【德】 P.Solfrank J.Dietz

新型凸輪軸相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的潛力

【德】 P.Solfrank J.Dietz

發(fā)動機(jī)換氣越來越關(guān)注降低原始排放，尤其是降低非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的原始排放。采用新型的凸輪軸相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)在低的機(jī)油壓力和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下仍能高效地工作，正如Schaeffler公司帶有整體式貯油腔的液力調(diào)節(jié)器所證明的那樣，機(jī)電式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器與機(jī)油液壓供應(yīng)無關(guān)。

減排 相位調(diào)節(jié)器 管路優(yōu)化

1 可變式換氣的開發(fā)目標(biāo)

隨著歐6c標(biāo)準(zhǔn)廢氣排放限值和CO2排放限值的實(shí)施，已顯著地改善了車用發(fā)動機(jī)的廢氣排放問題。目前，不僅要在試驗(yàn)臺上測試時(shí)滿足廢氣排放限值，而且更要在用戶實(shí)際使用運(yùn)行中滿足廢氣排放限值，因而產(chǎn)生了動態(tài)試驗(yàn)循環(huán)，例如全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)循環(huán)(WLTC)。同時(shí)對道路廢氣排放測試作出了具有約束力的規(guī)定，從2017年開始?xì)W洲將實(shí)施實(shí)際行駛排放法規(guī)(RDE)。

為了進(jìn)一步降低整個(gè)發(fā)動機(jī)特性曲線場中的比燃油耗和有害物原始排放。目前已進(jìn)行了一系列RDE試驗(yàn)，根據(jù)駕駛員、行駛路段和不同的車輛進(jìn)行測試，測量結(jié)果中已包括了非常寬廣的特性曲線場范圍，這也證實(shí)了在柴油機(jī)和汽油機(jī)上，可能導(dǎo)致排放超標(biāo)的一致性因素[1]。

在動態(tài)試驗(yàn)循環(huán)中，優(yōu)化空氣管路也就是優(yōu)化換氣具有顯著的效果，尤其是在強(qiáng)烈的發(fā)動機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)會出現(xiàn)廢氣排放的峰值。而采用全可變氣門機(jī)構(gòu)可使氣門開啟與曲柄連桿機(jī)構(gòu)完全脫離相位關(guān)系[2-3]。Schaeffler公司從2009年以來成功地量產(chǎn)了1種電液式可變系統(tǒng)，這種可改變氣門開啟和關(guān)閉時(shí)間的凸輪軸相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有較低的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本。從1996年以來，Schaeffler公司已生產(chǎn)了各種不同結(jié)構(gòu)的液壓式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器。

2 液壓式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器

因?yàn)樵谪?fù)荷突變時(shí)發(fā)動機(jī)的原始排放會暫時(shí)急劇增大。對凸輪軸相位調(diào)節(jié)器最重要的要求是在保持高的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性的同時(shí)具有高的調(diào)節(jié)速度。其技術(shù)難點(diǎn)在于，為了降低驅(qū)動機(jī)油泵的損失功率，準(zhǔn)備好的機(jī)油壓力和在此壓力下可供使用的機(jī)油體積流量持續(xù)地降低，特別是在低轉(zhuǎn)速情況下，為了能確保滿足迅速調(diào)節(jié)的要求，機(jī)油供應(yīng)準(zhǔn)備的能量幾乎是不足夠的。

在液壓式凸輪軸相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)室中的機(jī)油量與調(diào)節(jié)角度之間原則上存在著線性關(guān)系。在傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器中，為了調(diào)節(jié)凸輪軸1°相位角，需要約0.5 mL機(jī)油(典型值)。如果由機(jī)油泵來直接推動調(diào)節(jié)，那么準(zhǔn)備好的機(jī)油體積流量的功能就是調(diào)節(jié)速度。應(yīng)用了機(jī)油貯存腔就能夠避免這種依賴關(guān)系[4]，并且能暫時(shí)補(bǔ)償機(jī)油泵供油速率的不足。圖1示出了Schaeffler公司開發(fā)的各種不同凸輪軸相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度和機(jī)油需求量2種不同要求的比較。

圖1 Schaeffler公司各種凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式和性能

Schaeffler公司開發(fā)的緊湊型液壓式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器因內(nèi)部集成了1個(gè)貯油腔，其調(diào)節(jié)速度比標(biāo)準(zhǔn)型更快(圖2)，并在機(jī)油需求量明顯降低的時(shí)候不影響其調(diào)節(jié)速度，因新的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度對溫度的依賴關(guān)系比傳統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)更小,甚至在-15 ℃的環(huán)境溫度下仍能在整個(gè)范圍內(nèi)獲得顯著的調(diào)節(jié)效果。

圖2 緊湊型凸輪軸相位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度與凸輪軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系

緊湊型凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的機(jī)油貯油腔被完全集成在調(diào)節(jié)器中(圖3)，為調(diào)節(jié)準(zhǔn)備機(jī)油。當(dāng)來自閥驅(qū)動機(jī)構(gòu)的凸輪軸扭矩短暫強(qiáng)烈地加速相位調(diào)節(jié)運(yùn)動，機(jī)油泵的體積流量不足以供應(yīng)調(diào)節(jié)器加大的腔室容積時(shí)，內(nèi)部貯油腔的機(jī)油予以補(bǔ)償。同時(shí)，當(dāng)內(nèi)部腔室縮小時(shí)排擠出來的機(jī)油又再次充滿貯油腔，因此機(jī)油泵只需承擔(dān)補(bǔ)償泄漏量的任務(wù)，與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)型調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，處于中等水平。

圖3 緊湊型凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的機(jī)油流動

此外，擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍是對機(jī)油泵越來越重要的要求，以便能支持諸如阿特金森(Atkinson)和米勒(Miller)燃燒過程。雖然在現(xiàn)代汽油機(jī)上絕對相位調(diào)節(jié)角最大為60°CA，但是這對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)提出了重大的挑戰(zhàn)。然而，在發(fā)動機(jī)停機(jī)時(shí)調(diào)節(jié)器的定位特別重要。在相位調(diào)節(jié)角度范圍較大的情況下，當(dāng)發(fā)動機(jī)停機(jī)時(shí)凸輪軸處于某個(gè)終了位置而減小了有效壓縮，低溫再次起動的能力可能會受到限制，因而Schaeffler公司為此開發(fā)了1種液力解決方案，它能確保凸輪軸定位在1個(gè)中等位置，使發(fā)動機(jī)處于額定壓縮比范圍內(nèi)。

3 機(jī)電式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器

通過使用機(jī)電式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器可以使其與機(jī)油體積流量完全無關(guān)，甚至在發(fā)動機(jī)起動之前或起動期間(也就是低于怠速轉(zhuǎn)速時(shí))凸輪軸就能進(jìn)行調(diào)節(jié)，這對于電驅(qū)動方案是特別重要的，尤其是在汽車滑行時(shí)發(fā)動機(jī)倒拖期間發(fā)動機(jī)脫開和停機(jī)的時(shí)候。Schaeffler公司從2015年以來，作為歐洲首家供應(yīng)商就量產(chǎn)了機(jī)電式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器，應(yīng)用于V型發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣側(cè)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

開發(fā)機(jī)電式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的首個(gè)前提條件是緊湊的結(jié)構(gòu)，并實(shí)施模塊化部件策略，為此電動凸輪軸相位調(diào)節(jié)器必須具有與液壓系統(tǒng)相同的結(jié)構(gòu)空間，其中電動機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸與傳動機(jī)構(gòu)傳動比的調(diào)整對于緊湊的結(jié)構(gòu)具有決定性的意義。

Schaeffler公司采取了緊湊的直流電動機(jī)與專門為凸輪軸相位調(diào)節(jié)器開發(fā)的具有高傳動比的傳動機(jī)構(gòu)(圖4)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式，后者由2個(gè)齒圈和1個(gè)具有橢圓形內(nèi)圈的滾動軸承組成。滾動軸承的彈性嚙合外圈通過第一級齒圈與鏈輪聯(lián)接，通過第二級齒圈與凸輪軸聯(lián)接。第二級齒圈比滾動軸承外圈和第一級齒圈多2個(gè)齒，因而滾動軸承內(nèi)圈和第二級齒圈旋轉(zhuǎn)之間的傳動比為1∶66。

圖4 機(jī)動凸輪軸相位調(diào)節(jié)器傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

滾動軸承的彈性外圈能被調(diào)整到非常小的嚙合間隙，因而比傳統(tǒng)傳動方案噪聲明顯降低。

傳動機(jī)構(gòu)通過1個(gè)堅(jiān)固的封閉聯(lián)軸節(jié)與發(fā)動機(jī)相連接，電動機(jī)安裝在氣缸蓋上，傳動機(jī)構(gòu)安裝在凸輪軸上，用于補(bǔ)償安裝所導(dǎo)致的公差，以及發(fā)動機(jī)動態(tài)運(yùn)行所引起的2個(gè)部件的相對振動。

5 調(diào)節(jié)

在目前量產(chǎn)的方案中，1個(gè)分開的控制器承擔(dān)用于凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的電動機(jī)的控制。通過在發(fā)動機(jī)艙中選擇合適的安裝部位，確保這種控制器的功能在很大程度上與可能非常高的內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行溫度無關(guān)。當(dāng)然，也可設(shè)想將這種控制器的功能完全集成到發(fā)動機(jī)電控單元中。

Schaeffler公司開發(fā)了1種基于模型的調(diào)節(jié)方式，并通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線實(shí)現(xiàn)這種控制器與發(fā)動機(jī)電控單元之間的通訊，而相應(yīng)的凸輪軸和曲軸位置傳感器的信息由發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)直接傳遞到電控單元。除此之外，集成在電動機(jī)中識別轉(zhuǎn)子位置和監(jiān)測運(yùn)行溫度的傳感器對于凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的功能也是十分重要的，確保在極端環(huán)境條件下過熱保護(hù)功能正常運(yùn)行。

在發(fā)動機(jī)運(yùn)行中，發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)本身僅預(yù)先規(guī)定當(dāng)時(shí)所期望的調(diào)節(jié)器額定相位角，而目標(biāo)相位角的調(diào)節(jié)則由分開的控制器承擔(dān)。

圖5 各種凸輪軸相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

6 性能

機(jī)電式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)首先在于能夠獲得與機(jī)油溫度和轉(zhuǎn)速無關(guān)的非常高的調(diào)節(jié)速度(圖5)。Schaeffler公司已在試驗(yàn)臺試驗(yàn)中證實(shí)，即使在發(fā)動機(jī)起動期間也能達(dá)到這樣迅速的調(diào)節(jié)。在300 ms中，即使在內(nèi)燃機(jī)第1次點(diǎn)火之前，凸輪軸就能運(yùn)動80°CA(圖6)，此時(shí)在起動信號后系統(tǒng)就首先轉(zhuǎn)至終端位置，確保可靠的覆蓋范圍，以便隨后用于在運(yùn)行中調(diào)節(jié)相位角。

圖6 發(fā)動機(jī)起動期間的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和凸輪軸相位角的調(diào)節(jié)

7 展望

Schaeffler公司提供了1種采用機(jī)電式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在換氣設(shè)計(jì)中可利用其高度的靈活性，并已進(jìn)行批量生產(chǎn)。鑒于未來的廢氣排放法規(guī)，以及與其相關(guān)的空氣管路的動態(tài)特性，期望上述所介紹的新型凸輪軸相位調(diào)節(jié)器能推廣到眾多應(yīng)用場合，并運(yùn)用在柴油機(jī)上。

[1] Fraidl G, Kapus P, Vidmar K. The gasoline engine and RDE challenges and prospects[C]. Stuttgarter Symposium, 2016.

[2] Scheidt M, Lang M. Effzienz pur: die weiterentwicklung des verbrennungsmotors aus sicht eines zulieferers[C].Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2014.

[3] Haas M, Piecyk Th. Ventiltriebe zur umsetzung innovativer verbrennungsstrategien[C].Schaeffler Kolloquium Baden-Baden, 2014.

[4] Solfrank P, Dietz J. Smart phasing-potentiale zur bedarfsgerechten nockenwellen-verstellung moderner verbrennungsmotorer[J].7.MTZ-Fachtagung Ladungswechsel im Verbrennungsmotor, Stuttgart, 2014.

范明強(qiáng) 譯自 MTZ， 2016， 77(11)

何丹妮 編輯

2016-10-30)