发动机黑科技——可变排量技术(高阶篇)

发动机黑科技——可变排量技术(高阶篇)

前言

上一篇文章《发动机黑科技——可变排量技术(入门篇)》中,作者对可变排量技术的原理、发展方向做了介绍了,但是任何技术的革新,在开发设计过程中会存在很多需要克服的问题,本文以马自达SKYACTIV-G 2.5L发动机的可变排量技术为案例,介绍在开发中如何实现这个技术。

PS:内容具有一定深度,需要有专业背景的人才能理解,大家遇到不明白的可以在评论中提出,欢迎大家多多交流哈。


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我会先选出马自达技术报告比较好的文章分享给大家,以后会给大家介绍丰田、大众、本田等产品的黑科技~希望大家多多支持。

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2 马自达可变排量技术开发设想

众所周知,马自达SKYACTIV-G(创驰蓝天发动机)由2011年推出,凭借着其高热效率、高可靠性、高油品适应性,在国内拥有良好的口碑,但是,随着大众和本田为代表的小排量涡轮增压发动机的兴起,市场竞争环境变得更加激烈。马自达为了保持SKYACTIV-G的竞争力,不断对其进行升级优化。在未来投放市场的SKYACTIV-G升级款中,就会导入可变排量技术,马自达内部称之为气缸休止技术。

目前,国家法规的NEDC测试工况与实际驾驶相比,负荷较低。但是在实际行驶中,驾驶员的开车习惯和路况是多种多样的,发动机实际工作区间会比法规区域更加宽广。马自达往往追求“人马一体“的理念,注重实际油耗和动力响应性,所以更倾向于较大排量的自然吸气。但是,排量较大的情况下,与其他主机厂小排量涡轮增压发动机相比,在低负荷下的燃油经济性不佳; SKYACTIV-G高热效率优势无法发挥,直接导致其在工信部油耗测试中并不具备优势。因此,马自达在坚持实际油耗和动力响应性的前提下,在低负荷区,油耗性能也要追上小排量涡轮增压发动机,提出了可变排量技术——气缸休止系统。

3 气缸休止系统效果

气缸休止系统的效果图如图1所示。图1为1500rpm转速下,使用气缸休止系统和没有使用气缸休止系统的SKYACTIV-G发动机和其他主机厂的两款产品的燃油消耗对比图,横轴为扭矩输出,纵轴为燃油消耗率。图中黑实线为不使用气缸休止技术的发动机,从图中可以看出,小排量涡轮增压发动机在低扭区间具备较佳燃油经济性,马自达自然吸气发动机尽管在中高扭矩区间具备优势,但是在低扭矩输出区间,燃油经济性明显下降;但是若采用了气缸休止系统(图中蓝线),在低扭区间也能降低油耗,甚至低于涡轮增压发动机。

图1 燃油消耗特性图

图2是不同发动机转速和扭矩下燃油消耗率图。左边为不带气缸休止系统,右边为带气缸休止系统,颜色浅的地方带代表燃油消耗率低。图中黄色线为等功率线,传统不带气缸休止系统的发动机高效区间在低转速高扭矩区间,而拥有气缸休止系统的发动机,由于对轻负荷区域进行了有效的改善,在高速低负荷下也能够实现较好的燃油经济性,这样,换挡的齿比选择范围更广,且过渡工况下明显提高燃油经济性。


图2 燃油消耗率图

4 过程技术

实现气缸休止从原理上并不难,但是在燃油经济性效果上,在保证舒适性和NVH性能上,在可靠性上都存在一定的挑战,必须需要一些辅助技术来支持。

4.1 气门锁止机构

在入门篇曾经提到,单纯的可变排量并不能够有效节约燃油,其气缸休止的同时必须让气门关闭才可以实现燃油经济性提高。在控制气门的技术上,马自达使用的是S-HLA技术。其结构如图3所示。正常工作模式如图4左边所示,通过油压的控制,锁止销(Lock Pin)固定,让S-HIA结构达到图3最左边的顶起状态,使其成为气门的支点(Pivot Point),通过凸轮轴的运动,克服气门弹簧预紧力,使气门正常工作。与之相反,当油压调整,锁止销(Lock Pin)释放之后,S-HLA的顶柱成为一个活动点(Activation),气门因为弹簧预紧力较大反而成为支点(Pivot Point),从而限制气门的开闭。这里有一个难点在于保证锁止销(Lock Pin)的工作速度,设计要求对其切换在瞬时完成(若干CA),这对切换过程中油路管道的设计提出要求,并且为了防止气门颤动,必须抑制机油中气泡的形成。

图3 S-HLA技术
图4 气缸盖和S-HLA

4.2 扭矩衔接

气缸休止的工作范围如图5所示,发动机转速在1000rpm以下时,由于气缸休止后只有两个气缸工作,无法保证NVH性能,所以不采用此策略;在3500rpm以上时,转速过高,对ECU信号传输的控制精度要求过高,且气门开关闭的需要一定时间,为了保证发动机可靠性,也不采用此策略;随着扭矩增加,存在一个极限值,再往上两个气缸会进入高负荷性能工况,油耗反而会比四缸协同工作高。因此,发动机会根据标定的结果,在合理的工作区间内选择二气缸还是四气缸工作。

图5 休止系统工作区间

4.2.1切换控制逻辑

二气缸工作模式(休止状态)切换至四气缸工作模式(正常状态)的时候,控制逻辑如下所示:

A)休止状态中气缸先打开气门,再进行燃料喷射;

B)向正常状态切换的瞬间,进气量会过多,必须通过ECU对节气门的开闭进行控制,对空气量进行修正。但是,由于进气歧管空气流动存在滞后性,若空气量还是过多的情况下,点火时刻会适当延迟保证目标扭矩输出。

相反,若正常状态变为休止状态时,首先会对空气量调整并将点火时刻进行修正进行扭矩控制,再通过气门作动配合停止喷射。

4.2.2状态切换实现

休止状态下的气缸内原有的空气会渐渐的向曲轴通风箱内流动,气缸内残留气体会减少。图6为休止状态下持续时间和气缸内上止点压力的变化图。气缸进入休止状态下,气缸内压力会渐渐降低。当长时间休止状态切换至正常状态下时,由于压力差,排气门打开大量废气进入气缸中,导致下一次的吸气冲程中吸入的新鲜空气量过低,如图7。因此,休止模式下正常燃烧的气缸和休止气缸在变成正常模式下时,由于内部EGR比例的不同,各个气缸内的燃烧状态是完全不同的,如图8所示,当内部EGR比例高的时候,相同点火时刻下的燃烧压力和燃烧稳定性都不一样,点火时刻和扭矩的相关性被破坏,扭矩冲击很大,发动机无法平稳顺滑的工作。为了攻克这个难题,必须对不同燃烧状态下的气缸进行识别,有针对性的改善,马自达通过下述的控制逻辑,改善了扭矩波动。

图6 休止状态下气缸压力
图7 休止向正常模式切换时的充填效率
图8 EGR对燃烧特性的影响

(1) 休止气缸状态推测

一般来说,气缸内部的压力由吸入空气总量和气缸内部平均温度决定。基于这个原理,在气缸休止状态中,依靠发动机转速和曲轴通风箱的压力值等信息来推测休止气缸中的压力,再结合进气门、排气门开闭时刻、进气歧管压力值等信息,判断休止状态切换至正常状态的瞬间,休止气缸内的废气量和新鲜空气量比例。

(2) 点火时刻的设定

基于图8的特性,在保证燃烧稳定性下,将点火时刻控制在合适的范围,对正常燃烧气缸和状态刚刚切换的气缸的点火时刻分开控制,来实现要求扭矩。

通过使用这样的控制逻辑后,能够有效抑制发动机转速的波动,特别是让车辆前后的加速度抖动得到抑制,具体效果如图9所示。

图9 扭矩控制策略的效果

4.3 NVH上的优化

在休止状态下,为了实现同等输出扭矩,参与燃烧的气缸输出扭矩更大,发动机整体燃烧间隔周期变长,如图10所示,红色为正常状态频率,绿色为休止状态下的频率。这会导致发动机的振动变大,车内感觉会更明显,人为感知下的平顺性变差。为了抑制这个问题,马自达开发过程中也采取了一系列措施。

图10 图曲轴扭矩振动对比

4.3.1 休止气缸的选择

从动力总成的布置角度出发,第一气缸距离飞轮的距离较远,同等燃烧压力下对曲轴形成的力矩更大,振动更明显。进一步,与其运动相对的为第四气缸,其与飞轮最近,同等燃烧压力下队曲轴形成的力矩较小,造成传递给飞轮的扭矩差过大,如图11a。因此,若将二、三气缸休止,依靠一、四气缸工作的话容易引起周期性振动。马自达发动机选择对一、四气缸进行休止,依靠二、三气缸工作,从而抑制悬置的振动,控制传递到车内的异响。

另外,提高发动机的曲轴刚性,限制曲轴位移,也能够抑制气缸休止切换时的振动,实现平顺的切换,如图11b。

图11 休止状态的振动特性a
图11 休止状态的振动特性b

离心摆式减震器

仅仅确定休止的气缸还是不够的,为了保证发动机在休止状态下的NVH性能,还会采用了离心摆式减震器(CPA:centrifugal Pendulum Absorber)。

发动机燃烧过程的扭矩激励会传递给变速箱、驱动轴从而传递车辆,异响和底盘振动会传递给驾驶者。以往减少振动的方法是降低部分连接件的刚性并且增加飞轮质量,但是气缸休止技术中,模式切换对扭矩的变动非常大,单纯依靠刚性降低和增加飞轮质量无法实现很好的效果,且过大的飞轮质量会对加速性和响应性有不利影响,从原理出发,这个振动是周期性的,可预估的,因此对其在相反相位角上设计一个离心摆式减震器能起到效果,效果示意图如图12所示。

图12 离心摆式减震器效果

采用离心摆式减震器后,并且配合着适当增加飞轮质量能够大幅度降低振动,如图13所示。因此能够将气缸休止技术实用化,实现油耗、NVH、加速等性能的协调。

图13振动效果改善图

4.4可靠性

气缸休止状态下,燃烧做工的气缸和休止的气缸温度差巨大,会发生局部刚体变形和热应力。另外,活塞环的缝隙会将机油带入到气缸内,长时间休止状态下(定速巡航),不参与燃烧气缸内的机油会堆积,这也是一个问题。

更进一步,控制系统的逻辑变得复杂,系统性故障的概率也会增大。比如说,气门锁止销故障导致气门无法正常开闭,使气缸的废气无法正常排出从而导致发动机损坏。巡航工况介于标定设计的切换点处时引起周而复始的休止状态/正常状态切换等等,为了应对这些问题,必须对曲轴的角速度进行更加精准的监控,从而检测异常,必要时执行断油控制,保护发动机。

总结

本文以马自达SKYACTIV-G 2.5L 发动机为案例,介绍了可变排量技术的开发情况,简单的说,目前发动机的开发有两个思路,一个是基础小排量,依靠涡轮增压达到大排量类似的功率扭矩性能;另一个是基础较大排量,在中低负荷依靠可变排量技术实现小排量。

显然,在NEDC这种中低负荷较多的工况模拟循环中,基础排量小的发动机更具有优势,但是在应对WLTC这种更加接近真实路况的循环中,低、中、高负荷都存在,可变排量技术的市场会越来越宽广。更有甚者,带可变排量技术的涡轮增压发动机,低负荷闭缸,中负荷正常工作,高负荷涡轮增压介入,能够在任何工作区间内找到最佳的运行状态。可变排量是一项很有潜力的技术,作者也非常看好这个技术。

编辑于 2019-09-11

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