深度解讀長度可變連桿操縱方案

先進的混合動力總成管理控制系統(tǒng)通常面臨著高度復雜的需求，本文評述了新材料解決方案和互聯(lián)技術將如何提升系統(tǒng)效率，以及如何實現(xiàn)具有較強預測功能的管理過程。

0 前言

發(fā)動機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">機械操縱單元的改進，但機械操縱單元必須集成在靠近曲軸的底端結構中。這對于不同類型的發(fā)動機而言，就會涉及到較大的結構性調整。

因此，研究人員開發(fā)了1種液壓操縱方案替代機械操作方案，這種操縱適用于各類型的發(fā)動機而無須作任何結構調整，并且也不需要對潤滑系統(tǒng)作調整。研發(fā)人員目前進行的第2個方案開發(fā)則是基于電磁操縱，可實現(xiàn)發(fā)動機壓縮比的無級變化。

1 挑戰(zhàn)

相關文獻已介紹了以下2種可變壓縮比（VCR）連桿方案。在第1種方案中，連桿長度變化是通過偏心活塞銷軸承來實現(xiàn)的，由該軸承承受2個液壓缸上的力矩。目前，這種方案的工業(yè)化進程正在推進。第2種方案則是基于可伸縮連桿，并由1個雙向作用的液壓缸來支撐2個力，對于批量生產(chǎn)，這種方案還要進行優(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個雙通換向閥（以下稱為主換向閥）來實現(xiàn)的。由于要截斷機油的高壓力，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)在于對主換向閥的操縱過程，并且要求主換向閥在所有運行條件下都能可靠，且能夠迅速被操縱，同時應盡量減少主換向閥的集成費用和附加零件成本。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，主換向閥與操縱機油壓力的液壓執(zhí)行器是相互連通的。在最簡單的情況下，這種執(zhí)行器由1個加載彈簧力的活塞構成，該活塞承受著連桿軸承潤滑油供油槽中的機油壓力。

因此，研究人員可以通過改變主油道中的機油壓力來操縱主換向閥，可使用可調式機油泵。在試驗過程中，研究人員通過“直接”液壓操縱功能來改變機油壓力，使其僅能在1個有限的運行范圍內(nèi)運作。研發(fā)人員在實際應用中增加了1個附加電動機油泵為連桿軸承提供相應的高油壓，而不再依賴發(fā)動機潤滑系統(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)布設有獨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（先導閥）相通，流體可與曲軸箱相連，也可與機油供應側相連。

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

未通電時的接通位置，控制油壓與環(huán)境壓力相對應，此時的主換向閥不工作，系統(tǒng)高壓縮比（εHigh）被激活。當然，研究人員也可以把主換向閥設計成在非控制油壓情況下，系統(tǒng)低壓縮比（εLow）被激活。

配備有獨立分離式控制油壓管道的液壓操縱系統(tǒng)的結構。先導閥位于曲軸前端旋轉軸中心第1曲柄臂側，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行傳遞?？刂朴蛪簭南葘чy出發(fā)，經(jīng)過孔和管道直至最終傳遞到連桿軸頸。

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

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

采用這種油槽設計方案的優(yōu)點是不會削弱軸承的主要承載區(qū)域。主換向閥由1個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閉，MKS支撐油腔打開，意味著主換向閥在接通位置時，系統(tǒng)會以εHigh運行。

3 試驗車輛

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

其中專門設計的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置了1塊支承板（圖3），該執(zhí)行器連接在發(fā)動機凸輪軸相位調節(jié)器上。

為了采集實時連桿長度（即瞬時壓縮比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，研究人員未對試驗車輛的發(fā)動機進行其他方面的修改，同時為發(fā)動機添加了由國際自動機工程師學會（SAE）認證的粘度等級為0W40的全合成機油。

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

4 在汽車上的試驗

試驗驗證了壓縮比能精確、可靠地轉換，并且對發(fā)動機的機油用量不會造成明顯的干擾。該值以100 Hz測試速率為標準進行記錄。研究人員將進氣管壓力作為負荷參數(shù)，當進氣管壓力超過依據(jù)轉速的轉換閾值時，壓縮比就開始向εLow轉換；

當進氣管壓力低于轉換閾值并持續(xù)3 s后，壓縮比就開始向εHigh反向轉換。向εLow轉換和隨后向εHigh反向轉換的過程，其中t=0 s的時間點相當于執(zhí)行器電流被切斷的時刻。

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

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

5 電磁操縱

液壓支持的VCR連桿的全可變運行可通過2點調節(jié)和選擇氣缸操縱來進行。若VCR 連桿采用2點調節(jié)方式，則須對連桿長度進行調節(jié)，其調節(jié)量即連桿的長度，但連桿長度在曲軸每1轉后都需要重新檢測1次。

若VCR連桿選擇氣缸操縱方式，就可在開始時縮短或增大連桿的長度。為了盡可能精確校準連桿長度額定值，主換向閥必須較為頻繁地實現(xiàn)來回轉換。無接觸的電磁操縱已被證實是最有技術潛力的操縱方式，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構組件應與安裝在試驗汽車上的VCR裝配桿結構相同。閥結構組件包括1個主換向閥（由液壓操縱的3/2通閥組成）和1個先導閥（由電磁操縱的4/2通閥組成）。

其中，先導閥的滑閥起著磁回路中銜鐵的作用，它與固定發(fā)動機結構相連的電磁鐵有2個線圈，并在滑動時使銜鐵偏移1 mm。圖5示出了借助于磁通模擬以優(yōu)化瞬態(tài)磁場建立和操縱力曲線的示意圖。

電磁操縱方案的功能檢驗是在1個氣缸單元的倒拖模擬裝置上進行的。圖5中的曲線圖示出了在轉速為2 000 r/min時的實時壓縮比變化曲線及線圈電流變化曲線。為實現(xiàn)轉速的調整，試驗在實時值環(huán)繞額定值為±10%的窗口中以波動方式進行。

在選定裝備及運行工況點的情況下，發(fā)動機平均每14轉就需要實施1次調節(jié)。目前，該試驗已在轉速3 000 r/min以下的范圍內(nèi)證實，可以實現(xiàn)功能的轉換。

圖5 借助于電磁操縱調準中間位置

6 結語

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，可以完全以相同的方式安裝在發(fā)動機上。

該方案已在超過1 000 km的實際行駛條件下進行了試驗，并已證實是可靠和穩(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)可調節(jié)性。該功能在倒拖運行試驗中也已得到了驗證。未來，研究人員將致力于對轉換閥結構組件的進一步優(yōu)化。

編輯：jq