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給予米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)的發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)公差如何調(diào)節(jié)

立錡科技 ? 來源:汽車與新動力 ? 作者:汽車與新動力 ? 2021-08-09 09:28 ? 次閱讀

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

0 前言

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為了不斷提高內(nèi)燃機(jī)效率,發(fā)動機(jī)開發(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發(fā)動機(jī)節(jié)流過程而降低了氣體交換損失,同時可使發(fā)動機(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)動機(jī)壓縮比,從而使發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷下的運(yùn)行過程更加高效。

為了在實(shí)際條件下充分利用這些效率優(yōu)勢,研究人員在采用米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)時須重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動機(jī)氣門正時的精度。在典型的進(jìn)氣門提前關(guān)閉點(diǎn)或延遲關(guān)閉點(diǎn)時,活塞運(yùn)動速度會非常快。

因此,即便與正常的氣門關(guān)閉正時之間僅存在較小的偏差,也會使氣缸充量出現(xiàn)較大的差異。對其開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)動機(jī)的進(jìn)氣和排氣凸輪軸的氣門關(guān)閉時間差異可高達(dá)±5 °CA。

這會使發(fā)動機(jī)著火運(yùn)行時的氣缸充量偏差高達(dá)25%。凸輪軸位置誤差不僅會使氣缸充量的計(jì)算過程不正確,還會使許多量產(chǎn)發(fā)動機(jī)無法以最佳的氣門正時運(yùn)行,這不利于實(shí)現(xiàn)提高發(fā)動機(jī)效率及降低排放的目標(biāo)。

Vitesco Technologies公司的目標(biāo)是開發(fā)1種方法。通過該方法,研究人員只須采用當(dāng)前量產(chǎn)發(fā)動機(jī)常用的傳感器,就可檢測發(fā)動機(jī)凸輪軸的位置(以測量發(fā)動機(jī)氣門關(guān)閉正時)。同時,該方法需要在發(fā)動機(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)動機(jī)制造過程產(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公司開發(fā),并已獲得了相關(guān)專利。PCAA方法能夠識別與制造相關(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)動機(jī)的氣缸充量。

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對進(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)。研究人員通過GT-Power仿真模型確定了進(jìn)氣門或排氣門正時偏移對進(jìn)氣歧管壓力變化的影響。

該發(fā)動機(jī)某個氣缸的氣門升程曲線,黑色曲線為參考?xì)忾T正時,進(jìn)氣凸輪軸的氣門正時偏移為-10 °CA,排氣凸輪軸的氣門正時偏移為+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)氣門和排氣門相對于活塞的位置會影響進(jìn)氣歧管壓力曲線的形狀和時間位置。研究人員通過快速傅里葉變換(FFT)分析進(jìn)氣歧管壓力曲線,從而計(jì)算出了各個階次(頻率)的相關(guān)振幅和相位。

最大振幅出現(xiàn)在4階,其等同于直列4缸發(fā)動機(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,振幅則會越低。

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣頻率決定了壓力曲線信號的形狀。因此,進(jìn)氣頻率是進(jìn)氣歧管壓力的激勵頻率。振幅大小表示該階次的信號在總信號中產(chǎn)生的影響。相位表示了該階次的振蕩在總信號中的時間分配。

為了量化氣門正時對進(jìn)氣歧管壓力的影響,研究人員在6個進(jìn)氣凸輪軸位置和6個排氣凸輪軸位置(36個測量點(diǎn))的矩陣中調(diào)整了發(fā)動機(jī)凸輪軸的位置。這種變化涵蓋了量產(chǎn)發(fā)動機(jī)中出現(xiàn)的±5 °CA 配氣機(jī)構(gòu)公差(偏離額定氣門正時)。

針對每個測量點(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。針對4階、8階、12階和16階的計(jì)算相位。

每個階次都有1個可根據(jù)氣門正時計(jì)算出的相位特征模式。通過上述方法,研究人員可在發(fā)動機(jī)各個氣門正時與基于各個階次而計(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

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PCAA方法充分利用了氣門正時與進(jìn)氣歧管壓力波動相位之間的關(guān)系。通過在相應(yīng)頻率范圍內(nèi)分析進(jìn)氣歧管壓力,研究人員可以檢測到各個氣門關(guān)閉正時對進(jìn)氣歧管壓力形成的物理影響,并在發(fā)動機(jī)控制單元軟件中對此進(jìn)行建模。

通過反轉(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算發(fā)動機(jī)的實(shí)際氣門正時。通過該方式,研究人員可檢測出參考發(fā)動機(jī)的實(shí)際氣門關(guān)閉正時與各個量產(chǎn)發(fā)動機(jī)的實(shí)際氣門關(guān)閉正時之間的偏差,并使此類數(shù)值得以量化,由此可使各個量產(chǎn)發(fā)動機(jī)的實(shí)際氣門正時與參考發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)合理匹配。

由此,研究人員可在確定各個發(fā)動機(jī)的氣缸實(shí)際進(jìn)氣量時使誤差最小化,并以此為基礎(chǔ)對噴油量進(jìn)行了調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)所需的空燃比。

另一方面,通過以該方式校正凸輪軸位置,研究人員可以將各個發(fā)動機(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,研究人員對5個工作循環(huán)中測得的進(jìn)氣歧管壓力曲線進(jìn)行了處理。研究人員針對上述36個測量點(diǎn),通過該方法計(jì)算出參考發(fā)動機(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)過測試的36個凸輪軸位置涵蓋了量產(chǎn)發(fā)動機(jī)的4階、8階、12階和16階相位的整個配氣機(jī)構(gòu)公差范圍(±5 °CA)。

由此可知,對于進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸而言,每個測量點(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,該方法可以針對配氣機(jī)構(gòu)的整個公差范圍及所考慮的轉(zhuǎn)速范圍,通過進(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。

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),研究人員均可通過在線控制單元使PCAA方法投入使用。

3 結(jié)語

_

通過PCAA 方法,研究人員可對各個氣門正時及其對進(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)閉正時的計(jì)算過程中。針對±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)動機(jī)和量產(chǎn)發(fā)動機(jī)之間的氣門正時偏差。

采用Vitesco Technologies公司開發(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,從而為未來發(fā)動機(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,研究人員通過將排氣壓力傳感器集成到PCAA算法中,以對發(fā)動機(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)展及專利申請上,以確定單個發(fā)動機(jī)的曲軸位置,以及V型和Boxer發(fā)動機(jī)的氣缸均衡性解決方案。

編輯:jq

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原文標(biāo)題:干貨|針對米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)的發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)公差在線調(diào)節(jié)

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