电磁驱动气门机构的设计开发和试验研究

摘要

本论文在参阅文献和借鉴国外设计开发经验的基础上,结合与一汽集团无锡油泵油嘴研究所合作的电磁驱动气门机构课题的实际情况,采用模型分析、仿真计算与试验研究相结合的研究模式,对EMVA系统进行了较为深入的探索性研究,取得了一定成果,为今后进一步研究和开发打下坚实的基础.论文主要工作:(1)采取将磁性材料磁化曲线近似计算的方法,建立了电磁阀的静态模型,得出电磁阀设计与控制参数拟定应遵循的原则.(2)为设计出满足EMVA系统用的高速电磁阀,建立了电磁阀的动态模型,用计算机仿真的方法,分析了高速电磁阀的工作机理,探讨了驱动电压、运动质量、弹簧刚度及预紧力、线圈匝数、线圈电阻、衔铁行程等各参数对动态响应特性的影响,提出了改善电磁阀响应特性的措施.(3)在分析EMVA的工作原理和工作过程的基础上,国内首次设计研制了一套矩形叠片式、双电磁铁、双弹簧的EMVA系统.静铁芯由矩形硅钢片叠合而成,大大减小了磁性材料的磁滞效应和涡流效应,同时也降低了线圈的发热.设计中在减小运动质量的同时,考虑降低空气阻尼的影响,采取在衔铁上打孔的措施.同时还采用预留残余气隙来减小由于机械加工误差和剩磁对机构造成的影响.(4)研制了与EMVA系统相配套的动态试验测试系统,完成了该系统的静态特性和动态特性试验.提出了以控制线圈电流来降低落座速度的开环控制策略,在国内首次通过动态试验得出了控制参数对落座速度的影响规律,通过优化匹配控制参数将落座速度降到了一定范围,进一步验证了自行研制EMVA的实用性和控制系统的可行性.(5)在国内首次基于磁性材料的磁化曲线,对EMVA建立系统模型,考虑了磁性材料的磁饱和、磁滞和互感特性.针对EMVA系统的高度非线性、参数不确定性以及扰动大的特点,首次将变结构滑模控制理论用于EMVA系统的控制.仿真结果表明,该控制系统成功地实现了对期望轨迹的快速完全跟踪,并实现了气门软着陆.同时解决了气门位移和速度难以测量的问题.

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1可变气门驱动的发展现状

1.1.1凸轮驱动可变气门系统

1.1.2无凸轮驱动可变气门系统

1.2电磁驱动气门机构的研究与进展

1.2.1 EMVA的典型方案

1.2.2 EMVA的优势

1.2.3 EMVA存在的问题

1.2.4 EMVA的控制系统

1.2.5 EMVA的控制策略

1.2.6 EMVA的系统建模

1.2.7 EMVA的发展趋势

1.3本文的选题背景及意义

1.4本文的主要工作

第二章可变气门技术对发动机性能的影响

2.1可变进气正时

2.1.1减小泵气损失

2.1.2提高进气速度

2.1.3提高充气效率

2.1.4可变压缩比

2.2可变排气正时

2.2.1优化膨胀比

2.2.2内部EGR

2.2.3提高怠速稳定性

2.3可变气门升程

2.3.1降低能耗

2.3.2加大进气流动速度

2.3.3控制气体流动

2.4可变气门速度

2.4.1提高充气效率

2.4.2降低能量消耗

2.5可变气门重叠角

2.5.1改善怠速稳定性

2.5.2降低燃油消耗

2.6停滞气门

2.6.1发动机可变排量

2.6.2改变气流流动方式

2.6.3失火危害控制

2.6.4减小转动扭矩

2.7本章小结

第三章高速电磁阀的机理研究

3.1电磁阀的静态模型

3.1.1电磁阀的磁路计算

3.1.2电磁阀的静态模型

3.1.3电磁阀技术参数的拟定

3.2电磁阀的动态模型

3.2.1电磁阀的动态参数

3.2.2电磁阀的动态模型

3.2.3电磁阀仿真模型

3.2.4电磁阀响应特性的影响因素

3.2.5改善电磁阀响应特性的措施

3.3本章小结

第四章电磁驱动气门机构的实用性开发

4.1 EMVA的工作原理

4.2 EMVA的工作过程

4.2.1关闭过程

4.2.2闭合状态

4.2.3开启过程

4.2.4全开状态

4.3电磁驱动气门机构的设计开发

4.3.1 EMVA对高速电磁阀的要求

4.3.2 EMVA的设计分析

4.3.3电磁阀的结构方案

4.3.4磁性材料的选择及热处理工艺

4.3.5电磁阀的结构设计

4.3.6 EMVA的整体装配

4.4高速电磁阀的功率驱动

4.4.1高速电磁阀对功率驱动模块的要求

4.4.2功率驱动能量输入方案

4.4.3功率驱动类型的选择

4.4.4驱动电路方案的确定

4.4.5功率开关元件的选取

4.4.6功率元件保护电路的设计

4.4.7驱动电路的设计

4.4.8逻辑电路的设计

4.5本章小结

第五章电磁驱动气门系统的试验研究

5.1 EMVA静态特性的试验研究

5.1.1静态特性的测试系统

5.1.2静态特性的试验结果

5.2 EMVA动态特性的试验研究

5.2.1测试系统的检测装置

5.2.2功率驱动

5.2.3动态测试系统

5.2.4动态特性的试验结果

5.3本章小结

第六章电磁驱动气门系统的变结构控制

6.1 EMVA系统建模

6.1.1机械模型

6.1.2电路模型

6.1.3磁路模型

6.2 EMVA控制的难点

6.3变结构控制理论

6.4 EMVA状态观测器的设计

6.4.1非线性可观性理论

6.4.2滑模观测器的设计

6.5 EMVA滑模控制器的设计

6.6仿真结果

6.7本章小结

第七章 工作总结与展望

1.本文的主要研究成果

2.本文的创新

3.今后工作的展望

致 谢

攻读博士期间发表的论文

参考文献