K.WITTEK F.GEIGER

長度可變的連桿能相對簡易地集成到現(xiàn)有的發(fā)動機中，并使其具有可變的壓縮比。發(fā)動機運行安全性和成本是零部件開發(fā)中最重要的課題。德國海爾布隆大學在發(fā)動機試驗臺和試驗車輛上驗證了長度可變連桿的運行特性，同時介紹了其在實際發(fā)動機上運行的試驗結(jié)果。

可變壓縮比;長度可變連桿;試驗

0?前言

可變壓縮比在汽油機上的應(yīng)用包括在一定的全負荷平均壓力曲線下運作時，發(fā)動機需要在盡可能寬廣的工況范圍內(nèi)提高效率。能否使發(fā)動機進一步提高效率取決于諸多因素，為此研究人員應(yīng)對各種使用環(huán)境分別予以評估，其中必須考慮到混合動力系統(tǒng)、全新的行駛循環(huán)及代用燃料等方面。基于上述情況可知，使用可變壓縮比技術(shù)的前提條件為逐步提升零部件的可用性。研究人員能基于現(xiàn)有發(fā)動機結(jié)構(gòu)的可集成性和制造成本來決定未來是否使用可變壓縮比系統(tǒng)，以及使用何種系統(tǒng)。

1?偏心活塞銷座方案及其歷史

連桿長度的可變性能直接借助于直線導向裝置或偏心輪來實現(xiàn)。采用偏心輪可明顯降低連桿所承受的作用力。通過偏心活塞銷座和2個液壓缸來支承偏心力矩，已被證實具有較高可行性。早在2005年，基于倒拖發(fā)動機的試驗結(jié)果已首次驗證了該項功能[1]。在后續(xù)的數(shù)年中，研究人員又在實際運行的發(fā)動機上進行了試驗[2-4]。近年來，針對連桿的工業(yè)化研究得以開展，預(yù)計該類產(chǎn)品將于2023年開始量產(chǎn)[5]。

2?液壓支承效果的試驗研究

偏心輪所采用的液壓支承是發(fā)動機實現(xiàn)無故障安全運行的前提條件。在2個終端位置時，2個支承活塞中的1個布置于氣缸底部，另1個布置在1個封閉的機油容器上。由于與零件的彈性變形、可壓縮性及泄漏等因素密切相關(guān)，周期性作用在活塞銷上的負荷使支承機構(gòu)出現(xiàn)了運動現(xiàn)象，研究人員應(yīng)盡可能消除此類現(xiàn)象。對于上述目標的構(gòu)件設(shè)計過程而言，研究人員需要對偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象和由此產(chǎn)生的支承壓力進行深入研究，而這2類情況的出現(xiàn)又取決于運行工況點。

為了對支承功能進行研究，研究人員將配備了壓力和行程傳感器的長度可變連桿安裝在1臺3缸1.0 L發(fā)動機上，并在實際運行的發(fā)動機上進行試驗。研究人員對搖臂傳輸信號進行了測量，同時在第3缸連桿軸頸旁安裝了1個壓力傳感器，其信號可通過1個滑環(huán)傳送器進行傳輸。圖1示出了實際投入應(yīng)用的微型傳感器及其集成在氣缸體曲軸箱中的情況，以及傳感器和在連桿試驗臺上為長度可變連桿配備測量搖臂的情況。

圖2示出了所選擇的2種穩(wěn)定運行工況點的信號曲線。發(fā)動機在第1個運行工況點時，會采用高壓縮比εHigh，所得到的負荷基本相當于自然吸氣全負荷，而偏心輪力矩M則由測得的缸內(nèi)氣體壓力和基于運動學的活塞慣性力計算得到。正力矩會產(chǎn)生作用于GKS側(cè)油缸支承室的負荷，負力矩會產(chǎn)生作用于MKS側(cè)油缸支承室的負荷，其中在εHigh終端位置上的MKS支承活塞位于油缸底部，由此產(chǎn)生的壓力較低。構(gòu)件的負荷狀況、間隙、可壓縮性和泄漏會引起偏心輪角度調(diào)節(jié)的柔性變化，這很大程度上與GKS支承油缸中的壓力曲線相關(guān)，在上止點（TDC）后不久會使偏心輪的最大扭轉(zhuǎn)角達到0.8°。當發(fā)動機在該工況點運行時，低壓側(cè)僅呈現(xiàn)出較小的壓力波動。

如圖2所示，發(fā)動機在第2個運行工況點時，會采用低壓縮比εLow。此時GKS支承活塞首先處于油缸底部，呈負值的偏心輪力矩在MKS支承油缸中會產(chǎn)生相應(yīng)的壓力pMKS，先前吸入的機油也會在GKS支承油缸中產(chǎn)生一定壓力，在上止點后不久即達到偏心輪的最大扭轉(zhuǎn)角，該數(shù)值約為1.6°。連桿軸瓦上油槽中的壓力pNut曲線呈現(xiàn)出了明顯的動力學變化。

3?試驗車輛

在加速過程中，研究人員必須調(diào)低發(fā)動機的壓縮比，以防止產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。為了測試真實行駛狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換特性，研究人員專門為1臺6缸3.0 L發(fā)動機配備了長度可變連桿，并將其安裝到試驗車輛上。圖3示出了一些結(jié)構(gòu)細節(jié)及其在發(fā)動機上的集成效果。偏心距為3.0 mm，能將其長度同樣也調(diào)整為3.0 mm，由此能使整機具有2種壓縮比，其中εHigh為13.0，εLow為9.7。

支承活塞使用了由Freudenberg公司開發(fā)的聚四氟乙烯密封環(huán)來進行密封。止回閥由1個淬硬的閥板和1個直徑為3.0 mm的陶瓷球組成。執(zhí)行機構(gòu)可借助于Sonceboz公司的12 V扭轉(zhuǎn)電機以操縱可活動的機械偏心輪。每個氣缸旁安裝了1個霍爾傳感器以采集實時壓縮比，壓縮比傳感器的信號處理和執(zhí)行電機的控制過程與發(fā)動機電控單元無關(guān)，而是單獨由National Instrument公司的CompactRio型控制器進行控制。研究人員為此設(shè)置了1個屏幕，可顯示出各個氣缸的壓縮比瞬時值和其他測量值，而無需與發(fā)動機控制器進行專門匹配。

4?在汽車上的試驗

研究人員將設(shè)定的靜態(tài)轉(zhuǎn)換特性曲線存儲在控制器中，并將其用于壓縮比的轉(zhuǎn)換。在所示的轉(zhuǎn)換策略下，當平均有效壓力瞬時值有所提升時，壓縮比即會切換到εLow，而負荷參數(shù)則是由發(fā)動機電控單元提供的接合力矩計算得出。

長途行駛中的負荷和轉(zhuǎn)速曲線示于圖4，下方的3張曲線圖示出了其向εLow轉(zhuǎn)換的細節(jié)，其中各個數(shù)據(jù)點分別代表每次轉(zhuǎn)換終了時參數(shù)的實時值，瞬態(tài)負荷全部由控制器每10 ms更新1次。一旦這些數(shù)值分別低于相應(yīng)的閾值，控制器就會對壓縮比進行調(diào)整，在所示的細節(jié)中，其時間點處于2個數(shù)據(jù)點之間，并被定義為開始時間點（t = 0 s）。在下一個時間點，執(zhí)行器已對部分調(diào)節(jié)行程進行了設(shè)定，在下一次轉(zhuǎn)動終了時執(zhí)行器就會抵達終端擋板。根據(jù)長度可變連桿何時經(jīng)過偏心輪元件表面，以及當時氣缸處于哪個工作循環(huán)等因素，壓縮比會逐步向εLow進行調(diào)整。所有6個長度可變連桿均可實現(xiàn)同步連續(xù)調(diào)節(jié)。在這個典型的示范性細節(jié)中，第5氣缸的長度可變連桿將在曲軸第18轉(zhuǎn)時達到其終端位置，因此調(diào)節(jié)過程會在0.48 s后結(jié)束。

在催化轉(zhuǎn)化器加熱期間，應(yīng)優(yōu)先使用低壓縮比，以便能實現(xiàn)盡可能高的廢氣溫度。發(fā)動機停機時會處于εHigh狀態(tài)，在后續(xù)的試驗中，研究人員將對正處于εHigh狀態(tài)的發(fā)動機如何能在起動過程中迅速地轉(zhuǎn)換到εLow狀態(tài)開展進一步研究。在操縱起動機前，偏心輪元件就已處于εLow位置。圖5示出了在發(fā)動機起動階段及后續(xù)過程中的信號曲線。在時間點t=0 s時，曲軸會轉(zhuǎn)動第1圈，在轉(zhuǎn)過第1圈后，各個連桿的調(diào)節(jié)程度存在顯著差異。換言之，各個連桿的轉(zhuǎn)換閥會根據(jù)曲軸布置順序的錯開角度和錯開時間來進行操縱。在操縱之后不管后續(xù)行程為壓縮行程或排氣行程，在t=2.0 s時，所有氣缸都已達到了εLow狀態(tài)。

5?總結(jié)和展望

本文介紹了長度可變的連桿系統(tǒng)在實際發(fā)動機上運行時的試驗結(jié)果。重要狀態(tài)參數(shù)曲線可通過較高的分辨率與曲軸轉(zhuǎn)角得以同步記錄，使研究人員可以清楚地看到工作循環(huán)內(nèi)的機械和液壓過程。同時，研究人員在所試驗的運行工況點上觀察到的最大壓力約為10 MPa，在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min并采用εLow時，觀察到偏心輪最大的偏轉(zhuǎn)角度為1.6°。在德國海爾布隆大學的其他研究項目中，研究人員還成功地在高于6 000r/min的發(fā)動機轉(zhuǎn)速條件下進行了試驗。

研究人員將另1臺同樣也配備長度可變連桿的發(fā)動機安裝在汽車上，并進行了瞬態(tài)工況試驗，在向εLow轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)過程中，各個氣缸之間的偏差較小。在典型的負荷突變情況下，該過程持續(xù)了約0.5 s。在εHigh狀態(tài)時，停止運行的發(fā)動機能在起動后約2.0 s后切換到εLow狀態(tài)。未來，研究人員將針對用于液壓支承型長度可變連桿的執(zhí)行機構(gòu)方案而開展相關(guān)研究。

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