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Schaeffler全可变液压气门控制系统UniAir技术解析
2020.01.07

全可变气门系统能够实现气门正时、开启持续期和升程的连续可变,通过优化各个工况下的气门升程状态,从而改善发动机的燃油经济性,提高输出扭矩,降低排放污染物等。


UniAir系统也可以看作是一种VVT/VVL技术,只不过机械结构里的气门由凸轮轴控制变为了电磁液压控制,这样不仅可以有效降低发动机的体积和重量,还可以实现发动机气门相位和升程的连续控制调节。

 

UniAir系统最早由德国Schaeffler集团在2001年开发,后来与菲亚特合作开发(Schaeffler称之为UniAir,菲亚特称之为MultiAir),在经过长达七年的试验、验证后,最终于2009年形成了商品化,在阿尔法MiTo1.4 MultiAir车型上首次亮相,目前Multiair系统已发展至第三代(最新菲亚特1.3T发动机),除了菲亚特动力,在捷豹路虎的Ingenium系列发动机发动机上也有应用。


UniAir结构及原理

典型的UniAir结构


典型的UniAir结构如上图所示。UniAir安装在凸轮轴和气门之间,凸轮轴作用于摇臂,摇臂作用于给高压腔⑥加压的泵体④。根据电磁阀⑤的位置,油压通过活塞作用于气门或油压减小流向中压腔③和储压腔①。通过调整电磁阀位置,使气门暂时与凸轮位置解耦;再通高压腔的不同压力水平,来实现气门升程可变。出于能量考虑,一部分中压腔的机油流入储压腔①。发动机润滑油路为UniAir供油系统②供油。

 

高压腔压力下降后,气门弹簧关闭气门。在打开气门的活塞导管上,有一些小孔来控制机油流量,从而起到制动⑦作用。


另外,为了补偿随温度变化的机油粘度导致的液压效应。需要一个温度传感器。所有控制UniAir需要的其他参数,如凸轮轴转速,由发动机现有的传感器提供。

 

1)电磁阀

电磁阀


电磁阀具有由 PCM 提供的专用电源和接地,并且用脉宽调制(PWM) 控制方式来调节其位置。为了让电磁阀快速动作,舍弗勒开发了一种具有最小可能的电流要求的特殊工作策略。这导致电流波形分为几个阶段。

 

静止时,电磁阀处没有电流供应,并且处于打开位置。在激活的第一个阶段,电磁阀得到电流供应,在此阶段,电流会让电磁阀预先磁化,但是不会让其动作。为了确保快速准确地完成通电程序,在确切的开关时刻,将会对其施加增大的电流。该时刻由 PCM 根据当前工作条件的传感器输入确定。在电磁阀完全激活后,电流会减少至保持电流,该电流将电磁阀保持在关闭位置。根据工作条件,PCM 软件将会再次控制电磁阀打开的时间点,在这一时刻,系统将会完全断开保持电流。

 

2)制动单元

制动单元是一个从动缸,用于通过液压气门间隙调节元件将泵的液压压力转换为进气门的移动。制动单元的设计不仅能够控制气门的关闭,而且还能够提供极快的打开速度,这是因为在打开阶段,系统使用止回阀来旁通该单元的制动元件。

 

3)机油温度传感器


机油温度传感器


机油温度传感器位于UniAir单元上,用于将高压油的温度反馈给PCM。PCM 利用此信息确定机油粘度,并在 -40°C (-40°F) 至 150°C (302°F) 的宽发动机温度范围内实现准确的电磁阀开关时间补偿。该传感器有一个两针接头,一个针脚向 PCM 提供温度信号输入,另一个是接地连接。该传感器有一个 NTC 元件,经过专门校准,适用于低温条件。


UniAir系统的应用并不局限于每个缸一个进气门的情况。每个缸两个进气门时,两个进气门可以被单独驱动,也可以用液压或机械桥同时驱动,如下图所示,考虑到成本原因,推荐使用液压桥方案。但是,相比而言,独立驱动具有更大的灵活性。


UniAir工作模式


UniAir在气门升程和开启断面调节上都能达到很高的自由度。气门最大升程和最早开启点由驱动系统的凸轮型线确定,最晚关闭点也受其所限。在凸轮型线范围内,通过控制电磁阀可以实现各种升程变化。总之就是,根据发动机运行工况,可对气门开启、关闭时刻及气门升程作出最优化调整。

 

1)全升程模式:

 

在凸轮轴的传统方式控制下,气门完全打开和关闭。在高发动机转速下使用这种模式,以获得最大发动机动力。



2)气门晚开模式:

 

在启动发动机和怠速运转期间,延迟进气门的打开。气门打开较短的时间,并在较低升程中对进入气缸的空气量提供精确的控制。因此,在怠速运转时燃油经济性得到了改善。在冷启动期间,仅少量的冷空气进入气缸,这意味着发动机更容易启动。

3)气门早关模式:

 

在低至中等发动机转速期间激活。在凸轮轴轮廓以正常方式关闭进气门之前,系统会以液压方式关闭进气门。这将会减少泵气损失,提高发动机输出并防止燃油混合物意外回流到进气口。


4)零升程模式:

 

在极低的发动机转速和负载条件下,系统将会综合使用气门晚开模式和气门晚关模式,以便实现稳定的燃烧。


相比机械系统,UniAir系统能更加灵活的调整气门升程曲线,除了在汽油发动机上,也可用于柴油发动机。它不仅可以控制气门升程连续可调,还支持停缸以及HCCI均质压燃等更加先进的发动机技术。


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