李加旺，朱博鋮，尹子明，王永生

奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241009

0 引言

日益嚴(yán)格的油耗標(biāo)準(zhǔn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展提出了巨大挑戰(zhàn)。為提高燃油經(jīng)濟(jì)性，直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用米勒循環(huán)技術(shù)，通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)刻，改變發(fā)動(dòng)機(jī)有效壓縮比并維持較高膨脹比來(lái)提高熱效率[1-2]，減少發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失。米勒循環(huán)技術(shù)首先被馬自達(dá)公司成功商業(yè)化并批量生產(chǎn)，如馬自達(dá)2.4 L KOERU型發(fā)動(dòng)機(jī)，隨后韓國(guó)現(xiàn)代1.5DPFI、大眾EA211 1.5 L TSI等米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)陸續(xù)批量生產(chǎn)。

相關(guān)研究表明，在米勒循環(huán)工作過(guò)程中，進(jìn)氣門開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)刻的偏差對(duì)缸內(nèi)進(jìn)氣流量影響很大，即使很小的偏差，也會(huì)使氣缸內(nèi)進(jìn)氣充量出現(xiàn)較大差異，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能一致性[3]。氣門正時(shí)相位的精確控制十分重要。影響相位偏差的零件的制造公差和裝配公差至關(guān)重要，壓縮零件尺寸公差、優(yōu)化裝調(diào)工藝等常規(guī)控制方法無(wú)法滿足米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)相位偏差的要求，精確控制氣門正時(shí)相位是實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)的關(guān)鍵。

1 相位偏差對(duì)米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

1.1 米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比為活塞處在下止點(diǎn)(bottom dead center，BDC)時(shí)的氣缸最大工作容積與活塞處在上止點(diǎn)(top dead center，TDC)時(shí)的氣缸最小工作容積之比。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)(奧拓循環(huán))的膨脹行程與壓縮行程相同，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比等于幾何壓縮比[4]。對(duì)奧拓循環(huán)的氣門正時(shí)進(jìn)行調(diào)整，采用進(jìn)氣門晚關(guān)(late intake valve closing，LIVC)策略,在壓縮行程初期，使吸入氣缸的一部分氣體回流到進(jìn)氣歧管，即多排氣，則該循環(huán)稱為阿特金森循環(huán)；采用進(jìn)氣門早關(guān)(early intake valve closing，EIVC)策略,在壓縮行程初期，使進(jìn)氣門早關(guān)，實(shí)現(xiàn)少進(jìn)氣，則該循環(huán)稱為米勒循環(huán)[4-5]。米勒循環(huán)過(guò)程中，進(jìn)氣門早關(guān)，活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)后并不立即開(kāi)始?jí)嚎s行程，而是上行到進(jìn)氣門關(guān)閉的位置時(shí)才開(kāi)始?jí)嚎s行程，因此米勒循環(huán)推遲了壓縮開(kāi)始時(shí)刻，降低了有效壓縮比，使膨脹行程大于壓縮行程，可以充分利用缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的能量；同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷時(shí)，通過(guò)進(jìn)氣門早關(guān)削弱了節(jié)氣門的節(jié)流影響，降低了泵氣損失，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性[6]。

1.2 米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

研究對(duì)象為渦輪增壓缸內(nèi)直噴米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變截面渦輪增壓器(variable geometry turbocharger，VGT)、進(jìn)氣和排氣雙可變氣門正時(shí)(variable valve timing ,VVT)、35 MPa高壓共軌等技術(shù)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.3 相位偏差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位反映某一時(shí)刻活塞和氣門在曲軸旋轉(zhuǎn)角中的位置關(guān)系，習(xí)慣上把第一缸活塞壓縮上止點(diǎn)時(shí)刻定義為發(fā)動(dòng)機(jī)的“0”時(shí)刻(即曲軸轉(zhuǎn)角為0°的位置)，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)角范圍為0°～720°，本文中基于曲軸轉(zhuǎn)角描述配氣相位角。

影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣充量的主要因素為換氣過(guò)程的容積效率，容積效率與燃燒室形狀、進(jìn)氣門和排氣門端面積、氣門打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)刻有關(guān)[7]。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和氣門機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，容積效率僅與氣門打開(kāi)、關(guān)閉時(shí)刻相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸初始位置(即進(jìn)、排氣門開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)刻)是電子控制單元(electronic control unit，ECU)的標(biāo)定基礎(chǔ)，如增壓壓力、空燃比、VVT角度、噴油和點(diǎn)火時(shí)刻等參數(shù)均以凸輪軸初始位置進(jìn)行標(biāo)定，并在ECU控制程序中固化。由于生產(chǎn)制造的一致性存在差異，凸輪軸初始位置與設(shè)計(jì)位置存在偏差，氣門開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)刻發(fā)生變化，改變了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣流量。ECU基于進(jìn)氣歧管壓力、缸內(nèi)殘余氣體及進(jìn)氣充量系數(shù)計(jì)算進(jìn)氣充量，進(jìn)氣充量系數(shù)曲線如圖1所示。EIVC策略的米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻(升程為1 mm)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為525°～555°，如圖1的左虛框a—b段所示；傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻(升程為1 mm)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為585°～615°，如圖1中右虛框c—d段所示。由圖1可知：a—b段曲線斜率遠(yuǎn)大于c—d段曲線斜率的絕對(duì)值，表明米勒循環(huán)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻之間存在較小的偏差時(shí)，即可導(dǎo)致氣缸進(jìn)氣充量和進(jìn)氣充量系數(shù)出現(xiàn)較大的差異[8-9]。

圖1 進(jìn)氣充量系數(shù)與曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

為了驗(yàn)證不同初始進(jìn)氣相位偏差(相對(duì)于設(shè)計(jì)值)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響程度，在保持排氣門關(guān)閉時(shí)刻不變的情況下，設(shè)定不同的進(jìn)氣門開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)刻方案(相對(duì)原機(jī)相位提前10°、6°、3°和滯后3°)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比試驗(yàn)。該米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU標(biāo)定程序已固化，保持相同試驗(yàn)邊界：進(jìn)氣溫度為25 ℃、冷卻出水溫度為105 ℃、試驗(yàn)用燃油為RON92，按文獻(xiàn)[10]推薦的方法進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。進(jìn)氣門關(guān)閉相位變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響如表2所示。

表2 進(jìn)氣門關(guān)閉相位變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響

由表2可知：1)相較于原機(jī)相位，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩的影響較大，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻曲軸轉(zhuǎn)角提前10°，最大轉(zhuǎn)矩降低10.1%，最大功率降低9.4%，不滿足發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩一致性要求(設(shè)計(jì)要求功率和轉(zhuǎn)矩一致性偏差在±5%以內(nèi))；2)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷下的油耗影響更大，在特征點(diǎn)工況下，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻曲軸轉(zhuǎn)角分別提前10°、6°、3°和滯后3°時(shí)，比油耗相較于原機(jī)相位分別增加為63.4%、35.6%、14.3%和4.8%，不滿足米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗的一致性要求(設(shè)計(jì)要求比油耗一致性偏差在±4%以內(nèi))。

導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩偏差過(guò)大的主要原因?yàn)檫M(jìn)氣門的關(guān)閉時(shí)刻影響容積效率和進(jìn)氣充量系數(shù)：進(jìn)氣門的關(guān)閉時(shí)刻提前，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量和容積效率降低，進(jìn)氣流量降低限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出功率和最大輸出轉(zhuǎn)矩；相反，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻延遲，發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率和進(jìn)氣流量相應(yīng)提升。不同進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量隨轉(zhuǎn)速變化的測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的角度提前10°，發(fā)動(dòng)機(jī)最大進(jìn)氣質(zhì)量流量降低約11%。

圖2 不同進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量 隨轉(zhuǎn)速變化的測(cè)試結(jié)果

由表2和圖2可知，進(jìn)氣門角度提前3°和滯后3°，發(fā)動(dòng)機(jī)最大進(jìn)氣流量偏差在±2.5%以內(nèi)，最大功率和最大轉(zhuǎn)矩偏差在±4.5%以內(nèi)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩一致性要求，但無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗的一致性要求。統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明，滿足該米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗一致性要求，發(fā)動(dòng)機(jī)相位偏差應(yīng)控制在±1°以內(nèi)。

導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗增大的主要原因?yàn)檫M(jìn)氣開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)刻的變化使得進(jìn)氣湍流能量、殘留廢氣量和混合氣濃度發(fā)生變化[11-12]。發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定程序固化后，ECU無(wú)法識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣相位的變化，仍按照原標(biāo)定數(shù)據(jù)(增壓壓力、空燃比、點(diǎn)火角、充氣效率等)進(jìn)行控制，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒速率變化，造成比油耗不同程度增大[13]。

θMFB50表示燃料燃燒累積放熱量達(dá)到50%時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角(即燃燒重心相對(duì)于活塞上止點(diǎn)后的曲軸轉(zhuǎn)角)。發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷工況時(shí)，θMFB50越小，燃燒速率越快，燃燒熱損失越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率越高，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率越低[14]。

該發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)不同負(fù)荷的燃燒速率和比油耗如圖3所示。由圖3可知：發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷工況(平均有效壓力不大于0.4 MPa)下，燃燒速率由小到大依次為提前10°、提前6°、提前3°、原機(jī)相位、滯后3°，且比油耗隨著燃燒速率的增加而減小。

a) 燃燒速率 b) 比油耗

綜上所述，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)相位偏差更加敏感，為滿足米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能一致性要求，相位偏差應(yīng)控制在±1°范圍內(nèi)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)相位偏差的來(lái)源與控制

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)相位偏差來(lái)源

發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)相位是指進(jìn)、排氣門開(kāi)閉時(shí)刻或?qū)?yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，ECU根據(jù)曲軸信號(hào)傳感器和凸輪信號(hào)傳感器間接計(jì)算相位角和進(jìn)氣充量，相位計(jì)算結(jié)果可能和設(shè)計(jì)值不一致，由此產(chǎn)生相位偏差。

相位偏差主要來(lái)自相關(guān)零件的制造偏差、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程產(chǎn)生的偏差和傳感器讀取并發(fā)送給ECU的過(guò)程中產(chǎn)生的偏差3個(gè)部分。相關(guān)零件主要包括曲軸、信號(hào)齒、凸輪軸(含信號(hào)輪)、相位器、氣缸體(安裝傳感器的位置)、氣缸蓋(安裝凸輪軸的位置)、氣門室罩蓋(安裝凸輪信號(hào)傳感器的位置)等，這些零件制造偏差累計(jì)占總體相位偏差的55%，是相位偏差的主要來(lái)源。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程產(chǎn)生的相位偏差主要由正時(shí)工裝精度、裝配工藝順序與擰緊過(guò)程的相位偏移導(dǎo)致，占總體相位偏差的35%，是相位偏差控制的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，其中，相位器在擰緊過(guò)程中可產(chǎn)生相對(duì)于曲軸的微小轉(zhuǎn)動(dòng)角度，而連接相位器和曲軸的傳動(dòng)鏈條或者皮帶無(wú)法克服此轉(zhuǎn)角，從而產(chǎn)生擰緊過(guò)程相位偏差。不同傳感器信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確性的差異導(dǎo)致在讀取并發(fā)送信號(hào)給ECU過(guò)程中產(chǎn)生相位偏差。

相位偏差又可以分為凸輪軸相位偏差、曲軸相位偏差以及整機(jī)裝配相位偏差。凸輪軸相位偏差是相位傳感器檢測(cè)到的以曲軸相位為基準(zhǔn)的相位與設(shè)計(jì)相位之間的偏差，該偏差主要來(lái)自凸輪軸、信號(hào)輪以及傳感器的安裝位置。曲軸相位偏差是指相位傳感器檢測(cè)到的上止點(diǎn)位置和實(shí)際上止點(diǎn)位置的偏差，該偏差主要來(lái)自曲軸、信號(hào)齒以及傳感器的安裝位置。凸輪軸相位偏差、曲軸相位偏差以及整機(jī)裝配相位偏差示意圖如圖4所示。

a)凸輪軸 b)曲軸 c)正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)

結(jié)合相關(guān)零件實(shí)際的尺寸公差，整理并計(jì)算整機(jī)相位偏差，結(jié)果如表3所示。由表3可知：除整機(jī)裝配過(guò)程公差外的累計(jì)極限公差不超過(guò)±3.895°，累計(jì)統(tǒng)計(jì)公差不超過(guò)±2.405°；所有環(huán)節(jié)的累計(jì)極限公差不超過(guò)±5.895°，累計(jì)統(tǒng)計(jì)公差不超過(guò)±3.560°。

表3 整機(jī)相位公差來(lái)源及其極限、統(tǒng)計(jì)公差

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)相位偏差控制

為降低相位偏差，需要提高零件的加工精度，改善裝配工藝過(guò)程，提高傳感器的測(cè)量精度，但壓縮零件尺寸公差和提高傳感器測(cè)量精度將增加零件制造成本，各主機(jī)廠主要通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程或反向補(bǔ)償來(lái)控制相位偏差[8]。根據(jù)表3中的統(tǒng)計(jì)公差與極限公差計(jì)算結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際相位偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，控制后的相位偏差在±3.5°內(nèi)，滿足傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求，但無(wú)法滿足米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求。因此必須對(duì)相位偏差進(jìn)行精確控制以滿足米勒循環(huán)對(duì)相位精度的要求，確保發(fā)動(dòng)機(jī)性能偏差在設(shè)計(jì)規(guī)范以內(nèi)。

為精確控制相位偏差，引入發(fā)動(dòng)機(jī)相位在線測(cè)量設(shè)備。該設(shè)備通過(guò)2個(gè)位移傳感器分別檢測(cè)進(jìn)、排氣凸輪升程曲線，通過(guò)中間的位移傳感器檢測(cè)活塞上止點(diǎn)，定義活塞上止點(diǎn)為參考零點(diǎn)，光電編碼器記錄此時(shí)曲軸信號(hào)齒的位置；根據(jù)檢測(cè)到的進(jìn)、排氣凸輪升程曲線，判斷出進(jìn)、排氣門開(kāi)啟和關(guān)閉相對(duì)于曲軸的角度，該角度即為發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際相位角。發(fā)動(dòng)機(jī)相位采集和ECU讀寫(xiě)路徑如圖5所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，檢測(cè)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際相位角并記錄下來(lái)，然后輸入給ECU，ECU根據(jù)預(yù)設(shè)名義相位和實(shí)測(cè)相位的差進(jìn)行VVT調(diào)節(jié)補(bǔ)償[15]。每個(gè)工況點(diǎn)都引入此相位補(bǔ)償量，ECU基于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的相位關(guān)系進(jìn)行精確控制，保證米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相位偏差滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)相位采集和ECU讀寫(xiě)路徑

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)大批量在線測(cè)量結(jié)果，該設(shè)備測(cè)量凸輪升程位移精度為0.001 mm，轉(zhuǎn)化為正時(shí)相位偏差，曲軸轉(zhuǎn)角小于1°，滿足米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相位偏差要求。

3 結(jié)論

通過(guò)測(cè)量相位偏差，分析相位偏差的來(lái)源及對(duì)米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，提出米勒循環(huán)相位偏差的控制目標(biāo)和實(shí)際相位角測(cè)量方案。

1)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)比較，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和油耗對(duì)相位偏差更加敏感，為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)一致性控制的要求，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的相位偏差需要控制在±1°內(nèi)。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)相位偏差來(lái)源于零件的制造偏差、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程產(chǎn)生的偏差和傳感器讀取偏差，采用壓縮零件尺寸公差并優(yōu)化裝調(diào)工藝等常規(guī)控制方法，控制后的相位偏差仍然在±3.5°內(nèi)，不滿足米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)相位偏差的要求。

3)采用發(fā)動(dòng)機(jī)相位在線測(cè)量并通過(guò)ECU進(jìn)行相位偏差修正與補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際相位關(guān)系的精確控制，確保批量生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和油耗偏差都在設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)。