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一个关于电磁发动机的设计和实验实施
摘要
在传统的内燃机中发动机阀的位移相对于曲轴位置固定。如果这些阀门驱动为曲轴角度变量的函数，在燃油经济性方面可以实现显着改善。为了这个目的，最近提出一个用于内燃发动机的新型电磁阀驱动系统（EMVD）。此EMVD包含一个具有非常理想的非线性的轮廓的盘形凸轮，其用作非线性机械变压器。建模和仿真结果表明EMVD比以前设计的电磁发动机气门驱动器具有显著优势。在本文，我们描述了一个实验实施所提出的EMVD来证明他的优势所在，所述EMVD装置被设计，构造并集成到计算机控制的实验台。实验结果表明，在发动机气门弹簧系统机械变压器中采用非线性的好处，平均功耗最小并且更低的阀落座速度。此外，阀转变时间足以够6000 rpm的发动机操作来实现。结果还表明如何在未来改善EMVD装备。
关键词：凸轮，无凸轮发动机，可变气门驱动，可变气门正时
第一章 介绍
尽管经过一个世纪的发展，内燃机（IC）发动机的仍然在不断推陈出新。现代发动机比之前更有效，因为他们生产的每单位质量或体积功率更大更清洁。许多内燃机的功能已被重新设计，在近年，可变气门驱动是最有前途的技术改进之一–[ 3 ] [ 1 ]。在某些方面，这机电阀驱动（EMVD）代表着在可变气门驱动的终极。
在传统的内燃机气门位移是固定的曲轴位置功能。该阀由致动凸轮位于一belt-或链条驱动的凸轮轴来驱动的。这些凸轮的形状是通过权衡考虑发动机速度，功率和扭矩要求，以及车辆的燃料消耗等来决定的。此优化结果中的发动机仅在特定的速度达到高效[4]。如果发动机阀门驱动为曲轴角度变量发动机负荷等参数的可变函数，则可以显著改善燃油经济性[ 5 ]。
IC发动机，其中两个的持续时间（每个阀多久打开或关闭）和相位（当每个阀打开或阀的闭合），可以控制，被说成具有可变气门正时（VVT）[6]。在一些VVT系统中，也有可能有来控制升程（从闭合的位移打开位置）的阀门。用单独的可变气门正时，将可以实现10％的燃料经济性的改善[5]。
我们通过给出的VVT的一些背景来开始这篇文章，讨论文献中所描述的可变气门驱动系统，然后重点提出EMVD，包括建模和控制EMVD的细节及其在实验室中实现过程和实验结果。在第二节，我们讨论VVT系统和在文献中描述的可变气门致动系统。所提出的EMVD则是在第三和第四部分讨论。在第五节中，我们提供了一些设计EMVD和控制方面的考虑。我们在第六节描述了EMVD实验装置。最后，控制器的设计和试验结果在第VII节中给出描述..
第二章 可变气门正时系统
内燃机气门的运动配置文件（例如，阀门的位置随时间，阀的速度与时间的关系曲线）是固定形状，而且相对于发动机曲轴位置变化。通过一个电磁驱动可变气门正时系统，能独立控制发动机的阀波形的相位和时间，也可以进行可变排量发动机，某些发动机气缸可能停用。在这些系统中，的阀门可以在开启或关闭一个变量的位置的时间称为保温时间。他们也可以指挥从全开到全关位置，反之亦然（阀门行程）。他们变得很快，完美
契合于发动机的瞬时操作。 实际上，VVT系统将取代目前camshaftdriven 气门驱动系统。为此，VVT系统必须与传统的气门驱动系统有一些相同的特征，同时让更多的灵活性，在1083-4435 / $ 20.00copy;2005 IEEE PARLIKAR：设计和电磁发动机的实验性实施阀驱动483 之前是可行的[7]中有所提到。首先，普通机械在一个典型的16相关2.0-l，四缸驱动发动机在6000转的转速节气门全开功率损失2–3千瓦[ 7 ]。因此，对于任何想要有竞争力VVT系统，有效的机械功率损耗必须达到这个数量级。其次，落座速度，速度在该发动机气门要接合其阀座，典型IC的发动机气门小：在600-RPM的发动机速度小于3厘米/秒，并在6000 rpm的发动机小于30厘米/秒速度[6]。为了防止发动机气门的过度磨损并限制噪音，任何VVT系统应允许阀的“软”着陆; 即，阀必须在等于或低于这些速度的情况下接合阀座。第三，任何VVT系统必须有效地允许阀转变时间（从5％阀移动的行程的行程的95％的时间）达到3-4毫秒或更快的量级。这些快速的转换时间使发动机的运转速度达到6000转或更高。第四，从一个控制系统的角度看，任何VVT系统必须能够如预期的操作变化的气体力。气力作用特别显著，尤其是在发动机排气门。最后，“间隙调节” 装置，其需要考虑发动机气门的热膨胀，还必须结合到VVT。除了这些特征，要想成为一个可行的替代常规IC发动机气门，VVT系统必须在经济上和技术上是可行的。在这方面，部件成本，耐用性，和包装也必须加以考虑。
有许多类型的可变气门致动系统，根据它们的操作方式逐一分类。这里面一些
系统并不是机电致动，并且可以不如前面所定义实现可变气门正时，但是，它们仍表现出比常规IC发动机更好的发动机性能。
最流行的机械致动阀的系统是可变凸轮定相（VCP）和凸轮廓线变换（CPS）型。在VCP，凸轮相位相对于曲轴偏移。除了在相位上的偏移，气门升程相对于曲柄角分布是完全不变的。与其它特性相比，这种特性意味着，在阀开度角的变化导致阀关闭角相等的变化。VCP系统
是在双顶置凸轮轴（DOHC）发动机中常用的，在这种情况下一个致动器可以控制所述的进气或排气阀的相位。这两种类型的阀的控制都需要两个致动器。
在CPS系统，效果从一个凸轮换档到另一个效果是相同的。升降，持续时间第二凸轮相位都是可以与所述第一凸轮不同，但是操作的选择是一个固定的阀位移分布和另一个之间来进行的。无论VCP和CPS很受欢迎，由于其设计简洁，许多汽车企业已经使用了量产车型使用了这些方法[8] - [10]。其它方法在可变气门驱动用电动气动包括[11] 和电[4]阀致动器，在各种文献中均有广泛描述。
最可行的机电阀驱动系统是正常的基于力致动器的机电阀门驱动装置（nfemvd）[ 1 ]。tprototype nfemvd系统已在几家汽车业公司提出，第一次提出和申请专利的是FEVmoterentechnik [ 1 ]，[ 12 ]。其他有该技术的公司包括宝马[ 13 ]、[ 14 ]、[ 15 ]–通用[ 17 ]，
雷诺西门子[ 18 ]、[ 4 ]、[ 19 ]、[ 20 ]和光环。
图一 常力驱动电子阀
在NFEMVD，两个螺线管用于控制谐振阀-弹簧系统：一个用于保持阀打开，和一个以保持所述阀关闭。每个电磁施加单向法向力，并且因此，该系统采用两个正常力致动器。图1显示了这样的法向力驱动阀的驱动系统。
发动机气门是耦合的两个谐振弹簧，如图1气门弹簧系统所示。弹簧系统这一平衡位置在阀门行程的中间。这样的系统具有固有的固有频率（omega;N），质量（M），有效弹簧常数（k），和阻尼比（zeta;）。如果没有阻尼，在阀的初始位移任一弹簧的方向将导致阀在系统固有频率上持续振荡。该阀可以被没受到力的装置保持在行程的任一端。如果阀从静止在行程的一端释放，其将以零速度到达行程的另一端。在理想的无摩擦的情况下，只考虑阀的弹簧系统动力学，电机只需要能够保持阀在行程的两端。在现实中，则需要额外的工作来防止气力干扰和补偿摩擦。
在NFEMVD中使用弹簧的好处是，理想情况下，允许从阀门一端无损地转换阀门冲程到另一个。 一旦最初注入的大量能量通过压缩其中一个弹簧进入系统，即能量转化为动能，然后从那个弹簧不断转移到另一个弹簧。 惯性（无功）功率用于在需要时加速和减速阀门气门质量，因此存储在内部，并且不需要通过外部来源。
在NFEMVD中，每个电磁体施加的力与电流输入的平方成正比，作为执行器和阀门之间的气隙的函数的折痕电枢[21]，[22]。 因此，这些致动器具有不均匀的持续力。 对于固定的电流水平，当阀门非常接近螺线管时每个电磁阀都可以施加很大的力，但当阀门距离螺线管很近时也可能力很小。比如，当阀门在任一端时，相关螺线管可以以一个很小的电流产生相当大的力。因此，在弹簧两端有一个保持电流。 但是，当阀门位于弹簧下端时，大的向上的力需要向上作用的螺线管中的很大的电流。
由于NFEMVD中使用的执行器，用法向力执行器实现软着陆是实质上的控制挑战[21] - [23]。 首先，因为法向力促动器是单向的，不可能在阀门接近行程末端时减速---到达弹簧末端时，速度完全为零（被定义为完美的软着陆），在整个过渡期接收端执行器必须完成尽可能多的工作，以防止摩擦和气体力量。 如果执行器不行这么多的工作，阀门将在行程结束之前停止并将被弹簧弹开。 如果执行器做了正确工作之外的工作，阀门将以非零速度到达弹簧末端并影响冲程阀座。
第二个控制挑战是电磁交流调节器有一个不均匀的力常数[22]，使得当阀门关闭时很难对阀门施加足够的力到系统的平衡点。 因此，在系统中它很难抵消气体扰动对环境的影响。
为了控制阀座速度并抑制发动机阀门上瓦斯排放，在设计控制器时要考虑到这些条件约束。（见[21]，[23] - [25]及其中的参考文献）表明，在没有气体的情况下，一个精心设计的非线性控制器可以实现软着陆。 但是，它还不知道包含瓦斯力量将如何影响这个控制器。
一个可能的解决方案，力驱动阀门 - 弹簧系统将尝试使用双向阀 - 用于控制谐振阀弹簧系统。 这种致动器的一个典型例子是旋转式电动机构。 这种致动器具有均匀的力常数并且可以作用双向力。亨利等人[16]，[17]指出，用电机驱动的谐振阀 - 弹簧系统（MAEMVD）和一个主动控制器可以减少气力的影响。 然而，这个VVT系统存在问题。 首先，目前需要保持的电流是非常高的，因为在两端的弹簧作用力很大。 其次，所需的来拒绝瓦斯的干扰驱动电流也很大。 这样的话，即使在低效率的情况下，发动机转速（le;2000转），该VVT系统的相应的功率损失也是太大而不够经济可行[7]。
在下一节中，我们将介绍所提议的EMVD，它将消除NFEMVD和MAEMVD驱动器两者的控制挑战，同时继续使用他们最理想的特征：谐振阀 - 弹簧系统。
第三章 EMVD
所提出的EMVD包括电动机（类似的到MAEMVD），作为非线性机械变压器（NTF），系统通过开槽凸轮，连接到一个谐振阀门弹簧。正如在NFEMVD中，两个弹簧任意两端都有两个固定的的参考框架。随着电机旋转，滚筒在开槽凸轮内移动，允许阀门垂直移动。
随着阀门的移动，它压缩一个弹簧并拉伸另一个。
图二
图三
图2表示这种EMVD的示意图，图三表示z域和theta;域的传输特性曲线。
所提出的EMVD中使用谐振式气门弹簧系统跟在NFEMVD中使用它的好处相同。理想情况下，弹簧允许阀门的无损过渡从运动的一端到另一端。在阀门弹簧
系统中，力量在抽程的末端是最大的，因为弹簧力从抽程中间开始会随着阀门位移而线性增加。如果阀门运动和电机轴运动之间的关系是线性的（如在MAEMVD中），这些大的夹持力会使阀门在不使用大马达转矩的情况下难以保持打开或者关闭的状态，因此需要用到很多电力。另外，想精确控制阀座速度需要做到精确控制电机速度。图三中的凸轮轮廓可以全部解决这些问题，我们将在下一节中做介绍。
四 系统模型
A 非线性机械变压器关系
因为theta;是z的函数，反之亦然，所以很容易看出非线性机械变压器的使用意味着theta;和ž之间存在着关系。
非线性机械变压器提供了一个理想的z域和theta;域之间的耦合，通过等同z域和theta;域之间的力量并使用NTF特性，可以显示出下面的关系：
这里边Ttheta;是theta;域的扭矩，FZ是z域的力量。
使用这种非线性机械变压器可以得到很大好处。在抽程的任一端，凸轮特性的斜率都特别小，这就反映了z域中的电机的惯性特别大，由于靠近抽程末端的大而有效的惯性减缓了阀门速度，自然也就造就了阀门的平滑的运动特性。这个特性使得在靠近冲程末端更容易控制电机速度，而且在抽程末端，大的Z域的弹簧力很容易转变成小的theta;域的扭矩。另外，因为排气阀上的气体力在开口端最大，在排气冲程中，在theta;域根据获得的结果反映的气体力也就越小，使得他更容易打开排气阀抵抗气体力。
- EMVD的运动方程
EMVD的运动方程如图二所示，
Ttheta;是theta;域变压器的扭矩，FZ是z域变压器的力量；Jtheta;是theta;域的惯性，MZ是Z域的集合；Btheta;是theta;域的阻力，BZ是z域的阻力；KT是电机恒转矩，KZ是两个弹簧的弹簧常数。I是电机电流，theta;是旋转域的距离；z是垂直域的距离。
等式5和6可以通过NTF特性关系接合起来。照这样的话，我们可以在z域或者theta;域得到一个独立的运动方程。在theta;域，如果我们假设一个时变气体干扰
也作用于阀门（内燃机内部排气阀的典型特征），得到的运动方程是：
方程中g(theta;, t)是反应在theta;域的作用在阀门上的时变气体干扰。
实际上，（7）中的系统类似于一个典型的二阶具有非线性惯性和非线性阻尼的时变微分方程。假定系统没有输入，（因此g(theta;, t)）=0并且i=0），且如图三冲程末端的处的凸轮特性曲线有一个较小的斜率，在冲程末端有一个无穷数的平衡（z=4mm,theta;gt;26），该系统在（z,theta;）=0处达到平衡.用标准的能量派生Lyapunov函数可以显示这些均衡的存在。
对于（7）中的模型，重要的是要注意活跃的EMVD特性曲线在每个点都在改变，因为（DZ/Dtheta;）对于阀行程中的每个点是不同的。弹簧系统有效的系统增益
在冲程末端增加并且
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