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长度可变的连杆能相对简易地集成到现有的发动机中，并使其具有可变的压缩比。发动机运行安全性和成本是零部件开发中最重要的课题。德国海尔布隆大学在发动机试验台和试验车辆上验证了长度可变连杆的运行特性，同时介绍了其在实际发动机上运行的试验结果。
可变压缩比在汽油机上的应用包括在一定的全负荷平均压力曲线下运作时，发动机需要在尽可能宽广的工况范围内提高效率。能否使发动机进一步提高效率取决于诸多因素，为此研究人员应对各种使用环境分别予以评估，其中必须考虑到混合动力系统、全新的行驶循环及代用燃料等方面。基于上述情况可知，使用可变压缩比技术的前提条件为逐步提升零部件的可用性。研究人员能基于现有发动机结构的可集成性和制造成本来决定未来是否使用可变压缩比系统，以及使用何种系统。
1 偏心活塞销座方案及其历史
连杆长度的可变性能直接借助于直线导向装置或偏心轮来实现。采用偏心轮可明显降低连杆所承受的作用力。通过偏心活塞销座和2个液压缸来支承偏心力矩，已被证实具有较高可行性。早在2005年，基于倒拖发动机的试验结果已首次验证了该项功能。在后续的数年中，研究人员又在实际运行的发动机上进行了试验。近年来，针对连杆的工业化研究得以开展，预计该类产品将于2023 年开始量产。
2 液压支承效果的试验研究
偏心轮所采用的液压支承是发动机实现无故障安全运行的前提条件。在2个终端位置时，2个支承活塞中的1个布置于气缸底部，另1个布置在1个封闭的机油容器上。由于与零件的弹性变形、可压缩性及泄漏等因素密切相关，周期性作用在活塞销上的负荷使支承机构出现了运动现象，研究人员应尽可能消除此类现象。对于上述目标的构件设计过程而言，研究人员需要对偏转现象和由此产生的支承压力进行深入研究，而这2 类情况的出现又取决于运行工况点。
图1 长度可变连杆及其配件
为了对支承功能进行研究，研究人员将配备了压力和行程传感器的长度可变连杆安装在1台3缸1.0 L发动机上，并在实际运行的发动机上进行试验。研究人员对摇臂传输信号进行了测量，同时在第3缸连杆轴颈旁安装了1个压力传感器，其信号可通过1个滑环传送器进行传输。图1示出了实际投入应用的微型传感器及其集成在气缸体曲轴箱中的情况，以及传感器和在连杆试验台上为长度可变连杆配备测量摇臂的情况。
图2示出了所选择的2种稳定运行工况点的信号曲线。发动机在第1个运行工况点时，会采用高压缩比εHigh，所得到的负荷基本相当于自然吸气全负荷，而偏心轮力矩M 由测得的缸内气体压力和基于运动学的活塞惯性力计算得到。正力矩会产生作用于GKS侧油缸支承室的负荷，负力矩会产生作用于MKS侧油缸支承室的负荷，其中在εHigh终端位置上的MKS支承活塞位于油缸底部，由此产生的压力较低。构件的负荷状况、间隙、可压缩性和泄漏会引起偏心轮角度调节的柔性变化，这很大程度上与GKS支承油缸中的压力曲线相关，在上止点(TDC)后不久会使偏心轮的最大扭转角达到0.8°。当发动机在该工况点运行时，低压侧仅呈现出较小的压力波动。
图2 发动机稳定运行200个工作循环时的平均状态参数曲线
如图2所示，发动机在第2个运行工况点时，会采用低压缩比εLow。此时GKS支承活塞首先处于油缸底部，呈负值的偏心轮力矩在MKS支承油缸中会产生相应的压力pMKS，先前吸入的机油也会在GKS支承油缸中产生一定压力，在上止点后不久即达到偏心轮的最大扭转角，该数值约为1.6°。连杆轴瓦上油槽中的压力pNut曲线呈现出了明显的动力学变化。
3 试验车辆
在加速过程中，研究人员必须调低发动机的压缩比，以防止产生爆燃现象。为了测试真实行驶状态下的转换特性，研究人员专门为1台6缸3.0 L发动机配备了长度可变连杆，并将其安装到试验车辆上。图3示出了一些结构细节及其在发动机上的集成效果。偏心距为3.0 mm，能将其长度同样也调整为3.0 mm，由此能使整机具有2种压缩，其中εHigh为13.0，εLow为9.7。
图3 长度可变连杆系统在直列6缸发动机上的集成
支承活塞使用了由Freudenberg公司开发的聚四氟乙烯密封环来进行密封。止回阀由1个淬硬的阀板和1个直径为3.0 mm 的陶瓷球组成。执行机构可借助于Sonceboz公司的12 V 扭转电机以操纵可活动的机械偏心轮。每个气缸旁安装了1个霍尔传感器以采集实时压缩比，压缩比传感器的信号处理和执行电机的控制过程与发动机电控单元无关，而是单独由National Instrument公司的Compact Rio型控制器进行控制。研究人员为此设置了1个屏幕，可显示出各个气缸的压缩比瞬时值和其他测量值，而无需与发动机控制器进行专门匹配。
研究人员将设定的静态转换特性曲线存储在控制器中，并将其用于压缩比的转换。在所示的转换策略下，当平均有效压力瞬时值有所提升时，压缩比即会切换到εLow，而负荷参数则是由发动机电控单元提供的接合力矩计算得出。
图4 负荷突变期间，发动机转换到低压缩比的过程长途行驶中的负荷和转速曲线示于图4，下方的3张曲线图示出了其向εLow转换的细节，其中各个数据点分别代表每次转换终了时参数的实时值，瞬态负荷全部由控制器每10 ms更新1次。一旦这些数值分别低于相应的阈值，控制器就会对压缩比进行调整，在所示的细节中，其时间点处于2个数据点之间，并被定义为开始时间点(t= 0 s)。在下一个时间点，执行器已对部分调节行程进行了设定，在下一次转动终了时执行器就会抵达终端挡板。根据长度可变连杆何时经过偏心轮元件表面，以及当时气缸处于哪个工作循环等因素，压缩比会逐步向εLow进行调整。所有6个长度可变连杆均可实现同步连续调节。在这个典型的示范性细节中，第5气缸的长度可变连杆将在曲轴第18转时达到其终端位置，因此调节过程会在0.48 s后结束。
图4 负荷突变期间，发动机转换到低压缩比的过程
在催化转化器加热期间，应优先使用低压缩比，以便能实现尽可能高的废气温度。发动机停机时会处于εHigh状态，在后续的试验中，研究人员将对正处于εHigh状态的发动机如何能在起动过程中迅速地转换到εLow状态开展进一步研究。在操纵起动机前，偏心轮元件就已处于εLow位置。图5示出了在发动机起动阶段及后续过程中的信号曲线。在时间点t=0 s时，曲轴会转动第1圈，在转过第1圈后，各个连杆的调节程度存在显著差异。换言之，各个连杆的转换阀会根据曲轴布置顺序的错开角度和错开时间来进行操纵。在操纵之后不管后续行程为压缩行程或排气行程，在t=2.0 s时，所有气缸都已达到了εLow状态。
图5 发动机起动过程期间转换到低压缩比的过程
5 总结和展望
本文介绍了长度可变的连杆系统在实际发动机上运行时的试验结果。重要状态参数曲线可通过较高的分辨率与曲轴转角得以同步记录，使研究人员可以清楚地看到工作循环内的机械和液压过程。同时，研究人员在所试验的运行工况点上观察到的最大压力约为10 MPa，在转速为4 000 r/min并采用εLow时，观察到偏心轮最大的偏转角度为1.6°。在德国海尔布隆大学的其他研究项目中，研究人员还成功地在高于6 000 r/min的发动机转速条件下进行了试验。
研究人员将另1台同样也配备长度可变连杆的发动机安装在汽车上，并进行了瞬态工况试验，在向εLow转换的调节过程中，各个气缸之间的偏差较小。在典型的负荷突变情况下，该过程持续了约0.5 s。在εHigh状态时，停止运行的发动机能在起动后约2.0 s后切换到εLow状态。未来，研究人员将针对用于液压支承型长度可变连杆的执行机构方案而开展相关研究。
本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第5期
作者：[德]K.WITTEK等
整理：范明强
编辑：伍赛特
标签: 连杆
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