发动机电液全可变配气系统建模与同步仿真

路勇，李建，李博，熊丽君，侯秀芹

(哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

发动机电液全可变配气系统建模与同步仿真

路勇，李建，李博，熊丽君，侯秀芹

(哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

为了研究全可变配气系统对柴油机性能的影响，基于CY4102BG柴油机，借助GT-power建立柴油机整机与全可变配气系统的同步仿真模型，利用优化得到的气阀运动最佳配气参数，完成电液全可变配气柴油机的性能同步仿真。仿真实验结果表明：在中低转速工况下，柴油机有效功率的增幅为0.33%～5.65%，有效油耗率的降幅为0.33%～5.35%;在高转速工况下，柴油机的性能改善不明显。

发动机； 电液； 全可变配气； 建模； 同步仿真； 配气参数

随着内燃机行业的高速发展，低能耗和低污染已经成为发动机的发展目标。可变配气技术对满足发动机的动力性与排放性有着重要的意义[1-2]。电液驱动的全可变配气技术能够在全工况下同时对气阀升程、相位、持续期连续可调，从而控制缸内进气充量和换气质量，使新鲜充量与燃油在合适的空燃比下进行反应，对提高发动机性能和节能减排有重要的意义[3-4]。同时电液驱动全可变配气系统又可以有效控制气阀落座速度，实现发动机配气机构的低噪声设计[5-7]。

在台架试验前，建立全可变配气系统与柴油机同步仿真模型，评价电液驱动系统的动态性、响应速度等性能，为台架试验提供理论依据，具有重要意义。

1 电液全可变配气系统设计

电液全可变配气系统由电磁阀1、2、3、油源、蓄能器、溢流阀、内反馈滑阀4、活塞5等基本部分组成。

1.1 全可变配气工作原理

全可变配气机构的工作原理如图1所示。执行器不工作时：气阀在弹簧力的作用下处于关闭状态，此时两位三通电磁阀3失电接通低压油，开关电磁阀1、2失电接通低压油，液压腔s、s1、s2、a、a1、a2为低压油；执行器工作时，在PWM信号的驱动下，两位三通电磁阀3得电，高压油通过5中的液压腔进入4主液压缸的a腔内，使得a腔压力升高，推动活塞向下运动，活塞推杆与气阀相接触，气阀开启；当气阀要达到该工况下的最大升程时，为了使气阀保持在最大升程位置，电磁阀1得电，使得主腔a1内压力升高，加上弹簧压缩量变大，气阀运动变慢，同时s1压力升高使得锥形滑阀上移，切断高压油路，气阀在达到新的平衡点后运动终止；当气阀落座时，电磁阀1断电，在气阀回复弹簧的作用下气阀回弹上升，在气阀即将完成落座时，电磁阀2得电，a2腔压力上升，气阀落座速度降低，减小落座冲击。

注：1.两位两通电磁阀，2.两位两通电磁阀， 3.两位三通电磁阀，4.锥形滑阀，5.主液压缸。图1 电液全可变配气系统工作原理图Fig.1 The working principle of electro-hydraulic full variable valve system

1.2 全可变配气执行器结构设计

根据全可变配气执行机构的原理，结合CY4102柴油机的配气要求，设计全可变配气执行器结构如图2所示，执行器主要参数如表1所示。

图2 全可变配气执行器二维图Fig.2 2D model of full variable valve executor

参数数值活塞直径/mm30锥形滑阀直径/mm15系统压强/MPa7

2 同步仿真模型搭建

2.1 发动机模型的建立

CY4102BG为顶置凸轮式柴油机，基于此柴油机，建立可变配气柴油机一维工作过程模型，如图3所示，4102柴油机主要参数如表2。

表2 CY4102BG发动机主要参数

为了更精确地开展仿真研究，需要对仿真模型进行标定。实测CY4102发动机在额定工况下的缸内压力以及外特性指标，并以此作为标定模型的对标基准。微调各个模块参数后，仿真结果和实际测量结果对比如图4所示。

综合以上标定结果，各主要性能参数的仿真值同实验值的平均误差均低于5%，且波动范围较小，表明该仿真模型的整体精度较高，可以代替CY4 102发动机进行后续研究。

2.2 电液全可变配气系统模型的建立

根据该执行机构的基本结构和工作原理，基于CY4102柴油机，其参数如表3，利用GT-Power软件建立全可变配气执行器与控制器的液压模型，如图5。

为了后续对发动机性能仿真，需要对全可变配气系统进行验证。验证气阀最大升程可控，气阀开启相位可控，气阀开启持续期可控以及气阀落座缓冲可控这4个方面，仿真结果如图6。

上述仿真结果表明该全可变配气系统仿真模型对气阀升程、开启相位和持续期均可控，可以有效减小气阀落座冲击，降低气阀机构噪声。为后续CY4102柴油机整机模型和全可变配气机构液压模型的同步仿真提供了基础。

图3 发动机仿真模型Fig.3 Engine simulation model

图4 标定结果Fig.4 Calibration results

项目名称尺寸/mm进气阀阀头45密封环带42阀杆9排气阀阀头38密封环带36阀杆9

2.3 电液全可变配气发动机性能同步仿真模型

将CY4102柴油机模型的原始配气系统模型用电液全可变配气系统模型代替，建立CY4102柴油机与电液全可变配气系统的同步仿真模型。二者之间的通讯借助GT-power中信号传输模块实现[8]。利用外部执行器驱动的气阀模块代替原发动机气阀模块，增加信号接收模块与压力模块。信号传输可以将配气模型中的气阀升程曲线以升程信号的方式传输给整机模型中的气阀模块，同时将整机模型中的发动机缸压曲线和进排气道压强曲线转化为压强信号传输给液压模型中的气阀组件，实现了两模型间的通讯。

运行上述同步仿真模型，得到进排气阀的升程曲线图，如图7。从图中可以看出：同步仿真后，进排气阀的配气参数均能实现全可变，说明此通信方式可以满足这种电液全可变配气系统与发动机整机配气的通信要求。

图5 配气系统液压模型Fig.5 Hydraulic model of gas distribution system

图6 全可变配气系统性能验证Fig.6 Performance verification of full variable valve system

图7 同步仿真验证结果Fig.7 The results of synchronizing simulation

3 同步性能仿真

3.1 全可变气阀参数优化

电液全可变配气发动机可以实现气阀升程、相位、开启持续期在全工况下均可变，使发动机性能达到最佳，在同步仿真之前，需要对原固定凸轮气阀参数进行优化。

本文利用GT-POWER软件中的Optimizer功能对全可变配气参数进行优化，为了全面评价电液执行机构的驱动能力，以柴油机的最大有效功率为优化目标优化。运用布伦特法(Brent-met hod)在多次迭代后，可确定最大有效功率，利用GT-POST后处理得到该功率下的一组最佳配气参数，本文中给出进气阀运动参数最佳值如表4。

表4 优化后进气阀运动参数

Table 4 Intake valve motion parameters after optimization

转速/(r·min-1)进气阀升程/mm进气阀开启相位/(°)进气阀关闭相位/(°)4001122335592154222600110193531765536458001104135146455700310001115335044455900312001035234986567121400103493489865782751600998434396858184618009550343171591994200096233376666047832200934732821461430324008625325467619876

3.2 同步仿真及结果分析

对仿真结果进行后处理，可得到柴油机配气系统改进前后扭矩、有效功率、燃油消耗率、有效热效率、充气效率和NOx排放率比对图，如图8。图8(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为配气机构改进前后柴油机的功率、扭矩、燃油消耗率、热效率与NOx排放率的对比图，图中这4个指标的变化趋势与原机的变化趋势相同，在400～2 000 r/min改进后柴油机有效功率提高0.33%～5.65%，燃油消耗率降低0.33%～5.35%，热效率提高0.33%～5.65%，NOx排放率降低1.07%～5.64%。在2 000 r/min以下时，柴油机的功率、扭矩、燃油消耗率与热效率均有明显的改善。在转速为1 200 r/min时，柴油机的性能改善效果最好。在柴油机转速超过2 000 r/min以后，柴油机性能改善不明显。

图8(f)为配气机构改进前后柴油机的充气效率对比图，柴油机改进后仿真所得充气效率的变化趋势与原机的不同，原机的充气效率是随转速的增加而逐渐变大的，而全可变配气柴油机的充气效率在1 200 r/min以内基本保持在一个较高的值，1 200 r/min之后开始逐渐降低，在1 800 r/min后低于原机仿真值，说明柴油机处于中低转速时，其充气效率可得到明显的提升。在400～1 800 r/min的转速范围内，柴油机充气效率的增幅随转速的增加由8.43%逐渐降为0.92%，大于1 800 r/min时，充气效率开始减小。

图8 柴油机配气系统改进前后性能对比图Fig.8 Comparison of engine performance before and after optimization

转速超过2 000 RPM以后，柴油机性能改善不明显与柴油机在高转速工况下的电液配气执行器驱动能力有关，如图9所示。

图9 不同工况下气阀最大升程Fig.9 The maximum valve lift in different conditions

从图9中可以看出，在高转速工况下，电液驱动执行器驱动能力下降。理论上，柴油机转速越高，对进气充量的需求就越大，但仿真结果表明：在高转速工况下，气阀的最大升程相对于中低转速工况下要小，而且气阀开启和落座的速度也变慢了，使得气阀在相同开启持续期下最大升程位置处的停留时间变短，致使进气充量变小，从而影响了柴油机在高转速工况下的性能。电液驱动执行器驱动能力下降的原因是系统的电液全可变配气系统流量过大，系统中电磁阀的响应速度无法满足要求所致[9-10]。这为后续其他机型的电液全可变配气系统匹配与改进设计提供理论支持。

4 结论

1)在GT-power中柴油机与全可变配气系统的同步仿真模型工作正常，可以用来开展电液全可变配气系统的柴油机性能同步仿真研究；

2)在中低转速工况下，电液全可变配气柴油机有效功率提高0.33～5.65%，有效油耗率降低0.33%～5.35%，说明全可变配气系统可以明显柴油机性能；

3)在高转速工况下，全可变配气系统对发动机性能改善效果不明显，主要是在高转速下，本文所设计的全可变配气执行器驱动能力不能满足配气要求，通过对系统流量及电磁阀改进设计后可以解决。

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本文引用格式：

路勇，李建，李博，等. 发动机电液全可变配气系统建模与同步仿真研究[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2017， 38(7): 1129-1134.

LU Yong, LI Jian, LI Bo, et al. of the engine′s electro-hydraulic full variable valve system[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(7): 1129 -1134.

Modeling and synchronous simulation of the engine′s electro-hydraulic full variable valve system

LU Yong, LI Jian, LI Bo, XIONG Lijun, Hou Xiuqin

(College of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Fully variable electro-hydraulic valve technology can realize the flexible regulation of valve parameters, improve the performance of diesel engine, and thus overcome the limitations of traditional mechanical cam mechanisms. By using a CY4102BG diesel engine and GT-power, we established a synchronous simulation model on the complete diesel engine and the full variable valve system. These steps were carried out to study the effect of a fully variable gas distribution system on diesel engine performance. Furthermore, by using the optimum gas distribution parameters on valve motion, which were attained via optimization, we achieved the synchronous simulation on the performances of the electro-hydraulic full variable distribution diesel engine. The simulation results indicate that, under the low-speed conditions, the effective power of a diesel engine can be improved by 0.33%～5.65% and that fuel consumption rate can be reduced by 0.33%～5.35%. However, the improvement is not significant under high-speed conditions.

engine; electro hydraulic; fully variable valve; modeling; synchronous simulation; valve parameters

2016-08-01.

日期：2017-04-27.

国家自然科学基金面上项目(51579050).

路勇(1978-), 男, 副教授,博士生导师； 李建(1993-), 男, 硕士研究生.

李建, E-mail:allen_lee_1993@163.com.

10.11990/jheu.201608003

TK421.3

A

1006-7043(2017)07-1129-06

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1329.032.html