先進的混合動力總成管理控制系統通常面臨著高度復雜的需求，本文評述了新材料解決方案和互聯技術將如何提升系統效率，以及如何實現具有較強預測功能的管理過程。

0 前言

發動機的集成工作主要由其操縱系統完成。以前的解決方案通常基于機械操縱單元的改進，但機械操縱單元必須集成在靠近曲軸的底端結構中。這對于不同類型的發動機而言，就會涉及到較大的結構性調整。

因此，研究人員開發了1種液壓操縱方案替代機械操作方案，這種操縱適用于各類型的發動機而無須作任何結構調整，并且也不需要對潤滑系統作調整。研發人員目前進行的第2個方案開發則是基于電磁操縱，可實現發動機壓縮比的無級變化。

1 挑戰

相關文獻已介紹了以下2種可變壓縮比（VCR）連桿方案。在第1種方案中，連桿長度變化是通過偏心活塞銷軸承來實現的，由該軸承承受2個液壓缸上的力矩。目前，這種方案的工業化進程正在推進。第2種方案則是基于可伸縮連桿，并由1個雙向作用的液壓缸來支撐2個力，對于批量生產，這種方案還要進行優化。

在這2種系統中，液壓缸的排空過程都是通過連桿中的1個雙通換向閥（以下稱為主換向閥）來實現的。由于要截斷機油的高壓力，特別是在可伸縮連桿情況下，主換向閥必須布置在連桿中。

因此，這2種方案所面臨的挑戰在于對主換向閥的操縱過程，并且要求主換向閥在所有運行條件下都能可靠，且能夠迅速被操縱，同時應盡量減少主換向閥的集成費用和附加零件成本。理想的操縱方式是采用無接觸的方案，實現完全可變的連桿操作。

2 液壓操縱系統

在液壓操縱系統中，主換向閥與操縱機油壓力的液壓執行器是相互連通的。在最簡單的情況下，這種執行器由1個加載彈簧力的活塞構成，該活塞承受著連桿軸承潤滑油供油槽中的機油壓力。

因此，研究人員可以通過改變主油道中的機油壓力來操縱主換向閥，可使用可調式機油泵。在試驗過程中，研究人員通過“直接”液壓操縱功能來改變機油壓力，使其僅能在1個有限的運行范圍內運作。研發人員在實際應用中增加了1個附加電動機油泵為連桿軸承提供相應的高油壓，而不再依賴發動機潤滑系統。

在分離式控制油壓管道的液壓操縱系統方案中，曲軸內布設有獨立的分離式控制油壓管道。控制油壓的管道與位于曲軸中的3/2通閥（先導閥）相通，流體可與曲軸箱相連，也可與機油供應側相連。

同時，根據該系統的情況，研究人員在2個軸承軸瓦上分別設置1個供油槽，以便使VCR連桿與曲軸之間建立獨立的流體連接，先導閥則由1個行程電磁執行器來操縱。

未通電時的接通位置，控制油壓與環境壓力相對應，此時的主換向閥不工作，系統高壓縮比（εHigh）被激活。當然，研究人員也可以把主換向閥設計成在非控制油壓情況下，系統低壓縮比（εLow）被激活。

配備有獨立分離式控制油壓管道的液壓操縱系統的結構。先導閥位于曲軸前端旋轉軸中心第1曲柄臂側，通過電磁執行器來操縱。操縱力由穿過中心螺栓的壓桿進行傳遞。控制油壓從先導閥出發，經過孔和管道直至最終傳遞到連桿軸頸。

每個連桿軸承的液壓系統都是獨立的，由相鄰的主軸承額外供應機油。研究人員在每個連桿軸頸的3個平面上均設置了輸出孔：在第1個平面上90 °交叉處布置了2個輸出孔，用于傳遞控制油壓;在位于軸頸中間的第2個平面上，徑向布置了2個輸出孔，用于潤滑軸承；

在第3個平面上90 °交叉處布置了2個輸出孔，用于為VCR液壓系統傳輸機油。另外，研究人員還在連桿軸瓦上分段加工了出油槽，該油槽對稱于軸瓦剖分面伸展略大于90 °，這樣就能實現主軸承與連桿之間永久性的機油傳輸。

采用這種油槽設計方案的優點是不會削弱軸承的主要承載區域。主換向閥由1個帶有控制邊緣的彈簧加載滑閥組成，在受非控制油壓作用的情況下，VCR連桿的GKS支撐油腔出口管道關閉，MKS支撐油腔打開，意味著主換向閥在接通位置時，系統會以εHigh運行。

3 試驗車輛

為了驗證獨立分離式控制油壓管道的液壓操縱系統的轉換特性，研究人員選取了福特嘉年華（Ford Fiesta）作為試驗車輛，并在真實環境行駛狀況下進行了試驗。該試驗汽車搭載了1款3缸1.0 L增壓直噴式發動機。

其中專門設計的VCR連桿與樣品活塞組合，能獲得2種壓縮比，高壓縮比εHigh為12.11，低壓縮比εLow為9.56。為了安裝電磁執行器，研究人員在曲軸扭振減振器前設置了1塊支承板（圖3），該執行器連接在發動機凸輪軸相位調節器上。

為了采集實時連桿長度（即瞬時壓縮比ε）數據，研究人員在氣缸體曲軸上安裝了霍爾傳感器（ε 傳感器）。此外，研究人員未對試驗車輛的發動機進行其他方面的修改，同時為發動機添加了由國際自動機工程師學會（SAE）認證的粘度等級為0W40的全合成機油。

研究人員采用了1個可自由編程的發動機電控單元（Motec M800）作為獨立的VCR 電控單元，用于處理ε傳感器信號和控制執行器所產生的數據。對發動機的管理是通過具有量產數據狀態的量產發動機電控器來實現的。每個瞬時ε和其他測量值都被記錄下來，并在汽車中控的顯示屏上得以顯示。

4 在汽車上的試驗

試驗驗證了壓縮比能精確、可靠地轉換，并且對發動機的機油用量不會造成明顯的干擾。該值以100 Hz測試速率為標準進行記錄。研究人員將進氣管壓力作為負荷參數，當進氣管壓力超過依據轉速的轉換閾值時，壓縮比就開始向εLow轉換；

當進氣管壓力低于轉換閾值并持續3 s后，壓縮比就開始向εHigh反向轉換。向εLow轉換和隨后向εHigh反向轉換的過程，其中t=0 s的時間點相當于執行器電流被切斷的時刻。

通過試驗，研究人員得出如下結論：（1）在向εLow轉換過程中，第1氣缸連桿在約0.1 s后首先開始動作，其他氣缸連桿緊跟其后，連桿的最小時間偏差是由點火偏差造成的，而非控制油壓在曲軸中的傳播造成；

（2）在t=0.5 s時，所有連桿都達到了最終的εLow狀態，向εHigh反向轉換有約0.1 s的偏差；（3）在t=0.8 s時，所有連桿都達到了最終εHigh狀態。在試驗中，研究人員發現機油壓力p機油信號曲線并沒有因試驗轉換過程而出現明顯的變化。此外，所顯示的轉換過程也沒有出現完全相似的曲線。

5 電磁操縱

液壓支持的VCR連桿的全可變運行可通過2點調節和選擇氣缸操縱來進行。若VCR 連桿采用2點調節方式，則須對連桿長度進行調節，其調節量即連桿的長度，但連桿長度在曲軸每1轉后都需要重新檢測1次。

若VCR連桿選擇氣缸操縱方式，就可在開始時縮短或增大連桿的長度。為了盡可能精確校準連桿長度額定值，主換向閥必須較為頻繁地實現來回轉換。無接觸的電磁操縱已被證實是最有技術潛力的操縱方式，研究人員已通過采用該方式，制成了功能性演示裝置。

VCR連桿及所旋入的閥結構組件應與安裝在試驗汽車上的VCR裝配桿結構相同。閥結構組件包括1個主換向閥（由液壓操縱的3/2通閥組成）和1個先導閥（由電磁操縱的4/2通閥組成）。

其中，先導閥的滑閥起著磁回路中銜鐵的作用，它與固定發動機結構相連的電磁鐵有2個線圈，并在滑動時使銜鐵偏移1 mm。圖5示出了借助于磁通模擬以優化瞬態磁場建立和操縱力曲線的示意圖。

電磁操縱方案的功能檢驗是在1個氣缸單元的倒拖模擬裝置上進行的。圖5中的曲線圖示出了在轉速為2 000 r/min時的實時壓縮比變化曲線及線圈電流變化曲線。為實現轉速的調整，試驗在實時值環繞額定值為±10%的窗口中以波動方式進行。

在選定裝備及運行工況點的情況下，發動機平均每14轉就需要實施1次調節。目前，該試驗已在轉速3 000 r/min以下的范圍內證實，可以實現功能的轉換。

圖5 借助于電磁操縱調準中間位置

6 結語

本文介紹了2種VCR連桿無接觸式操縱方案。第1種方案減少了在安裝行程電磁執行器和氣缸體曲軸箱上ε傳感器方面的集成工作。因VCR曲柄連桿的部件與傳統的部件無關，可以完全以相同的方式安裝在發動機上。

該方案已在超過1 000 km的實際行駛條件下進行了試驗，并已證實是可靠和穩定的。第2種電磁操縱方案可采用氣缸或無接觸操縱方式，這使得受液壓系統支持的VCR連桿能具有較好的連續可調節性。該功能在倒拖運行試驗中也已得到了驗證。未來，研究人員將致力于對轉換閥結構組件的進一步優化。

編輯：jq