針對(duì)米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)公差在線調(diào)節(jié)

T.BRAUN T.BURKHARDT J.DINGL M.KNFEL

進(jìn)氣歧管壓力測(cè)量可用于檢測(cè)特定發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際氣門正時(shí)，從而可在線調(diào)節(jié)氣門關(guān)閉狀態(tài)，并與參考發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效匹配。這在很大程度上補(bǔ)償了由制造過(guò)程引起的進(jìn)氣門和排氣門公差，并使發(fā)動(dòng)機(jī)以最佳氣門正時(shí)運(yùn)行。Vitesco Technologies公司正計(jì)劃將該方法用于量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

米勒循環(huán);阿特金森循環(huán);配氣機(jī)構(gòu);氣門正時(shí)

0 前言

為了不斷提高內(nèi)燃機(jī)效率，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)人員目前將研究重點(diǎn)放在米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)上。目前，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)更趨于采用米勒循環(huán)，與傳統(tǒng)運(yùn)行策略相比，采用米勒循環(huán)能使整機(jī)效率提高約7.5%。

上述2種循環(huán)提升效率的主要原因在于通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流過(guò)程而降低了氣體交換損失，同時(shí)可使發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸在壓縮期間具有較低的平均壓力。此外，米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷下的運(yùn)行過(guò)程更加高效[1-2]。

為了在實(shí)際條件下充分利用這些效率優(yōu)勢(shì)，研究人員在采用米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)時(shí)須重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)氣門正時(shí)的精度。在典型的進(jìn)氣門提前關(guān)閉點(diǎn)或延遲關(guān)閉點(diǎn)時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度會(huì)非?？臁Ｒ虼?，即便與正常的氣門關(guān)閉正時(shí)之間僅存在較小的偏差，也會(huì)使氣缸充量出現(xiàn)較大的差異。對(duì)其開(kāi)展精確而深入的研究是實(shí)現(xiàn)降低排放和提高效率等目標(biāo)的關(guān)鍵條件。

由于制造公差的存在，當(dāng)今量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣和排氣凸輪軸的氣門關(guān)閉時(shí)間差異可高達(dá)±5 °CA。這會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)著火運(yùn)行時(shí)的氣缸充量偏差高達(dá)25%。凸輪軸位置誤差不僅會(huì)使氣缸充量的計(jì)算過(guò)程不正確，還會(huì)使許多量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法以最佳的氣門正時(shí)運(yùn)行，這不利于實(shí)現(xiàn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率及降低排放的目標(biāo)。

Vitesco Technologies公司的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)1種方法。通過(guò)該方法，研究人員只須采用當(dāng)前量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)常用的傳感器，就可檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的位置（以測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)氣門關(guān)閉正時(shí)）。同時(shí)，該方法需要在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中得以有效應(yīng)用，由此可避免因額外增加硬件而使系統(tǒng)成本提高，或?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程產(chǎn)生不利影響。

基于壓力的凸輪軸角度匹配（PCAA）方法完全可以滿足上述要求。該方法由Vitesco Technologies公司開(kāi)發(fā)，并已獲得了相關(guān)專利。PCAA方法能夠識(shí)別與制造相關(guān)的配氣機(jī)構(gòu)公差，從而將進(jìn)氣門位置精確控制在±1 °CA以內(nèi)，并將排氣門位置精確控制在±2 °CA以內(nèi)，由此可以更精準(zhǔn)地確定和控制發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸充量（圖1）。

1 工作原理

在工作循環(huán)中，進(jìn)氣門、排氣門和活塞之間的相互作用會(huì)對(duì)進(jìn)氣歧管壓力變化產(chǎn)生影響，這是采用PCAA方法的物理基礎(chǔ)。圖2以直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，研究人員通過(guò)GT-Power仿真模型確定了進(jìn)氣門或排氣門正時(shí)偏移對(duì)進(jìn)氣歧管壓力變化的影響。圖2左側(cè)示出了該發(fā)動(dòng)機(jī)某個(gè)氣缸的氣門升程曲線，黑色曲線為參考?xì)忾T正時(shí)，進(jìn)氣凸輪軸的氣門正時(shí)偏移為-10 °CA，排氣凸輪軸的氣門正時(shí)偏移為+10 °CA。圖2右側(cè)為相應(yīng)的進(jìn)氣歧管壓力曲線。

顯然，進(jìn)氣門和排氣門相對(duì)于活塞的位置會(huì)影響進(jìn)氣歧管壓力曲線的形狀和時(shí)間位置。研究人員通過(guò)快速傅里葉變換（FFT）分析進(jìn)氣歧管壓力曲線，從而計(jì)算出了各個(gè)階次（頻率）的相關(guān)振幅和相位。圖3示出了階次1～20的計(jì)算振幅。

最大振幅出現(xiàn)在4階，其等同于直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣頻率。與其他階次所產(chǎn)生的背景噪聲相比，進(jìn)氣頻率的倍數(shù)，即8階、12階、16階和20階，也具有明顯更高的振幅。通常而言，階次越高，振幅則會(huì)越低。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣頻率決定了壓力曲線信號(hào)的形狀。因此，進(jìn)氣頻率是進(jìn)氣歧管壓力的激勵(lì)頻率。振幅大小表示該階次的信號(hào)在總信號(hào)中產(chǎn)生的影響。相位表示了該階次的振蕩在總信號(hào)中的時(shí)間分配。

為了量化氣門正時(shí)對(duì)進(jìn)氣歧管壓力的影響，研究人員在6個(gè)進(jìn)氣凸輪軸位置和6個(gè)排氣凸輪軸位置（36個(gè)測(cè)量點(diǎn)）的矩陣中調(diào)整了發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的位置。這種變化涵蓋了量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)中出現(xiàn)的±5 °CA配氣機(jī)構(gòu)公差（偏離額定氣門正時(shí)）。針對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，研究人員記錄下了進(jìn)氣歧管壓力曲線及進(jìn)氣門和排氣門位置，并進(jìn)行了FFT分析。圖4示出針對(duì)4階、8階、12階和16階的計(jì)算相位。

每個(gè)階次都有1個(gè)可根據(jù)氣門正時(shí)計(jì)算出的相位特征模式。通過(guò)上述方法，研究人員可在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣門正時(shí)與基于各個(gè)階次而計(jì)算出的相位之間建立明確關(guān)系。

2 功能實(shí)施與驗(yàn)證

PCAA方法充分利用了氣門正時(shí)與進(jìn)氣歧管壓力波動(dòng)相位之間的關(guān)系。通過(guò)在相應(yīng)頻率范圍內(nèi)分析進(jìn)氣歧管壓力，研究人員可以檢測(cè)到各個(gè)氣門關(guān)閉正時(shí)對(duì)進(jìn)氣歧管壓力形成的物理影響，并在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元軟件中對(duì)此進(jìn)行建模。通過(guò)反轉(zhuǎn)計(jì)算模型，研究人員可將記錄的進(jìn)氣歧管壓力曲線信息用于反向測(cè)算發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際氣門正時(shí)。通過(guò)該方式，研究人員可檢測(cè)出參考發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際氣門關(guān)閉正時(shí)與各個(gè)量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際氣門關(guān)閉正時(shí)之間的偏差，并使此類數(shù)值得以量化，由此可使各個(gè)量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際氣門正時(shí)與參考發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)合理匹配。由此，研究人員可在確定各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸實(shí)際進(jìn)氣量時(shí)使誤差最小化，并以此為基礎(chǔ)對(duì)噴油量進(jìn)行了調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)所需的空燃比。另一方面，通過(guò)以該方式校正凸輪軸位置，研究人員可以將各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸精確地調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)位置，并確保發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳的熱力學(xué)工況點(diǎn)運(yùn)行。這種方法可以在很大程度上補(bǔ)償影響進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)的制造公差。

為了證明PCAA方法的優(yōu)勢(shì)，研究人員對(duì)5個(gè)工作循環(huán)中測(cè)得的進(jìn)氣歧管壓力曲線進(jìn)行了處理。研究人員針對(duì)上述36個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)該方法計(jì)算出參考發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸位置，并與實(shí)際凸輪軸位置進(jìn)行比較。圖5示出了在2 000 r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，采用PCAA方法計(jì)算進(jìn)氣和排氣凸輪軸位置所能達(dá)到的精度。經(jīng)過(guò)測(cè)試的36個(gè)凸輪軸位置涵蓋了量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)公差范圍（±5 °CA）。

由此可知，對(duì)于進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸而言，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的偏差均小于±0.5 °CA。這一結(jié)果反映出PCAA方法具有很高的精度。圖6示出在1 500～2 300 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，采用PCAA方法計(jì)算出的進(jìn)氣和排氣凸輪軸位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，進(jìn)氣凸輪軸的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.15 °CA。排氣凸輪軸的標(biāo)準(zhǔn)偏差略高，但始終保持在0.25 °CA以下。因此，該方法可以針對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的整個(gè)公差范圍及所考慮的轉(zhuǎn)速范圍，通過(guò)進(jìn)氣歧管壓力曲線而精確地計(jì)算出進(jìn)氣門和排氣門的實(shí)際關(guān)閉正時(shí)。

為了實(shí)現(xiàn)PCAA方法的系列應(yīng)用，Vitesco Technologies公司的研究人員開(kāi)發(fā)并采用了其他功能模塊，以補(bǔ)償環(huán)境壓力和環(huán)境溫度的影響。在1 500～2 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，研究人員均可通過(guò)在線控制單元使PCAA方法投入使用。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)PCAA方法，研究人員可對(duì)各個(gè)氣門正時(shí)及其對(duì)進(jìn)氣歧管壓力所產(chǎn)生的影響之間的物理關(guān)系進(jìn)行精確建模，并將其用于氣門關(guān)閉正時(shí)的計(jì)算過(guò)程中。針對(duì)±5 °CA的公差范圍，PCAA方法能以非常高的精度補(bǔ)償特定參考發(fā)動(dòng)機(jī)和量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)之間的氣門正時(shí)偏差。

采用Vitesco Technologies公司開(kāi)發(fā)的PCAA方法，研究人員可以在不增加系統(tǒng)成本的情況下，充分利用米勒和阿特金森循環(huán)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而為未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供1種經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行策略，以減少CO2排放。PCAA方法將于近期應(yīng)用于量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，并實(shí)現(xiàn)可靠的適配精度。其中，進(jìn)氣凸輪軸為±1 °CA，排氣凸輪軸為±2 °CA。

PCAA方法還在不斷優(yōu)化中。一方面，研究人員通過(guò)將排氣壓力傳感器集成到PCAA算法中，以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)，并提高排氣凸輪軸的調(diào)節(jié)精度。另一方面，研究人員將重點(diǎn)放在功能擴(kuò)展及專利申請(qǐng)上，以確定單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸位置，以及V型和Boxer發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸均衡性解決方案。

[1]WURMS R，BUDACK R，GRIGO M，u.a. Der neue Audi 2.0l motor mit innovativem rightsizing-ein weiterer meilenstein der TFSI-technologie[C]. 36. Internationales Wiener Motorensymposium，Wien，2015.

[2]EICHLER F，DEMMELBAUER E W，THEOBALD J，u.a. Der neue EA211 TSIevo von Volkswagen[C]. 37. Internationales Wiener Motorensymposium， Wien， 2016.