深度解讀長(zhǎng)度可變連桿操縱方案

先進(jìn)的混合動(dòng)力總成管理控制系統(tǒng)通常面臨著高度復(fù)雜的需求，本文評(píng)述了新材料解決方案和互聯(lián)技術(shù)將如何提升系統(tǒng)效率，以及如何實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)預(yù)測(cè)功能的管理過程。

0 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)的集成工作主要由其操縱系統(tǒng)完成。以前的解決方案通?；?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械操縱單元的改進(jìn)，但機(jī)械操縱單元必須集成在靠近曲軸的底端結(jié)構(gòu)中。這對(duì)于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，就會(huì)涉及到較大的結(jié)構(gòu)性調(diào)整。

因此，研究人員開發(fā)了1種液壓操縱方案替代機(jī)械操作方案，這種操縱適用于各類型的發(fā)動(dòng)機(jī)而無須作任何結(jié)構(gòu)調(diào)整，并且也不需要對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)作調(diào)整。研發(fā)人員目前進(jìn)行的第2個(gè)方案開發(fā)則是基于電磁操縱，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的無級(jí)變化。

1 挑戰(zhàn)

相關(guān)文獻(xiàn)已介紹了以下2種可變壓縮比（VCR）連桿方案。在第1種方案中，連桿長(zhǎng)度變化是通過偏心活塞銷軸承來實(shí)現(xiàn)的，由該軸承承受2個(gè)液壓缸上的力矩。目前，這種方案的工業(yè)化進(jìn)程正在推進(jìn)。第2種方案則是基于可伸縮連桿，并由1個(gè)雙向作用的液壓缸來支撐2個(gè)力，對(duì)于批量生產(chǎn)，這種方案還要進(jìn)行優(yōu)化。

在這2種系統(tǒng)中，液壓缸的排空過程都是通過連桿中的1個(gè)雙通換向閥（以下稱為主換向閥）來實(shí)現(xiàn)的。由于要截?cái)鄼C(jī)油的高壓力，特別是在可伸縮連桿情況下，主換向閥必須布置在連桿中。

因此，這2種方案所面臨的挑戰(zhàn)在于對(duì)主換向閥的操縱過程，并且要求主換向閥在所有運(yùn)行條件下都能可靠，且能夠迅速被操縱，同時(shí)應(yīng)盡量減少主換向閥的集成費(fèi)用和附加零件成本。理想的操縱方式是采用無接觸的方案，實(shí)現(xiàn)完全可變的連桿操作。

2 液壓操縱系統(tǒng)

在液壓操縱系統(tǒng)中，主換向閥與操縱機(jī)油壓力的液壓執(zhí)行器是相互連通的。在最簡(jiǎn)單的情況下，這種執(zhí)行器由1個(gè)加載彈簧力的活塞構(gòu)成，該活塞承受著連桿軸承潤(rùn)滑油供油槽中的機(jī)油壓力。

因此，研究人員可以通過改變主油道中的機(jī)油壓力來操縱主換向閥，可使用可調(diào)式機(jī)油泵。在試驗(yàn)過程中，研究人員通過“直接”液壓操縱功能來改變機(jī)油壓力，使其僅能在1個(gè)有限的運(yùn)行范圍內(nèi)運(yùn)作。研發(fā)人員在實(shí)際應(yīng)用中增加了1個(gè)附加電動(dòng)機(jī)油泵為連桿軸承提供相應(yīng)的高油壓，而不再依賴發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)。

在分離式控制油壓管道的液壓操縱系統(tǒng)方案中，曲軸內(nèi)布設(shè)有獨(dú)立的分離式控制油壓管道。控制油壓的管道與位于曲軸中的3/2通閥（先導(dǎo)閥）相通，流體可與曲軸箱相連，也可與機(jī)油供應(yīng)側(cè)相連。

同時(shí)，根據(jù)該系統(tǒng)的情況，研究人員在2個(gè)軸承軸瓦上分別設(shè)置1個(gè)供油槽，以便使VCR連桿與曲軸之間建立獨(dú)立的流體連接，先導(dǎo)閥則由1個(gè)行程電磁執(zhí)行器來操縱。

未通電時(shí)的接通位置，控制油壓與環(huán)境壓力相對(duì)應(yīng)，此時(shí)的主換向閥不工作，系統(tǒng)高壓縮比（εHigh）被激活。當(dāng)然，研究人員也可以把主換向閥設(shè)計(jì)成在非控制油壓情況下，系統(tǒng)低壓縮比（εLow）被激活。

配備有獨(dú)立分離式控制油壓管道的液壓操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。先導(dǎo)閥位于曲軸前端旋轉(zhuǎn)軸中心第1曲柄臂側(cè)，通過電磁執(zhí)行器來操縱。操縱力由穿過中心螺栓的壓桿進(jìn)行傳遞?？刂朴蛪簭南葘?dǎo)閥出發(fā)，經(jīng)過孔和管道直至最終傳遞到連桿軸頸。

每個(gè)連桿軸承的液壓系統(tǒng)都是獨(dú)立的，由相鄰的主軸承額外供應(yīng)機(jī)油。研究人員在每個(gè)連桿軸頸的3個(gè)平面上均設(shè)置了輸出孔：在第1個(gè)平面上90 °交叉處布置了2個(gè)輸出孔，用于傳遞控制油壓;在位于軸頸中間的第2個(gè)平面上，徑向布置了2個(gè)輸出孔，用于潤(rùn)滑軸承；

在第3個(gè)平面上90 °交叉處布置了2個(gè)輸出孔，用于為VCR液壓系統(tǒng)傳輸機(jī)油。另外，研究人員還在連桿軸瓦上分段加工了出油槽，該油槽對(duì)稱于軸瓦剖分面伸展略大于90 °，這樣就能實(shí)現(xiàn)主軸承與連桿之間永久性的機(jī)油傳輸。

采用這種油槽設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)削弱軸承的主要承載區(qū)域。主換向閥由1個(gè)帶有控制邊緣的彈簧加載滑閥組成，在受非控制油壓作用的情況下，VCR連桿的GKS支撐油腔出口管道關(guān)閉，MKS支撐油腔打開，意味著主換向閥在接通位置時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以εHigh運(yùn)行。

3 試驗(yàn)車輛

為了驗(yàn)證獨(dú)立分離式控制油壓管道的液壓操縱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性，研究人員選取了福特嘉年華（Ford Fiesta）作為試驗(yàn)車輛，并在真實(shí)環(huán)境行駛狀況下進(jìn)行了試驗(yàn)。該試驗(yàn)汽車搭載了1款3缸1.0 L增壓直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)。

其中專門設(shè)計(jì)的VCR連桿與樣品活塞組合，能獲得2種壓縮比，高壓縮比εHigh為12.11，低壓縮比εLow為9.56。為了安裝電磁執(zhí)行器，研究人員在曲軸扭振減振器前設(shè)置了1塊支承板（圖3），該執(zhí)行器連接在發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸相位調(diào)節(jié)器上。

為了采集實(shí)時(shí)連桿長(zhǎng)度（即瞬時(shí)壓縮比ε）數(shù)據(jù)，研究人員在氣缸體曲軸上安裝了霍爾傳感器（ε 傳感器）。此外，研究人員未對(duì)試驗(yàn)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行其他方面的修改，同時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)添加了由國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE）認(rèn)證的粘度等級(jí)為0W40的全合成機(jī)油。

研究人員采用了1個(gè)可自由編程的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（Motec M800）作為獨(dú)立的VCR 電控單元，用于處理ε傳感器信號(hào)和控制執(zhí)行器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的管理是通過具有量產(chǎn)數(shù)據(jù)狀態(tài)的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)電控器來實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)瞬時(shí)ε和其他測(cè)量值都被記錄下來，并在汽車中控的顯示屏上得以顯示。

4 在汽車上的試驗(yàn)

試驗(yàn)驗(yàn)證了壓縮比能精確、可靠地轉(zhuǎn)換，并且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油用量不會(huì)造成明顯的干擾。該值以100 Hz測(cè)試速率為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行記錄。研究人員將進(jìn)氣管壓力作為負(fù)荷參數(shù)，當(dāng)進(jìn)氣管壓力超過依據(jù)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換閾值時(shí)，壓縮比就開始向εLow轉(zhuǎn)換；

當(dāng)進(jìn)氣管壓力低于轉(zhuǎn)換閾值并持續(xù)3 s后，壓縮比就開始向εHigh反向轉(zhuǎn)換。向εLow轉(zhuǎn)換和隨后向εHigh反向轉(zhuǎn)換的過程，其中t=0 s的時(shí)間點(diǎn)相當(dāng)于執(zhí)行器電流被切斷的時(shí)刻。

通過試驗(yàn)，研究人員得出如下結(jié)論：（1）在向εLow轉(zhuǎn)換過程中，第1氣缸連桿在約0.1 s后首先開始動(dòng)作，其他氣缸連桿緊跟其后，連桿的最小時(shí)間偏差是由點(diǎn)火偏差造成的，而非控制油壓在曲軸中的傳播造成；

（2）在t=0.5 s時(shí)，所有連桿都達(dá)到了最終的εLow狀態(tài)，向εHigh反向轉(zhuǎn)換有約0.1 s的偏差；（3）在t=0.8 s時(shí)，所有連桿都達(dá)到了最終εHigh狀態(tài)。在試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)機(jī)油壓力p機(jī)油信號(hào)曲線并沒有因試驗(yàn)轉(zhuǎn)換過程而出現(xiàn)明顯的變化。此外，所顯示的轉(zhuǎn)換過程也沒有出現(xiàn)完全相似的曲線。

5 電磁操縱

液壓支持的VCR連桿的全可變運(yùn)行可通過2點(diǎn)調(diào)節(jié)和選擇氣缸操縱來進(jìn)行。若VCR 連桿采用2點(diǎn)調(diào)節(jié)方式，則須對(duì)連桿長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)量即連桿的長(zhǎng)度，但連桿長(zhǎng)度在曲軸每1轉(zhuǎn)后都需要重新檢測(cè)1次。

若VCR連桿選擇氣缸操縱方式，就可在開始時(shí)縮短或增大連桿的長(zhǎng)度。為了盡可能精確校準(zhǔn)連桿長(zhǎng)度額定值，主換向閥必須較為頻繁地實(shí)現(xiàn)來回轉(zhuǎn)換。無接觸的電磁操縱已被證實(shí)是最有技術(shù)潛力的操縱方式，研究人員已通過采用該方式，制成了功能性演示裝置。

VCR連桿及所旋入的閥結(jié)構(gòu)組件應(yīng)與安裝在試驗(yàn)汽車上的VCR裝配桿結(jié)構(gòu)相同。閥結(jié)構(gòu)組件包括1個(gè)主換向閥（由液壓操縱的3/2通閥組成）和1個(gè)先導(dǎo)閥（由電磁操縱的4/2通閥組成）。

其中，先導(dǎo)閥的滑閥起著磁回路中銜鐵的作用，它與固定發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相連的電磁鐵有2個(gè)線圈，并在滑動(dòng)時(shí)使銜鐵偏移1 mm。圖5示出了借助于磁通模擬以優(yōu)化瞬態(tài)磁場(chǎng)建立和操縱力曲線的示意圖。

電磁操縱方案的功能檢驗(yàn)是在1個(gè)氣缸單元的倒拖模擬裝置上進(jìn)行的。圖5中的曲線圖示出了在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)的實(shí)時(shí)壓縮比變化曲線及線圈電流變化曲線。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，試驗(yàn)在實(shí)時(shí)值環(huán)繞額定值為±10%的窗口中以波動(dòng)方式進(jìn)行。

在選定裝備及運(yùn)行工況點(diǎn)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)平均每14轉(zhuǎn)就需要實(shí)施1次調(diào)節(jié)。目前，該試驗(yàn)已在轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下的范圍內(nèi)證實(shí)，可以實(shí)現(xiàn)功能的轉(zhuǎn)換。

圖5 借助于電磁操縱調(diào)準(zhǔn)中間位置

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了2種VCR連桿無接觸式操縱方案。第1種方案減少了在安裝行程電磁執(zhí)行器和氣缸體曲軸箱上ε傳感器方面的集成工作。因VCR曲柄連桿的部件與傳統(tǒng)的部件無關(guān)，可以完全以相同的方式安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上。

該方案已在超過1 000 km的實(shí)際行駛條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，并已證實(shí)是可靠和穩(wěn)定的。第2種電磁操縱方案可采用氣缸或無接觸操縱方式，這使得受液壓系統(tǒng)支持的VCR連桿能具有較好的連續(xù)可調(diào)節(jié)性。該功能在倒拖運(yùn)行試驗(yàn)中也已得到了驗(yàn)證。未來，研究人員將致力于對(duì)轉(zhuǎn)換閥結(jié)構(gòu)組件的進(jìn)一步優(yōu)化。

編輯：jq