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连续测量气门升程运动的全可变液压气门机构概念
摘要：石油价格的全球发展和正在进行的关于满足未来二氧化碳排放承诺的讨论需要个别汽车交通中的新技术和概念。虽然混合动力和电气化在小规模变得越来越重要，但是传统驱动系统的效率提高，特别是在SI发动机方面，目前提供了降低燃料消耗和废气排放的最高潜力。
因此，气门传动系在汽油机的优化中起着关键的作用，如气缸内空气-燃料混合、燃烧、HCCI、气体交换、贫氧等技术和工艺、配给等。进入批量生产的现代气门机构系统尽管被称为全可变系统，但还是由凸轮驱动。因此，与直接（非凸轮驱动）发动机控制系统相比，可变性和应用受到限制。
OptiVent是一种专利新方法，在四冲程发动机压缩阶段打开气门控制内燃机缸内的质量气流，特别是用于在一个循环中超过一次打开气门。发动机控制和燃烧系统在进气门和排气门上使用了一个真正的全可变电液系统。在相位和速度上，控制阀正时独立于曲轴驱动。因此，给出了以下几种发动机控制策略的前提条件：通过排气控制发动机负荷，减少气体交换损失，在发动机起动过程中设置气缸选择性减压，降低相应的机械损失，实现液压传动。
西萨克森应用科学大学与工业伙伴合作，创建了一个使用批量生产部件的气缸盖概念，以实现极高的控制自由度内燃机的气体交换。本文介绍了该系统的开发过程，重点介绍了机械设计和技术特点。除了精密的螺线管冷却和液压系统的实施，还安装了连续/无延迟的气门测量，以防止气门和活塞之间的碰撞。为此，建立了一个以目前大众EA211SI发动机为基础的发动机试验台。这项研究由政府资助。
1介绍
内燃机气体交换阀的定时对高压回路中的气体交换损失以及缸内空气燃料混合和燃烧过程有着重要的影响。一般来说，燃烧过程的发展主要集中在发动机部分负荷过程中节流损耗的降低。尽管过去几年在这一领域取得了进展，但仍然需要在发展新系统方面做出妥协。其原因在于，对于间接喷射SI发动机，气缸内空气 - 燃料混合对空气进气速度和气缸内部气流的依赖性，其全局行为通常以涡流和翻滚为特征。
由于在SI发动机中越来越多地使用直接燃油喷射，所以出现了控制发动机负载的新方法。至少在喷雾引导燃烧的情况下，气缸内的空气混合发生在压缩阶段的非常晚的状态下，气体交换可以与缸内空气 - 燃料混合和燃烧解耦合。
本文所用的发动机负荷控制方式基于[1]和[2]的思想，但是该方法仅适用于直接燃油喷射发动机。如图1所示，通过反复打开排气门来调节气缸负载，通过排气门控制发动机负载的方法以及在循环过程中多次打开的可能性是专利注册的主要特征OptiVent法。
然而，这种形式的负载控制的适当应用是相当具有挑战性的。将新鲜空气抽入排气系统增加了气体交换损失，并且使用氧气稀释冷却废气。这导致了关于lambda;控制和排气后处理的问题。采用喷雾引导直接喷射与基于缸内压力测量的控制策略以及缸内温度模型相结合的方法是近期研究活动的内容。
图1.压力/容积图和气门升程图
大量的仿真[3，4，5，6]证明了这种负载控制在许多应用中优于传统的发动机操作方法。可以确定以下积极影响：
- 减少汽油发动机在部分负荷下的气体交换损失，从而显着降低燃油消耗
- 由于气缸充气减少，降低了汽油发动机的起动功率，这对起动 - 停止系统是必不可少的
- 转移商用车辆的制动功能并将动力注入液压工作系统
- 开发拉动式小型内燃机自动轻松启动系统
关于压缩阶段和火花放电时的流失，进行的3D-CFD计算显示了不同的充电运动行为。如图2所示，由于压缩过程中的过程，在火花放电时不存在点火辅助充电运动。原因在于3D-CFD代码中内可逆模型的负面影响。在这方面，以前模拟的有希望的结果无法得到批准。因此确定了实验评估的必要性。
在这种情况下，基于批量生产零件的研究发动机在进气门和排气门上都配备了完全可变的气门机构。设计程序将在下面详细描述。
图2.节流发动机的CFD仿真结果和可变排气升程的负载控制[7]
2.气门机构的设计要求
与目前已知的和串联的气门机构概念相比，不仅需要可变地打开进气门，而且需要多次打开并且具有各种行程，以便通过排气门控制发动机负载。如果这种类型的负载控制将在未来的某个时间点串联启动，则这些要求不一定适用。然而，改变燃烧室内的流量和点火条件就需要在燃烧过程开发阶段研究尽可能多的自由度以确保最佳的性能。
在表1中，对于研究发动机和批量生产应用中的发动机描述了新的负载控制的系统标准。很明显，体积应用也可以用机械系统来实现。然而，在这样一个适合市场的系统可用之前，还有一段路要走。首先，燃料发动机的一维和多维仿真必须经过验证，因此，保留关于气体交换气门正时的最大自由度是至关重要的。
如表1所示，用于启动气体交换气门的最大自由度数是开发新型发动机负载控制方法所必需的。此时，只能通过使用无机械依赖性工作的电磁或液压气动气门驱动系统来实现最大数量的自由度。
如[8]中所描述的机电气门机构具有关于实施新操作和燃烧过程的两个显着缺点。首先，气门升程曲线的变化是有限的。一般而言，只有快速打开和关闭是可能的，但坡道等方面没有变化，这对于支持缸内空气 - 燃料混合，点火和燃烧过程的充气运动的产生可能是关键的。
表1.在研究和以后的批量生产过程中必要时负载控制系统的设计要求
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研究室发动机运行新发动机负载控制方法 |
量产发动机运行新的发动机负荷控制方法 |
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可变气门正时（进气和排气） |
是 |
是 |
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可变升程摄入控制量 |
否 |
否 |
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可变升程排气控制量 |
是 |
是，但可能在机械步骤中 |
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多开口进气门 |
否 |
否 |
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多开口排气门 |
是 |
是 |
|
机械气门操作 |
否 |
可能是 |
|
电磁气门操作 |
是 |
可能是，但不大量生产的情况下不适用 |
|
液压式气门操作 |
是 |
是 |
尽管直线电机气门机构能够产生可变的气门升程曲线，但无法实现气门的无振动关闭。高电流，昂贵的磁体和建立紧急停止的问题（例如，为了在能量损失期间关闭气门，关闭气门必须被弹簧支撑，另一方面，这需要更高的电流以平稳地关闭气门）。
成本效益型实施的另一个实质性缺点是在市场上的大规模生产零件缺乏可用性。原因虽然过去多次公布，但迄今为止还没有一家汽车制造商建立过这项技术。
因此，在早期设计阶段已经确定使用当前单一可用市场上的液压气门机构系统的气门驱动组件。基础系统如图3所示。
从图中可以看出，该系统没有完全独立的气门驱动液压产生。事实上，气门驱动所需的压力仍然通过凸轮轴机械地产生，该凸轮轴相对于批量生产而言有利的是，可以通过压力产生凸轮轮廓的机械极限来满足安全要求（例如活塞和气门之间的碰撞）。
还给出了系统在批量生产条件下在新的发动机负荷控制方法中操作的一般适用性。对于这种预期的用途，它只需要在凸轮轴上形成第二压力产生凸轮凸角，因为它已经例如在[10]中安装，目的是控制残余气体。然而，在该例子中，设计的机械限制不适用于这种创新的控制和燃烧过程的调查。但是，UniAir气门操作系统中的电磁阀和液压气门升程执行器等组件用于安装实验发动机。
图3.批量生产UniAir气门操作系统的液压方案[9]
3.气门机构的设计
用于安装全可变无凸轮系统的UniAir气门机构的主要机电部件之一是气门上的执行机构，也称为液压制动器，与气门弹簧的设计相结合，确保顺利关闭气门。
该系统的实际控制元件是一个电磁阀，在没有动力的情况下通过压力进行连接，从而在这种状态下作为一种具有液压传动装置的凸轮轴工作。通过激活电磁阀（图5），可以在气门升程曲线的外壳内执行减小的气门升程。
图5.用于新型全可变无凸轮气门机构的磁性执行器（UniAir）
3.1系统功能
气门机构的基本功能在图6中描述。为打开换气阀，连接到高压导轨（红色）的电磁阀打开，电磁阀连接到出口（左边黄色）关闭。因此，这些螺线管之间的室内压力迅速累积并作用于液压制动执行器。此外液压制动执行器打开发动机的换气阀。
要关闭换气阀，连接到高压导轨（红色）的电磁阀关闭，电磁阀连接到出口（左边黄色）打开。气体交换的气门弹簧将液压制动执行器向上移动到其原始位置，直到气门顺利关闭。在此过程中，过量的液压流体被压入出口。
图6.开启循环期间的气门机构（状态：通过气体交换阀打开连接的高压室）
凭借其单作用液压制动执行器和使用两个电磁阀作为控制元件，该系统与Lotus AVT [11]或Sturman HVA [12]不同。
Lotus AVT采用双作用液压执行机构，与使用复位弹簧的解决方案相比，该机构增加了液压复杂性。此外，它需要重新设计和制造气体交换阀。用于新发动机负载控制过程的气门机构旨在要求基本发动机气缸盖的最小变化。Lotus系统的软件同时监测和驱动8个气门，而新系统的测量和控制系统允许同时启动和监测16个气门的升降（参见4.1节），从而能够深入研究完整的4缸发动机。关于所开发的发动机循环，这对于研究在出口系统的压缩阶段期间额外的气门升程的影响至关重要，例如这如何影响其他气缸，催化转换器的加热等。
Sturman HVA系统原则上不同，因为它为每个单独的气门提供一个模块。它也只使用一个数字阀来控制气门升程。这可能会导致在高转速时加热到不允许的水平，因为数字气门正在永久移动。但是，在电力供应故障期间实现紧急停止和系统安全可能更难以实现。对于图6中显示的系统，在缺少电源的情况下，返回循环（左侧黄色）始终打开。
3.2无凸轮气门机构的水力设计
由于系统中的压力是由外部液压产生的，因此需要全新的液压回路设计（图7），尽管使用了液压回路的组件UniAir气门操作系统。这里的关键部分是使用额外的电磁阀。这对新的气门机构产生了额外的要求。如在用于致动阀的这个变型中那样，两个电磁操作阀必须由电流协调地供应。此外，机电部件是部分的强调更多。从粗略的理论考虑可以清楚地看出，与凸轮操作的UniAir系统相比，螺线管的开启持续时间长两倍。
较高的热负荷导致了进一步的发展，以便在单独的部件测试台上测试气门机构期间改进对螺线管部件的冷却保护。
图7. UniAir的液压方案与开发的无凸轮气门机构之间的区别
除了液压回路图的基本设计之外，还需要根据所需的气门升程曲线确定所需的液压动力。首先，为此目的，已经开发了描述气门升程的简单机械模型（图8），并且已经确定了系统内相对于动态力的必要气门驱动压力。
图8.确定液压系统和必要的液压动力的动力学模型
压力的影响是微不足道的：作用在区域A上的压力p产生垂直于该区域的力F.
该力总是产生由不同部件组成的反作用力。 图8中的汽缸盖的示意性截面描绘了力。 该力模型可作为进一步分析气门机构动力学行为的基础。该模型具有以下属性：
bull;移动部件之间没有机械摩擦
bull;流经执行机构的主孔和限流孔时不会产生节流作用
bull;无排气背压1
bull;气门弹簧的线性弹簧特性
bull;随着时间的推移，液压被认为是恒定的2
bull;忽略重力引起的力（但考虑到惯性力）
参照动力学模型，沿着气门运动方向的力的平衡被给出为。
(2)
用
(3)
和：
(4)
将等式（3）和（4）应用到等式（2）中，获得以下二阶非均匀线性微分方程：
(5)
初始值问题通过以下启动条件解决：
(6)
(7)
最终得到的气门行程，速度和加速度函数如下：
(8)
(9)
(10)
以类似于打开气门的方式，可以使用相应的方程来描述它们的关闭。
根据这些信息，可以
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