电动相位器系统在某发动机上的应用研究.pdf

第 4 期2023 年 8 月内燃机Internal Combustion EnginesNo.4Aug.2023技术交流电动相位器系统在某发动机上的应用研究李明杰,王立新,杜 伟(泛亚汽车技术中心有限公司,上海,201208)摘要:可变气门正时相位器系统已成为发动机的标准配置,目前主要有液压驱动相位器和电机驱动相位器两种技术方案。液压相位器依赖于发动机机油压力和温度,因此只能在一定的区域内工作。发动机在启动停机过程和低温工况下,也需要随时能够调整相位,因此不依赖油压的电动相位器的系统得到了开发和应用。此类电动相位器可以达到更高的响应速度,以满足稀薄燃烧快速调节相位的需求。本文介绍了电动相位器的基本原理和几种常见结构,以及在发动机上几个应用场景的测试结果。关键词:发动机;液压相位器;电动相位器;响应速度中图分类号:TK413 文章编号:1000-6494(2023)04-0058-05收稿日期:2023 年 6 月 2 日作者简介:李明杰(1981-),男,高级工程师,主要从事发动机配气正时系统设计开发工作,E-mail:mingjiee_ 。Application Research of Electric Phase Shifter System on a Certain EngineLI Mingjie,WANG Lixin,DU Wei(Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China)Abstract:VVT shifter systems have become a standard configuration for engines,with two main technical approaches currently em-ployed:hydraulic-driven phase shifters and electric motor-driven phase shifters.Hydraulic phase shifters rely on engine oil pressure and temperature,limiting their operation to certain regions.During engine start-stop processes and low-temperature conditions,the a-bility to adjust the phase is necessary,leading to the development and application of electric phase shifter systems that do not rely on oil pressure.Such electric phase shifters offer higher response speeds,meeting the demands for rapid phase adjustment in lean combustion scenarios.This paper introduces the basic principles and several common structures of electric VVT(EVVT)shifters,along with test results from various application scenarios on the engine.Key words:engine;hydraulic VVT shifter;electric VVT shifter;response speedDOI:10.20082/ki.nrj.2023.04.0100 前言可变相位器系统已经成为当前发动机的标准配置1。对于凸轮轴相位调节器来说,最重要的要求是尽可能快的响应速度和稳定性。在传统的液压式凸轮轴相位调节系统中,油腔中的机油量与调节角度之间原则上存在着线性关系。在液压相位器中,为了调节凸轮轴 1相位角,大约需要0.5mL 机油(典型值)2。如果没有采用相位器机油内循环技术,发动机供油系统将补充机油,从而油泵的排量越大,机油补充越迅速,相位器的调节速度和稳定性就越好。然而,存在一个矛盾点:为了减小机油泵的损失功率,需要尽可能降低机油泵的排量。但在低转速情况下,为了满足迅速调节的要求,机油泵的设计又需要排量尽可能大。即使采用了两段式甚至多级变排量机油泵,第 4 期李明杰,等:电动相位器系统在某发动机上的应用研究59 相位器系统仍然会消耗机油泵较多的排量。相比之下,使用电机驱动式凸轮轴相位调节器仅需少量机油润滑,其工作过程与机油泵排量无关。在发动机启动停机过程期间,可以调节凸轮轴角度,从而降低气缸压缩压力,减小振动,提高乘坐舒适性。同时,响应速度可以更高,特别是高压缩比混合动力系统的发动机在汽车运行时启动和停机更加频繁,振动问题更加凸显。电动相位器的相位调节范围原则上并无限制,已有产品的调节范围达到 150CA,远超液压相位器的最大 90CA 范围。主要取决于气门活塞间隙和发动机性能需求。调节速度则取决于电机的功率、凸轮轴负载扭矩和传动比。具有大传动比的电动相位调节器方案在发动机转速 2000r/min 时,相位调节速度为 360390CA/s;而具有小传动比和合适电动机的电动相位调节器方案的相位调节速度最大能达到 670CA/s。通过应用合适的电动机设计,能够达到更高的相位调节速度,甚至超过 1000CA/s3。相较于液压驱动相位器,电动相位器具备以下优点:(1)降低机油泵流量需求,从而减少机油泵摩擦损失。(2)不受油压、油温限制,实现低温、低速下调节可变气门正时(VVT)4。(3)缩短冷启动排放催化器达到起燃温度的时间。(4)快速响应,改善因液压相位调节速度不足导致的早燃、失火问题。(5)可在启动、停机过程中实现多个角度控制,使得发动机启动和停机时降低振动。(6)工作角度更大,锁止位置灵活,避免液压式中间锁止所需的复杂控制逻辑,解决解锁和落锁问题。(7)相较传统液压电磁阀,电动相位器的电能消耗更低5。鉴于以上优点,各大相位器系统供应商均已开发或正在开发电动相位器系统。其中,日本电装已应用于丰田与马自达等部分车型,舍弗勒用于日产部分车型是较早投入批量生产的。1 电动相位器系统1.1 工作原理电动相位器系统具备全新的机械结构和控制逻辑:电机控制器-无刷直流电机-相位调节(减速)机构。相较于液压相位器系统,其控制目标由角度变为电机转速。通过电机控制器降低电机转速,使减速机构转子转速低于链轮转速,即凸轮轴转速低于曲轴转速,实现凸轮轴相位向滞后方向调节;提高电机转速,使转子转速高于链轮转速,实现凸轮轴相位向提前方向调节,保持电机转速与链轮转速相同时维持相位不变6。因此,对于无刷直流电机,识别电机转子位置传感器是十分重要的,同时需监测运行温度,确保在极端环境条件下电机具备过热保护功能。1.2 系统布置(1)独立控制器:一个独立的控制器用于凸轮轴相位调节器电机转速的控制,并通过控制器局域网络(CAN)总线实现控制器与发动机电控单元之间的数据传递,而相应的凸轮轴和曲轴位置传感器的信息由发动机电控系统直接传递到电机控制器7。因此,控制器在发动机机舱的安装位置相对灵活,在发动机运行中,仍按照发动机性能需求角度发出指令,而实际相位角的调节则由独立的控制器通过调整电机速度实现。(2)ECU 集成:电机控制器的功能完全集成到发动机电控单元中,由发动机控制器采集电机转速,并根据相位需求进行调整,但需要发动机控制器具备相应硬件基础和控制逻辑计算集成。(3)电机集成:控制器功能集成在电动机中。电动机接收或读取凸轮轴、曲轴位置信号,并完成所需相位角度与当前实际相位角度的计算,然后发出转速降低或提高的指令。1.3 相位调节机构:(1)谐波齿轮:谐波齿轮减速机由固定的内齿刚轮、柔轮和使柔轮发生径向变形的波发生器组成。谐波齿轮减速机是一种新型传动结构,利用柔性齿轮产生可控制的弹性变形波,使刚轮与柔轮的齿相对错位,从而传递动力和运动。该减速机由两个齿圈和一个具有椭圆形内圈的滚动轴承组成。滚动轴承的弹性外圈与第一级齿圈连接到链轮(曲轴),而内圈则通过第二级齿圈连接到凸轮轴。通过两个齿圈的相对转动,实现相位调整8,如图 1 所示。60 内燃机2023 年 8 月图 1 谐波齿轮机构(2)NN 型行星齿轮减速机构:NN 型少齿差行星齿轮是另一种用于电动相位器的减速机构,由两个齿轮副组成。当电机带动偏心轴旋转时,行星轮与内齿轮啮合,双联行星轮既绕内齿轮公转,又绕自身中心旋转9,从而带动凸轮轴链轮转动。该减速机构利用齿轮的速度转换,将电机的转速减缓至所需转速,并获得较大的转矩,如图 2 所示。图 2 NN 型行星齿轮机构(3)3Z 型行星减速齿轮结构:行星齿轮减速器的主要传动结构包括行星齿轮、太阳齿轮和齿圈。齿圈与内部齿轮密切接触,由电机驱动的太阳齿轮位于齿圈的中间部分。在太阳齿轮和齿圈之间,有一个行星齿轮组,该行星齿轮组由三个均匀分布在行星架上的齿轮组成,行星架依靠输出轴、齿圈和太阳齿轮的支撑在它们之间浮动。当太阳齿轮被电机驱动时,行星齿轮组会被驱动旋转,并沿着齿圈的轨道绕中间部分旋转10。行星齿轮的转动带动与行星架相连的凸轮轴转动,从而动态地调整凸轮轴相对于曲轴的相位,如图 3所示。图 3 3Z 型行星齿轮机构2 实验准备在某增压直喷双 VVT 发动机的基础上,将液压相位器替换为电动进、排气相位器,并对进、排气凸轮轴、罩盖、链条等部件进行相应调整。受限于现有气门活塞间隙设计,将相位器的调节范围设定为 70CA。在考虑零件共用及电动相位器的灵活性的前提下,初始锁止位置被设定在最后位置。实验采用之前提及的第一种系统布置方案,通过独立控制器直接采集凸轮轴和曲轴的信号位置。由于凸轮轴初始位置的适应性变更,电控单元(ECU)软件相关的正时参数进行了调整,而ECU 硬件本体则保持不变。为避免电机瞬时反转可能带来的电流冲击,采用独立蓄电池为 VVT 电机供电。为了测试相位器在启动和停机过程中的功能,启动工况采用了起动机启动。实验在发动机实验台架上进行,实验室环境温度保持在 23,如图 4 所示。图 4 试验台架第 4 期李明杰,等:电动相位器系统在某发动机上的应用研究61 3 实验内容及结果3.1 启动、停机过程相位调节液压相位器系统如前述内容所述,其工作依赖于机油压力的推动,并在定子和转子相对转动过程中补充机油。因此,在发动机启动的过程中无法正常工作。相比之下,采用电动相位器的实验结果表明,在启动发动机后,仅需 0.2s 的时间来完成信号同步,然后 0.3s 内电动相位器即可执行指令,其响应速度达到 635CA/s,在 0.1s 内从48.8CA 变化到-14.7CA。如图 5 所示。停机过程中,进排气 VVT 相位器在发动机转速降低至 344r/min 之前已经回到初始参考位置。由于相位器的响应速度较快,在停机过程中进排气 VVT 相位器会迅速回到参考位置。如图 6 所示。图 5 启动过程响应速度图 6 停机过程响应速度3.2 启动过程振动加速度测量在启动过程中,在点火之前,发动机的进排气无效压缩导致了振动激励的增加。通过计算机辅助工程(CAE)计算分析在启动过程中不同转速(200r/min、300r/min、400r/min)时,不同进排气门相位角度下的泵气损失,选择了摩擦平均有效压力(FMEP)最小的角度组合,如图 7 所示。为降低实际压缩压力并减少发动机的振动激励,在不需要点火时提前设置 VVT 相位,增大气门重叠角。在发动机悬置上布置振动加速度的测试中,模拟了启动过程,其中分别测量了不调节VVT 角度的传统液压相位器和调节不同转速下的VVT 角度的情况。测试结果表明,采用电动相位器调节 VVT 角度,可以显著降低发动机悬置上的振动加速度。例如,在冷机情况(23)下,加速度峰值从 22g 降低到 16g,降低幅度达到 27%,如图 8 所示。图 7 CAE 计算进排气角度图 8 实测振动加速度对比3.3 VVT 对阶跃需求的响应发动机标定开发过程中,对 VVT 大角度响应需要考虑超调的影响。针对进排气 VVT 的目标角度,使用标定方法给出了从最小到最大,再从最大到最小角度的调节过程,调节步长为 10或 20。当进排气 VVT 需要调整到 10或 20的目标位置时,其平均响应时间为10ms,详见图9。而采用液压式 VVT 的响应时间大约为 800ms(远端供油式液压相位器)。62 内燃机2023 年 8 月图 9 阶跃响应3.4 不同相位角度催化器起燃时间根据启动后 1200r/min,100kPa 负荷,固定点火角 5的稳态工况,通过 CAE 计算得到了 VVT 角度。由于台架不具备燃烧分析仪和排放分析仪,只能通过测量催前温度达到 350所需的时间来进行实验。实验结果显示,在室温起燃工况下,相位角对催前排温有显著影响。原机选择相位角的到达起燃温度时间最短(107s 对比 195s),详见图 10。图 10 催化器起燃时间对比4 结论电动相位器具有显著不同的系统布置和结构设计方案,每种方案各有其优缺点。集成控制功能设计方案能够节省空间、减少线束、装配成本,相较于集成在 ECU 内,集成在电机控制器上更加适合不同主机厂的应用,成为未来的发展方向。然而,相位器响应速度的要求越高,就意味着电机功率、电路板设计等方面的要求会提高,从而导致成本增加。因此,需要通过发动机性能开发来确定最合适的响应速度,高并非总是更好。将电动相位器系统替换现有液压相位器系统改动较小,适应性良好。电动相位器系统可以解决液压相位器系统在特定情况下无法使用的问题,具体包括以下几点:(1)电动相位器在启动和停机过程中可灵活调节相位,有利于降低振动加速度。随着发动机压缩比的提高和混合动力发动机的频繁起停,启停过程导致的振动问题越来越显著,电动相位器是有效的解决方案。(2)电动相位器不依赖于油压和油温,有利于扩大相位器的工作区域。(3)催化器的起燃时间取决于相位优化,在常温工况下是否采用电动相位器影响不大。当发动机初始相位角度考虑其他因素不利于催化器起燃时,可采用电动相位器来解决这一问题。(4)当不同工况需要较大相位角度差异,而液压相位器系统无法满足时,电动相位器系统可以满足这一需求。参考文献1 K.Krebber-Hortmann,A.K ster,A.T nnes-mann,et al.电动凸轮轴相位调节器的节油潜力J.国外内燃机,2015,47(01):48-51.2 P.Solfrank,J.Dietz,范明强.新型凸轮轴相位调节系统的潜力 J.国外内燃机,2017,49(04):42-44.3 E.Jacque,S.Mafrica,P.David,et al.Delphi 公司的新型电动凸轮轴相位调节器 J.国外内燃机,2014,46(02):55-57.4 向明朗.关于汽车发动机可变气门正时技术的思考J.时代汽车,2019(10):114-115+142.5 沙宾宾,李鑫,周维等.一种电动 VVT 的设计开发应用 J.汽车实用技术,2019(03):146-148.6 于龙.关于汽车发动机可变气门正时技术的思考J.智能城市,2020,6(02):191-192.7 U.Meinig,J.Bohner,范明强.用于轿车发动机的新型凸轮轴相位调节器模块 J.国外内燃机,2014,46(06):59-61.8 赵雨东,许昕,陆际清.凸轮轴下置式配气机构的一种新型动力学模型 J.内燃机学 报,1992(04):303-308.9 陶桂宝,李泽群.NN 型渐开线少齿差行星传动齿轮副的设计 J.现代制造工程,2007(08):116-118+18.10 MM威格斯滕,D布朗.用于电动相位器的行 星 齿 轮 的 行 程 止 动 件 P.美 国:CN107923272A,2018-04-17.