較小。系統(tǒng)氣門升程特征受進(jìn)氣過程的影響較小,受排氣過程的影響較大;排氣背壓使得氣門開啟和關(guān)閉時(shí)刻滯后,同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)MVL值減小。d)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不僅影響氣門開啟段與關(guān)閉段升程規(guī)律,還影響氣門關(guān)閉時(shí)刻。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,系統(tǒng)MVL值有減小的趨勢,氣門關(guān)閉時(shí)刻推遲,系統(tǒng)VED值增大但氣門升程斷面積減小。(3)提出了三種氣門落座速度緩沖結(jié)構(gòu),建立了FEVVA系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)評價(jià)機(jī)制。結(jié)果表明,液壓缸直徑對氣門落座速度有較大影響;但彈簧剛度對氣門落座速度影響較小。隨著氣門彈簧預(yù)緊力的增大,液壓活塞開啟阻力增加,氣門開啟過程中加速度減少,進(jìn)而使氣門運(yùn)動(dòng)速度降低。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對氣門落座速度不敏感。(4)提出了用以評價(jià)系統(tǒng)能量消耗的能耗指數(shù)(Energy Consumption Index,簡稱ECI),比較了三種方案的能耗。結(jié)果表明,在同一轉(zhuǎn)速下,方案A的能耗指數(shù)最高,方案B次之,方案C最小。采用單因素“擾動(dòng)法”衡量系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)能耗影響的靈敏度,確定了彈簧預(yù)緊力、彈簧剛度、旋轉(zhuǎn)軸出口半徑、液壓缸直徑、蓄能器初始體積和蓄能器初始?jí)毫榇齼?yōu)化參數(shù)。優(yōu)化結(jié)果表明,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2000r/min時(shí),優(yōu)化后的氣門驅(qū)動(dòng)功率減小了26.5%。(5)通過FEVVA系統(tǒng)試驗(yàn)研究結(jié)果表明,FEVVA系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對氣門正時(shí),氣門持續(xù)期和氣門升程的柔性調(diào)節(jié)。在擾動(dòng)因素影響下,采用的可變氣門正時(shí)和可變氣門升程控制方法,能夠?qū)崿F(xiàn)對氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確控制。在60個(gè)循環(huán)內(nèi),氣門開啟時(shí)刻及系統(tǒng)VED值的循環(huán)差異性均維持在±5°CA,系統(tǒng)MVL值的循環(huán)差異性維持在±0.3mm。此外,在各個(gè)轉(zhuǎn)速下,氣門落座速度均能控制在合格范圍內(nèi)。以上研究實(shí)現(xiàn)了FEVVA系統(tǒng)對氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的靈活調(diào)節(jié),既是為實(shí)現(xiàn)空氣混合動(dòng)力換氣過程及各個(gè)運(yùn)行模式間的切換提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐,又是為實(shí)現(xiàn)FEVVA系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用及其產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。此外,研究結(jié)果揭示和剖析了系統(tǒng)參數(shù)及擾動(dòng)因素對FEVVA系統(tǒng)的影響規(guī)律,總結(jié)得出電液系統(tǒng)工作的共性規(guī)律,為同類型電液全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：空氣混合動(dòng)力 全可變氣門 再生制動(dòng) 氣門落座速度 系統(tǒng)能耗 多參數(shù)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U464.134.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-22
• 第1章 緒論22-44
• 1.1 研究背景22-25
• 1.2 空氣混合動(dòng)力及其實(shí)現(xiàn)方法25-27
• 1.3 全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的意義27-31
• 1.3.1 提高充量系數(shù)27-28
• 1.3.2 加強(qiáng)缸內(nèi)氣體流動(dòng)28-29
• 1.3.3 降低泵氣損失29
• 1.3.4 實(shí)現(xiàn)可變有效壓縮比29-30
• 1.3.5 實(shí)現(xiàn)可調(diào)內(nèi)部EGR30-31
• 1.3.6 實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)停缸31
• 1.4 全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀31-41
• 1.4.1 機(jī)械全可變氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)34-35
• 1.4.2 電磁全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)35-36
• 1.4.3 電氣全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)36
• 1.4.4 電液全可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)36-41
• 1.5 本文研究的主要內(nèi)容41-44
• 第2章 基于FEVVA系統(tǒng)的空氣混合動(dòng)力及其實(shí)現(xiàn)方法44-60
• 2.1 基于剎車能量回收的壓縮制動(dòng)策略44-47
• 2.2 基于FEVVA系統(tǒng)的新型空氣混合動(dòng)力原理47-49
• 2.3 FEVVA氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案49-51
• 2.4 基于FEVVA系統(tǒng)的新型空氣混合動(dòng)力仿真研究51-58
• 2.4.1 仿真模型的建立51-53
• 2.4.2 CB模式數(shù)值計(jì)算結(jié)果53-56
• 2.4.3 AM模式數(shù)值計(jì)算結(jié)果56-58
• 2.5 本章小結(jié)58-60
• 第3章 FEVVA系統(tǒng)仿真研究60-93
• 3.1 流體控制旋轉(zhuǎn)閥的設(shè)計(jì)與分析60-64
• 3.2 FEVVA系統(tǒng)物理模型的建立64-71
• 3.2.1 流體控制旋轉(zhuǎn)閥64-65
• 3.2.2 液壓執(zhí)行器65-67
• 3.2.3 新型相位器67-69
• 3.2.4 油泵流量計(jì)算69
• 3.2.5 液壓蓄能器模型69
• 3.2.6 管路流體模型69-71
• 3.3 FEVVA系統(tǒng)液壓油屬性研究71-79
• 3.3.1 液壓油密度71-76
• 3.3.2 液壓油有效體積模量76-78
• 3.3.3 液壓油粘度78-79
• 3.4 基于Matlab/Simulink的數(shù)值計(jì)算模型及其驗(yàn)證79-81
• 3.5 數(shù)值研究結(jié)果及分析81-91
• 3.5.1 氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律可控性研究81-83
• 3.5.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響83-84
• 3.5.3 液壓油溫度和含氣率對氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響84-86
• 3.5.4 流體控制旋轉(zhuǎn)閥泄露對氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響86-88
• 3.5.5 發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程對氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響88-89
• 3.5.6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響89-91
• 3.6 本章小結(jié)91-93
• 第4章 基于可變節(jié)流面積的氣門緩沖機(jī)構(gòu)研究93-122
• 4.1 高速氣門落座速度控制方案93-95
• 4.2 基于可變節(jié)流面積和多孔節(jié)流的氣門緩沖機(jī)理95-98
• 4.2.1 可變節(jié)流面積機(jī)理95-97
• 4.2.2 多孔節(jié)流機(jī)理97-98
• 4.3 FEVVA系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)評價(jià)98
• 4.4 高速氣門緩沖特性研究98-119
• 4.4.1 方案A緩沖特性分析98-105
• 4.4.2 方案B緩沖特性分析105-112
• 4.4.3 方案C緩沖特性分析112-119
• 4.5 高速氣門緩沖方案對比分析119-120
• 4.6 本章小結(jié)120-122
• 第5章 以減小能耗為目標(biāo)的FEVVA系統(tǒng)多參數(shù)優(yōu)化122-136
• 5.1 FEVVA系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)122-125
• 5.1.1 不同緩沖方案能耗評估122-123
• 5.1.2 基于能耗指數(shù)的優(yōu)化參數(shù)確定123-125
• 5.2 FEVVA系統(tǒng)優(yōu)化模型的建立125-133
• 5.2.1 基于遺傳算法的優(yōu)化策略125-126
• 5.2.2 目標(biāo)函數(shù)的建立126-129
• 5.2.3 約束條件的確定129-130
• 5.2.4 優(yōu)化模型校核130-131
• 5.2.5 優(yōu)化算法設(shè)置131-133
• 5.3 系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果及分析133-135
• 5.4 本章小結(jié)135-136
• 第6章 FEVVA系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究136-154
• 6.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試臺(tái)架組成及工作原理136-139
• 6.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究139-144
• 6.2.1 相位器與氣門正時(shí)試驗(yàn)研究140-141
• 6.2.2 供油泵轉(zhuǎn)速與氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究141-142
• 6.2.3 比例溢流閥控制的供給壓力與氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究142-143
• 6.2.4 液壓油溫度與氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究143-144
• 6.3 基于最小二乘法的系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)144-146
• 6.4 可變氣門正時(shí)控制方法146-148
• 6.5 可變氣門升程控制方法148-149
• 6.6 FEVVA系統(tǒng)性能評估及分析149-152
• 6.6.1 FEVVA系統(tǒng)循環(huán)差異性149-151
• 6.6.2 FEVVA系統(tǒng)氣門落座速度151-152
• 6.7 本章小結(jié)152-154
• 工作總結(jié)與展望154-157
• 參考文獻(xiàn)157-171
• 附錄A 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄171-172
• 附錄B 攻讀博士學(xué)位期間參與的課題172-173
• 致謝173

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：755626