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电磁驱动配气机构是一种典型的无凸轮配气机构,能够完全独立、连续且实时调节气门运动参数,是提升汽车发动机动力性和燃油经济性的关键技术之一。作为一种新型的全可变配气技术,电磁驱动配气机构应用于发动机,能够在满负荷工况拓宽高充气效率的转速区域,部分负荷工况大幅度降低泵气功耗,从而有效改善发动机的动力性和燃油经济性。电磁驱动配气机构在发动机进气系统应用,需要考虑电磁驱动配气机构本身的驱动功耗,结合发动机的实际运行工况灵活切换气门工作模式,来获得良好的发动机性能。但是发动机工况众多且性能影响因素复杂,如何开发出最优的气门运行模式,并在此基础上解决气门运行模式间的柔性切换等技术问题,给电磁驱动配气机构的应用带来了挑战。 本文基于一种动圈式电磁驱动配气机构,通过理论分析、仿真计算和试验研究相结合的方法对电磁驱动配气机构在发动机进气系统的应用展开深入研究。对发动机常用工作区域,通过重新规划气门运行模式来改善发动机动力性和经济性,论文工作具有重要的研究意义和应用价值。论文的主要工作和研究成果包括以下几个方面: (1)采用试验手段对电磁驱动配气机构气门运行规律和驱动功耗进行测试,结果表明该机构具有较快的响应速度,气门运行规律良好,气门运行可靠性高,功耗较低、气门运行规律重复性稳定,能够满足本课题研究的需要。该机构相比凸轮驱动可变配气机构气门控制参数自由度更大,为后文进气门运行模式的寻优提供了依据。 (2)针对发动机进气系统应用电磁驱动配气机构,结合缸内工质运动强度随气门运行模式变化敏感的特点,发动机工作过程建模时,对Fractal燃烧模型进行修正,引入湍动构建缸内工质运动强度与燃烧特性的联系,从而更准确预测电磁驱动配气机构发动机的性能表现。针对气门运行模式变化对发动机充气/压缩过程中缸内工质运动强度的影响问题,本文建立了三维CFD模型,通过对动网格的定义,初始边界的定义,能够较准确的反映出气门运行参数的变化对缸内运动强度的影响。 (3)利用电磁驱动配气机构与转速无关的特点,即气门开启/关闭过渡时间以及配气相位可全柔性化调节,探明了进气充量提高的主要障碍并非始终依赖于进气门的流通能力,在发动机低速工况,发动机的充气效率已达到非增压下的极限值,因此提高充气效率同时可以兼顾其他因素(如:泵气损失和电磁驱动配气机构的驱动功耗等),以进一步改善发动机的动力性能;在发动机高转速工况,该电磁驱动配气机构相比上一轮样机,气门开启/关闭响应更快,充气效率已经有了明显的提升。 (4)针对发动机部分负荷工况需要兼顾降低泵气损失和适度增强缸内工质运动强度的需求及矛盾,重新规划了气门的运行规律来改善发动机燃油经济性。探明了电磁驱动配气机构在部分负荷工况改善发动机燃油经济性的优势,相比原型机改善幅度可以达到12.2%。另外通过单/双气门工作模式综合权衡,配合气门升程和过渡时间的调节,探明了发动机不同工况下最优的气门运行模式,得到气门运行模式的MAP图,为电磁驱动配气机构在发动机上试验奠定了基础。 (5)针对发动机低转速低负荷工况提升工质运动强度的需求,规划了一种新的气门运行模式来有效改善发动机的燃油经济性。其机理是气门开启规律使进气初期完成绝大部分充气量来抑制泵气损失的过度增加,采用较低的气门升程保持至进气行程末完成剩余充气量。通过与其他典型策略的对比研究,该运行模式能够增强工质运动强度的同时抑制了泵气损失的过度增加,更有利于改善发动机低转速低负荷工况的燃油经济性。