新型凸轮轴相位调节系统的潜力

【德】 P.Solfrank J.Dietz

新型凸轮轴相位调节系统的潜力

【德】 P.Solfrank J.Dietz

发动机换气越来越关注降低原始排放，尤其是降低非稳态运行条件下的原始排放。采用新型的凸轮轴相位调节系统在低的机油压力和发动机转速下仍能高效地工作，正如Schaeffler公司带有整体式贮油腔的液力调节器所证明的那样，机电式凸轮轴相位调节器与机油液压供应无关。

减排 相位调节器 管路优化

1 可变式换气的开发目标

随着欧6c标准废气排放限值和CO2排放限值的实施，已显著地改善了车用发动机的废气排放问题。目前，不仅要在试验台上测试时满足废气排放限值，而且更要在用户实际使用运行中满足废气排放限值，因而产生了动态试验循环，例如全球统一的轻型车试验循环(WLTC)。同时对道路废气排放测试作出了具有约束力的规定，从2017年开始欧洲将实施实际行驶排放法规(RDE)。

为了进一步降低整个发动机特性曲线场中的比燃油耗和有害物原始排放。目前已进行了一系列RDE试验，根据驾驶员、行驶路段和不同的车辆进行测试，测量结果中已包括了非常宽广的特性曲线场范围，这也证实了在柴油机和汽油机上，可能导致排放超标的一致性因素[1]。

在动态试验循环中，优化空气管路也就是优化换气具有显著的效果，尤其是在强烈的发动机瞬态运行时会出现废气排放的峰值。而采用全可变气门机构可使气门开启与曲柄连杆机构完全脱离相位关系[2-3]。Schaeffler公司从2009年以来成功地量产了1种电液式可变系统，这种可改变气门开启和关闭时间的凸轮轴相位调节系统具有较低的结构设计成本。从1996年以来，Schaeffler公司已生产了各种不同结构的液压式凸轮轴相位调节器。

2 液压式凸轮轴相位调节器

因为在负荷突变时发动机的原始排放会暂时急剧增大。对凸轮轴相位调节器最重要的要求是在保持高的调节精度和稳定性的同时具有高的调节速度。其技术难点在于，为了降低驱动机油泵的损失功率，准备好的机油压力和在此压力下可供使用的机油体积流量持续地降低，特别是在低转速情况下，为了能确保满足迅速调节的要求，机油供应准备的能量几乎是不足够的。

在液压式凸轮轴相位调节系统中，调节室中的机油量与调节角度之间原则上存在着线性关系。在传统调节器中，为了调节凸轮轴1°相位角，需要约0.5 mL机油(典型值)。如果由机油泵来直接推动调节，那么准备好的机油体积流量的功能就是调节速度。应用了机油贮存腔就能够避免这种依赖关系[4]，并且能暂时补偿机油泵供油速率的不足。图1示出了Schaeffler公司开发的各种不同凸轮轴相位调节系统调节速度和机油需求量2种不同要求的比较。

图1 Schaeffler公司各种凸轮轴相位调节器的结构型式和性能

Schaeffler公司开发的紧凑型液压式凸轮轴相位调节器因内部集成了1个贮油腔，其调节速度比标准型更快(图2)，并在机油需求量明显降低的时候不影响其调节速度，因新的调节系统的调节速度对温度的依赖关系比传统调节系统更小,甚至在-15 ℃的环境温度下仍能在整个范围内获得显著的调节效果。

图2 紧凑型凸轮轴相位调节器调节速度与凸轮轴转速的关系

紧凑型凸轮轴相位调节器的机油贮油腔被完全集成在调节器中(图3)，为调节准备机油。当来自阀驱动机构的凸轮轴扭矩短暂强烈地加速相位调节运动，机油泵的体积流量不足以供应调节器加大的腔室容积时，内部贮油腔的机油予以补偿。同时，当内部腔室缩小时排挤出来的机油又再次充满贮油腔，因此机油泵只需承担补偿泄漏量的任务，与应用标准型调节系统相比，处于中等水平。

图3 紧凑型凸轮轴相位调节器的机油流动

此外，扩大调节范围是对机油泵越来越重要的要求，以便能支持诸如阿特金森(Atkinson)和米勒(Miller)燃烧过程。虽然在现代汽油机上绝对相位调节角最大为60°CA，但是这对结构设计已经提出了重大的挑战。然而，在发动机停机时调节器的定位特别重要。在相位调节角度范围较大的情况下，当发动机停机时凸轮轴处于某个终了位置而减小了有效压缩，低温再次起动的能力可能会受到限制，因而Schaeffler公司为此开发了1种液力解决方案，它能确保凸轮轴定位在1个中等位置，使发动机处于额定压缩比范围内。

3 机电式凸轮轴相位调节器

通过使用机电式凸轮轴相位调节器可以使其与机油体积流量完全无关，甚至在发动机起动之前或起动期间(也就是低于怠速转速时)凸轮轴就能进行调节，这对于电驱动方案是特别重要的，尤其是在汽车滑行时发动机倒拖期间发动机脱开和停机的时候。Schaeffler公司从2015年以来，作为欧洲首家供应商就量产了机电式凸轮轴相位调节器，应用于V型发动机的进气侧。

4 结构设计方案

开发机电式凸轮轴相位调节器的首个前提条件是紧凑的结构，并实施模块化部件策略，为此电动凸轮轴相位调节器必须具有与液压系统相同的结构空间，其中电动机结构尺寸与传动机构传动比的调整对于紧凑的结构具有决定性的意义。

Schaeffler公司采取了紧凑的直流电动机与专门为凸轮轴相位调节器开发的具有高传动比的传动机构(图4)相结合的结构方式，后者由2个齿圈和1个具有椭圆形内圈的滚动轴承组成。滚动轴承的弹性啮合外圈通过第一级齿圈与链轮联接，通过第二级齿圈与凸轮轴联接。第二级齿圈比滚动轴承外圈和第一级齿圈多2个齿，因而滚动轴承内圈和第二级齿圈旋转之间的传动比为1∶66。

图4 机动凸轮轴相位调节器传动机构的结构

滚动轴承的弹性外圈能被调整到非常小的啮合间隙，因而比传统传动方案噪声明显降低。

传动机构通过1个坚固的封闭联轴节与发动机相连接，电动机安装在气缸盖上，传动机构安装在凸轮轴上，用于补偿安装所导致的公差，以及发动机动态运行所引起的2个部件的相对振动。

5 调节

在目前量产的方案中，1个分开的控制器承担用于凸轮轴相位调节器的电动机的控制。通过在发动机舱中选择合适的安装部位，确保这种控制器的功能在很大程度上与可能非常高的内燃机运行温度无关。当然，也可设想将这种控制器的功能完全集成到发动机电控单元中。

Schaeffler公司开发了1种基于模型的调节方式，并通过控制器局域网络(CAN)总线实现这种控制器与发动机电控单元之间的通讯，而相应的凸轮轴和曲轴位置传感器的信息由发动机电控系统直接传递到电控单元。除此之外，集成在电动机中识别转子位置和监测运行温度的传感器对于凸轮轴相位调节器的功能也是十分重要的，确保在极端环境条件下过热保护功能正常运行。

在发动机运行中，发动机电控系统本身仅预先规定当时所期望的调节器额定相位角，而目标相位角的调节则由分开的控制器承担。

图5 各种凸轮轴相位调节系统调节速度与发动机转速的关系

6 性能

机电式凸轮轴相位调节器的优点首先在于能够获得与机油温度和转速无关的非常高的调节速度(图5)。Schaeffler公司已在试验台试验中证实，即使在发动机起动期间也能达到这样迅速的调节。在300 ms中，即使在内燃机第1次点火之前，凸轮轴就能运动80°CA(图6)，此时在起动信号后系统就首先转至终端位置，确保可靠的覆盖范围，以便随后用于在运行中调节相位角。

图6 发动机起动期间的发动机转速和凸轮轴相位角的调节

7 展望

Schaeffler公司提供了1种采用机电式凸轮轴相位调节器的调节系统，在换气设计中可利用其高度的灵活性，并已进行批量生产。鉴于未来的废气排放法规，以及与其相关的空气管路的动态特性，期望上述所介绍的新型凸轮轴相位调节器能推广到众多应用场合，并运用在柴油机上。

[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.

范明强 译自 MTZ， 2016， 77(11)

何丹妮 编辑

2016-10-30)