某小排量發(fā)動機(jī)可變配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)研究

黃 旭 李沖霄 尹 琪

(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心,上海 201804；2.上海市汽車動力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804)

0 前言

在汽油機(jī)機(jī)械損失占比中,泵氣損失占比較大,汽油機(jī)高速低負(fù)荷工況時的泵氣損失明顯增大,減少汽油機(jī)泵氣損失是改善燃油經(jīng)濟(jì)性有效的技術(shù)手段。傳統(tǒng)汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門升程為固定值,且不可調(diào)節(jié)。而可變配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)可根據(jù)工況的不同,改變氣門升程,以提高發(fā)動機(jī)的動力性及經(jīng)濟(jì)性。在發(fā)動機(jī)大負(fù)荷時采用高升程,在發(fā)動機(jī)小負(fù)荷時采用低升程。通過氣門升程調(diào)節(jié)進(jìn)氣量,可有效降低泵氣損失,改善燃燒。

本田于1989 年成功研制可變氣門正時和氣門升程電子控制系統(tǒng)(VTEC),隨后發(fā)布了智能可變氣門正時系統(tǒng)(i-VTEC)技術(shù)。兩段式的可變配氣技術(shù)有奧迪AVS車型、三菱MIVEC 車型、保時捷Cariocam Plus車型等[1-4]。

本文通過對可變配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試,驗(yàn)證其狀態(tài)切換的有效性。同時,對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥性能進(jìn)行研究,驗(yàn)證電磁閥的工作穩(wěn)定性[5-7]。

1 機(jī)構(gòu)原理與試驗(yàn)方法

1.1 機(jī)構(gòu)原理介紹

可變配氣機(jī)構(gòu)能在不同工況需求時,采用不同氣門升程。例如,在發(fā)動機(jī)小負(fù)荷時采用低升程,以減少泵氣損失,降低油耗；而在發(fā)動機(jī)大負(fù)荷時,切換至高升程,提高動力性。為實(shí)現(xiàn)可變配氣機(jī)構(gòu)的功能,需要可靠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥來完成不同氣門升程間的切換。

1.2 試驗(yàn)方法介紹

氣門升程測試,通過激光位移設(shè)備測試氣門運(yùn)動情況,記錄升程型線。在不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)油溫度條件下,測試氣門升程,進(jìn)而判斷氣門機(jī)構(gòu)以及凸輪軸型線的質(zhì)量。通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥實(shí)現(xiàn)高低升程切換,而切換成功與否可通過激光位移設(shè)備進(jìn)行觀測。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥磁環(huán)力的測試通過搭載推拉力測量系統(tǒng),最終通過力傳感器進(jìn)行作用力數(shù)值的測量。通過加載不同的工況條件,讀取力傳感器數(shù)據(jù),進(jìn)而得出磁環(huán)力隨著時間推移的曲線。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥銷子的位移測試采用激光位移傳感器,在驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥運(yùn)動時,通過激光位移系統(tǒng)記錄運(yùn)動過程。通過加載不同工況條件,讀取位移傳感器數(shù)據(jù),得出位移曲線,進(jìn)而可以計(jì)算出執(zhí)行器機(jī)構(gòu)動作響應(yīng)特性[3-4]。

2 氣門升程試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 進(jìn)氣升程及落座平穩(wěn)性研究

進(jìn)氣升程對比如圖1所示。從圖1可以看出,通過進(jìn)氣凸輪高低升程型線對比發(fā)現(xiàn),自主設(shè)計(jì)的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣高升程凸輪與低升程凸輪曲線平滑。同時,其氣門開起段與關(guān)閉段曲線過渡平穩(wěn),故可取得優(yōu)異的動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性,同時氣門落座更加平穩(wěn)。

從氣門落座的曲線可以看出,氣門落座后無明顯反跳現(xiàn)象,運(yùn)動情況平穩(wěn),從機(jī)構(gòu)的角度分析可滿足性能要求。

為了驗(yàn)證進(jìn)氣門落座情況,對落座后的氣門反跳情況進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化研究。

圖1 進(jìn)氣升程對比示意圖

圖2為進(jìn)氣升程基圓跳動對比示意圖。通過將自主設(shè)計(jì)配氣機(jī)構(gòu)與競品發(fā)動機(jī)的機(jī)構(gòu)測試結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),自主設(shè)計(jì)的進(jìn)氣門機(jī)構(gòu)高升程凸輪與低升程凸輪段氣門落座都較為平穩(wěn),反跳情況較好,可帶來較好的性能體驗(yàn)。

圖2 進(jìn)氣升程基圓跳動對比示意圖

2.2 排氣升程及落座平穩(wěn)性研究

排氣升程對比情況如圖3所示。通過排氣凸輪型線對比發(fā)現(xiàn),自主設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)排氣門開起段與關(guān)閉段曲線更加平滑,氣門落座更加平穩(wěn),可有效降低排氣行程的發(fā)動機(jī)噪聲。

從氣門落座的曲線可以看出,氣門落座后無明顯反跳現(xiàn)象,運(yùn)動情況平穩(wěn),從機(jī)構(gòu)的角度分析可滿足性能要求。

為了驗(yàn)證排氣門落座情況,對落座后的氣門反跳情況進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化研究。

圖4為排氣升程基圓跳動對比示意圖。通過研究排氣門落座情況發(fā)現(xiàn),自主設(shè)計(jì)的排氣門機(jī)構(gòu)落座平穩(wěn),反跳情況較好。可有效降低排氣行程的發(fā)動機(jī)噪聲。

圖3 排氣升程對比示意圖

圖4 排氣升程基圓跳動對比示意圖

由上述分析可以看出,在針對配氣機(jī)構(gòu)專項(xiàng)研究的零件系統(tǒng)試驗(yàn)中,執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥根據(jù)接收到的控制器的指令,根據(jù)特定的角度要求,可以完成動作要求,從而驅(qū)動凸輪軸完成高低升程的切換過程。升程切換前后,機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn),無明顯異常。自主設(shè)計(jì)凸輪軸基圓段無明顯跳動,凸輪過渡段較為平順。

3 可變配氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能分析

3.1 不同溫度下電磁閥位移曲線

電磁閥位移曲線如圖5所示。隨著溫度升高,電磁閥達(dá)到同一行程所需的時間變長,表明溫度越高,響應(yīng)時間越長,并可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的這一特性調(diào)整相應(yīng)的控制策略。

3.2 不同溫度下電磁閥磁環(huán)力曲線

圖6為電磁閥磁環(huán)力曲線,可以看出,隨著時間的推移,磁環(huán)力隨之變化。由于線圈電阻值隨著溫度升高呈現(xiàn)增大的趨勢,執(zhí)行器響應(yīng)時間隨著溫度升高有增大的趨勢。故同樣的時間,不同溫度條件下,溫度越高,磁環(huán)力越小。

圖5 電磁閥位移曲線

圖6 電磁閥磁環(huán)力曲線

3.3 電磁閥磁環(huán)力與位移的關(guān)系曲線

通過電磁閥位移與磁環(huán)力的測試結(jié)果進(jìn)行擬合分析,可得出磁環(huán)力與位移的關(guān)系曲線,如圖7所示。通過將實(shí)際測試擬合的曲線與模擬計(jì)算的結(jié)果對比可以看出,實(shí)際測試結(jié)果與模擬計(jì)算的結(jié)果基本一致。

圖7 電磁閥磁環(huán)力與位移關(guān)系曲線

3.4 電磁閥在實(shí)際發(fā)動機(jī)上運(yùn)行時的回位動作曲線

圖8示出了電磁閥回位曲線。通過在實(shí)際發(fā)動機(jī)運(yùn)行時的電磁閥回位動作測試,計(jì)算得出通電結(jié)束后電磁閥回位動作曲線,分析得出電磁閥運(yùn)動與實(shí)際發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的配合關(guān)系。通過對工作曲線的分析,不斷優(yōu)化執(zhí)行電磁閥的性能,以便更好地與發(fā)動機(jī)進(jìn)行配合,提高工作穩(wěn)定性[5]。

圖8 電磁閥回位曲線

從上述分析中可得出,電磁閥在不同溫度條件下,隨著溫度的升高,響應(yīng)時間變長。通過對不同溫度條件下的電磁力進(jìn)行分析,得出電磁力與溫度的關(guān)系曲線,再通過與位移曲線的擬合,得到電磁力與位移的關(guān)系。故需要根據(jù)不同溫度下的響應(yīng)特性對實(shí)際控制策略進(jìn)行優(yōu)化,以便在不同溫度條件下滿足性能要求。

4 結(jié)論

4.1 配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)驗(yàn)證情況

本文所述的某1.5 L渦輪增壓發(fā)動機(jī)搭載的可變配氣系統(tǒng)切換可靠,運(yùn)行平穩(wěn)。在針對配氣機(jī)構(gòu)專項(xiàng)研究的零件系統(tǒng)試驗(yàn)中,電磁閥通過接收到的控制器的指令,根據(jù)特定的角度要求完成動作,從而驅(qū)動凸輪軸完成高低升程的切換。在升程切換前后,機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn),無明顯異常。

關(guān)鍵零部件凸輪軸無明顯跳動現(xiàn)象。與競品發(fā)動機(jī)相比,基圓跳動情況得以改善,表明自主設(shè)計(jì)凸輪軸性能更優(yōu)[6]。

4.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥驗(yàn)證情況

通過對執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥性能的研究,得出如下結(jié)論：

(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥動作平穩(wěn),響應(yīng)性能較好；

(2)隨著溫度升高,電磁閥磁環(huán)力達(dá)到同樣數(shù)值需要的時間變長,同時力的幅值變小；

(3)關(guān)于電磁閥磁環(huán)力與位移的關(guān)系,實(shí)際測試結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果變化趨勢基本一致；

(4)通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥在實(shí)際發(fā)動機(jī)的回位動作測試,驗(yàn)證了電磁閥在發(fā)動機(jī)上的實(shí)際運(yùn)作情況,提高了工作穩(wěn)定性；

(5)對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥,可優(yōu)化其電磁力,提高響應(yīng)速度,同時可優(yōu)化其控制策略,使切換過程更加平順可靠；

(6)可根據(jù)不同溫度條件下的電磁閥性能曲線,優(yōu)化實(shí)際控制策略,使其滿足各個工況下的切換需求。