全可变液压气门系统气门运动规律动态测量与数据处理方法.pdf

第 卷 第 期 年 月内燃机与动力装置 .收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()山东省重点研发计划项目()第一作者简介:魏枫展()男山东日照人工学硕士助理实验师主要研究方向为车用发动机动力匹配:.通信作者简介:谢宗法()男山东莒县人工学博士教授主要研究方向为车用发动机工作过程、车用发动机动力性能匹配、车用发动机全可变液压气门机构:.:./.全可变液压气门系统气门运动规律动态测量与数据处理方法魏枫展柯泽锋贾德民赵淇东常英杰谢宗法.山东大学机械工程学院山东 济南.山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室山东 济南.潍柴动力股份有限公司山东 潍坊 摘要:搭建气门升程测试平台测量全可变液压气门系统()的气门运动规律分析发动机转速、传感器动态响应特性以及数据处理方法对气门升程测量精度的影响 结果表明:凸轮轴瞬时转速波动随驱动电机转速的降低而增大通过角标信号对采集的气门升程进行数据处理可以减少由于瞬时转速波动导致的气门升程测量误差传感器动态响应特性不足造成气门升程相位迟滞气门加速度波动频率与液压压力波动频率应一致通过选取合适的滤波截止频率准确计算气门加速度经五点三次平滑法处理后的气门升程更接近实际结果关键词:气门运动规律数据处理中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用格式:魏枫展柯泽锋贾德民等.全可变液压气门系统气门运动规律动态测量与数据处理方法.内燃机与动力装置():.():.引言随着排放标准和油耗标准升级节能减排成为传统内燃机发展的迫切需求 可变气门技术不仅可以改变气门升程、启闭时刻和开启持续期还能根据发动机具体工况控制气门多次开启进行多次开启与单次开启之间的转换 此外可变气门技术在减小泵气损失、提高充气效率、改善怠速稳定性、实现废气再循环、米勒循环以及缸内制动等方面具有显著优势 因此将可变气门技术应用于发动机可以实现发动机节能减排、提升车辆行驶安全性全可变液压气门系统()的气门运动规律动态测量是研究配气机构的必要环节可以用来判断配气系统设计的优劣及进行进一步的设计改进与优化 通过搭建配气机构倒拖试验台架对配气机构动力学进行试验研究利用电机直接倒拖配气机构进行试验测量不需要进行整机试验就可获得配气机构气门运动规律极大降低试验成本 的气门运动规律试验数据采集过程中存在许多高频干扰信号去除高频干扰信号获得所需要的有效信号是气门运动特性试验研究的重点之一 在配气机构数据动态测量中常用的数据处理方法包括滤波、拟合、光顺与多循环平均等 刘忠民等利用小波分解与重构的方法剔除了气门加速度积分结果漂移和位移微分结果高频干扰更加真实地反映气门实际动态特性李建锋等利用曲线拟合方法降低了实测加速度信号中的试验误差并通过对多次循环数据平均后进行 次积分获得气门升程与理论气门升程基本吻合 在配气机构数据处理中多循环平均与光顺的数据处理方法一般与其它数据处理方法结合使用虽然目前对配气机构数据处理方法较多但仍然缺乏区分杂波干扰信号与气门信号的精确依据本文中针对一种自主研发的基于上置式凸轮轴驱动的 搭建 气门运动规律倒拖试验台架利用倒拖台架对气门升程进行动态测量分析发动机转速、传感器动态特性以及数据处理方式对气门升程测量精度的影响 试验样机与装置.试验样机和 机构表 试验样机主要参数排量/额定转速/()最大转矩/()每缸气门数.试验样机选用某国产增压中冷、直列 缸柴油机凸轮轴布置形式为单顶置式发动机的主要技术参数如表 所示 总体布置如图 所示 的进、排气凸轮集中在同一根凸轮轴上进、排气凸轮各 个分别驱动第 缸的进、排气门图 总体布置该液压气门系统主要由机械传动系统、液压传动系统和控制系统组成其中机械传动系统主要由配气凸轮、摇臂、液压挺柱、液压活塞和气门组件等组成液压传动系统主要由挺柱油腔、活塞油腔和控制阀油腔及其中间连接通道组成控制系统主要调节控制阀的开通和关闭位置以改变 的泄油相位(泄油时的曲轴转角)控制阀控制泄油时刻的工作原理见文献.气门升程测试系统图 倒拖试验台示意图由于在柴油机气缸内无法直接安装测量气门升程用激光位移传感器系统因此搭建配气机构倒拖试验台架模拟配气机构的实际运转状态并测量 的气门升程倒拖试验台台架示意图如图 所示 该倒拖试验台架主要由 部分组成:)机械传动系统 包括驱动电机、齿轮箱、凸轮轴等用于驱动 系统)液压泵站 主要作用是模拟柴油机润滑系统为 提供油压为.的润滑油液(润滑油标号为)并为凸轮等气门机构运动件提供润滑油)气门升程测量系统 主要由激光位移传感器、角标信号传感器、数据采集模块以及计算机等组成用于采集试 内燃机与动力装置 年 月 第 卷验数据 试验用主要仪器设备及型号如表 所示表 试验主要仪器设备及型号设备名称变频电机变频器激光位移传感器齿圈信号传感器高速采集卡型号 测量精度为.测量范围为 结果与分析根据气门瞬态运动规律可以研究发动机不同工况下的换气情况利用激光位移传感器可直接测量气门升程 影响气门升程测量精度的因素主要包括:发动机转速、传感器动态特性以及气门升程数据处理方法等 通过分析气门升程测量精度的影响因素可进一步了解全可变液压气门机构的动力学性能.转速波动对气门升程测量的影响试验过程中通过变频器调节驱动电机转速利用数据采集模块实时采集气门升程发动机转速为、/时气门的原始升程如图 所示 )/)/图 不同发动机转速下实测气门的原始升程由图 可知:相比发动机转速为 /转速为/时的气门升程曲线存在较大变形且相邻角标信号间距不均匀 因为驱动电机在带动凸轮轴实现气门开闭过程中需要克服气门弹簧等阻力气门开启阶段凸轮轴驱动挺柱克服气门组件的弹簧预紧力导致转动速度变慢当气门上升到一定高度挺柱随凸轮开始回落气门组件的弹簧力与驱动电机一起做功使气门回落气门回落阶段驱动电机需要克服的阻力小转动速度加快驱动电机需要克服交变阻力阻力矩波动造成瞬时转速波动这种瞬时转速波动在低转速下更加明显为了提高气门升程测量结果的准确性可以利用信号盘的齿数对转角角度进行分度 凸轮轴瞬时转速波动导致信息采集时相邻 个采样点之间转过的曲轴转角波动 由于信号盘上的齿数均匀分布因此可以用信号盘齿数分度转角角度 信号盘的齿数越多对曲轴角度分度越细测量精度越高 信号盘结构示意图如图 所示由于发动机空间限制以及角标信号传感器精度的原因设计均匀分布 个齿的信号盘在此基础上舍弃 个齿将缺齿位置作为标记 利用角标传感器测量信号盘测得的部分角标信号如图 所示 信号盘上除了缺齿位置每相邻 个齿之间的度数是固定的相邻 个齿上升沿之间的凸轮转角间隔均为 同时由于高速采集卡的采样频率是确定的可以根据角标信号中相邻 个齿上升沿之间的采样点数计算出凸轮轴在凸轮转角每 的瞬时转速波动瞬时转速波动率/()式中:为凸轮轴瞬时转速标准差 为凸轮轴平均转速 为凸轮轴转速第 期 魏枫展等:全可变液压气门系统气门运动规律动态测量与数据处理方法 图 信号盘结构示意图 图 信号盘部分角标信号示意图发动机转速为、/时凸轮轴瞬时转速如图 所示图 不同发动机转速下凸轮轴瞬时转速由图)及式()可知:发动机转速为 /时凸轮轴瞬时转速呈现周期性波动././.这是由于在 缸发动机中凸轮驱动各缸液压挺柱过程中均导致阻力矩波动因此在 次气门单循环中出现 个波峰与 个波谷图 发动机转速 /下角度转换后气门升程由图)及式()可知:发动机转速为 /时 ././发动机转速为 /时 ././.凸轮轴瞬时转速波动随着发动机转速的升高而降低为改善低转速下的瞬时波动对采集的气门升程数据进行处理:)将角标信号中相邻 个缺齿信号的上升沿作为判断气门单次循环的依据)将相邻上升沿之间的数据均匀选取 个点进行插值处理)通过多循环平均的方法获得气门升程数据 发动机转速为 /时经过角度转换后气门升程如图 所示 由图 可知:利用信号盘采集的角标信号对气门升程数据进行处理可以有效 内燃机与动力装置 年 月 第 卷减少低转速工况下瞬时转速波动导致的气门升程的测量误差.传感器动态特性对气门升程测量精度的影响为了研究传感器动态特性对气门升程测量精度的影响试验中采用激光位移传感器在不同的采样频图 采样频率为 时的实测气门升程率下对不同转速下的 气门升程进行测量传感器采样频率为 时不同发动机转速下的实测气门升程如图 所示图中 点为缺齿位置标记点相对应的曲轴转角为、分别为在发动机转速、/时在上升段气门升程为 处(上升段气门升程 处接近气门速度最大的位置曲轴角度变化最敏感)对应的曲轴转角 由图 可知:激光位移传感器的采样频率不变随着发动机转速升高气门升程的相位滞后越明显图 传感器采样频率对相位滞后的影响将激光位移传感器在不同采样频率、不同发动机转速下的气门升程进行数据处理获取上升段气门升程为 处(接近气门速度最大位置)的曲轴转角如图 所示由图 可知:激光位移传感器采样频率保持不变时发动机转速升高气门升程上升段 处的曲轴转角增大即气门升程相位滞后越明显当发动机转速不变激光位移传感器采样频率降低气门升程上升段 处曲轴转角增大气门升程相位滞后越明显 因此传感器采样频率对气门升程测量精度有重要影响 传感器采样频率越高气门升程相位滞后越小即增大激光位移传感器的采样频率可以提高对气门升程的测量精度.气门升程数据处理方法在采集气门升程数据的过程中激光位移传感器的输出信号容易受到其他信号的干扰导致采集的气门升程曲线不光滑存在很多“毛刺”这些干扰信号对微分求解气门升程的速度、加速度造成较大影响因此对原始气门升程数据采用滤波、光顺的方式进行处理 中气门与液压活塞之间不存在气门间隙因此可以将气门组件和液压活塞作为一个整体进行动力学分析忽略气门受到的气体阻力活塞与气门部件在油液压力、弹簧力与阻尼力的作用下做往复直线运动该运动规律可表示为:()()式中:为液压活塞气门组件的当量质量 为气门行程 为作用在液压活塞上的高压压力 为液压活塞面积 为气门弹簧刚度/为气门弹簧预紧力 为阻尼系数/()为时间由于、均为定值阻尼力相对其他力较小根据式()可知:气门加速度的波动主要取决于 气门加速度的波动频率基本与高压压力的波动频率保持一致 以此可以区分杂波信号与气门有效信号判断低通滤波截止频率是否合适发动机转速为 /、不同截止频率对气门升程进行数据处理得到的气门加速度如图 所示由图 可知:当截止频率为.时干扰信号较多无法区分干扰信号与气门振动加速度信号当截第 期 魏枫展等:全可变液压气门系统气门运动规律动态测量与数据处理方法 图 不同截止频率滤波处理后气门加速度止频率设置为.时信号出现了失真现象有效信号被过滤掉当截止频率为.时此时气门加速度波动频率与高压压力波动频率一致由此可知当低通滤波截止频率设置为 时加速度信号滤波效果较好加速度信号有较好的保真度不同转速、不同滤波频率的气门升程、气门加速度与作用在液压活塞上的高压压力如图 所示 由图 可知:不同发动机转速需要的低通滤波截止频率不同发动机转速为 /时低通滤波截止频率应采用.发动机转速为 /时 低 通 滤 波 截 止 频 率 应 设 置 为 发动机转速为 /时低通滤波截止频率应设置为.即随着转速的提高采用的低通滤波截止频率应相应降低图 不同转速、不同滤波频率的气门升程、气门加速度与高压压力为了使试验数据更加接近实际对气门升程滤波后进行光顺处理 光顺处理可消除气门升程曲线中一些不合理的波动 因此在对气门升程处理的程序中采用了五点三次平滑法 光顺后的气门升程的计算式为:()/()/()/()/()/()内燃机与动力装置 年 月 第 卷式中:为测量的原始气门升程 为试验数据的个数为光顺处理后的气门升程()图 光顺处理前、后实测气门升程光顺处理前、后气门升程如图 所示 由图 可知:经过光顺处理后实测升程曲线更为平滑且无明显失真现象 结论对搭载 的 缸柴油机进行气门运动规律动态测量分析了发动机转速、传感器动态响应特性以及数据处理方式对气门升程测量精度的影响 为使试验数据更加接近实际采取了角标信号处理、增大传感器采样频率的测量方法及选择滤波、平顺的数据处理方法)阻力矩波动导致瞬时转速波动这种瞬时转速波动在低转速下更加明显 通过角标信号对气门升程进行数据处理可有效减少由于瞬时转速波动导致的气门升程测量误差)激光位移传感器的动态特性是影响气门升程测量精度的关键因素 发动机转速增大导致气门升程相位滞后增大激光位移传感器采样频率可以改善此现象)选择合适的数据处理方式可以提高气门升程测量精度 气门加速度波动频率与作用在液压活塞上的高压压力的波动频率一致以此可区分干扰信号与气门加速度信号判断低通滤波截止频率是否合适 不同发动机转速需要的低通滤波截止频率不同随着发动机转速增大滤波截止频率应相应减小采用五点三次平滑法处理气门升程可使数据更加接近实际参考文献:苏万华张众杰刘瑞林等.车用内燃机技术发展趋势.中国工程科学():.李涛.无节气门汽油机燃烧循环变动的试验研究.济南:山东大学./.:.吴修江李智敏谢宗法等.全可变液压气门机构对汽油机泵气损失及机械效率的影响.内燃机与动力装置():.魏枫展张晋群常英杰等.全可变液压气门运动特性及其泵气损失.内燃机学报():.闫帅.全可变液压气门机构改善汽油机燃油经济性的试验研究.济南:山东大学.:.:.胡治朱晓阳方茂文等.发动机气门间隙和气门升程在线测量方法研究.汽车工程():.刘忠民俞小莉李建锋等.多传感器数据融合技术在气门动态特性试验中的应用.内燃机学报():.李建锋俞小莉沈瑜铭等.气门动态信号处理方法研究.内燃机工程():.():.黄玉珍谢宗法常英杰等.全可变液压气门机构的气门落座特性.内燃机学报():.张晋群李小霞谢宗法等.凸轮驱动式全可变液压气门系统仿真与试验研究.内燃机工程():.(下转第 页)第 期 魏枫展等:全可变液压气门系统气门运动规律动态测量与数据处理方法 .:.:(责任编辑:臧发业)(上接第 页).:().:(责任编辑:刘丽君)内燃机与动力装置 年 月 第 卷