針對米勒循環和阿特金森循環的發動機配氣機構公差在線調節

T.BRAUN T.BURKHARDT J.DINGL M.KNFEL

進氣歧管壓力測量可用于檢測特定發動機的實際氣門正時，從而可在線調節氣門關閉狀態，并與參考發動機進行有效匹配。這在很大程度上補償了由制造過程引起的進氣門和排氣門公差，并使發動機以最佳氣門正時運行。Vitesco Technologies公司正計劃將該方法用于量產發動機。

米勒循環;阿特金森循環;配氣機構;氣門正時

0 前言

為了不斷提高內燃機效率，發動機開發人員目前將研究重點放在米勒循環和阿特金森循環上。目前，渦輪增壓發動機更趨于采用米勒循環，與傳統運行策略相比，采用米勒循環能使整機效率提高約7.5%。

上述2種循環提升效率的主要原因在于通過發動機節流過程而降低了氣體交換損失，同時可使發動機氣缸在壓縮期間具有較低的平均壓力。此外，米勒循環和阿特金森循環可有效提高發動機壓縮比，從而使發動機在高負荷下的運行過程更加高效[1-2]。

為了在實際條件下充分利用這些效率優勢，研究人員在采用米勒循環和阿特金森循環時須重點關注發動機氣門正時的精度。在典型的進氣門提前關閉點或延遲關閉點時，活塞運動速度會非常快。因此，即便與正常的氣門關閉正時之間僅存在較小的偏差，也會使氣缸充量出現較大的差異。對其開展精確而深入的研究是實現降低排放和提高效率等目標的關鍵條件。

由于制造公差的存在，當今量產發動機的進氣和排氣凸輪軸的氣門關閉時間差異可高達±5 °CA。這會使發動機著火運行時的氣缸充量偏差高達25%。凸輪軸位置誤差不僅會使氣缸充量的計算過程不正確，還會使許多量產發動機無法以最佳的氣門正時運行，這不利于實現提高發動機效率及降低排放的目標。

Vitesco Technologies公司的目標是開發1種方法。通過該方法，研究人員只須采用當前量產發動機常用的傳感器，就可檢測發動機凸輪軸的位置（以測量發動機氣門關閉正時）。同時，該方法需要在發動機控制單元中得以有效應用，由此可避免因額外增加硬件而使系統成本提高，或對發動機制造過程產生不利影響。

基于壓力的凸輪軸角度匹配（PCAA）方法完全可以滿足上述要求。該方法由Vitesco Technologies公司開發，并已獲得了相關專利。PCAA方法能夠識別與制造相關的配氣機構公差，從而將進氣門位置精確控制在±1 °CA以內，并將排氣門位置精確控制在±2 °CA以內，由此可以更精準地確定和控制發動機的氣缸充量（圖1）。

1 工作原理

在工作循環中，進氣門、排氣門和活塞之間的相互作用會對進氣歧管壓力變化產生影響，這是采用PCAA方法的物理基礎。圖2以直列4缸發動機為例，研究人員通過GT-Power仿真模型確定了進氣門或排氣門正時偏移對進氣歧管壓力變化的影響。圖2左側示出了該發動機某個氣缸的氣門升程曲線，黑色曲線為參考氣門正時，進氣凸輪軸的氣門正時偏移為-10 °CA，排氣凸輪軸的氣門正時偏移為+10 °CA。圖2右側為相應的進氣歧管壓力曲線。

顯然，進氣門和排氣門相對于活塞的位置會影響進氣歧管壓力曲線的形狀和時間位置。研究人員通過快速傅里葉變換（FFT）分析進氣歧管壓力曲線，從而計算出了各個階次（頻率）的相關振幅和相位。圖3示出了階次1～20的計算振幅。

最大振幅出現在4階，其等同于直列4缸發動機的進氣頻率。與其他階次所產生的背景噪聲相比，進氣頻率的倍數，即8階、12階、16階和20階，也具有明顯更高的振幅。通常而言，階次越高，振幅則會越低。發動機進氣頻率決定了壓力曲線信號的形狀。因此，進氣頻率是進氣歧管壓力的激勵頻率。振幅大小表示該階次的信號在總信號中產生的影響。相位表示了該階次的振蕩在總信號中的時間分配。

為了量化氣門正時對進氣歧管壓力的影響，研究人員在6個進氣凸輪軸位置和6個排氣凸輪軸位置（36個測量點）的矩陣中調整了發動機凸輪軸的位置。這種變化涵蓋了量產發動機中出現的±5 °CA配氣機構公差（偏離額定氣門正時）。針對每個測量點，研究人員記錄下了進氣歧管壓力曲線及進氣門和排氣門位置，并進行了FFT分析。圖4示出針對4階、8階、12階和16階的計算相位。

每個階次都有1個可根據氣門正時計算出的相位特征模式。通過上述方法，研究人員可在發動機各個氣門正時與基于各個階次而計算出的相位之間建立明確關系。

2 功能實施與驗證

PCAA方法充分利用了氣門正時與進氣歧管壓力波動相位之間的關系。通過在相應頻率范圍內分析進氣歧管壓力，研究人員可以檢測到各個氣門關閉正時對進氣歧管壓力形成的物理影響，并在發動機控制單元軟件中對此進行建模。通過反轉計算模型，研究人員可將記錄的進氣歧管壓力曲線信息用于反向測算發動機的實際氣門正時。通過該方式，研究人員可檢測出參考發動機的實際氣門關閉正時與各個量產發動機的實際氣門關閉正時之間的偏差，并使此類數值得以量化，由此可使各個量產發動機的實際氣門正時與參考發動機實現合理匹配。由此，研究人員可在確定各個發動機的氣缸實際進氣量時使誤差最小化，并以此為基礎對噴油量進行了調整，從而實現所需的空燃比。另一方面，通過以該方式校正凸輪軸位置，研究人員可以將各個發動機的凸輪軸精確地調節到標準位置，并確保發動機在最佳的熱力學工況點運行。這種方法可以在很大程度上補償影響進氣側和排氣側的制造公差。

為了證明PCAA方法的優勢，研究人員對5個工作循環中測得的進氣歧管壓力曲線進行了處理。研究人員針對上述36個測量點，通過該方法計算出參考發動機的凸輪軸位置，并與實際凸輪軸位置進行比較。圖5示出了在2 000 r/min的發動機轉速下，采用PCAA方法計算進氣和排氣凸輪軸位置所能達到的精度。經過測試的36個凸輪軸位置涵蓋了量產發動機的整個配氣機構公差范圍（±5 °CA）。

由此可知，對于進氣凸輪軸和排氣凸輪軸而言，每個測量點的偏差均小于±0.5 °CA。這一結果反映出PCAA方法具有很高的精度。圖6示出在1 500～2 300 r/min轉速范圍內，采用PCAA方法計算出的進氣和排氣凸輪軸位置的標準偏差。在整個轉速范圍內，進氣凸輪軸的標準偏差均小于0.15 °CA。排氣凸輪軸的標準偏差略高，但始終保持在0.25 °CA以下。因此，該方法可以針對配氣機構的整個公差范圍及所考慮的轉速范圍，通過進氣歧管壓力曲線而精確地計算出進氣門和排氣門的實際關閉正時。

為了實現PCAA方法的系列應用，Vitesco Technologies公司的研究人員開發并采用了其他功能模塊，以補償環境壓力和環境溫度的影響。在1 500～2 500 r/min轉速范圍內，研究人員均可通過在線控制單元使PCAA方法投入使用。

3 結語

通過PCAA方法，研究人員可對各個氣門正時及其對進氣歧管壓力所產生的影響之間的物理關系進行精確建模，并將其用于氣門關閉正時的計算過程中。針對±5 °CA的公差范圍，PCAA方法能以非常高的精度補償特定參考發動機和量產發動機之間的氣門正時偏差。

采用Vitesco Technologies公司開發的PCAA方法，研究人員可以在不增加系統成本的情況下，充分利用米勒和阿特金森循環的技術優勢，從而為未來發動機提供1種經濟、高效的運行策略，以減少CO2排放。PCAA方法將于近期應用于量產發動機，并實現可靠的適配精度。其中，進氣凸輪軸為±1 °CA，排氣凸輪軸為±2 °CA。

PCAA方法還在不斷優化中。一方面，研究人員通過將排氣壓力傳感器集成到PCAA算法中，以對發動機運行區域進行調節，并提高排氣凸輪軸的調節精度。另一方面，研究人員將重點放在功能擴展及專利申請上，以確定單個發動機的曲軸位置，以及V型和Boxer發動機的氣缸均衡性解決方案。

[1]WURMS R，BUDACK R，GRIGO M，u.a. Der neue Audi 2.0l motor mit innovativem rightsizing-ein weiterer meilenstein der TFSI-technologie[C]. 36. Internationales Wiener Motorensymposium，Wien，2015.

[2]EICHLER F，DEMMELBAUER E W，THEOBALD J，u.a. Der neue EA211 TSIevo von Volkswagen[C]. 37. Internationales Wiener Motorensymposium， Wien， 2016.