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新型電液式全可變氣門機(jī)構(gòu)的工作原理和潛力

2019-11-07 22:52:53·  來源：汽車與新動力  
　
除了使用非化石燃料之外，不斷改善優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)也是降低汽車CO2排放的途徑，其中氣門機(jī)構(gòu)的可變性與停缸技術(shù)的應(yīng)用也是必不可少的。本文介紹了由瑞士材料檢驗(yàn)研究
除了使用非化石燃料之外，不斷改善優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)也是降低汽車CO2排放的途徑，其中氣門機(jī)構(gòu)的可變性與停缸技術(shù)的應(yīng)用也是必不可少的。 本文介紹了由瑞士材料檢驗(yàn)研究所（Empa）和Wolfgang schneider工程師事務(wù)所開發(fā)的FlexWork氣門機(jī)構(gòu)，盡管其控制原理簡單，能量需求少，但是其能提供了所必需的所有自由度，并且節(jié)油效率高達(dá)10%～20%。
              
1 初始狀況
FlexWork是一種新型的無凸輪軸電液式全可變氣門機(jī)構(gòu)（圖1），與凸輪傳動機(jī)構(gòu)相比，其固有能量需求較少，進(jìn)排氣門都能分缸獨(dú)立選擇氣門升程和所有的配氣定時(shí)。 由于其結(jié)構(gòu)簡單可靠，這種氣門機(jī)構(gòu)不僅可作為試驗(yàn)研究的工具，而且也能進(jìn)一步開發(fā)成由工業(yè)合作伙伴批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。 本文介紹了帶和不帶停缸的穩(wěn)態(tài)無節(jié)流運(yùn)行的試驗(yàn)結(jié)果，一些負(fù)荷突變的測量結(jié)果顯示出極為出色的動態(tài)特性。 同時(shí)在測量結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行的模擬計(jì)算表明，目前在混合動力車上仍有進(jìn)一步降低CO2排放的潛力。
圖1 新型電液式全可變氣門機(jī)構(gòu)FlexWork

2 FlexWork氣門機(jī)構(gòu)
至今尚未研究出使電動或電液式無凸輪軸系統(tǒng)得以批量應(yīng)用的途徑，唯一的一種可進(jìn)行批量生產(chǎn)的系統(tǒng)是利用具有液壓環(huán)節(jié)的凸輪軸。為了能與現(xiàn)有基于凸輪軸的系統(tǒng)競爭，必須開發(fā)出一種具有最高靈活性而且復(fù)雜性最低同時(shí)能量需求最少的全可變氣門機(jī)構(gòu)。圖2示出了基于關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)對一些氣門機(jī)構(gòu)的評價(jià)。
 
圖2 按要求評價(jià)可變氣門機(jī)構(gòu)

此外，本文所介紹的氣門機(jī)構(gòu)因串聯(lián)布置了能自動回收高壓蓄壓器中工作介質(zhì)的止回閥，因而能滿足這些較高的要求，并能減少執(zhí)行器數(shù)目，固有能量需求也較少，同時(shí)無需外部監(jiān)測和調(diào)節(jié)液體介質(zhì)流動或氣門升程，而且還能減小氣缸蓋的結(jié)構(gòu)高度，因?yàn)橥ㄟ^液壓力的傳遞獲得了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度（而在示范樣機(jī)上小的結(jié)構(gòu)高度并無標(biāo)準(zhǔn)）。 整個(gè)氣門機(jī)構(gòu)通過普通耐腐蝕材料并采用常規(guī)方法制造，同時(shí)采用1:1的水-乙二醇混合液作為工作介質(zhì)，這種特殊選擇的優(yōu)點(diǎn)在于具有比機(jī)油更高的剛度，而且是完全無機(jī)油的氣缸蓋設(shè)計(jì)，從而使發(fā)動機(jī)機(jī)油使用的添加劑大幅減少，因?yàn)闊o需直面凸輪上較大的單位面積壓力，因此很少會發(fā)生催化轉(zhuǎn)化器中毒或者由燃燒廢氣中的灰分堵塞顆粒捕集器的現(xiàn)象，以此就能延長使用廢氣后處理裝置凈化的壽命。
 
這種同樣能用于進(jìn)排氣門的全可變氣門機(jī)構(gòu)的基本原理是一種控制柱塞的不對稱往復(fù)運(yùn)動，其能被描述成彈簧質(zhì)量振動器，因此換氣閥開啟的時(shí)間TÖffnen，也就是從關(guān)閉位置到升程終了的時(shí)間取決于換氣閥彈簧的剛度k和所有運(yùn)動件的質(zhì)量MSystem：
          
氣門開啟的時(shí)間與所期望的氣門升程無關(guān)，而且對于所有轉(zhuǎn)速都是恒定不變的。為了在5 000 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最短的開啟時(shí)間（開和關(guān)）210°CA，在MSystem=100 G的情況下彈簧剛度即需達(dá)到45 N/mm。FlexWork全可變氣門機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)在于高轉(zhuǎn)速時(shí)的升程廓線與凸輪驅(qū)動的換氣閥的升程廓線相似，而在低轉(zhuǎn)速時(shí)則得到相對于曲軸轉(zhuǎn)角極陡的開啟和關(guān)閉側(cè)曲線。
 
FlexWork全可變氣門機(jī)構(gòu)由圖3中所示的部件組成： 由電磁線圈（a）通電來控制氣門開啟，與此同時(shí)液壓分配閥（b）開啟，工作介質(zhì)從高壓蓄壓器（c）流入工作腔，此處壓力得以提高，同時(shí)作用在工作柱塞（e）上使其開始運(yùn)動，并通過氣門橋（f）開啟兩個(gè)換氣閥（h）。
 
圖3 氣門機(jī)構(gòu)示意圖
 
進(jìn)氣門升程由液壓壓力水平控制，液壓能量被轉(zhuǎn)化為潛在的彈簧能量。 只要電磁線圈通電，到終端位置時(shí)一個(gè)止回閥阻止工作柱塞往回運(yùn)動。 如果電磁線圈斷電，那么換氣閥彈簧（g）就向上推動并逐步關(guān)閉，與此同時(shí)工作介質(zhì)首先就會自動地被回收到高壓蓄壓器中，然后才排入低壓蓄壓器（d）中。
 
為了能使其克服逐步提高的燃燒室壓力并可靠地開啟，排氣門側(cè)的液壓壓力保持恒定不變。 為了在每種運(yùn)行狀態(tài)下調(diào)節(jié)到所期望的氣門升程，使用了一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的用斜棱控制有效行程的工作柱塞，因而從某個(gè)氣門升程起流入的工作介質(zhì)就被切斷。 一旦電磁線圈斷電，在關(guān)閉運(yùn)動期間在短暫加速階段后工作介質(zhì)就被回收，緊接著排氣口完全打開，剩余的工作介質(zhì)就被排入低壓蓄壓器，換氣閥隨即關(guān)閉。 同樣，該過程是自發(fā)進(jìn)行的。
為了將磨損和噪聲輻射降低到最低程度，換氣閥必須平緩地落座，為此一旦小于某個(gè)氣門升程，進(jìn)排氣側(cè)的液壓橫截面積即會變小。
 
由于進(jìn)排氣側(cè)的彈簧質(zhì)量振動器的周期性是恒定不變的，氣門開啟、氣門保持打開、工作介質(zhì)回收、排出以及氣門平緩落座等所有過程完全是自發(fā)進(jìn)行的（圖4），因此無論是控制干預(yù)還是氣門升程監(jiān)控都均非必要過程。 每對氣門僅需一個(gè)電磁執(zhí)行器，原則上同樣也可單獨(dú)操縱一個(gè)氣門。
 
電液式氣門機(jī)構(gòu)的能量需求可分成機(jī)械（液壓）能部分和電能部分。 從FlexWork全可變氣門機(jī)構(gòu)的工作原理得知，液壓能量需求隨著換氣閥升程而增加，而電能需求則隨著氣門開啟持續(xù)時(shí)間而增加。
 
圖4 氣門升程階段示意圖
 
圖5示出了2 000 r/min時(shí)氣門機(jī)構(gòu)平均摩擦壓力pmr測量值與平均有效壓力pme的關(guān)系曲線。為了達(dá)到較小的換氣損失，在低負(fù)荷和中等負(fù)荷時(shí)2～4 mm氣門升程即已滿足要求。在增壓運(yùn)行情況下氣門升程和開啟持續(xù)時(shí)間可保持恒定不變。為了進(jìn)行對比，圖中畫出了凸輪軸驅(qū)動時(shí)Pmr,VT,NW=0.025 MPa的平均摩擦壓力線，其中排氣門克服氣缸壓力而開啟被看作是至關(guān)重要的部分，當(dāng)然并未考慮到正時(shí)鏈條或正時(shí)皮帶傳動和凸輪軸相位調(diào)節(jié)器滑閥的能量需求。為了更精確地進(jìn)行比較，總是要考慮到在實(shí)際運(yùn)行時(shí)在進(jìn)氣道、氣缸和排氣道中的氣體壓力會影響摩擦功。顯然，在自然吸氣發(fā)動機(jī)的整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，F(xiàn)lexWork全可變氣門機(jī)構(gòu)具有與凸輪軸驅(qū)動機(jī)型相似或者更低的能量需求。此外，為了通過消除節(jié)流提高效率，氣門機(jī)構(gòu)也應(yīng)進(jìn)一步減少能量需求。
圖5 氣門機(jī)構(gòu)的平均摩擦壓力和氣門升程曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果
采用一臺大眾公司的天然氣進(jìn)氣管噴射的4缸1.4L渦輪增壓汽油機(jī)（EA111）作為試驗(yàn)發(fā)動機(jī)（圖6）。直到現(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目尚未與潛在的生產(chǎn)伙伴進(jìn)行合作，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)完全由該公司自身實(shí)現(xiàn)制造過程。為了測定效率，測量了氣缸壓力、天然氣質(zhì)量流量和氣門機(jī)構(gòu)的所有運(yùn)行參數(shù)。
 
圖6 試驗(yàn)臺上的演示裝置
 
對某些運(yùn)行工況點(diǎn)效率的首次優(yōu)化即已顯示出較好的結(jié)果。為了保持平均有效壓力pme恒定不變，調(diào)節(jié)進(jìn)氣門關(guān)閉（ES）時(shí)刻或節(jié)流運(yùn)行時(shí)的進(jìn)氣管壓力。圖7是用對數(shù)表示的在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min和平均有效壓力pme=0.2 MPa運(yùn)行工況點(diǎn)這兩種運(yùn)行模式的p-V圖。可以看到換氣損失從0.041 MPa降低到0.005 MPa，與FlexWork全可變氣門機(jī)構(gòu)需求的能量少共同使效率從20.9%提高到24.0%，甚至在兩個(gè)氣缸運(yùn)行時(shí)效率可提高到26.4%，其他運(yùn)行工況點(diǎn)測得的效率歸納于表1。
圖7 不同運(yùn)行模式測得的對數(shù)p-V圖
 
表1 兩種運(yùn)行模式的效率和損失

與4個(gè)氣缸節(jié)流運(yùn)行相比，在相應(yīng)的發(fā)動機(jī)負(fù)荷下2個(gè)氣缸運(yùn)行總能取得一定節(jié)油效果。表1中FlexWork兩個(gè)氣缸運(yùn)行范圍括號中的數(shù)字屬于不工作氣缸（所有氣門關(guān)閉）的。除了這些明顯的優(yōu)點(diǎn)之外，通過氣門機(jī)構(gòu)的可變性能夠改變行程（2、6或8沖程）或者通過軟件中的調(diào)整就能改變點(diǎn)火順序。用一根扁平曲軸既能實(shí)現(xiàn)常規(guī)的點(diǎn)火順序1-3-4-2，也能實(shí)現(xiàn)大脈沖間隔點(diǎn)火順序（Big-Bang-Zündfolge）1/4-2/3-X-X。
其他方面的優(yōu)點(diǎn)已體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行中。圖8上圖中的彩色曲線帶表明，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)發(fā)動機(jī)平均指示壓力pmi取決于進(jìn)氣門液壓壓力（進(jìn)氣門升程）和ES（進(jìn)氣門關(guān)閉）時(shí)刻。該圖中的虛線代表最佳負(fù)荷截面（OLS），采用這種氣門升程與ES時(shí)刻的組合就能提供相應(yīng)最佳效率的發(fā)動機(jī)負(fù)荷。由于調(diào)整液壓壓力水平需要一定時(shí)間，因此在高動態(tài)運(yùn)行時(shí)不得不短暫地離開該條運(yùn)行線。
 
圖8 FlexWork全可變氣門機(jī)構(gòu)的發(fā)動機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行（圖中n.GOT=幾何上止點(diǎn)后）
 
子曲線圖（a）分別用黑色和灰色表示了測量的兩種不同瞬態(tài)過程，標(biāo)記其分別表示在什么條件下進(jìn)行燃燒?；疑硎绢~定負(fù)荷從平均指示壓力pmi=0.45 MPa躍升到pmi=0.85MPa以及從pmi=0.85 MPa躍變到pmi=0.45 MPa，而黑色則表示額定負(fù)荷從平均指示壓力pmi=0.3-0.7-0.8-0.9MPa和pmi=0.9-0.5-0.4-0.3 MPa的低頻濾波變化。子曲線圖（b）和（d）分別表示在負(fù)荷躍變時(shí)進(jìn)氣門液壓壓力和ES時(shí)刻的額定值和實(shí)時(shí)值。氣門升程短暫不足可用相應(yīng)選擇的ES時(shí)刻予以補(bǔ)償。在灰色線上可以清楚地看到僅開展了pmi=0.45或0.85 MPa的燃燒。子曲線圖（c）示出了從額定值變化直至達(dá)到負(fù)荷提高的持續(xù)時(shí)間。每個(gè)氣缸的pmi從一次燃燒到下一次燃燒就從0.45 MPa 躍升到0.85 MPa，哪個(gè)氣缸首先提高負(fù)荷是從額定值變化時(shí)刻開始而隨機(jī)得出的，負(fù)荷降落時(shí)的情況與此相類似。這種方式原則上以相同的形式也適用于阿特金森（Atkinson）循環(huán)運(yùn)行，通過額定值的任意濾波負(fù)荷就能較慢地實(shí)現(xiàn)變化。子曲線圖（e）示范性地示出了額定值的低頻濾波，實(shí)時(shí)值將毫無問題地遵循其變化。在子曲線圖（a）上可清楚地看到，此時(shí)的負(fù)荷并未發(fā)生階躍式變化，而是通過若干次燃燒直至達(dá)到所要求的負(fù)荷。為了能以該方式調(diào)節(jié)負(fù)荷，所有需要進(jìn)行的試驗(yàn)限于特性曲線場的穩(wěn)態(tài)測量，而且無需進(jìn)一步的標(biāo)定費(fèi)用即可達(dá)到該處所顯示的結(jié)果。即使采用簡單的調(diào)節(jié)策略，負(fù)荷躍變時(shí)空燃比的短暫偏差依然可保持在低于10%的狀態(tài)，而在低頻濾波額定值變化情況下僅低于5%。
 
4 模擬計(jì)算結(jié)果
目前，一些結(jié)果僅在模擬計(jì)算中方可提供，但是其依然是未來試驗(yàn)研究的對象，這些將在下文中介紹。

5 停缸
FlexWork全可變氣門機(jī)構(gòu)因其可變性而特別適合于停缸。在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（EHT Zürich）動力學(xué)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)技術(shù)研究所的一個(gè)研究項(xiàng)目框架下制定了運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換的策略。圖9示出了試驗(yàn)發(fā)動機(jī)分立模型的模擬計(jì)算結(jié)果，從中可以看到為了轉(zhuǎn)換運(yùn)行模式，1、4和2、3氣缸組合是如何增大和減小負(fù)荷的 。轉(zhuǎn)換運(yùn)行模式總是相對較快的。例如從熱狀態(tài)方面的原因進(jìn)行考慮，從一種氣缸組合轉(zhuǎn)換到另一種氣缸組合總是大有裨益的。采取這種轉(zhuǎn)換策略即可遵守根據(jù)舒適性原因規(guī)定的平均pme限值。
 
圖9 運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)兩種氣缸組合的平均有效壓力

6 循環(huán)燃油耗
持續(xù)不斷地降低CO2排放限值極有可能導(dǎo)致混合動力總成系統(tǒng)能明顯較快地推廣應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)混合動力化的情況下，除了可回收能量之外，還能通過移動負(fù)荷工況點(diǎn)避開內(nèi)燃機(jī)效率較低的運(yùn)行工況點(diǎn)，或者階段性地采用電動行駛完全替代內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動。為了評估混合動力車通過消除節(jié)流和停缸是否還能取得優(yōu)勢，制定了一種用測量數(shù)據(jù)參數(shù)化的模擬模型。
 
其包含有進(jìn)氣管噴射的1.4 L燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的2個(gè)發(fā)動機(jī)模型：一種用于節(jié)流運(yùn)行，另一種用于FlexWork運(yùn)行。在FlexWork運(yùn)行情況下能在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)換到2個(gè)氣缸運(yùn)行?；鶞?zhǔn)車輛是一輛質(zhì)量為1 370 kg的緊湊型轎車，并配備了停車-起動系統(tǒng)，而混合動力車（電功率1.5 kW·h，25 kW）估計(jì)整車質(zhì)量將會增加100kg，借助于動力學(xué)程序設(shè)計(jì)確定最佳的運(yùn)行策略。圖10示出了有無停缸時(shí)節(jié)流運(yùn)行和FlexWork運(yùn)行在行駛循環(huán)新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）和全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）中降低CO2排放的模擬計(jì)算結(jié)果。
 
上述試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用FlexWork全可變氣門機(jī)構(gòu)總是能獲得明顯的節(jié)油效果，其在所有情況下都是充滿優(yōu)勢的，如果在低負(fù)荷時(shí)應(yīng)用2個(gè)氣缸運(yùn)行的話，那么無需附加的消耗就可實(shí)現(xiàn)節(jié)油效果。使用混合動力車時(shí)可降低CO2排放的效果，在NEDC行駛循環(huán)中僅為6.1%，若同時(shí)采用停缸的話，則可達(dá)到9.4%，而在WLTV行駛循環(huán)中的效果分別為3.0%和3.8%。其原因是較高的發(fā)動機(jī)平均效率以及因發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)移動較少而使電能損失較少。
 
圖10 不同運(yùn)行方式和車輛配置的相對CO2排放
 
此外，應(yīng)注意的是，如果在模擬中使用較高的峰值效率，雖然總CO2排放值有所降低，但是相互關(guān)系依然保持不變。除此之外，搭載2.0 L發(fā)動機(jī)和整車質(zhì)量為1 500 kg或1 600 kg的中級車輛的模擬表明，其在所有的情景下仍能達(dá)到較為顯著的節(jié)油效果。
 
7 結(jié)論
FlexWork是一種可用于進(jìn)排氣側(cè)的電液式全可變氣門機(jī)構(gòu)，其固有能量需求較低，并能使用發(fā)動機(jī)冷卻液運(yùn)行，而且使用簡單的傳感器和執(zhí)行器即可滿足要求，相對而言制造體系也較為簡易，但是優(yōu)化發(fā)動機(jī)運(yùn)行卻具有極大的靈活性。首次試驗(yàn)就顯示出其效率比節(jié)流運(yùn)行狀態(tài)下得以顯著提高。在轉(zhuǎn)速2 000 r/min和平均有效壓力0.2 MPa的運(yùn)行工況點(diǎn)，采用米勒循環(huán)運(yùn)行的效率可達(dá)到24.0%，這相當(dāng)于比節(jié)流運(yùn)行改善了13%。如果在該運(yùn)行工況點(diǎn)采用停缸運(yùn)行的話，那么效率甚至可提高到26.4%，這就意味著改善了20.7%，而且這是在壓縮比僅ε=10的情況下達(dá)到的。此外，在試驗(yàn)臺試驗(yàn)中顯示出卓越的加速響應(yīng)特性。通過匹配ES配氣定時(shí)，從當(dāng)前燃燒過程到下一次燃燒過程中即可顯著提高發(fā)動機(jī)負(fù)荷。雖然在低負(fù)荷直至中等負(fù)荷效率方面能獲得顯著的優(yōu)勢，但是應(yīng)用于混合動力車也能顯著地降低CO2排放3.8%～9.4%。除此之外，同樣還可應(yīng)用于柴油機(jī)降低廢氣排放、實(shí)現(xiàn)均質(zhì)充量壓燃（HCCI）燃燒過程、應(yīng)用新型的增壓方案或者在商用車使用這種氣門機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)制動功能。因此，使用FlexWork全可變氣門機(jī)構(gòu)能對降低CO2排放作出顯著的貢獻(xiàn)。
 
 
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