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改善燃油经济性的连续可变气门升程机构的开发
摘要：
德尔福研发出了一种连续可变气门升程CVVL配气机构，通过最小化泵气损失和减少凸轮驱动转矩的损耗来改进火花点火发动机节流燃油经济性。最新的CVVL设计在于在一定的速度和负荷的情况下满足从燃烧分析中得到的气门升程持续时间的目标，减少外部包络，以及减少部分费用以降低成本。德尔福的CVVL设计过程、模拟过程可以预测性能，硬件确认测试将会在本文中讨论。
- 介绍
今天的汽车消费者和领先的汽车制造业越来越关注怎样减少化石燃料燃烧消耗和相关温室气体的产生。不断上涨的燃料价格，严格的政府燃料经济标准和消费者环境意识的增加正在促使制造商评估和应用新的节能技术。几项研究表明当发动机的转速和负荷发生变化时，热效率的提高与气门升程有关。优化气门机构的常用方法是使用分开的可变气门升程机构和气门正时机构。可变气门定时的优点是很容易理解的，这些机构在现代汽油机中被广泛使用。可变气门升程装置通常会改变峰值升程以及气门工作的持续时间。在其最简单的形式，可变气门升程机构提供两种升程轮廓。汽车制造商使用了两种升程轮廓机构，多年来显示出了它们的燃油经济性，发动机性能和排放得到改善。可变气门升程机构的演化，从2到3个固定升程到连续变量提供大量的升程轮廓。连续可变气门升程系统允许发动机节流，通过调整气门升程进一步减少泵气损失。一些车辆制造商正在评估在提供满足客户需要的发动机动力的情况下连续可变气门机构提高效率的程度。最近的一次美国国家科学院进行的一项研究评估了几种燃料经济技术改进方式，结果是CVVL可以达到3.5%到6.5%，其燃料经济性的改进，超过了有两个独立凸轮相位的发动机。
- 进气门早关的燃油经济性好处
用GT-Power10的发动机循环模拟估计了使用CVVL气门关闭的进气门早关的潜在燃料经济效益。一个典型的四缸DOHC发动机采用了一种具有良好稀释度的现代发动机典型的燃烧特性。使用Wiebe燃烧模型，基于发动机试验的速度和总稀释度（EGR 残值）数据，燃烧速率形状持续时间参数被映射为发动机的函数。为了估计驱动循环的燃料经济效益，在NEDC中使用中型车来获得一种典型的4缸发动机的燃料消耗与速度/负荷图，加权4个发动机rpm/负载条件的燃料消耗的轮廓最为集中。这些提高燃油经济性的连续可变气门升程机构在2016年4月16日公开出现于爱马仕费尔南德斯德尔福先进动力总成系统Youssef Kazour，Michael Knauf，James Sinnamon，Edward Suh和Daniel Glueck德尔福公司2012年版权国际doi:10.4271 / 2012-01-0163，加权系数适用于燃料消耗，从CVVL发动机模拟方面改进4个操作点。为了获得最大的燃油经济性利益，以下几点标准必须满足:
1）发动机必须无节流操作，也就是说歧管压力等于环境压力。
2）CVVL机制必须提供足够的气门升程在峰值时避免气门压力损失。
3）必须保护在稀释极限附近工作的发动机操作。
前两个标准确保泵气损失最小化，第三个确保效率最大化。然而，它显示出最佳效率通常出现在使用少量节流的时候。它要求CVVL机构有足够的权限在被要求产生所需负载的情况下将入口关闭的凸轮相位器驱动，同时进气门早开（IVO）需要用内部剩余部分将发动机设置在它的稀释极限。我们的任务是确定升程轮廓和在四个测试点的每一个点上热效率最大化的IVO。
在恒定的转速和负载下，用发动机模拟软件以气门升程作为参数来绘制效率与IVO图。图1显示了一个典型的使用CVVL升程轮廓的地图“族”。当一个人沿着一条线从右向左移动并不断上升，当稀释度增加和效率提高时，发动机会逐渐失去节流作用。这条线在当发动机失去节流作用时终止。大黑标记表明了在这种情况下发动机超过了稀释极限。请注意，最佳效率可能会出现在完全取消节流之前，从这一点开始泵损减少不超过由于残余的回流减少而导致的效率损失。在低升程时，由于气门的压力损失，曲线会以较低的效率终止节流。红色的断线是“最佳效率信封”。“最优线的最高点在稀释极限内。每一个不同的CVVL气门升程家族会产生不同的效率vs IVO操作图，有不同的最大的效率。
为了评估CVVL燃料经济效益的上限，上面的分析是使用一个由不同持续时间的8毫米方形轮廓组成的升程轮廓族进行的。这就达到了接近理想的气门压降。新能源经济效益大概获得了10.2%。基线有固定的凸轮相位和EGR=15%，这是一个常见的校准水平。而这是一个合理的限制估计，对于任何实际车辆应用程序的限制会有几个不同的因素，如发动机排量与车辆重量，传动齿轮传动比，基本的发动机稀释极限。然而，上述结果确实提供了一个评估各种不同工况的可靠依据即CVVL升程轮廓族。还应该注意到燃烧系统的改变，比如部分进气门室的覆盖层，通常是为了保持在低气门升程时的混合运动和稀释物浓度公差。在低升程中，大部分的进气流量压力损失发生在气门阀座上，由此产生在气门周边的径向速度轮廓上的漩涡。在上面的分析中假设稀释物浓度公差保持在发动机的基本水平。
- 设计要素
德尔福CVVL机构源自于以前的设计，一些要求是从内部燃烧分析以及与车辆制造商的讨论中获得的。连续可变气门升程系统的生产过程也被评估。相比于之前的设计，德尔福的新设计旨在同时改进CVVL值方程和提高燃料经济潜力以及降低系统成本。CVVL系统的设计是基于类型-2滚指跟随器（RFF），气门机构用CVVL传统凸轮和CVVL机构的电动马达驱动。图2展示了CVVL研发系统布局。
研发系统使用一个单独的控制模块笔记本电脑接口以及一个独立的驱动模块在快速瞬变过程中处理30A峰值电流。A非接触式冗余位置传感器用于控制轴位置反馈。
3．1升程区域与持续时间比
对于实际的CVVL机构，气门的开启和闭合率通常受到运动学和动力学的限制，甚至对于给定的基本结构，它的优化问题也是困难的。我们面临的挑战是如何设计一种能够实现大多数优点的机构。一个被广泛使用的升程轮廓的灵敏值是升程vs曲柄角的图上的区域。把这个应用到CVVL，升程区域和气门升程持续时间如图3所示。标记为“正方形”的线用于评估上一节提供的可用利益的最大值。曲线被标记为“恒定L/D”是一个假想的系列，这意味着通过减少与持续时间相同比例的升程，限制发动机的速度也会按升程的比例降低。这个系列数据会是很难获得的，也可能被认为是机械的CVVL机构的一个极限情况。使用上面的分析方法，这个数据系列提供了估计的燃料经济效益为10.2%或100%的可用收益。这个数据系列被采纳为本文提出的机构设计的目标。
升程区域和持续时间目标成为在发展中评估权衡设计时的主要考虑因素。减少持续时间和最大升程面积需要更多的设计工作，而不是简单的凸轮轮廓变化。为了保持良好的状态，当机构在整个操作范围运行时机构必须确定几何压力角度和较低的合力。机构的布局还必须提供足够的旋转摇杆凸轮轮廓，可以实现全升程变化的同步要求的范围，达到正负加速度要求，提供适当的开/关坡道，以及完成升程区域和持续时间目标。应用CVVL技术，燃油经济性是任何汽车制造商需要考虑的因素;所以，设计是为了提供最大的利益，这是至关重要的。
3.2摩擦
低凸轮驱动摩擦是至关重要的，它可以减少寄生性损失和使燃料经济效益最大化。建立一个内部设计约束是为了在配气机构中的每一个旋转部件包括滚针轴承。轴颈轴承安装在控制轴接口中，这将影响到控制轴驱动扭矩，但不影响凸轮驱动转矩。
3.3包装
压缩的机械包装外壳对于对实现这种技术感兴趣的汽车制造商是至关重要的。通常是高度限制，发动机盖高度和发动机到发动机盖间隙要求受到行人安全法规的影响。宽度通常受到进气歧管的限制，可能是舷外的燃料喷射器和火花插头也可能是中央安装的燃油喷射器内侧的一面。德尔福试图找出用最少的零件和最小的零件尺寸来提供连续可变气门升程的最简单的方法。机构和组件大小是由结构需求决定的，这些需求包括在旋转时加入滚针轴承组件。创建整个机构布局时要在提供足够的包装外壳的情况下尽量减少包装外壳。当机构旋转时，组件之间的间隙在其操作范围。
3.4质量和刚度
为了降低整体车辆质量，关键是减少机构质量。为了降低动力和增大加速能力，最小化旋转组件质量也很重要。用额外的弹簧保持CVVL旋转部件高速接触。弹簧设计和弹簧负载受旋转组件质量影响。为了在高速时达到一定的目的，对CVVL的组件和系统的刚度进行最大化也是很重要的。
3.5驱动系统响应
各种升程轮廓之间的快速瞬态响应是为了最大限度地提高燃料经济性和实现驾驶性能的响应。控制轴驱动扭矩、行程、执行机构、马达扭矩和传动装置是瞬态响应中最重要的影响因素。设计研发工作集中在减少控制轴驱动扭矩和冲程过程中的几何优化。一旦达到了最小控制轴驱动扭矩，可以选择齿轮传动比和马达扭矩来满足响应时间目标。降低电流或马达大小和成本是高效驱动系统带来的好处。
- CVVL机构的发展
4.1设计过程概述
系统设计过程使用了商业上可用的分析软件，需要开发自定义内部代码的限制。图4显示了德尔福开发CVVL机构的过程。设计过程从定义升程目标开始，以提供高负载性能和部分负荷燃油经济性为目标。运动行为的评估机制通常需要调整几何学和凸轮轮廓直到所有的运动学要求得到满足。然后在中间的升程中评估确认设计不违反运动学要求。一旦运动学的需求得到满足，就可以考虑包装约束。包装受到障碍物和气缸盖/歧管确定的其他约束平台的限制。在设计周期中，这是很常见的基于包装的机械几何结构调整约束。刚体动力学分析是在包装完成后进行的。主从动态计算分析用于组件开始设计过程。
4.2几何布局设计
几何布局设计从与图5中所示类似的目标升程开始。满载升程曲线选择最大限度地提高常规非CVVL的峰值功率，而低负载曲线代表的是非常低的负载目标，这个目标是提供适当的发动机空转的气流，燃油经济性在轻负荷时改善。
研发了一个内部设计程序来优化机构布局，同时保持运动特性升程的目标。设计程序允许设计人员用各种几何构型和使用精确数值计算得出的升程曲线为升程推导出非常精确的凸轮轮廓，这只需要在最终的凸轮轮廓上进行细微的改进设计。这个设计程序的研发为减少设计迭代的数量和所需的时间找到一个可接受的解决方案。
在最大和最小升程以及几个中间升程，评估设计是否满足运动学的要求。几何布局设计也在包装外壳、紧凑性和充分的间隙组件方面被评估。我们认为对某一特定升降区域的持续时间进行评估被是在优化布局。减少在设计的早期阶段的持续时间对能够提供最大燃料的经济效益是至关重要的。
4.3详细的凸轮设计
输入和输出凸轮的设计都是在机构几何设计时已经确定。GT-VTRAIN10代码用于改进升程配置文件。升程目标轮廓轻微的修改是为了最小化中间升程的加速度。额外的轮廓修改通常是为了添加斜坡，它们被设计并集中到两个输入和输出凸轮而且结合了商业广告代码和内部代码。
通常需要多次迭代来优化气门升程，特别是当试图最小化持续时间区域的时候。这个过程包括使用MSC的反馈循环对升程族的运动学曲线和一些内部评估代码的评估来确定在整个操作范围内的升程区域的持续时间。然后将数据用作对凸轮设计器的反馈，然后根据经验和判断，改变输出凸轮轮廓、输入凸轮轮廓或两者都改变，直到达到所需的要求。用和以前一样的方式评估这些轮廓以确保他们满足了期望的设计目标，如果没有，会再次调整循环，直到满足需求。
在对凸轮轮廓进行了运动学和升程优化之后，升程区域和持续时间必须详细说明斜坡的设计和最终的顺滑。斜坡设计展示了一个在CVVL设计中斜坡高度上的独特挑战，持续时间和形状在整个升程过程中不会保持不变;因此，在所有可能的升程中他们必须仔细剪裁以适应动态需求。自定义内部研发了代码和方法来使低升程坡道上的失真最小化。这个领域尤其需要减小落座速度，因此可以减少在空闲时的噪音和轻型发动机负载。图6显示了一个中间升程坡道使用自定义研发的代码进行优化之前和之后。输出和输入凸轮轮廓的最终平滑使用了内置在GT-Valvetrain的方法。这些方法在平顺加速和改善动态颠簸中被证明是有用的。
4.4刚体运动学分析
在凸轮轮廓设计后，用运动学和刚体动力学分析来评估机构性能。这些步骤是按顺序进行的，因为每个凸轮设计都要创建一种评估手段。每一轮分析的反馈都被用来帮助指导改变后续的迭代。
4.5运动学分析
进行运动学分析以评估其详细的凸轮轮廓并确保所有的基本运动学特性在整个范围内都能达到轻负荷气门升程的标准。评估使用MSC ADAMS的运动学模型。图7显示了ADAMS运动学分析的结果，通过数据处理显示出整个过程族有适当的输入凸轮时间。
4.6刚体动力学分析
严格的机构动力学分析是机构设计阶段的最后检查。如果像接触压力这样的指标，轴承力和套筒稳定性得到了满足，设计进入组件研发阶段；如果不满足，那么设计必须从运动学方面重新考虑。
组件研发依赖于动力和扭矩，使用有限元素方法来分析个体的应力和挠度。为了完成一个力的准确评估每个组件的质量特性都必须知道。这就提出了一个问题，该系统将针对最低质量和压力、最高硬度的包装外壳和动力学需求进行优化，但质量属性是未知的。这个过程首先用一个刚性的方法来分析具有灵活接触约束的机体模型。初步模型的质量初值只是对最终优化的部分估计。然后使用输出力和扭矩数据进行优化组件，它们经过优化后，模型就会再一次运行得到对力的最终估计。
- 结果
5.1气门机构动力学
用一个单缸测试测试了多缸设备的配气机构动力学如图8所示。测试在不同的升程、速度和温度下来完全描述它的动力学特性。
测试在全升程的情况下发动机转速达到了7000转，在可接受的气门阀座速度范围内，没有任何迹象表明气门反弹或分离。下拉测试（下至最小升程1毫米）被限制为500
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