五、系统开发及其优化

为了以最佳的方式在最短的时间内确保发动在稳态和瞬态运行状态下都获得最佳空燃比，菲亚特公司通过努力找到了一套方法，并用合适的模型来分析和计算试验结果。

1.系统的能量消耗

采用系统分析方法已经研究出了许多降低能量消耗的方案，其中考虑了应用机械、液压和电子等方法。值得一提的是，开发人员通过优化进气门运动过程中的运动质量/弹簧力以及匹配合适的滚轮摇臂来尽量降低稳态运行时的能量损失，同时优化了电子控制消耗的能量。目前，四缸汽油机(包括操纵电磁阀和电子控制在内)在全负荷时的最大总能耗在40～70W之间；在正常行驶运转时的平均能耗为20～30W。

2.空气循环的精度及其耐久性

为了优化控制模型的设计，并为发动机电子控制寻找合适的补偿策略，菲亚特公司考虑在运行期间采用不同调节机构，对气门运动的变动、不同行程方式的重复性和长期稳定性等因素进行监控，空气控制系统的精度取决于整个控制链的结构。菲亚特公司特别致力于开发电磁阀(见图4)，因为它对系统的控制起着重要的作用。在设计这种新型电磁阀时，菲亚特公司要求其具有灵敏的开启和关闭响应、精确的转换以确保其在整个使用期内正常工作。这种系统中有一个常开式的电磁阀，它具有使系统转换到气门行程的能力。在正常情况下，凸轮轴每转一转该阀开关一次，而在气门以多段升程模式运行时可开关多次。为确保高压室完全充满机油，使下一次换气行程气门获得全升程，每个循环后电磁阀都要短暂地开启，以保证高压室再次充满机油。在气门采用多段升程模式运行时，在第一次开启后，必须确保电磁阀在第二次动作之前，衔铁回复到其静止位置。对于系统功能而言，使发动机气门获得精准的开启和关闭角度是十分重要的，而电磁阀开关转换时刻的精准度对此起着决定性的作用。在装配期间，电磁阀及其下部结构组件诸如流量和开关时间等性能参数值已在装配流水线上进行过测量，并且整个组件的性能参数值都被调整到所要求的窗口范围内。通过这样的方法，能够补偿零件的制造公差。虽然补偿了单个零件的公差，仍必须采取相应的补偿功能来提高电磁阀开关时间的精度。这种补偿功能在产品的整个使用期内都起着作用，从而对消除因老化所引起的开关转换时间变化也是有效的，因此在使用期内确保了最佳的汽缸平衡。

在系统使用期内，电磁阀大约要开关转换3.3亿次。如此巨大的开关循环都要处于一个高精度范围内，对于电磁阀的设计来讲是一个艰巨的任务。在从方案设计直到产品投产的整个过程中，菲亚特公司与大陆汽车系统公司合作，运用先进的设计和模拟计算方法成功开发出了新型的电磁阀。同时，不仅通过部件试验台，还通过系统试验台和汽车上众多的功能和使用寿命试验，改进了电磁阀和整个系统。

这种电磁阀由软件单个进行控制，同时将发动机电控系统的要求转化成具有一定气门开启和关闭角的某种气门升程模式。为此，软件程序应考虑到影响系统性能的各种不同因素，以便寻找到适合运行工况的、准确的电磁阀动作时间点，从而调整到所要求的发动机气门定时。

此时，首先要列举出每个电磁阀的开启和关闭时间，它们是通过控制每次转换过程的电流波形，从而实现对每缸单独进行控制的，然后根据运行工况按发动机电控单元中的特性曲线场要求来调整。其中，最大的挑战是在整个温度范围内控制电流波形以及与温度有关的机油黏度的正确与否。为了确保这种性能，电磁阀的所有零件必须进行精确的相互调整。

除了电磁阀之外，系统的结构和零件的几何尺寸也决定了气门升程曲线的特性，制动器就是这样的一个器件。此外，升程曲线的特性还涉及执行单元，它通过一个液力间隙补偿元件将液压力转化成发动机气门的运动。由于发动机气门关闭时往往与凸轮廓线脱离，因此气门在弹簧力作用下落座终了时有必要进行液力制动，这样就能防止气门过高的落座速度，从而可

防止噪声扩展和气门损坏。为了使气门仍能达到一个较高的开启速度，制动器同时提供一个特殊的止回阀短路。通过这些器件的相应设计，不仅确保了在低温(-30℃)条件下发动机气门的准时关闭，而且确保在发动机机油温度较高时仍具有较低的落座速度。

除了这么多与几何尺寸和结构有关的影响因素之外，气门运动性能特别是制动性能还取决于诸如发动机转速或机油黏度等环境和运行参数，特别是在冷启动和随后的系统内部升温的情况下，必须查明机油的黏度。此外，对电磁阀的耐久性也进行了详细的试验，并通过设计和应用具有高性能指标的材料，使得电磁阀能够达到可经受3亿次行程的目标值。

通过这种控制模块在自动试验台上进行的广泛试验，确保了电磁阀的耐久性和稳定性。为了模拟MultiAir气门控制模块的临界运行条件，该设计应用了转速/负荷循环规程。经过600小时试验后确认只有很小的偏差。软件的长期补偿策略，除了按标准应用λ传感器之外，主要是基于目前的电磁阀分析。

3.对机油黏度的敏感性

机油黏度随温度的波动主要影响气门升程曲线，特别是最大升程和升程持续期，也影响气门的关闭速度。但是，菲亚特公司从一开始就排除了应用专用液压油或气门升程传感器的方法，因为这样过于复杂，成本也太高，因此采用了软件补偿方法，将所需应用的物理定律集成到发动机电子控制基于模型的算法中，这种算法应用直接集成到气门控制模型的机油温度测

量值，以修正电磁阀响应滞缓所必需的曲轴转角。

凭借广泛的耐久性试验、性能试验、可靠性试验和系统试验，系统有效性得到了有效保障。冷启动在性能试验研究中有着特别重要的意义，因为在这种电液式系统中机油黏度对性能起着决定性的作用。冷启动试验研究是分别在点火运行和倒拖的发动机上从-30℃的温度下进行的。在倒拖的发动机上能够测量启动期间高压室中的升程和压力，而在点火运行的发动机上已经测量和评定过启动性能和高压室中的压力。考察极限样品，除了所谓的精度等级之外，还试验研究了阀落座速度、高压室最大压力、关闭速度以及作用在摇臂上的力等参数。

为了证实即使在不利边界条件下的系统可靠性，采用机油乳化度、机油黏度、污染度和超转速等参数进行极限试验。在应用高黏度机油的情况下，系统性能的有效性主要是通过冷启动试验来考察的。其中，满足气门的关闭角是特别重要的，因为这对发动机启动性能的优劣有着十分重要的作用。机油乳化的影响已通过在高温下整个运行特性曲线场范围内的系统精确度得到检验，并已证实了在最大乳化程度下的性能。

抗机油污染的可靠性可用超高污染颗粒量来证实。在超过10000小时的耐久运行试验中，达到了在高达7200r/min转速下的正常工作能力和耐久性。

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