創(chuàng)新的長度可變連桿操縱方案

K.WITTEK F.GEIGER

德國海爾布隆（Heilbronn）大學(xué)開發(fā)了1種簡單的長度可變連桿方案。通過采用整體式液壓操縱系統(tǒng)替代傳統(tǒng)機械操縱系統(tǒng)，并在汽車上進行了試驗。該大學(xué)開發(fā)的另1種方案則是基于電磁操縱系統(tǒng)，使連桿長度實現(xiàn)無級變化。該系統(tǒng)已在試驗臺上進行了試驗。長度可變連桿;液壓操縱;電磁操縱

0 前言

發(fā)動機的集成工作主要由其操縱系統(tǒng)完成。以前的解決方案通?；跈C械操縱單元的改進，但機械操縱單元必須集成在靠近曲軸的底端結(jié)構(gòu)中。這對于不同類型的發(fā)動機而言，就會涉及到較大的結(jié)構(gòu)性調(diào)整。因此，研究人員開發(fā)了1種液壓操縱方案替代機械操作方案，這種操縱適用于各類型的發(fā)動機而無須作任何結(jié)構(gòu)調(diào)整，并且也不需要對潤滑系統(tǒng)作調(diào)整。研發(fā)人員目前進行的第2個方案開發(fā)則是基于電磁操縱，可實現(xiàn)發(fā)動機壓縮比的無級變化。

1 挑戰(zhàn)

相關(guān)文獻已介紹了以下2種可變壓縮比（VCR）連桿方案[1]。在第1種方案中，連桿長度變化是通過偏心活塞銷軸承來實現(xiàn)的，由該軸承承受2個液壓缸上的力矩。目前，這種方案的工業(yè)化進程正在推進。第2種方案則是基于可伸縮連桿，并由1個雙向作用的液壓缸來支撐2個力，對于批量生產(chǎn)，這種方案還要進行優(yōu)化[2]。

在這2種系統(tǒng)中，液壓缸的排空過程都是通過連桿中的1個雙通換向閥（以下稱為主換向閥）來實現(xiàn)的。由于要截斷機油的高壓力，特別是在可伸縮連桿情況下，主換向閥必須布置在連桿中。

因此，這2種方案所面臨的挑戰(zhàn)在于對主換向閥的操縱過程，并且要求主換向閥在所有運行條件下都能可靠，且能夠迅速被操縱，同時應(yīng)盡量減少主換向閥的集成費用和附加零件成本。理想的操縱方式是采用無接觸的方案，實現(xiàn)完全可變的連桿操作。

2 具有分離式控制油壓管道的液壓操縱系統(tǒng)

在液壓操縱系統(tǒng)中，主換向閥與操縱機油壓力的液壓執(zhí)行器是相互連通的。在最簡單的情況下，這種執(zhí)行器由1個加載彈簧力的活塞構(gòu)成，該活塞承受著連桿軸承潤滑油供油槽中的機油壓力。因此，研究人員可以通過改變主油道中的機油壓力來操縱主換向閥，可使用可調(diào)式機油泵。在試驗過程中，研究人員通過“直接”液壓操縱功能來改變機油壓力，使其僅能在1個有限的運行范圍內(nèi)運作。參考文獻[2]中已對這種“直接”液壓操縱系統(tǒng)進行了研究。研發(fā)人員在實際應(yīng)用中增加了1個附加電動機油泵為連桿軸承提供相應(yīng)的高油壓，而不再依賴發(fā)動機潤滑系統(tǒng)。

在分離式控制油壓管道的液壓操縱系統(tǒng)方案中，曲軸內(nèi)布設(shè)有獨立的分離式控制油壓管道（圖1）?？刂朴蛪旱墓艿琅c位于曲軸中的3/2通閥（先導(dǎo)閥）相通，流體可與曲軸箱相連，也可與機油供應(yīng)側(cè)相連。同時，根據(jù)該系統(tǒng)的情況，研究人員在2個軸承軸瓦上分別設(shè)置1個供油槽，以便使VCR連桿與曲軸之間建立獨立的流體連接，先導(dǎo)閥則由1個行程電磁執(zhí)行器來操縱。圖1示出的是未通電時的接通位置，控制油壓與環(huán)境壓力相對應(yīng)，此時的主換向閥不工作，系統(tǒng)高壓縮比（εHigh）被激活。當然，研究人員也可以把主換向閥設(shè)計成在非控制油壓情況下，系統(tǒng)低壓縮比（εLow）被激活。

圖2示出了配備有獨立分離式控制油壓管道的液壓操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。先導(dǎo)閥位于曲軸前端旋轉(zhuǎn)軸中心第1曲柄臂側(cè)，通過電磁執(zhí)行器來操縱。操縱力由穿過中心螺栓的壓桿進行傳遞。控制油壓從先導(dǎo)閥出發(fā)，經(jīng)過孔和管道直至最終傳遞到連桿軸頸。每個連桿軸承的液壓系統(tǒng)都是獨立的，由相鄰的主軸承額外供應(yīng)機油。研究人員在每個連桿軸頸的3個平面上均設(shè)置了輸出孔：在第1個平面上90 °交叉處布置了2個輸出孔，用于傳遞控制油壓;在位于軸頸中間的第2個平面上，徑向布置了2個輸出孔，用于潤滑軸承;在第3個平面上90 °交叉處布置了2個輸出孔，用于為VCR液壓系統(tǒng)傳輸機油。另外，研究人員還在連桿軸瓦上分段加工了出油槽，該油槽對稱于軸瓦剖分面伸展略大于90 °，這樣就能實現(xiàn)主軸承與連桿之間永久性的機油傳輸。采用這種油槽設(shè)計方案的優(yōu)點是不會削弱軸承的主要承載區(qū)域。主換向閥由1個帶有控制邊緣的彈簧加載滑閥組成，在受非控制油壓作用的情況下，VCR連桿的GKS支撐油腔出口管道關(guān)閉，MKS支撐油腔打開，意味著主換向閥在接通位置時，系統(tǒng)會以εHigh運行。

3 試驗車輛

為了驗證獨立分離式控制油壓管道的液壓操縱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性，研究人員選取了福特嘉年華（Ford Fiesta）作為試驗車輛，并在真實環(huán)境行駛狀況下進行了試驗。該試驗汽車搭載了1款3缸1.0 L增壓直噴式發(fā)動機。圖3示出了該方案的樣品，其中專門設(shè)計的VCR連桿與樣品活塞組合，能獲得2種壓縮比，高壓縮比εHigh為12.11，低壓縮比εLow為9.56。為了安裝電磁執(zhí)行器，研究人員在曲軸扭振減振器前設(shè)置了1塊支承板（圖3），該執(zhí)行器連接在發(fā)動機凸輪軸相位調(diào)節(jié)器上。為了采集實時連桿長度（即瞬時壓縮比ε）數(shù)據(jù)，研究人員在氣缸體曲軸箱上安裝了霍爾傳感器（ε傳感器）。此外，研究人員未對試驗車輛的發(fā)動機進行其他方面的修改，同時為發(fā)動機添加了由國際自動機工程師學(xué)會（SAE）認證的粘度等級為0W40的全合成機油。

研究人員采用了1個可自由編程的發(fā)動機電控單元（Motec M800）作為獨立的VCR電控單元，用于處理ε傳感器信號和控制執(zhí)行器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。對發(fā)動機的管理是通過具有量產(chǎn)數(shù)據(jù)狀態(tài)的量產(chǎn)發(fā)動機電控器來實現(xiàn)的。每個瞬時ε和其他測量值都被記錄下來，并在汽車中控的顯示屏上得以顯示。

4 在汽車上的試驗

試驗驗證了壓縮比能精確、可靠地轉(zhuǎn)換，并且對發(fā)動機的機油用量不會造成明顯的干擾。圖4示出了車輛試驗主要測量值的情況。該值以100 Hz測試速率為標準進行記錄。研究人員將進氣管壓力pSaug作為負荷參數(shù)，當進氣管壓力超過依據(jù)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換閾值時，壓縮比就開始向εLow轉(zhuǎn)換;當進氣管壓力低于轉(zhuǎn)換閾值并持續(xù)3 s后，壓縮比就開始向εHigh反向轉(zhuǎn)換。圖4示出了向εLow轉(zhuǎn)換和隨后向εHigh反向轉(zhuǎn)換的過程，其中t=0 s的時間點相當于執(zhí)行器電流被切斷的時刻。通過試驗，研究人員得出如下結(jié)論：（1）在向εLow轉(zhuǎn)換過程中，第1氣缸連桿在約0.1 s后首先開始動作，其他氣缸連桿緊跟其后，連桿的最小時間偏差是由點火偏差造成的，而非控制油壓在曲軸中的傳播造成;（2）在t=0.5 s時，所有連桿都達到了最終的εLow狀態(tài)，向εHigh反向轉(zhuǎn)換有約0.1 s的偏差;（3）在t=0.8 s時，所有連桿都達到了最終εHigh狀態(tài)。在試驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)機油壓力p機油信號曲線并沒有因試驗轉(zhuǎn)換過程而出現(xiàn)明顯的變化。此外，所顯示的轉(zhuǎn)換過程也沒有出現(xiàn)完全相似的曲線。

5 電磁操縱

液壓支持的VCR連桿的全可變運行可通過2點調(diào)節(jié)和選擇氣缸操縱來進行。若VCR連桿采用2點調(diào)節(jié)方式，則須對連桿長度進行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)量即連桿的長度，但連桿長度在曲軸每1轉(zhuǎn)后都需要重新檢測1次。若VCR連桿選擇氣缸操縱方式，就可在開始時縮短或增大連桿的長度。為了盡可能精確校準連桿長度額定值，主換向閥必須較為頻繁地實現(xiàn)來回轉(zhuǎn)換。無接觸的電磁操縱已被證實是最有技術(shù)潛力的操縱方式，研究人員已通過采用該方式，制成了功能性演示裝置（圖5）。VCR連桿及所旋入的閥結(jié)構(gòu)組件應(yīng)與安裝在試驗汽車上的VCR裝配桿結(jié)構(gòu)相同。閥結(jié)構(gòu)組件包括1個主換向閥（由液壓操縱的3/2通閥組成）和1個先導(dǎo)閥（由電磁操縱的4/2通閥組成）。其中，先導(dǎo)閥的滑閥起著磁回路中銜鐵的作用，它與固定發(fā)動機結(jié)構(gòu)相連的電磁鐵有2個線圈，并在滑動時使銜鐵偏移1 mm。圖5示出了借助于磁通模擬以優(yōu)化瞬態(tài)磁場建立和操縱力曲線的示意圖。

電磁操縱方案的功能檢驗是在1個氣缸單元的倒拖模擬裝置上進行的。圖5中的曲線圖示出了在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時的實時壓縮比變化曲線及線圈電流變化曲線。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，試驗在實時值環(huán)繞額定值為±10%的窗口中以波動方式進行。在選定裝備及運行工況點的情況下，發(fā)動機平均每14轉(zhuǎn)就需要實施1次調(diào)節(jié)。目前，該試驗已在轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下的范圍內(nèi)證實，可以實現(xiàn)功能的轉(zhuǎn)換。

6 結(jié)語

本文介紹了2種VCR連桿無接觸式操縱方案。第1種方案減少了在安裝行程電磁執(zhí)行器和氣缸體曲軸箱上ε傳感器方面的集成工作。因VCR曲柄連桿的部件與傳統(tǒng)的部件無關(guān)，可以完全以相同的方式安裝在發(fā)動機上。該方案已在超過1 000 km的實際行駛條件下進行了試驗，并已證實是可靠和穩(wěn)定的。

第2種電磁操縱方案可采用氣缸或無接觸操縱方式，這使得受液壓系統(tǒng)支持的VCR連桿能具有較好的連續(xù)可調(diào)節(jié)性。該功能在倒拖運行試驗中也已得到了驗證。未來，研究人員將致力于對轉(zhuǎn)換閥結(jié)構(gòu)組件的進一步優(yōu)化。

[1]PPPERL M，SCHULZE D，HENAUX D，u.a. Zweistufig variable verdichtung-integration und industrialisierung [J]. MTZ， 2020， 81（2）： 50-53.

[2]SCHFFMANN W，SORGET H，LSCH S，u.a.Das DUAL MODE VCS-system als modulare variante für unterschiedliche motorenfamilien[C].5th Internationaler Motorenkongress， Baden-Baden， 2018.