发动机电磁气门驱动机构及其控制系统研究

论文摘要

节约能源,控制有害排放,已成为内燃机技术发展的主导方向。世界各国的汽车企业和科研院所投入了大量人力和物力进行清洁高效内燃机的研究。改变发动机气门的开启相位、持续时间和升程是改善发动机性能、提高热效率和减少有害排放的一种重要方法。传统气门驱动系统通常只能保证在某一工况下优化发动机的性能,其凸轮型线在出厂时即已经固定,无法在运行过程中进行调节,因此这种气门驱动系统具有一定局限性,它使得发动机的性能难以在各种工况下都达到优化,实现无凸轮轴驱动的全可变气门技术已迫在眉睫。电磁驱动气门机构以其独特的优势倍受关注,该机构可灵活的控制气门的正时和升程,实现发动机低油耗、低排放和高效率的控制目标。国外在电磁驱动气门机构的结构设计和控制方面已做了大量研究,但由于仍有许多问题尚未解决,有关研究工作还在进行之中,要实现产品化尚需一定时间。为了能够在任意工况下对发动机的性能进行优化,本论文在参阅大量文献和借鉴国内外设计开发经验的基础上,对EMVA系统进行了探索性的研究,为今后进一步研究开发奠定了基础。本论文主要工作:(1)通过参阅大量参考文献和借鉴国内外的研究经验,对电磁气门驱动机构用高速强力电磁阀各个部分进行了设计,主要包括:磁性材料的确定、弹簧的设计、电磁铁(含静铁芯和动铁芯)的设计和电磁吸力的测试、专用气门的设计、电磁线圈的设计和整体外壳的设计等。(2)对电磁气门驱动机构用高速强力电磁阀进行了仿真研究,通过仿真,找出了影响电磁阀工作性能的影响因素。(3)对电磁气门驱动机构控制系统进行了设计,主要包括:单片机的选型、I/O的分配、功率驱动电路、程序工作流程和通讯接口等。(4)根据给定实验设计要求,做出了EMVA实物研究模型,并对其进行了运行调试。经过实验验证,能够实现高速、中速、怠速和停车的功能要求。(5)对如何解决电磁气门系统运行时电磁阀发热的问题进行了说明,并提出了解决问题的方法。同时指出了将来的电磁气门机构可能用到的DSP芯片驱动方式。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• 1 文献综述
• 1.1 可变气门驱动技术的发展
• 1.1.1 凸轮轴驱动的可变气门机构
• 1.1.2 非凸轮轴驱动的可变气门机构
• 1.2 电磁气门驱动机构的研究与进展
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 2 引言
• 2.1 课题的选题背景及意义
• 2.2 本课题的主要研究内容
• 3 EMVA用高速强力电磁阀建模及仿真研究
• 3.1 MATLAB/SIMULINK简介
• 3.2 电磁阀数学模型的建立
• 3.2.1 电磁阀电系统的建模
• 3.2.2 电磁阀磁系统的建模
• 3.2.3 电磁阀机械系统的建模
• 3.3 模型仿真的实现
• 3.3.1 气门阻尼力的影响
• 3.3.2 不同运动质量的影响
• 3.3.3 不同弹簧刚度的影响
• 3.3.4 不同维持电压的影响
• 3.3.5 不同峰值驱动电压的影响
• 3.3.6 不同线圈电阻的影响
• 3.3.7 不同线圈匝数的影响
• 4 EMVA结构设计及实验
• 4.1 EMVA工作原理
• 4.2 EMVA设计开发
• 4.2.1 EMVA对高速电磁阀的要求
• 4.2.2 EMVA设计分析
• 4.3 EMVA的具体结构方案设计
• 4.3.1 高速电磁阀的结构设计
• 4.3.1.1 弹簧的设计
• 4.3.1.2 电磁铁的设计过程
• 4.3.1.3 专用气门的设计
• 4.3.2 EMVA机构整体结构装置图
• 5 基于单片机的EMVA控制系统的设计
• 5.1 EMVA用高速强力电磁阀对功率驱动电路的要求
• 5.2 电磁阀功率驱动电路的设计
• 5.2.1 驱动电路方案的确定
• 5.2.2 功率开关元件的选择
• 5.2.3 高低压电路的设计
• 5.3 逻辑电路的设计
• 5.3.1 所用单片机简介
• 5.3.1.1 单片机的选型
• 5.3.1.2 AT89C51单片机简介
• 5.3.1.3 AT89C51管脚说明
• 5.3.1.4 最小系统的确定
• 5.3.2 I/O地址分配
• 5.3.3 AT89C51与PC机通信接口
• 5.3.3.1 串行通信
• 5.3.3.2 RS-232C标准
• 5.4 EMVA控制系统的硬件连接
• 5.5 EMVA控制系统的软件实现
• 5.5.1 C51语言简介
• 5.5.2 Keil-C软件简介
• 5.5.3 控制系统实现的功能
• 5.5.4 程序结构方案和流程图
• 5.6 整体系统的运行调试情况
• 6 总结与建议
• 6.1 总结
• 6.2 建议
• 参考文献
• Abstract
• 附录一:系统硬件结构照片
• 附录二:控制系统源程序