施金彪，任彥平

(1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208；2.綿陽富臨精工股份有限公司，四川綿陽 621000)

0 引言

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》建議未來的Cafe (Corporate Average Fuel Economy)指標(biāo)：2025年目標(biāo)為4 L/100 km，2030年目標(biāo)為3.2 L/100 km。傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)的油耗目標(biāo)越來越具有挑戰(zhàn)性，各種降油耗的新技術(shù)在汽車發(fā)動機(jī)上得到了應(yīng)用。發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)作為一種有效的節(jié)能減排措施近年來受到各OEM的重視。

在各類停缸技術(shù)中，有機(jī)械式的，也有液壓式的，有凸輪軸移動式的，有可變挺柱式的，也有可變搖臂式的。其中搖臂式停缸系統(tǒng)由于其成本低、布置方便具有很大的研究價(jià)值。

本文在某款發(fā)動機(jī)的缸蓋總成上進(jìn)行了改造，布置搖臂式發(fā)動機(jī)停缸系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)、制造樣件、總成裝配、臺架測試和驗(yàn)證，系統(tǒng)地介紹了搖臂式停缸系統(tǒng)的主要零部件及系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，從系統(tǒng)角度較為全面地論述了整機(jī)應(yīng)用的可行性。

1 停缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)動機(jī)停缸系統(tǒng)原理

在中低速小負(fù)荷工況下，節(jié)氣門接近關(guān)閉，每缸進(jìn)氣壓力很小，導(dǎo)致泵氣損失很大。在這種工況下，停止一個(gè)缸或幾個(gè)缸的工作，可以大幅提高工作缸的進(jìn)氣壓力，減少泵氣損失，增加有效功輸出，降低油耗。

同時(shí)，同樣的工況下，工作缸進(jìn)氣壓力提高，噴油增多，燃燒壓力和溫度升高，燃燒效率也得到提升，也可以降低油耗。

搖臂式停缸系統(tǒng)主要包括電磁閥、停缸搖臂、挺柱三個(gè)關(guān)鍵部件，同時(shí)凸輪軸和缸蓋需要更改設(shè)計(jì)。電磁閥是普通的通斷電磁閥，控制油路的開關(guān)。

其工作原理如下：

當(dāng)ECU監(jiān)控到發(fā)動機(jī)工況可進(jìn)行停缸時(shí)，對停缸電磁閥通電，電磁閥將發(fā)動機(jī)油道和控制油道連通。發(fā)動機(jī)機(jī)油通過控制油道、挺柱進(jìn)入停缸搖臂內(nèi)，搖臂內(nèi)鎖銷在機(jī)油壓力作用下回縮，使內(nèi)、外搖臂脫離。凸輪驅(qū)動內(nèi)搖臂空擺，外搖臂不動，實(shí)現(xiàn)氣門關(guān)閉。

當(dāng)ECU監(jiān)控到發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加，需增加發(fā)動機(jī)功率輸出，對停缸電磁閥斷電，搖臂內(nèi)鎖銷端油壓消失，在鎖銷彈簧力的作用下，鎖銷伸出，使內(nèi)外搖臂卡合，實(shí)現(xiàn)正常的氣門開閉。

1.2 缸蓋更改設(shè)計(jì)

原發(fā)動機(jī)為三缸機(jī)，改為第二缸具備停缸功能。原缸蓋為普通液壓挺柱結(jié)構(gòu)，進(jìn)排氣側(cè)各有一根油道給液壓挺柱供油，本次開發(fā)的搖臂式停缸系統(tǒng)需要專門油道給搖臂提供油壓，考慮到油壓的穩(wěn)定性，決定把普通液壓挺柱替換為雙油道挺柱，這樣就需要另外一路機(jī)油提供給雙油道挺柱。為完成此功能，設(shè)計(jì)一個(gè)方型油道支架，安裝在缸蓋上，支架內(nèi)設(shè)計(jì)電磁閥安裝孔、橫向油道和豎向油道，在臺架上專門安排一路機(jī)油進(jìn)入橫向油道，通過電磁閥，再通過豎向油道進(jìn)入缸蓋，缸蓋上設(shè)計(jì)4根斜油道，通到液壓挺柱的上部控制油道，具體方案見圖1。

圖1 缸蓋更改設(shè)計(jì)圖

1.3 凸輪軸更改設(shè)計(jì)

對進(jìn)排氣凸輪軸的第二缸凸輪進(jìn)行更改，改成三凸輪結(jié)構(gòu)，即原來的一個(gè)凸輪改成三個(gè)凸輪，圖1中凸輪軸一項(xiàng)，中間為高升程，兩邊為零升程，高升程與停缸搖臂的內(nèi)搖臂配合，零升程與停缸搖臂的外搖臂配合，實(shí)現(xiàn)停缸功能。

1.4 雙油道液壓挺柱設(shè)計(jì)

把原普通液壓挺柱替換為雙油道液壓挺柱，增加一個(gè)油道，給停缸搖臂提供控制機(jī)油，安裝尺寸保持不變，見圖2。

圖2 雙油道液壓挺柱剖面圖

1.5 停缸搖臂設(shè)計(jì)

停缸搖臂的主要結(jié)構(gòu)和外形和普通搖臂相似，但搖臂體分成了內(nèi)搖臂和外搖臂，內(nèi)外搖臂通過鎖銷機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)鎖止和解鎖兩種狀態(tài)，對應(yīng)凸輪大升程和零升程。鎖銷機(jī)構(gòu)由鎖銷、鎖銷彈簧、鎖銷彈簧座及外搖臂的鎖銷孔構(gòu)成。內(nèi)外搖臂在氣門端通過銷子連接，并通過復(fù)位彈簧使內(nèi)搖臂在下行后能復(fù)位上行。見圖3。

圖3 停缸搖臂剖面圖

2 停缸系統(tǒng)測試

2.1 停缸搖臂響應(yīng)時(shí)間測試

2.1.1 測試原理和臺架

把被測搖臂放在臺架工裝上，激光位移傳感器對準(zhǔn)鎖銷，在示波器上讀出鎖銷從開始運(yùn)動到運(yùn)動終了的時(shí)間，即為響應(yīng)時(shí)間，見圖4。

圖4 響應(yīng)測試臺架

2.1.2 響應(yīng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)確定

確定Spec: t<=15 ms。計(jì)算方法如下：

以3 000 r/min為停缸使用的最高轉(zhuǎn)速，即曲軸50 r/s，凸輪軸25 r/s，每轉(zhuǎn)40 ms。在鎖止動作時(shí)，當(dāng)有升程時(shí)內(nèi)搖臂下行，鎖銷不能伸出，是不能切換的。在解鎖動作時(shí)，當(dāng)有升程時(shí)內(nèi)搖臂壓在鎖銷上，壓力使鎖銷不能移動，即不能解鎖。因此切換必須在基圓上進(jìn)行，基圓段約占一周2/3，40×2/3=27 ms, 根據(jù)上述計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)，選取15 ms作為響應(yīng)時(shí)間的上限，27/15=1.7，15 ms的spec安全系數(shù)為1.7，確保切換可以順利進(jìn)行。

2.1.3 響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果(包含低溫和高溫)

高溫測試結(jié)果和低溫測試結(jié)果分別見表1和表2。

表1 中高溫響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果

表2 低溫響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果

油壓在1.2 bar以下，響應(yīng)時(shí)間不能滿足要求。

從測試結(jié)果可知，25℃以下，響應(yīng)時(shí)間不能滿足要求。

對于測試響應(yīng)時(shí)間不合格的低溫低油壓區(qū)域，后續(xù)在發(fā)動機(jī)開發(fā)時(shí)需注意，不能在這些區(qū)域進(jìn)入停缸模式工作，即標(biāo)定時(shí)要避開。

2.2 凸輪軸工作狀態(tài)測試

2.2.1 氣門升程測試

氣門升程測試是測試凸輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)氣門的開啟高度，評判標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)的理論氣門升程型線。正常狀態(tài)見圖5，實(shí)測最大氣門升程10 mm，與設(shè)計(jì)值吻合。停缸狀態(tài)見圖6，氣門升程理論值應(yīng)為0，實(shí)測氣門升程±0.06，屬于測量誤差，實(shí)際氣門處于關(guān)閉狀態(tài)。從實(shí)測升程可知，正常狀態(tài)和停缸狀態(tài)的氣門升程均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 正常狀態(tài)凸輪軸一周進(jìn)氣門升程

圖6 停缸狀態(tài)凸輪軸一周進(jìn)氣門升程

2.2.2 凸輪軸扭矩測試

由實(shí)測凸輪軸扭矩可知，一缸和三缸的瞬態(tài)扭矩在停缸和不停缸狀態(tài)下基本一致，二缸不停缸時(shí)與一、三缸接近(見圖7)，二缸在停缸時(shí)扭矩接近零(見圖8)，說明二缸在停缸狀態(tài)，凸輪只驅(qū)動內(nèi)搖臂運(yùn)動，外搖臂不動，氣門彈簧不動，體現(xiàn)在凸輪軸上扭矩為零，符合預(yù)期。

圖7 正常狀態(tài)進(jìn)氣凸輪軸扭矩

圖8 停缸狀態(tài)進(jìn)氣凸輪軸扭矩

2.3 耐久試驗(yàn)

耐久試驗(yàn)做三種狀態(tài)(大升程、零升程、切換耐久)，在耐久試驗(yàn)臺架上進(jìn)行，見圖9。

圖9 耐久試驗(yàn)臺架

2.3.1 大升程耐久試驗(yàn)

大升程耐久試驗(yàn)就是保持不停缸狀態(tài)，即保持停缸搖臂處于鎖止?fàn)顟B(tài)，二缸一直處于高升程，按耐久規(guī)范運(yùn)行300 h。

試驗(yàn)后檢查零件狀態(tài)，搖臂無異常磨損或斷裂失效，檢測搖臂關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，均滿足圖紙要求。試驗(yàn)結(jié)果合格，達(dá)到應(yīng)用要求。

2.3.2 零升程耐久試驗(yàn)

零升程耐久試驗(yàn)就是保持在停缸狀態(tài)，即保持停缸搖臂處于解鎖狀態(tài)，二缸一直處于零升程，按耐久規(guī)范運(yùn)行300 h。

試驗(yàn)后檢查零件狀態(tài)，搖臂無異常磨損或斷裂失效，檢測搖臂關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，均滿足圖紙要求。試驗(yàn)結(jié)果合格，達(dá)到應(yīng)用要求。

2.3.3 切換耐久試驗(yàn)

切換耐久試驗(yàn)是通過電磁閥控制停缸搖臂，使凸輪在這一圈是高升程，下一圈是零升程，如此循環(huán)，完成300萬次循環(huán)。記錄電磁閥的通電次數(shù)和接近開關(guān)采集的搖臂切換次數(shù)。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，通電次數(shù)和切換次數(shù)一致，試驗(yàn)結(jié)果合格，見圖10。

圖10 切換試驗(yàn)臺架和設(shè)備

3 結(jié)論

(1)通過設(shè)計(jì)、制造搖臂式停缸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠工作，可以進(jìn)行大升程和零升程的來回切換。

(2)通過停缸搖臂響應(yīng)試驗(yàn)，初步掌握響應(yīng)時(shí)間和油壓、溫度的關(guān)系，為將來建立復(fù)雜的控制模型打下初步基礎(chǔ)。

(3)通過測量獲取大升程狀態(tài)和停缸狀態(tài)凸輪軸扭矩?cái)?shù)據(jù)、正常狀態(tài)和停缸狀態(tài)的氣門升程數(shù)據(jù)，總體正常，可作為將來凸輪軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化參考。

(4)通過大升程耐久試驗(yàn)、零升程耐久試驗(yàn)和切換耐久試驗(yàn)，證明該機(jī)構(gòu)的耐久性和切換可靠性合格，已達(dá)到應(yīng)用要求。