船用发动机电液驱动全可变配气参数饱和值耦合规律和非线性跟踪特性研究

A new generation of green ship power demands electro-hydraulic driving technology of full variable valve timing（FVVT）urgently, But owing to the FVVT technology in aspects such as the valve driving efficiency and the valve lift trajectory tracking judgment still facing problems which are difficult to overcome, so the application in the marine engine meets huge obstacle. FVVT parameters have their own maximum value in different case, namely the saturation value, and in the same case, the parameters of saturation value has a coupling relationship. For Electro-hydraulic driving FVVT，its coupling relationship is also influenced and restricted by driving ability of the electro-hydraulic drive mechanism and nonlinear characteristics, these problems can not be ignored in the study of the electro-hydraulic driving valve lift trajectory optimization and the driving efficiency. The applicant presents the study that " Full Variable Valve Motions Coupling Law and Nonlinear Tracking Characteristic of Electro Hydraulic Driving System on Marine Engine FVVT", which is aimed at revealing the influence mechanism between air flow inside cylinder and saturation parameter value and the coupling law of valve motion parameters with the influence of electric hydraulic, mechanical and airflow multi-variable, exploring the variable angle domain sampling mechanism based on Electro-hydraulic nonlinear system stability. Solving the problems of FVVT parameters not perfect and valve tracking performance descend in transient and transition conditions for practice marine engine performance, it has important theoretical significance and extension application prospects.

新一代绿色船舶动力对电液驱动全可变配气技术需求迫切，但由于目前全可变配气技术在气阀驱动效率、气阀升程轨迹跟踪判断等方面仍面临难以攻克的难题，因而其在船机上的应用遇到了极大的障碍。全可变配气参数在不同工况下具有各自最大值，即饱和值，且在同一工况下，各参数饱和值之间又存在一定的耦合关系。电液驱动的全可变配气，这种耦合关系还受电液驱动机构的驱动能力和非线性特性的影响与制约，这些问题在电液驱动气阀升程轨迹优化和驱动效率研究中不可忽略。申请人提出“船用发动机电液驱动全可变配气参数饱和值耦合规律和非线性跟踪特性研究”，旨在揭示缸内气流流动对配气参数饱和值形成的影响机理和气阀运动参数在电液、机械及气流多变量之间的耦合规律，探索基于电液非线性系统稳定性的可变角度域采样机制。解决船机实际运行中全可变配气参数不优，瞬态及过渡工况气阀跟踪性能下降的问题，具有重要的理论意义和推广应用前景。

本项目面向新一代绿色船舶动力对电液驱动全可变配气技术的需求，结合目前全可变配气技术在气阀驱动效率、气阀升程轨迹跟踪判断等方面面临的问题。项目按照研究计划自主设计开发了一种电液驱动全可变配气系统，以最优功耗为目标，优化了执行器的结构。结合制约电液驱动全可变配气系统高动态响应的技术瓶颈，创新性设计了基于剩磁锁定原理的大流量高频电磁阀，仿真和试验测试其额定流量为50L/min，阀芯100%阶跃响应的时间为1ms，相关指标参数在同类产品中具有一定的优势。研究了电液全可变配气气阀运动参数饱和值耦合规律，并建立了柴油机电液可变配气最优气阀运动参数数据库。以柴油机动力性与排放性为优化目标，得到基于径向基函数的气阀运动参数最优解，在少量消耗计算资源的情况下，利用遗传算法在全局范围内快速寻优，得到全工况范围内的最优气阀运动参数。建立了中高速柴油机配气过程三维工作过程模型，揭示不同配气参数对缸内流动性能和湍动能的影响机理和规律。探究了全可变配气系统的非线性驱动特性，建立系统非线性模型，开发了基于位置伺服的电液全可变配气系统的非线性滑模变结构控制器，使全可变配气控制系统可以在有限时间内收敛。搭建了船用中高速柴油机电液无凸轮可变配气试验测试平台，可以满足转速1200rpm柴油机电液驱动可变配气系统平台测试，获得了丰富的控制阀和系统的测试实验数据，为电液驱动无凸轮配气系统优化和配机应用提供系统试验验证平台。. 项目执行期，根据项目阶段性研究成果，开展了7次国内外学术交流，培养8名研究生，其中博士研究生2名，硕士研究生6名。发表论文16篇，其中期刊论文6篇，SCI收录3篇，EI收录3篇，会议论文10篇：国际会议论文3篇，国内会议论文7篇。其中2017年参加中国内燃机学术年会会议论文获优秀论文奖；申请专利5项，其中已授权2项；软件著作权2项。. 本项目有力地推动了国内船用柴油机电液驱动全可变配气的研究进展，相关研究成果为国内外学者开展电液驱动全可变配气研究提供重要理论和方法参考。