先进的发动机气门电子控制技术:天津大学先进发动机控制

　　仅仅在一年以前，克莱斯勒公司还处于破产停业的巨大风险之中。在那个艰难时期，菲亚特公司收购了克莱斯勒公司20％的股份，并考虑稍后继续收购克莱斯勒的更多股份。有相当多的观察家们一直不明白为什么菲亚特会对克莱斯勒感兴趣。在最近举行的底特律车展上，菲亚特透露了一些有关对克莱斯勒公司的车用动力系统进行改进计划的情况。现在，菲亚特需要为克莱斯勒提供什么东西已很明显，反之亦然。
　　菲亚特宣布在未来超过5年的时间里将会在克莱斯勒公司的大多数车辆上安装菲亚特开发的发动机多气门电子控制系统。发动机多气门控制技术是可变凸轮轴技术的一项重要的变革和改进。其它的一些汽车制造商，如本田和宝马。多年以来已经得益于采用的发动机电控可变气门正时及升程系统(VTEC)和可变凸轮轴控制系统(VANOS)。而菲亚特公司的电控多气门系统的新颖之处在于它采用不同的工作方式，并且该系统生产成本较低。就某项技术的综合评价而言，采用一种成本昂贵的、但能够完美地提高发动机效率的装置是一回事，而采用像电控多气门系统这样的成本较低、适于安装在量产发动机上的装置则是另一回事。
　　发动机的工作效率受3个参量的影响，分别是气门正时、气门升程和气门开启持续时间。气门正时确定了在发动机的不同工作循环中进排气门何时开启和关闭。气门升程和气门直径一起决定了气流通过的通道开度的大小。气门开启持续时间则决定了在给定的气门升程情况下气流允许流过开启通道的时间长短。这些参数可以影响发动机的排放、输出功率和扭矩、怠速品质和燃料效率。
　　发动机凸轮轴的凸轮线型需要根据发动机的工况而变换。发动机怠速运转时能保证效果良好的气门正时、气门升程和气门连续开启时间这些参量和发动机在高速、高功率输出时能保证良好运转效率的参量值是完全不一样的。而能保证发动机良好的燃油经济性和排放水平的则可能是其它一些参量的组合。你往往会在赛车发动机上看到这些情况。根据发动机凸轮轴凸轮线型设计的激进程度，这些发动机在怠速运转时可以听起来像老爷车一样，而只有在发动机高速高功率输出工况运转时才会发出尖叫和轰鸣声。
　　有很多种方法可以确定发动机燃烧循环中理想的气门偏移范围。通过进行发动机动力测试可以监控到发动机的输出功率和排放与发动机转速和负荷之间呈函数关系的变化趋势。这样的测试很耗费时间，但技术人员可以在测试中让发动机工作在各种各样的工况下，以观察气门处于何种位置时发动机的输出效果最佳。
　　采用CFD(计算流体动力学)分析软件可以模拟发动机工作时进出汽缸的复杂的气流并预测发动机的输出功率和排放性能。发动机的工作状况，如怠速、冷机怠速、启动、稳态循环及类似工况等都可以通过CFD软件来模拟或通过实际运行测试来确定理想的气门位置。
　　这并非是汽车工程师们第一次尝试解决这种类型的问题。还有其它的一些发动机参数会随着发动机运行工况的改变而改变，但它们变化的方式和趋势过于复杂，无法采用简单的机械系统来进行调整。理想的燃油喷射持续时间和喷油正时、点火正时等参量也随着发动机转速、负荷和运行工况改变而变化。工程师们通过绘出发动机理想运行参数的多维图表来解决这些问题。当然。这也需要有一些折衷。因为理想的运行工况并不总是容易达到的。不过，通过这种方式测试出来的发动机运行理想参量的变化结果仍要比采用机械系统调整的结果好。
　　这些多维图表能以可查询表格的方式存储在发动机ECM(电子控制模块)的内存中。特性图表也可以通过采用计算机算法插值计算的方式生成。这些查询表格可以存储在像EEPROM(电子式可清除可编程序只读存储器)这样的可擦除存储装置中。这样，OEM厂商对于给定的发动机／变速器组合想要采用的工作特性图表就可以存入较标准的ECM模块中，而这些标准模块则适用于多种型号产品。这些高性能的芯片在配件市场上很普遍，易于买到，这也使得发动机厂商可以很方便地根据发动机工况的差别改变多维图表数据来达到良好的发动机综合运行性能，而不仅仅是强调发动机的燃油经济性、耐久性或发动机排放。
　　因此人们已经得知，如果采用计算机化的发动机气门理想动作MAP图来控制发动机的运行肯定要比通过发动机配气凸轮轴上固定的凸轮线型来控制气门动作方式的结果要好，发动机工作效率也会更高。问题是如何在一台实际的发动机上最好地实现这种控制方式?一种较好的改进方法是采用一种能够直接根据发动机的运行工况将气门开启和关闭的系统，而不再根据配气凸轮轴上凸轮凸起部分不变的轮廓线型来控制气门动作。
　　一种实现这种控制方式的方法是完全取消发动机配气凸轮轴。现在已经有一部分发动机产品采用了液压、电磁元件、磁性元件甚至压缩空气装置来控制气门的开启和关闭。这种方法还没有快速推广应用的一个原因是当能量在不同的系统之间进行转换时会产生效率损失。当系统的机械能通过发动机转变为电能，又通过电磁元件转变回机械运动能量时，系统的整体效率会降低到50％以下。其次。电磁元件也存在诸如动作速度、噪声以及需要使用功率半导体器件来控制其开启和关闭等一系列问题。
　　所有上述结果都表明，需要在采用完全机械的配气凸轮轴系统和完全无配气凸轮的气门控制系统(不管是采用液压控制还是电动控制)之间找到一种折衷的途径。本田公司采用被称为高压系统的措施解决了此问题，该系统采用一个配气凸轮来控制发动机低速运行工况时气门的动作，在发动机高速运行工况是转换到另一个配气凸轮来进行控制。宝马公司的Double-VANOS系统(双凸轮轴可变气门正时系统)可实现电脑控制的持续可变配气凸轮正时调节。当该公司在发动机上再加上可变配气凸轮升程控制装置时，就形成鼎鼎有名的Valvetronic电子气门系统。
　　采用可变气门升程和可变气门连续开启时间控制还能有效地降低内燃机其它方面引起的能量损失。现在大多数的发动机都采用一个节气门来控制发动机的转速，节气门主要是根据由驾驶员或发动机电子控制模块ECM选定的节气门开度来限制发动机进气量。让气流通过这个被限制的通道需要做功，这也限制了发动机的功率输出。当发动机的气门升程和气门连续开启时间可以电子化控制时，则用于发动机转速控制的进气量节流控制就可以在气门处进行。发动机节气门造成的损失也称为泵气损失，它会使发动机的效率降低10％～15％。通过采用可变气门升程控制系统，可使发动机的工作效率和燃油经济性得到大幅度提高。
　　菲亚特公司称，汽油燃料有效燃烧的关键是控制好喷油量和进入汽缸的新鲜空气的特征。传统的发动机通过保持进气门持续开启，然后通过节气门开度控制调节上游空气压力来控制进气量，这种方式存在的主要问题是具有泵气损失。 　　在多气门控制的发动机上，进入汽缸的空气量在进气门处控制，避免了泵气损失。其采用先进的电子控制执行元件调节发动机气门来达到控制进气量的目的，但这仅是菲亚特所声称的这种发动机的燃油经济性能提高25％的原因之一。
　　菲亚特的多气门系统的工作原理和上述的进气门控制相似，基本是这样的：一个由机械的进气凸轮轴驱动的活塞直接与进气门通过一个液压腔联接。液压腔及其压力由一个常开的开，闭电磁阀来控制。
　　当电磁阀关闭时，液压腔具有固体一样的性质。此时进气门按照进气凸轮轴上凸轮的轮廓线来进行动作。当电磁阀开启时，液压腔实现了进气门和进气凸轮轴上凸轮动作的耦合解除。然后气门弹簧会使气门闭合。气门关闭行车的最后一个阶段是由液压制动作用来进行控制的。所有这些措施使得不管发动机处于何种工况，气门都能够平稳安静地关闭。
　　当发动机要实现最大功率输出时，电磁阀被完全关闭。这使得凸轮轴上的凸轮轮廓线得到最优化的应用，以满足发动机高速运行功率输出。当发动机需要实现低转速的扭矩输出特性时，电磁阀控制着气门直到接近配气凸轮轴凸轮轮廓线的末端时才开启，从而实现了进气门的提前关闭。通过这种方法消除了不想要的进气回流至进气口的现象，最大限度地保证了进入汽缸内的空气量。
　　当发动机部分负载运行时，电磁阀提早开启，此时进气门部分开启，按照与需求的输出扭矩呈函数关系的方式控制进入汽缸的空气量。也可以在配气凸轮轴轮廓线开始启动之后关闭电磁润使进气门部分打开。这样具有加快进气流速在汽缸内形成湍流的作用。
　　要实现这些措施，关键是要将车载计算机的智能与其存储的有关信息有效地作用于发动机的配气凸轮轴和气门之间。要达到此目标，则电磁阀必须具有极好的工作特性。和其它的电磁阀一样，气门处的控制电磁阀内也安装有电磁线圈。这样的电磁线圈的电感系数会经由通过电流的上升而缓慢增加。为了让电磁阀的反应足够快，以能够对计算机的控制进行精确响应，则需要较大的电流和较小的线圈电感系数。
　　关键问题是对你能够看得到的控制系统硬件装置津津乐道的同时，不要忽视你看不见的控制系统软件。发动机多气门电子控制系统中的天才创意，就存在于控制软件及按照其指令通过液压控制电磁阀动作的气门开闭调节的方法之中。正是由技术人员在试验室进行的发动机MAP图测试和特性模拟工作以及之后存储在计算机存储器中的发动机工作特性数据，才使得多气门电子控制系统可以完美地发挥出其功能。