针对米勒循环和阿特金森循环的发动机配气机构公差在线调节

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

进气歧管压力测量可用于检测特定发动机的实际气门正时，从而可在线调节气门关闭状态，并与参考发动机进行有效匹配。这在很大程度上补偿了由制造过程引起的进气门和排气门公差，并使发动机以最佳气门正时运行。Vitesco Technologies公司正计划将该方法用于量产发动机。

米勒循环;阿特金森循环;配气机构;气门正时

0 前言

为了不断提高内燃机效率，发动机开发人员目前将研究重点放在米勒循环和阿特金森循环上。目前，涡轮增压发动机更趋于采用米勒循环，与传统运行策略相比，采用米勒循环能使整机效率提高约7.5%。

上述2种循环提升效率的主要原因在于通过发动机节流过程而降低了气体交换损失，同时可使发动机气缸在压缩期间具有较低的平均压力。此外，米勒循环和阿特金森循环可有效提高发动机压缩比，从而使发动机在高负荷下的运行过程更加高效[1-2]。

為了在实际条件下充分利用这些效率优势，研究人员在采用米勒循环和阿特金森循环时须重点关注发动机气门正时的精度。在典型的进气门提前关闭点或延迟关闭点时，活塞运动速度会非常快。因此，即便与正常的气门关闭正时之间仅存在较小的偏差，也会使气缸充量出现较大的差异。对其开展精确而深入的研究是实现降低排放和提高效率等目标的关键条件。

由于制造公差的存在，当今量产发动机的进气和排气凸轮轴的气门关闭时间差异可高达±5 °CA。这会使发动机着火运行时的气缸充量偏差高达25%。凸轮轴位置误差不仅会使气缸充量的计算过程不正确，还会使许多量产发动机无法以最佳的气门正时运行，这不利于实现提高发动机效率及降低排放的目标。

Vitesco Technologies公司的目标是开发1种方法。通过该方法，研究人员只须采用当前量产发动机常用的传感器，就可检测发动机凸轮轴的位置（以测量发动机气门关闭正时）。同时，该方法需要在发动机控制单元中得以有效应用，由此可避免因额外增加硬件而使系统成本提高，或对发动机制造过程产生不利影响。

基于压力的凸轮轴角度匹配（PCAA）方法完全可以满足上述要求。该方法由Vitesco Technologies公司开发，并已获得了相关专利。PCAA方法能够识别与制造相关的配气机构公差，从而将进气门位置精确控制在±1 °CA以内，并将排气门位置精确控制在±2 °CA以内，由此可以更精准地确定和控制发动机的气缸充量（图1）。

1 工作原理

在工作循环中，进气门、排气门和活塞之间的相互作用会对进气歧管压力变化产生影响，这是采用PCAA方法的物理基础。图2以直列4缸发动机为例，研究人员通过GT-Power仿真模型确定了进气门或排气门正时偏移对进气歧管压力变化的影响。图2左侧示出了该发动机某个气缸的气门升程曲线，黑色曲线为参考气门正时，进气凸轮轴的气门正时偏移为-10 °CA，排气凸轮轴的气门正时偏移为+10 °CA。图2右侧为相应的进气歧管压力曲线。

显然，进气门和排气门相对于活塞的位置会影响进气歧管压力曲线的形状和时间位置。研究人员通过快速傅里叶变换（FFT）分析进气歧管压力曲线，从而计算出了各个阶次（频率）的相关振幅和相位。图3示出了阶次1～20的计算振幅。

最大振幅出现在4阶，其等同于直列4缸发动机的进气频率。与其他阶次所产生的背景噪声相比，进气频率的倍数，即8阶、12阶、16阶和20阶，也具有明显更高的振幅。通常而言，阶次越高，振幅则会越低。发动机进气频率决定了压力曲线信号的形状。因此，进气频率是进气歧管压力的激励频率。振幅大小表示该阶次的信号在总信号中产生的影响。相位表示了该阶次的振荡在总信号中的时间分配。

为了量化气门正时对进气歧管压力的影响，研究人员在6个进气凸轮轴位置和6个排气凸轮轴位置（36个测量点）的矩阵中调整了发动机凸轮轴的位置。这种变化涵盖了量产发动机中出现的±5 °CA配气机构公差（偏离额定气门正时）。针对每个测量点，研究人员记录下了进气歧管压力曲线及进气门和排气门位置，并进行了FFT分析。图4示出针对4阶、8阶、12阶和16阶的计算相位。

每个阶次都有1个可根据气门正时计算出的相位特征模式。通过上述方法，研究人员可在发动机各个气门正时与基于各个阶次而计算出的相位之间建立明确关系。

2 功能实施与验证

PCAA方法充分利用了气门正时与进气歧管压力波动相位之间的关系。通过在相应频率范围内分析进气歧管压力，研究人员可以检测到各个气门关闭正时对进气歧管压力形成的物理影响，并在发动机控制单元软件中对此进行建模。通过反转计算模型，研究人员可将记录的进气歧管压力曲线信息用于反向测算发动机的实际气门正时。通过该方式，研究人员可检测出参考发动机的实际气门关闭正时与各个量产发动机的实际气门关闭正时之间的偏差，并使此类数值得以量化，由此可使各个量产发动机的实际气门正时与参考发动机实现合理匹配。由此，研究人员可在确定各个发动机的气缸实际进气量时使误差最小化，并以此为基础对喷油量进行了调整，从而实现所需的空燃比。另一方面，通过以该方式校正凸轮轴位置，研究人员可以将各个发动机的凸轮轴精确地调节到标准位置，并确保发动机在最佳的热力学工况点运行。这种方法可以在很大程度上补偿影响进气侧和排气侧的制造公差。

为了证明PCAA方法的优势，研究人员对5个工作循环中测得的进气歧管压力曲线进行了处理。研究人员针对上述36个测量点，通过该方法计算出参考发动机的凸轮轴位置，并与实际凸轮轴位置进行比较。图5示出了在2 000 r/min的发动机转速下，采用PCAA方法计算进气和排气凸轮轴位置所能达到的精度。经过测试的36个凸轮轴位置涵盖了量产发动机的整个配气机构公差范围（±5 °CA）。

由此可知，对于进气凸轮轴和排气凸轮轴而言，每个测量点的偏差均小于±0.5 °CA。这一结果反映出PCAA方法具有很高的精度。图6示出在1 500～2 300 r/min转速范围内，采用PCAA方法计算出的进气和排气凸轮轴位置的标准偏差。在整个转速范围内，进气凸轮轴的标准偏差均小于0.15 °CA。排气凸轮轴的标准偏差略高，但始终保持在0.25 °CA以下。因此，该方法可以针对配气机构的整个公差范围及所考虑的转速范围，通过进气歧管压力曲线而精确地计算出进气门和排气门的实际关闭正时。

为了实现PCAA方法的系列应用，Vitesco Technologies公司的研究人员开发并采用了其他功能模块，以补偿环境压力和环境温度的影响。在1 500～2 500 r/min转速范围内，研究人员均可通过在线控制单元使PCAA方法投入使用。

3 结语

通过PCAA方法，研究人员可对各个气门正时及其对进气歧管压力所产生的影响之间的物理关系进行精确建模，并将其用于气门关闭正时的计算过程中。针对±5 °CA的公差范围，PCAA方法能以非常高的精度补偿特定参考发动机和量产发动机之间的气门正时偏差。

采用Vitesco Technologies公司开发的PCAA方法，研究人员可以在不增加系统成本的情况下，充分利用米勒和阿特金森循环的技术优势，从而为未来发动机提供1种经济、高效的运行策略，以减少CO2排放。PCAA方法将于近期应用于量产发动机，并实现可靠的适配精度。其中，进气凸轮轴为±1 °CA，排气凸轮轴为±2 °CA。

PCAA方法还在不断优化中。一方面，研究人员通过将排气压力传感器集成到PCAA算法中，以对发动机运行区域进行调节，并提高排气凸轮轴的调节精度。另一方面，研究人员将重点放在功能扩展及专利申请上，以确定单个发动机的曲轴位置，以及V型和Boxer发动机的气缸均衡性解决方案。

[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.