新型凸輪軸相位調節系統的潛力

【德】 P.Solfrank J.Dietz

新型凸輪軸相位調節系統的潛力

【德】 P.Solfrank J.Dietz

發動機換氣越來越關注降低原始排放，尤其是降低非穩態運行條件下的原始排放。采用新型的凸輪軸相位調節系統在低的機油壓力和發動機轉速下仍能高效地工作，正如Schaeffler公司帶有整體式貯油腔的液力調節器所證明的那樣，機電式凸輪軸相位調節器與機油液壓供應無關。

減排 相位調節器 管路優化

1 可變式換氣的開發目標

隨著歐6c標準廢氣排放限值和CO2排放限值的實施，已顯著地改善了車用發動機的廢氣排放問題。目前，不僅要在試驗臺上測試時滿足廢氣排放限值，而且更要在用戶實際使用運行中滿足廢氣排放限值，因而產生了動態試驗循環，例如全球統一的輕型車試驗循環(WLTC)。同時對道路廢氣排放測試作出了具有約束力的規定，從2017年開始歐洲將實施實際行駛排放法規(RDE)。

為了進一步降低整個發動機特性曲線場中的比燃油耗和有害物原始排放。目前已進行了一系列RDE試驗，根據駕駛員、行駛路段和不同的車輛進行測試，測量結果中已包括了非常寬廣的特性曲線場范圍，這也證實了在柴油機和汽油機上，可能導致排放超標的一致性因素[1]。

在動態試驗循環中，優化空氣管路也就是優化換氣具有顯著的效果，尤其是在強烈的發動機瞬態運行時會出現廢氣排放的峰值。而采用全可變氣門機構可使氣門開啟與曲柄連桿機構完全脫離相位關系[2-3]。Schaeffler公司從2009年以來成功地量產了1種電液式可變系統，這種可改變氣門開啟和關閉時間的凸輪軸相位調節系統具有較低的結構設計成本。從1996年以來，Schaeffler公司已生產了各種不同結構的液壓式凸輪軸相位調節器。

2 液壓式凸輪軸相位調節器

因為在負荷突變時發動機的原始排放會暫時急劇增大。對凸輪軸相位調節器最重要的要求是在保持高的調節精度和穩定性的同時具有高的調節速度。其技術難點在于，為了降低驅動機油泵的損失功率，準備好的機油壓力和在此壓力下可供使用的機油體積流量持續地降低，特別是在低轉速情況下，為了能確保滿足迅速調節的要求，機油供應準備的能量幾乎是不足夠的。

在液壓式凸輪軸相位調節系統中，調節室中的機油量與調節角度之間原則上存在著線性關系。在傳統調節器中，為了調節凸輪軸1°相位角，需要約0.5 mL機油(典型值)。如果由機油泵來直接推動調節，那么準備好的機油體積流量的功能就是調節速度。應用了機油貯存腔就能夠避免這種依賴關系[4]，并且能暫時補償機油泵供油速率的不足。圖1示出了Schaeffler公司開發的各種不同凸輪軸相位調節系統調節速度和機油需求量2種不同要求的比較。

圖1 Schaeffler公司各種凸輪軸相位調節器的結構型式和性能

Schaeffler公司開發的緊湊型液壓式凸輪軸相位調節器因內部集成了1個貯油腔，其調節速度比標準型更快(圖2)，并在機油需求量明顯降低的時候不影響其調節速度，因新的調節系統的調節速度對溫度的依賴關系比傳統調節系統更小,甚至在-15 ℃的環境溫度下仍能在整個范圍內獲得顯著的調節效果。

圖2 緊湊型凸輪軸相位調節器調節速度與凸輪軸轉速的關系

緊湊型凸輪軸相位調節器的機油貯油腔被完全集成在調節器中(圖3)，為調節準備機油。當來自閥驅動機構的凸輪軸扭矩短暫強烈地加速相位調節運動，機油泵的體積流量不足以供應調節器加大的腔室容積時，內部貯油腔的機油予以補償。同時，當內部腔室縮小時排擠出來的機油又再次充滿貯油腔，因此機油泵只需承擔補償泄漏量的任務，與應用標準型調節系統相比，處于中等水平。

圖3 緊湊型凸輪軸相位調節器的機油流動

此外，擴大調節范圍是對機油泵越來越重要的要求，以便能支持諸如阿特金森(Atkinson)和米勒(Miller)燃燒過程。雖然在現代汽油機上絕對相位調節角最大為60°CA，但是這對結構設計已經提出了重大的挑戰。然而，在發動機停機時調節器的定位特別重要。在相位調節角度范圍較大的情況下，當發動機停機時凸輪軸處于某個終了位置而減小了有效壓縮，低溫再次起動的能力可能會受到限制，因而Schaeffler公司為此開發了1種液力解決方案，它能確保凸輪軸定位在1個中等位置，使發動機處于額定壓縮比范圍內。

3 機電式凸輪軸相位調節器

通過使用機電式凸輪軸相位調節器可以使其與機油體積流量完全無關，甚至在發動機起動之前或起動期間(也就是低于怠速轉速時)凸輪軸就能進行調節，這對于電驅動方案是特別重要的，尤其是在汽車滑行時發動機倒拖期間發動機脫開和停機的時候。Schaeffler公司從2015年以來，作為歐洲首家供應商就量產了機電式凸輪軸相位調節器，應用于V型發動機的進氣側。

4 結構設計方案

開發機電式凸輪軸相位調節器的首個前提條件是緊湊的結構，并實施模塊化部件策略，為此電動凸輪軸相位調節器必須具有與液壓系統相同的結構空間，其中電動機結構尺寸與傳動機構傳動比的調整對于緊湊的結構具有決定性的意義。

Schaeffler公司采取了緊湊的直流電動機與專門為凸輪軸相位調節器開發的具有高傳動比的傳動機構(圖4)相結合的結構方式，后者由2個齒圈和1個具有橢圓形內圈的滾動軸承組成。滾動軸承的彈性嚙合外圈通過第一級齒圈與鏈輪聯接，通過第二級齒圈與凸輪軸聯接。第二級齒圈比滾動軸承外圈和第一級齒圈多2個齒，因而滾動軸承內圈和第二級齒圈旋轉之間的傳動比為1∶66。

圖4 機動凸輪軸相位調節器傳動機構的結構

滾動軸承的彈性外圈能被調整到非常小的嚙合間隙，因而比傳統傳動方案噪聲明顯降低。

傳動機構通過1個堅固的封閉聯軸節與發動機相連接，電動機安裝在氣缸蓋上，傳動機構安裝在凸輪軸上，用于補償安裝所導致的公差，以及發動機動態運行所引起的2個部件的相對振動。

5 調節

在目前量產的方案中，1個分開的控制器承擔用于凸輪軸相位調節器的電動機的控制。通過在發動機艙中選擇合適的安裝部位，確保這種控制器的功能在很大程度上與可能非常高的內燃機運行溫度無關。當然，也可設想將這種控制器的功能完全集成到發動機電控單元中。

Schaeffler公司開發了1種基于模型的調節方式，并通過控制器局域網絡(CAN)總線實現這種控制器與發動機電控單元之間的通訊，而相應的凸輪軸和曲軸位置傳感器的信息由發動機電控系統直接傳遞到電控單元。除此之外，集成在電動機中識別轉子位置和監測運行溫度的傳感器對于凸輪軸相位調節器的功能也是十分重要的，確保在極端環境條件下過熱保護功能正常運行。

在發動機運行中，發動機電控系統本身僅預先規定當時所期望的調節器額定相位角，而目標相位角的調節則由分開的控制器承擔。

圖5 各種凸輪軸相位調節系統調節速度與發動機轉速的關系

6 性能

機電式凸輪軸相位調節器的優點首先在于能夠獲得與機油溫度和轉速無關的非常高的調節速度(圖5)。Schaeffler公司已在試驗臺試驗中證實，即使在發動機起動期間也能達到這樣迅速的調節。在300 ms中，即使在內燃機第1次點火之前，凸輪軸就能運動80°CA(圖6)，此時在起動信號后系統就首先轉至終端位置，確保可靠的覆蓋范圍，以便隨后用于在運行中調節相位角。

圖6 發動機起動期間的發動機轉速和凸輪軸相位角的調節

7 展望

Schaeffler公司提供了1種采用機電式凸輪軸相位調節器的調節系統，在換氣設計中可利用其高度的靈活性，并已進行批量生產。鑒于未來的廢氣排放法規，以及與其相關的空氣管路的動態特性，期望上述所介紹的新型凸輪軸相位調節器能推廣到眾多應用場合，并運用在柴油機上。

[1] Fraidl G, Kapus P, Vidmar K. The gasoline engine and RDE challenges and prospects[C]. Stuttgarter Symposium, 2016.

[2] Scheidt M, Lang M. Effzienz pur: die weiterentwicklung des verbrennungsmotors aus sicht eines zulieferers[C].Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2014.

[3] Haas M, Piecyk Th. Ventiltriebe zur umsetzung innovativer verbrennungsstrategien[C].Schaeffler Kolloquium Baden-Baden, 2014.

[4] Solfrank P, Dietz J. Smart phasing-potentiale zur bedarfsgerechten nockenwellen-verstellung moderner verbrennungsmotorer[J].7.MTZ-Fachtagung Ladungswechsel im Verbrennungsmotor, Stuttgart, 2014.

范明強 譯自 MTZ， 2016， 77(11)

何丹妮 編輯

2016-10-30)