基于長(zhǎng)度可變連桿的運(yùn)行特性研究

K.WITTEK F.GEIGER

長(zhǎng)度可變的連桿能相對(duì)簡(jiǎn)易地集成到現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)中，并使其具有可變的壓縮比。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全性和成本是零部件開發(fā)中最重要的課題。德國(guó)海爾布隆大學(xué)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)車輛上驗(yàn)證了長(zhǎng)度可變連桿的運(yùn)行特性，同時(shí)介紹了其在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)行的試驗(yàn)結(jié)果。

可變壓縮比;長(zhǎng)度可變連桿;試驗(yàn)

0?前言

可變壓縮比在汽油機(jī)上的應(yīng)用包括在一定的全負(fù)荷平均壓力曲線下運(yùn)作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要在盡可能寬廣的工況范圍內(nèi)提高效率。能否使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步提高效率取決于諸多因素，為此研究人員應(yīng)對(duì)各種使用環(huán)境分別予以評(píng)估，其中必須考慮到混合動(dòng)力系統(tǒng)、全新的行駛循環(huán)及代用燃料等方面?；谏鲜銮闆r可知，使用可變壓縮比技術(shù)的前提條件為逐步提升零部件的可用性。研究人員能基于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的可集成性和制造成本來(lái)決定未來(lái)是否使用可變壓縮比系統(tǒng)，以及使用何種系統(tǒng)。

1?偏心活塞銷座方案及其歷史

連桿長(zhǎng)度的可變性能直接借助于直線導(dǎo)向裝置或偏心輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用偏心輪可明顯降低連桿所承受的作用力。通過偏心活塞銷座和2個(gè)液壓缸來(lái)支承偏心力矩，已被證實(shí)具有較高可行性。早在2005年，基于倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果已首次驗(yàn)證了該項(xiàng)功能[1]。在后續(xù)的數(shù)年中，研究人員又在實(shí)際運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)[2-4]。近年來(lái)，針對(duì)連桿的工業(yè)化研究得以開展，預(yù)計(jì)該類產(chǎn)品將于2023年開始量產(chǎn)[5]。

2?液壓支承效果的試驗(yàn)研究

偏心輪所采用的液壓支承是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)故障安全運(yùn)行的前提條件。在2個(gè)終端位置時(shí)，2個(gè)支承活塞中的1個(gè)布置于氣缸底部，另1個(gè)布置在1個(gè)封閉的機(jī)油容器上。由于與零件的彈性變形、可壓縮性及泄漏等因素密切相關(guān)，周期性作用在活塞銷上的負(fù)荷使支承機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，研究人員應(yīng)盡可能消除此類現(xiàn)象。對(duì)于上述目標(biāo)的構(gòu)件設(shè)計(jì)過程而言，研究人員需要對(duì)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象和由此產(chǎn)生的支承壓力進(jìn)行深入研究，而這2類情況的出現(xiàn)又取決于運(yùn)行工況點(diǎn)。

為了對(duì)支承功能進(jìn)行研究，研究人員將配備了壓力和行程傳感器的長(zhǎng)度可變連桿安裝在1臺(tái)3缸1.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)上，并在實(shí)際運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。研究人員對(duì)搖臂傳輸信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，同時(shí)在第3缸連桿軸頸旁安裝了1個(gè)壓力傳感器，其信號(hào)可通過1個(gè)滑環(huán)傳送器進(jìn)行傳輸。圖1示出了實(shí)際投入應(yīng)用的微型傳感器及其集成在氣缸體曲軸箱中的情況，以及傳感器和在連桿試驗(yàn)臺(tái)上為長(zhǎng)度可變連桿配備測(cè)量搖臂的情況。

圖2示出了所選擇的2種穩(wěn)定運(yùn)行工況點(diǎn)的信號(hào)曲線。發(fā)動(dòng)機(jī)在第1個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)時(shí)，會(huì)采用高壓縮比εHigh，所得到的負(fù)荷基本相當(dāng)于自然吸氣全負(fù)荷，而偏心輪力矩M則由測(cè)得的缸內(nèi)氣體壓力和基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的活塞慣性力計(jì)算得到。正力矩會(huì)產(chǎn)生作用于GKS側(cè)油缸支承室的負(fù)荷，負(fù)力矩會(huì)產(chǎn)生作用于MKS側(cè)油缸支承室的負(fù)荷，其中在εHigh終端位置上的MKS支承活塞位于油缸底部，由此產(chǎn)生的壓力較低。構(gòu)件的負(fù)荷狀況、間隙、可壓縮性和泄漏會(huì)引起偏心輪角度調(diào)節(jié)的柔性變化，這很大程度上與GKS支承油缸中的壓力曲線相關(guān)，在上止點(diǎn)（TDC）后不久會(huì)使偏心輪的最大扭轉(zhuǎn)角達(dá)到0.8°。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在該工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，低壓側(cè)僅呈現(xiàn)出較小的壓力波動(dòng)。

如圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)在第2個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)時(shí)，會(huì)采用低壓縮比εLow。此時(shí)GKS支承活塞首先處于油缸底部，呈負(fù)值的偏心輪力矩在MKS支承油缸中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的壓力pMKS，先前吸入的機(jī)油也會(huì)在GKS支承油缸中產(chǎn)生一定壓力，在上止點(diǎn)后不久即達(dá)到偏心輪的最大扭轉(zhuǎn)角，該數(shù)值約為1.6°。連桿軸瓦上油槽中的壓力pNut曲線呈現(xiàn)出了明顯的動(dòng)力學(xué)變化。

3?試驗(yàn)車輛

在加速過程中，研究人員必須調(diào)低發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，以防止產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。為了測(cè)試真實(shí)行駛狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換特性，研究人員專門為1臺(tái)6缸3.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)配備了長(zhǎng)度可變連桿，并將其安裝到試驗(yàn)車輛上。圖3示出了一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的集成效果。偏心距為3.0 mm，能將其長(zhǎng)度同樣也調(diào)整為3.0 mm，由此能使整機(jī)具有2種壓縮比，其中εHigh為13.0，εLow為9.7。

支承活塞使用了由Freudenberg公司開發(fā)的聚四氟乙烯密封環(huán)來(lái)進(jìn)行密封。止回閥由1個(gè)淬硬的閥板和1個(gè)直徑為3.0 mm的陶瓷球組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可借助于Sonceboz公司的12 V扭轉(zhuǎn)電機(jī)以操縱可活動(dòng)的機(jī)械偏心輪。每個(gè)氣缸旁安裝了1個(gè)霍爾傳感器以采集實(shí)時(shí)壓縮比，壓縮比傳感器的信號(hào)處理和執(zhí)行電機(jī)的控制過程與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元無(wú)關(guān)，而是單獨(dú)由National Instrument公司的CompactRio型控制器進(jìn)行控制。研究人員為此設(shè)置了1個(gè)屏幕，可顯示出各個(gè)氣缸的壓縮比瞬時(shí)值和其他測(cè)量值，而無(wú)需與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器進(jìn)行專門匹配。

4?在汽車上的試驗(yàn)

研究人員將設(shè)定的靜態(tài)轉(zhuǎn)換特性曲線存儲(chǔ)在控制器中，并將其用于壓縮比的轉(zhuǎn)換。在所示的轉(zhuǎn)換策略下，當(dāng)平均有效壓力瞬時(shí)值有所提升時(shí)，壓縮比即會(huì)切換到εLow，而負(fù)荷參數(shù)則是由發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元提供的接合力矩計(jì)算得出。

長(zhǎng)途行駛中的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速曲線示于圖4，下方的3張曲線圖示出了其向εLow轉(zhuǎn)換的細(xì)節(jié)，其中各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分別代表每次轉(zhuǎn)換終了時(shí)參數(shù)的實(shí)時(shí)值，瞬態(tài)負(fù)荷全部由控制器每10 ms更新1次。一旦這些數(shù)值分別低于相應(yīng)的閾值，控制器就會(huì)對(duì)壓縮比進(jìn)行調(diào)整，在所示的細(xì)節(jié)中，其時(shí)間點(diǎn)處于2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間，并被定義為開始時(shí)間點(diǎn)（t = 0 s）。在下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，執(zhí)行器已對(duì)部分調(diào)節(jié)行程進(jìn)行了設(shè)定，在下一次轉(zhuǎn)動(dòng)終了時(shí)執(zhí)行器就會(huì)抵達(dá)終端擋板。根據(jù)長(zhǎng)度可變連桿何時(shí)經(jīng)過偏心輪元件表面，以及當(dāng)時(shí)氣缸處于哪個(gè)工作循環(huán)等因素，壓縮比會(huì)逐步向εLow進(jìn)行調(diào)整。所有6個(gè)長(zhǎng)度可變連桿均可實(shí)現(xiàn)同步連續(xù)調(diào)節(jié)。在這個(gè)典型的示范性細(xì)節(jié)中，第5氣缸的長(zhǎng)度可變連桿將在曲軸第18轉(zhuǎn)時(shí)達(dá)到其終端位置，因此調(diào)節(jié)過程會(huì)在0.48 s后結(jié)束。

在催化轉(zhuǎn)化器加熱期間，應(yīng)優(yōu)先使用低壓縮比，以便能實(shí)現(xiàn)盡可能高的廢氣溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)會(huì)處于εHigh狀態(tài)，在后續(xù)的試驗(yàn)中，研究人員將對(duì)正處于εHigh狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)如何能在起動(dòng)過程中迅速地轉(zhuǎn)換到εLow狀態(tài)開展進(jìn)一步研究。在操縱起動(dòng)機(jī)前，偏心輪元件就已處于εLow位置。圖5示出了在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段及后續(xù)過程中的信號(hào)曲線。在時(shí)間點(diǎn)t=0 s時(shí)，曲軸會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)第1圈，在轉(zhuǎn)過第1圈后，各個(gè)連桿的調(diào)節(jié)程度存在顯著差異。換言之，各個(gè)連桿的轉(zhuǎn)換閥會(huì)根據(jù)曲軸布置順序的錯(cuò)開角度和錯(cuò)開時(shí)間來(lái)進(jìn)行操縱。在操縱之后不管后續(xù)行程為壓縮行程或排氣行程，在t=2.0 s時(shí)，所有氣缸都已達(dá)到了εLow狀態(tài)。

5?總結(jié)和展望

本文介紹了長(zhǎng)度可變的連桿系統(tǒng)在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)行時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。重要狀態(tài)參數(shù)曲線可通過較高的分辨率與曲軸轉(zhuǎn)角得以同步記錄，使研究人員可以清楚地看到工作循環(huán)內(nèi)的機(jī)械和液壓過程。同時(shí)，研究人員在所試驗(yàn)的運(yùn)行工況點(diǎn)上觀察到的最大壓力約為10 MPa，在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min并采用εLow時(shí)，觀察到偏心輪最大的偏轉(zhuǎn)角度為1.6°。在德國(guó)海爾布隆大學(xué)的其他研究項(xiàng)目中，研究人員還成功地在高于6 000r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行了試驗(yàn)。

研究人員將另1臺(tái)同樣也配備長(zhǎng)度可變連桿的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在汽車上，并進(jìn)行了瞬態(tài)工況試驗(yàn)，在向εLow轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)過程中，各個(gè)氣缸之間的偏差較小。在典型的負(fù)荷突變情況下，該過程持續(xù)了約0.5 s。在εHigh狀態(tài)時(shí)，停止運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)能在起動(dòng)后約2.0 s后切換到εLow狀態(tài)。未來(lái)，研究人員將針對(duì)用于液壓支承型長(zhǎng)度可變連桿的執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案而開展相關(guān)研究。

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