关于改变内燃机配气控制的新技术分析解读

汽车与新动力 发表于 2019-08-17 11:39:24 收藏 已收藏
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关于改变内燃机配气控制的新技术分析解读

汽车与新动力 发表于 2019-08-17 11:39:24

电气化在汽车行业俨然成为极具争议的“流行词”。一方面电动汽车动力系统开发的必然趋势似乎在向传统内燃机宣告“死刑”;而另一方面,从内燃机传统部件的推陈出新,到全面利用电气化系统来填补机械驱动带来的低效劣势充分减少了热损失、提高了效率、实现了更好的驾驶性能。

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现在大部分新型的发动机都配装了大量的电子元件和电子控制系统,也保留着传统内燃机的一些结构,比如凸轮轴配气机构,尽管众多厂家对发动机的配气系统进行了优化,但对可变气门技术的应用也还是要依靠凸轮轴控制气门的开启和关闭,这也在不断消耗着曲轴的动力,影响着发动机的工作效率。

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无凸轮轴技术在实现方案上多种多样,各有千秋。英国Camcon汽车公司日前研发出了一种新型的电控配气系统,其采用的智能气门驱动的无凸轮轴发动机技术于2009年开始正式投入研究开发,智能气门驱动技术(IVA)的应用实际上可追溯到大约十年前,这一技术是从90年代末的二进制驱动技术(BAT)进一步发展得到的。IVA利用运行数字控制的一组气门变换,允许无级变速控制定时,其机电系统驱动每个气门对应的凸轮轴带动摇臂推动气门,通过旋转凸轮轴,实现高、低速时气门升程的变化。

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Camcon公司CEO Gostick 曾介绍到,他们已经在过去的6年里对IVA控制系统进行了无数次的开发工作, 而如今完成气门机构的优化后,其得到的发动机工作效率是之前未曾想到过的。这家英国公司迄今为止在样机上所做的测试一直处于稳定结果,在整个测试范围内燃油消耗和CO2排放都有很大的降低。该测试是在捷豹Ingenium发动机上进行的,CO2的排放减少了7.5%,虽然目前对汽车层面的发动机还在试验当中,但是除了降低排放外还会继续看到更多的提升可能性。

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Camcon采用的是电机驱动凸轮轴而不是由曲轴提供动力,而柯尼赛格公司的Freevalve 技术采取了不同的路线,开发了电控液压和气动系统来代替传统配气机构。Freevalve的技术首次应用于观致Qoros 3,其搭载的1.6 L的4缸发动机可输出230 hp的动力。柯尼赛格公司早在2000年就对该技术开展了研究,因为1996年,福特公司在SAE上发表的一篇题为“无凸轮轴发动机”的文章,提及到已经开始开发了一种适合量产的液压控制气门机构。当时很多汽车公司都害怕被福特这一技术抢占先机,所以供应商和生产厂商们都对配气机构进行了各自的优化方案。

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就如前面介绍的,Freevalve使用电控液压和气动系统来驱动气门。简单来说,它是一种混合装置,使用压缩空气来进行驱动、利用液压来控制。2011年,Freevalve的技术在AVL的设备中对单缸进行了测试,结果显示,与新型的2.0 L 4缸直喷可变凸轮发动机相比,燃油消耗减少了12% ~ 17%。对于追求轻量化和超高推重比的瑞典超跑制造商柯尼赛格来说,无凸轮轴技术是相当的重要,把它应用在发动机中不仅能够节省凸轮轴和相关机械部件的质量,还节省了空间,实现高动力、低油耗、低污染是超级跑车的核心思维。

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在凸轮轴告别消耗曲轴动力的传统配气机构之后,电气控制的配气机构增加了在气门开启持续时间和升程上的灵活性。然而这一过程带来明显的负面影响,就是不同步的活塞在顶部正中心位置上有可能会在它的最低位置撞击到开启的气门,这是开发人员最不愿意看到的。当工程师面对 “无凸轮轴技术”时,很多人都会对活塞冲击气门的这一假设后果陷入盲目恐慌中。Camcon公司使用基本的1D模型模拟IVA气门开关闭过程,显示出有活塞工作过程中撞击气门的可能完全不会发生,另外通过模型也证明可以显著减少气门的升程,同时可以保证的涡轮增压的最大性能。IVA之所以能做到这一点,是因为它不是由机械结构固定的,可以利用更久的气门开启的时间来补偿减少的升程。

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在Freevalve技术中,只有液压压力可以控制打开气门,除此之外还有1个超压阀,保证如果气门和活塞之间有接触的情况下,活塞就会将气门推向关闭位置。阀座气门是直立的设计,一旦气门顶杆因受到阻碍或与活塞发生瞬间接触而发生弯曲,唯一会发生的就是气门关闭,这种异常情况是由传感器检测。如果传感器出现误差,导致打开或堵塞接触公差,发动机就将降低它的转速,或者如果气门弯曲,气缸将会完全关闭。对于“无凸轮轴”可以提供的灵活性来说,这种技术仍然存在一些负面因素:对传统解决方案的限制,加上噪声和温度敏感性,早期的电气驱动系统的机型通常有质量较大,并且安装空间也有问题。

目前在捷豹XE车型上安装了一个IVA原型发动机,但是安装了这一数字化智能控制的气门机构的发动机机罩间隙并不完全符合目前使用的电气设备的标准。目前的原型样机还是由现成的组件制造,但是若投入生产后,发动机机罩间隙将比现在低8 ~ 10 mm。目前,IVA系统没有实现实际上的轻量化。即将投入生产的下一代机型,起动器将会减轻约1.5 kg,虽然整个系统的质量与传统机型的配置类似,但会比传统机型更轻。在与中国汽车制造厂商观致Qoros密切合作后,Freevalve技术将会在更早阶段将其解决方案集成到1款全新1.6 L发动机的开发中。应用该技术的发动机模块比传统的双顶置凸轮轴4缸发动机的气缸盖更短,长度可以缩短至70 mm,质量可以降低至20 kg。

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Camcon以及观致与柯尼赛格的解决方案,对内燃机的清洁开发有着重要的影响。IVA应用在进气道和排气阀门之后,系统消除了对定时驱动系统的需要,从清洁设计的角度来看,能够更灵活的选择使用燃烧策略。多年来人们一直在研究均质压燃(HCCI)技术,最终目的都是要控制废气再循环(EGR),实现清洁燃烧。HCCI所要完成的是对1个传统内燃机的燃烧室气体的进行严格控制,即在提供动力的同时,把油耗和污染降低。如果将IVA安装在排气阀门上,则可以在时间和周期上完全控制任何排气过程,让传统的配气机构有了质的改变。

尽管这两种系统在执行过程中采取了不同的方向,并处于各自发展的阶段,但这两种系统都将会将技术投入量产中。Camcon公司的IVA技术正处于应用到排气阀门上的阶段,但从汽车项目的角度来看,还需要一级供应商来实现。目前,Camcon公司的这一技术的试验室台架测试及道路测试都在计划中,在汽车供应商和厂家的配合下,将会进一步进入量产阶段。另外,搭载观致和柯尼赛格Freevalve技术的样机已经通过了55 000 km的测试,可以应用在不同系列的汽油机上。

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目前,Camcon已经开始开发下一代的IVA机型,将会进一步实现发动机的小型化。Freevalve技术在进气阀门上的运行测试超过了55 000公里,在进气阀和排气阀的配合应用已经进行了10 000公里的测试。这项技术已经进入成熟阶段,超越了最早的单缸机应用。预计在2020年左右,无凸轮轴技术作为高端发动机技术将开始在第一批高档车型上开始应用。

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