新式电液式全可变气门组织的作业原理和潜力

作者: 奔驰GLC级 来源: 自媒体 2019-11-08

来历| 轿车与新动力

除了运用非化石燃料之外,不断改进优化内燃机也是下降轿车CO2排放的途径,其间气门组织的可变性与停缸技能的运用也是必不可少的。本文介绍了由瑞士资料查验研讨所(Empa)和Wolfgang schneider工程师事务所开发的FlexWork气门组织,尽管其操控原理简略,能量需求少,可是其能供给了所必需的一切自由度,并且节油功率高达10%~20%。

1 初始状况

FlexWork是一种新式的无凸轮轴电液式全可变气门组织(图1),与凸轮传动组织比较,其固有能量需求较少,进排气门都能分缸独立挑选气门升程和一切的配气守时。因为其结构比较照较简略牢靠,这种气门组织不只可作为实验研讨的东西,并且也能进一步开发成由工业协作同伴批量出产的产品。本文介绍了带和不带停缸的稳态无节省运转的实验成果,一些负荷骤变的丈量成果显现出极为超卓的动态特性。一起在丈量成果基础上进行的模仿计算标明,现在在混合动力车上仍有进一步下降CO2排放的潜力。

图1 新式电液式全可变气门组织FlexWork

2 FlexWork气门组织

至今没有研讨出使电动或电液式无凸轮轴系统得以批量运用的途径,仅有的一种可进行批量出产的系统是运用具有液压环节的凸轮轴。为了能与现有依据凸轮轴的系统竞赛,有必要开宣布一种具有最高灵活性并且复杂性最低一起能量需求最少的全可变气门组织。图2示出了依据要害规范对一些气门组织的点评。

图2 按要求点评可变气门组织

此外,本文所介绍的气门组织因串联安置了能主动收回高压蓄压器中作业介质的止回阀,因而能满意这些较高的要求,并能削减执行器数目,固有能量需求也较少,一起无需外部监测和调理液体介质活动或气门升程,并且还能减小气缸盖的结构高度,因为经过液压力的传递取得了结构规划的自由度(而在演示样机上小的结构高度并无规范)。整个气门组织经过一般耐腐蚀资料并选用惯例办法制作,一起选用1:1的水-乙二醇混合液作为作业介质,这种特别挑选的长处在于具有比机油更高的刚度,并且是彻底无机油的气缸盖规划,从而使发动机机油运用的添加剂大幅削减,因为无需直面凸轮上较大的单位面积压力,因而很少会发作催化转化器中毒或许由焚烧废气中的灰分阻塞颗粒捕集器的现象,以此就能延伸运用废气后处理设备净化的寿数。

这种相同能用于进排气门的全可变气门组织的基本原理是一种操控柱塞的不对称往复运动,其能被描绘成绷簧质量振动器,因而换气阀敞开的时间TÖffnen,也便是从封闭方位到升程终了的时间取决于换气阀绷簧的刚度k和一切运动件的质量MSystem:

气门敞开的时间与所希望的气门升程无关,并且关于一切转速都是稳定不变的。为了在5 000 r/min转速时到达最短的敞开时间(开和关)210°CA,在MSystem=100 G的状况下绷簧刚度即需到达45 N/mm。FlexWork全可变气门组织的特色在于高转速时的升程廓线与凸轮驱动的换气阀的升程廓线相似,而在低转速时则得到相关于曲轴转角极陡的敞开和封闭侧曲线。

FlexWork全可变气门组织由图3中所示的部件组成:由电磁线圈(a)通电来操控气门敞开,与此一起液压分配阀(b)敞开,作业介质从高压蓄压器(c)流入作业腔,此处压力得以进步,一起作用在作业柱塞(e)上使其开端运动,并经过气门桥(f)敞开两个换气阀(h)。

图3 气门组织示意图

进气门升程由液压压力水平操控,液压能量被转化为潜在的绷簧能量。只需电磁线圈通电,到终端方位时一个止回阀阻挠作业柱塞往回运动。假如电磁线圈断电,那么换气阀绷簧(g)就向上推进并逐渐封闭,与此一起作业介质首要就会主动地被收回到高压蓄压器中,然后才排入低压蓄压器(d)中。

为了能使其战胜逐渐进步的焚烧室压力并牢靠地敞开,排气门侧的液压压力坚持稳定不变。为了在每种运转状况下调理到所希望的气门升程,运用了一个可旋转的用斜棱操控有用行程的作业柱塞,因而从某个气门升程起流入的作业介质就被堵截。一旦电磁线圈断电,在封闭运动期间在时间短加快阶段后作业介质就被收回,紧接着排气口彻底翻开,剩下的作业介质就被排入低压蓄压器,换气阀随即封闭。相同,该进程是自发进行的。

为了将磨损和噪声辐射下降到最低程度,换气阀有必要陡峭地落座,为此一旦小于某个气门升程,进排气侧的液压横截面积即会变小。

因为进排气侧的绷簧质量振动器的周期性是稳定不变的,气门敞开、气门坚持翻开、作业介质收回、排出以及气门陡峭落座等一切进程彻底是自发进行的(图4),因而无论是操控干涉仍是气门升程监控都均非必要进程。每对气门仅需一个电磁执行器,原则上相同也可独自操作一个气门。

电液式气门组织的能量需求可分红机械(液压)能部分和电能部分。从FlexWork全可变气门组织的作业原理得知,液压能量需求跟着换气阀升程而添加,而电能需求则跟着气门敞开继续时间而添加。

图4 气门升程阶段示意图

图5示出了2 000 r/min时气门组织均匀冲突压力pmr丈量值与均匀有用压力pme的联系曲线。为了到达较小的换气丢失,在低负荷和中等负荷时2~4 mm气门升程即已满意要求。在增压运转状况下气门升程和敞开继续时间可坚持稳定不变。为了进行比照,图中画出了凸轮轴驱动时Pmr,VT,NW=0.025 MPa的均匀冲突压力线,其间排气门战胜气缸压力而敞开被看作是至关重要的部分,当然并未考虑到正时链条或正时皮带传动和凸轮轴相位调理器滑阀的能量需求。为了更精确地进行比较,总是要考虑到在实践运转时在进气道、气缸和排气道中的气体压力会影响冲突功。显着,在天然吸气发动机的整个负荷规模内,FlexWork全可变气门组织具有与凸轮轴驱动机型相似或许更低的能量需求。此外,为了经过消除节省进步功率,气门组织也应进一步削减能量需求。

图5 气门组织的均匀冲突压力和气门升程曲线

3 实验成果

选用一台群众公司的天然气进气管喷发的4缸1.4L涡轮增压汽油机(EA111)作为实验发动机(图6)。直到现在这个项目没有与潜在的出产同伴进行协作,发动机操控办理系统彻底由该公司本身完成制作进程。为了测定功率,丈量了气缸压力、天然气质量流量和气门组织的一切运转参数。

图6 实验台上的演示设备

对某些运转工况点功率的初次优化即已显现出较好的成果。为了坚持均匀有用压力pme稳定不变,调理进气门封闭(ES)时间或节省运转时的进气管压力。图7是用对数标明的在转速为2 000 r/min和均匀有用压力pme=0.2 MPa运转工况点这两种运转方法的p-V图。可以正常的看到换气丢失从0.041 MPa下降到0.005 MPa,与FlexWork全可变气门组织需求的能量少一起使功率从20.9%进步到24.0%,乃至在两个气缸运转时功率可进步到26.4%,其他运转工况点测得的功率概括于表1。

图7 不同运转方法测得的对数p-V图

表1 两种运转方法的功率和丢失

与4个气缸节省运转比较,在相应的发动机负荷下2个气缸运转总能取得必定节油作用。表1中FlexWork两个气缸运转规模括号中的数字归于不作业气缸(一切气门封闭)的。除了这些显着的长处之外,经过气门组织的可变性可以改动行程(2、6或8冲程)或许经过软件中的调整就能改动焚烧次序。用一根扁平曲轴既能完成惯例的焚烧次序1-3-4-2,也能完成大脉冲距离焚烧次序(Big-Bang-Zündfolge)1/4-2/3-X-X。

其他方面的长处已体现在发动机瞬态运转中。图8上图中的五颜六色曲线带标明,发动机转速2 000 r/min时发动机均匀指示压力pmi取决于进气门液压压力(进气门升程)和ES(进气门封闭)时间。该图中的虚线代表最佳负荷截面(OLS),选用这种气门升程与ES时间的组合就能供给相应最佳功率的发动机负荷。因为调整液压压力水平需求一守时间,因而在高动态运转时不得不时间短地脱离该条运转线。

图8 FlexWork全可变气门组织的发动机瞬态运转(图中n.GOT=几许上止点后)

子曲线图(a)别离用黑色和灰色标明了丈量的两种不同瞬态进程,符号其别离标明在什么条件下进行焚烧。灰色标明额外负荷从均匀指示压力pmi=0.45 MPa跃升到pmi=0.85MPa以及从pmi=0.85 MPa跃变到pmi=0.45 MPa,而黑色则标明额外负荷从均匀指示压力pmi=0.3-0.7-0.8-0.9MPa和pmi=0.9-0.5-0.4-0.3 MPa的低频滤波改变。子曲线图(b)和(d)别离标明在负荷跃变时进气门液压压力和ES时间的额外值和实时值。气门升程时间短缺乏可用相应挑选的ES时间予以补偿。在灰色线上可以清楚地看到仅展开了pmi=0.45或0.85 MPa的焚烧。子曲线图(c)示出了从额外值改变直至到达负荷进步的继续时间。每个气缸的pmi从一次焚烧到下一次焚烧就从0.45 MPa 跃升到0.85 MPa,哪个气缸首要进步负荷是从额外值改变时间开端而随机得出的,负荷下降时的状况与此相相似。这种方法原则上以相同的方法也适用于阿特金森(Atkinson)循环运转,经过额外值的恣意滤波负荷就能较慢地完成改变。子曲线图(e)演示性地示出了额外值的低频滤波,实时值将毫无问题地遵从其改变。在子曲线图(a)上可清楚地看到,此刻的负荷并未发作阶跃式改变,而是经过若干次焚烧直至到达所要求的负荷。为了能以该方法调理负荷,一切有必要进行的实验限于特性曲线场的稳态丈量,并且无需进一步的标定费用即可到达该场所显现的成果。即便选用简略的调理战略,负荷跃变时空燃比的时间短误差仍然可坚持在低于10%的状况,而在低频滤波额外值改变状况下仅低于5%。

4 模仿计算成果

现在,一些成果仅在模仿计算中方可供给,可是其仍然是未来实验研讨的目标,这些将在下文中介绍。

5 停缸

FlexWork全可变气门组织因其可变性而特别适合于停缸。在瑞士苏黎世联邦理工学院(EHT Zürich)动力学系统和调理技能研讨所的一个研讨项目框架下拟定了运转方法之间转化的战略。图9示出了实验发动机分立模型的模仿计算成果,从中可以正常的看到为了转化运转方法,1、4和2、3气缸组合是怎么增大和减小负荷的 。转化运转方法总是相对较快的。例如从热状况方面的原因进行考虑,从一种气缸组合转化到另一种气缸组合总是大有裨益的。采纳这种转化战略即可恪守依据舒适性原因规则的均匀pme限值。

图9 运转方法转化时两种气缸组合的均匀有用压力

6 循环燃油耗

继续不断地下降CO2排放限值极有或许导致混合动力总成系统能显着较快地推广运用。在完成混合动力化的状况下,除了可收回能量之外,还能经过移动负荷工况点避开内燃机功率较低的运转工况点,或许阶段性地选用电动行进彻底代替内燃机驱动。为了评价混合动力车经过消除节省和停缸是否还能取得优势,拟定了一种用丈量数据参数化的模仿模型。

其包括有进气管喷发的1.4 L燃气发动机的2个发动机模型:一种用于节省运转,另一种用于FlexWork运转。在FlexWork运转状况下能在发动机低负荷时转化到2个气缸运转。基准车辆是一辆质量为1 370 kg的紧凑型轿车,并装备了泊车-起动系统,而混合动力车(电功率1.5 kW·h,25 kW)估量整车质量将会添加100kg,借助于动力学程序规划确认最佳的运转战略。图10示出了有无停缸时节省运转和FlexWork运转在行进循环新欧洲行进循环(NEDC)和全球一致的轻型车实验循环(WLTC)中下降CO2排放的模仿计算成果。

上述实验成果标明,运用FlexWork全可变气门组织总是能取得显着的节油作用,其在一切状况下都是充溢优势的,假如在低负荷时运用2个气缸运转的话,那么无需附加的耗费就可完成节油作用。运用混合动力车时可下降CO2排放的作用,在NEDC行进循环中仅为6.1%,若一起选用停缸的话,则可到达9.4%,而在WLTV行进循环中的作用别离为3.0%和3.8%。其原因是较高的发动机均匀功率以及因发动机运转工况点移动较少而使电能丢失较少。

图10 不同运转方法和车辆装备的相对CO2排放

此外,应留意的是,假如在模仿中运用较高的峰值功率,尽管总CO2排放值有所下降,可是相互联系仍然坚持不变。除此之外,搭载2.0 L发动机和整车质量为1 500 kg或1 600 kg的中级车辆的模仿标明,其在一切的情形下仍能到达较为明显的节油作用。

7 定论

FlexWork是一种可用于进排气侧的电液式全可变气门组织,其固有能量需求较低,并能运用发动机冷却液运转,并且运用简略的传感器和执行器即可满意要求,相对而言制作系统也较为简易,可是优化发动机运转却具有极大的灵活性。初次实验就显现出其功率比节省运转状况下得以明显进步。在转速2 000 r/min和均匀有用压力0.2 MPa的运转工况点,选用米勒循环运转的功率可到达24.0%,这相当于比节省运转改进了13%。假如在该运转工况点选用停缸运转的话,那么功率乃至可进步到26.4%,这就从另一方面代表着改进了20.7%,并且这是在压缩比仅ε=10的状况下到达的。此外,在实验台实验中显现出杰出的加快呼应特性。经过匹配ES配气守时,从当时焚烧进程到下一次焚烧进程中即可明显进步发动机负荷。尽管在低负荷直至中等负荷功率方面能取得明显的优势,可是运用于混合动力车也能明显地下降CO2排放3.8%~9.4%。除此之外,相同还可运用于柴油机下降废气排放、完成均质充量压燃(HCCI)焚烧进程、运用新式的增压计划或许在商用车运用这种气门组织完成发动机制动功用。因而,运用FlexWork全可变气门组织能对下降CO2排放作出明显的奉献。

热门要闻
原创推荐
阅读排行