T.BRAUN T.BURKHARDT J.DINGL M.KNFEL

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

米勒循環(huán);阿特金森循環(huán);配氣機構;氣門正時

0 前言

為了不斷提高內(nèi)燃機效率，發(fā)動機開發(fā)人員目前將研究重點放在米勒循環(huán)和阿特金森循環(huán)上。目前，渦輪增壓發(fā)動機更趨于采用米勒循環(huán)，與傳統(tǒng)運行策略相比，采用米勒循環(huán)能使整機效率提高約7.5%。

上述2種循環(huán)提升效率的主要原因在于通過發(fā)動機節(jié)流過程而降低了氣體交換損失，同時可使發(fā)動機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)動機壓縮比，從而使發(fā)動機在高負荷下的運行過程更加高效[1-2]。

為了在實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)時須重點關注發(fā)動機氣門正時的精度。在典型的進氣門提前關閉點或延遲關閉點時，活塞運動速度會非?？?。因此，即便與正常的氣門關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現(xiàn)降低排放和提高效率等目標的關鍵條件。

由于制造公差的存在，當今量產(chǎn)發(fā)動機的進氣和排氣凸輪軸的氣門關閉時間差異可高達±5 °CA。這會使發(fā)動機著火運行時的氣缸充量偏差高達25%。凸輪軸位置誤差不僅會使氣缸充量的計算過程不正確，還會使許多量產(chǎn)發(fā)動機無法以最佳的氣門正時運行，這不利于實現(xiàn)提高發(fā)動機效率及降低排放的目標。

Vitesco Technologies公司的目標是開發(fā)1種方法。通過該方法，研究人員只須采用當前量產(chǎn)發(fā)動機常用的傳感器，就可檢測發(fā)動機凸輪軸的位置（以測量發(fā)動機氣門關閉正時）。同時，該方法需要在發(fā)動機控制單元中得以有效應用，由此可避免因額外增加硬件而使系統(tǒng)成本提高，或對發(fā)動機制造過程產(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)，并已獲得了相關專利。PCAA方法能夠識別與制造相關的配氣機構公差，從而將進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)，由此可以更精準地確定和控制發(fā)動機的氣缸充量（圖1）。

1 工作原理

在工作循環(huán)中，進氣門、排氣門和活塞之間的相互作用會對進氣歧管壓力變化產(chǎn)生影響，這是采用PCAA方法的物理基礎。圖2以直列4缸發(fā)動機為例，研究人員通過GT-Power仿真模型確定了進氣門或排氣門正時偏移對進氣歧管壓力變化的影響。圖2左側示出了該發(fā)動機某個氣缸的氣門升程曲線，黑色曲線為參考氣門正時，進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右側為相應的進氣歧管壓力曲線。

顯然，進氣門和排氣門相對于活塞的位置會影響進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）分析進氣歧管壓力曲線，從而計算出了各個階次（頻率）的相關振幅和相位。圖3示出了階次1～20的計算振幅。

最大振幅出現(xiàn)在4階，其等同于直列4缸發(fā)動機的進氣頻率。與其他階次所產(chǎn)生的背景噪聲相比，進氣頻率的倍數(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)動機進氣頻率決定了壓力曲線信號的形狀。因此，進氣頻率是進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氣歧管壓力的影響，研究人員在6個進氣凸輪軸位置和6個排氣凸輪軸位置（36個測量點）的矩陣中調(diào)整了發(fā)動機凸輪軸的位置。這種變化涵蓋了量產(chǎn)發(fā)動機中出現(xiàn)的±5 °CA配氣機構公差（偏離額定氣門正時）。針對每個測量點，研究人員記錄下了進氣歧管壓力曲線及進氣門和排氣門位置，并進行了FFT分析。圖4示出針對4階、8階、12階和16階的計算相位。

每個階次都有1個可根據(jù)氣門正時計算出的相位特征模式。通過上述方法，研究人員可在發(fā)動機各個氣門正時與基于各個階次而計算出的相位之間建立明確關系。

2 功能實施與驗證

PCAA方法充分利用了氣門正時與進氣歧管壓力波動相位之間的關系。通過在相應頻率范圍內(nèi)分析進氣歧管壓力，研究人員可以檢測到各個氣門關閉正時對進氣歧管壓力形成的物理影響，并在發(fā)動機控制單元軟件中對此進行建模。通過反轉計算模型，研究人員可將記錄的進氣歧管壓力曲線信息用于反向測算發(fā)動機的實際氣門正時。通過該方式，研究人員可檢測出參考發(fā)動機的實際氣門關閉正時與各個量產(chǎn)發(fā)動機的實際氣門關閉正時之間的偏差，并使此類數(shù)值得以量化，由此可使各個量產(chǎn)發(fā)動機的實際氣門正時與參考發(fā)動機實現(xiàn)合理匹配。由此，研究人員可在確定各個發(fā)動機的氣缸實際進氣量時使誤差最小化，并以此為基礎對噴油量進行了調(diào)整，從而實現(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)動機的凸輪軸精確地調(diào)節(jié)到標準位置，并確保發(fā)動機在最佳的熱力學工況點運行。這種方法可以在很大程度上補償影響進氣側和排氣側的制造公差。

為了證明PCAA方法的優(yōu)勢，研究人員對5個工作循環(huán)中測得的進氣歧管壓力曲線進行了處理。研究人員針對上述36個測量點，通過該方法計算出參考發(fā)動機的凸輪軸位置，并與實際凸輪軸位置進行比較。圖5示出了在2 000 r/min的發(fā)動機轉速下，采用PCAA方法計算進氣和排氣凸輪軸位置所能達到的精度。經(jīng)過測試的36個凸輪軸位置涵蓋了量產(chǎn)發(fā)動機的整個配氣機構公差范圍（±5 °CA）。

由此可知，對于進氣凸輪軸和排氣凸輪軸而言，每個測量點的偏差均小于±0.5 °CA。這一結果反映出PCAA方法具有很高的精度。圖6示出在1 500～2 300 r/min轉速范圍內(nèi)，采用PCAA方法計算出的進氣和排氣凸輪軸位置的標準偏差。在整個轉速范圍內(nèi)，進氣凸輪軸的標準偏差均小于0.15 °CA。排氣凸輪軸的標準偏差略高，但始終保持在0.25 °CA以下。因此，該方法可以針對配氣機構的整個公差范圍及所考慮的轉速范圍，通過進氣歧管壓力曲線而精確地計算出進氣門和排氣門的實際關閉正時。

為了實現(xiàn)PCAA方法的系列應用，Vitesco Technologies公司的研究人員開發(fā)并采用了其他功能模塊，以補償環(huán)境壓力和環(huán)境溫度的影響。在1 500～2 500 r/min轉速范圍內(nèi)，研究人員均可通過在線控制單元使PCAA方法投入使用。

3 結語

通過PCAA方法，研究人員可對各個氣門正時及其對進氣歧管壓力所產(chǎn)生的影響之間的物理關系進行精確建模，并將其用于氣門關閉正時的計算過程中。針對±5 °CA的公差范圍，PCAA方法能以非常高的精度補償特定參考發(fā)動機和量產(chǎn)發(fā)動機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)的技術優(yōu)勢，從而為未來發(fā)動機提供1種經(jīng)濟、高效的運行策略，以減少CO2排放。PCAA方法將于近期應用于量產(chǎn)發(fā)動機，并實現(xiàn)可靠的適配精度。其中，進氣凸輪軸為±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)動機運行區(qū)域進行調(diào)節(jié)，并提高排氣凸輪軸的調(diào)節(jié)精度。另一方面，研究人員將重點放在功能擴展及專利申請上，以確定單個發(fā)動機的曲軸位置，以及V型和Boxer發(fā)動機的氣缸均衡性解決方案。

[1]WURMS R，BUDACK R，GRIGO M，u.a. Der neue Audi 2.0l motor mit innovativem rightsizing-ein weiterer meilenstein der TFSI-technologie[C]. 36. Internationales Wiener Motorensymposium，Wien，2015.

[2]EICHLER F，DEMMELBAUER E W，THEOBALD J，u.a. Der neue EA211 TSIevo von Volkswagen[C]. 37. Internationales Wiener Motorensymposium， Wien， 2016.