曲德鑫，盧洪英，曹權(quán)佐，潘圣臨，王劍鋒（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

VVT技術(shù)在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究

曲德鑫，盧洪英，曹權(quán)佐，潘圣臨，王劍鋒
（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章以DAE公司批產(chǎn)機(jī)型4G1單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，通過理論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了VVT技術(shù)在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，并開創(chuàng)了國內(nèi)單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用VVT技術(shù)批量生產(chǎn)的先例。最終通過試驗(yàn)結(jié)果表明：①VVT技術(shù)在該項(xiàng)目上的成功，打破了業(yè)內(nèi)對于VVT技術(shù)能否在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上成功應(yīng)用的疑慮；②在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上采用VVT技術(shù)，能在取得性能提升的前提下最大程度上實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有生產(chǎn)線上共線生產(chǎn)。

VVT；單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)；油耗；扭矩

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.008

CLC NO.: U464.9Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-21-03

引言

可變氣門正時(shí)技術(shù)簡稱VVT（Variavle Valve Timing）技術(shù)，其在雙凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)已成為成熟技術(shù)，該技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的提升起到明顯的作用， 但雙凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、摩擦副多且成本相對較高。單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)相對雙凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低且摩擦副少，更具有節(jié)油的潛力，不過由于業(yè)界對VVT技術(shù)應(yīng)用在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上的預(yù)期效果等并不清晰，并且開發(fā)難度較大，因此幾乎沒有企業(yè)或機(jī)構(gòu)涉及單凸輪軸VVT發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研發(fā)。我公司為兼顧性能、油耗以及成本因素，創(chuàng)新性的將VVT技術(shù)應(yīng)用在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上，并取得了成功，使該發(fā)動(dòng)機(jī)在性能及油耗方面與原型機(jī)相比大幅提升。

1、應(yīng)用原理

由于單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性決定，即使在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用VVT系統(tǒng)，也無法改變發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門重疊角，因此對于氣門開啟、關(guān)閉時(shí)刻的控制，是VVT系統(tǒng)在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的重點(diǎn)。對于不同的進(jìn)氣門開閉時(shí)刻，對發(fā)動(dòng)機(jī)主要有以下影響：

1）在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣開始時(shí)，因氣門開啟初期氣門上升緩慢，流通截面小，以及進(jìn)氣氣流由靜止到加速的滯后影響，會(huì)使缸內(nèi)真空度加大，進(jìn)氣量減少，進(jìn)氣損失增大，所以要求進(jìn)氣門在上止點(diǎn)之前適當(dāng)提前開啟。

2）在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣結(jié)束時(shí)，由于充入氣缸內(nèi)的高速氣流仍具有一定慣性，因此此時(shí)若延遲關(guān)閉氣門，可以充分利用這部分慣性增大進(jìn)氣量，以此提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

4G15V發(fā)動(dòng)機(jī)的VVT系統(tǒng)正是利用以上兩點(diǎn)特性對發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)進(jìn)行控制，以達(dá)到在不同工況選擇最優(yōu)的進(jìn)氣策略的目的。

2、VVT系統(tǒng)在4G15S發(fā)動(dòng)機(jī)上的布置研究

采用單凸輪軸VVT系統(tǒng)，控制方式選用葉片類型持續(xù)可變式。這是綜合考慮該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及VVT綜合性能和成本核算等各方面因素后確定的方案。

2.1原型機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

4G15S發(fā)動(dòng)機(jī)是四缸十六氣門多點(diǎn)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)排量1488ml。該發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)為單頂置凸輪軸配氣。

2.2加裝VVT系統(tǒng)基本方案

根據(jù)公司產(chǎn)品的市場定位及原型機(jī)結(jié)構(gòu)，4G15S發(fā)動(dòng)機(jī)加裝VVT系統(tǒng)的原則是在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)的前提下，盡可能減少原型機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的共用最大化，降低成本。在4G15S現(xiàn)有SOHC結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加VVT，從系統(tǒng)構(gòu)造上說，這就需要對4G15S發(fā)動(dòng)機(jī)本體零部件現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下調(diào)整：

（1）供油方面

1）在缸體主油路上增加相位調(diào)節(jié)器供油取油口，用來獲得足夠的供油壓力，以確保相位調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度。

2）缸蓋進(jìn)氣凸輪軸孔第一軸承座增加相位調(diào)節(jié)器控制油路。

3）在缸蓋下方增加OCV閥供油孔，并設(shè)計(jì)油路連接OCV閥和缸體主油路。

4）根據(jù)供油需求調(diào)整機(jī)油泵轉(zhuǎn)子厚度，提高其泵油能力。

（2）VVT系統(tǒng)零件安裝方面

1）在缸蓋下方增加OCV閥安裝孔。

2）凸輪軸前端調(diào)整結(jié)構(gòu)，以滿足相位調(diào)節(jié)器（CVCP）的安裝需求，調(diào)整相位器安裝螺栓，變?yōu)橹锌战Y(jié)構(gòu)。

3）更改凸輪相位信號(hào)輪結(jié)構(gòu)，根據(jù)電噴系統(tǒng)控制要求，信號(hào)齒數(shù)細(xì)化。

4）調(diào)整正時(shí)帶罩殼結(jié)構(gòu)，確保相位器的安裝。

圖1　4G15S發(fā)動(dòng)機(jī)安裝凸輪相位器的總體布置結(jié)構(gòu)示意圖

最終 4G15S發(fā)動(dòng)機(jī)安裝凸輪相位器的總體布置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

2.3VVT系統(tǒng)油路布置方案

VVT系統(tǒng)油路布置及控制簡圖如圖2所示，整個(gè)油路布置由供應(yīng)主油路、控制油路（C1、C2）、回油路（V1、V2）組成。

圖2　VVT系統(tǒng)油路布置簡圖

2.3.1供油主油路路線

缸蓋上獨(dú)立的控制油路由缸體中引出機(jī)油，如圖2所示，然后經(jīng)由 OCV油壓控制閥（安裝在缸蓋上），進(jìn)而根據(jù) ECU控制程序?qū)C(jī)油分兩條油路（提前油路和延遲油路）分配給凸輪相位器。通過電磁控制閥的另一條泄油路，由凸輪相位器流回到缸蓋，最后流回到發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼中，從而完成回油過程。

2.3.2正時(shí)提前油路路線

當(dāng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)配氣正時(shí)提前時(shí)，ECU發(fā)出信號(hào)控制油壓控制閥中的機(jī)油，通過凸輪軸的油道引入相位控制器的提前室，提前室中的油壓控制CVCP的轉(zhuǎn)子和凸輪軸一起沿相同方向旋轉(zhuǎn)（從發(fā)動(dòng)機(jī)前方看順時(shí)針方向），氣門正時(shí)被提前，如圖2所示。此時(shí)與氣門正時(shí)延遲室相通的油路成為回油路。

2.3.3正時(shí)延遲油路路線

當(dāng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)配氣正時(shí)延遲時(shí)，ECU會(huì)發(fā)出信號(hào)來控制流過OCV閥中的機(jī)油，將機(jī)油通過中空的相位器緊固螺釘引到CVCP前端的延遲室。延遲室中的油壓控制CVCP的轉(zhuǎn)子與凸輪軸一起沿相同方向旋轉(zhuǎn)（從發(fā)動(dòng)機(jī)前方看為逆時(shí)針方向），從而實(shí)現(xiàn)了氣門正時(shí)被延遲，如圖2所示。此時(shí)與CVCP前端的延遲室相通的油路成為回油通路。

2.4VVT系統(tǒng)控制原理

圖3　VVT系統(tǒng)控制方框圖

VVT系統(tǒng)工作時(shí)所需要的凸輪軸相位由ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各種運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)（包括轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、冷卻液溫度等等）來綜合確定。ECU根據(jù)所需的相位值來控制OCV閥動(dòng)作，從而改變CVCP的轉(zhuǎn)子和定子間的相對位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對氣門正時(shí)的間接控制。目前的VVT系統(tǒng)是通過PID（閉環(huán)比例積分微分）控制，隨時(shí)調(diào)整修正目標(biāo)相位與實(shí)際相位的偏差，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升。VVT系統(tǒng)控制方框圖如圖3所示。

3、試驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證4G15V發(fā)動(dòng)機(jī)性能，公司在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行相關(guān)對比測試。

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)匹配

本項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的方法是：在4G15S發(fā)動(dòng)機(jī)匹配數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，從相位器能調(diào)整到的最提前角開始，以一定的步長一直標(biāo)定到最滯后角位置。在固定一個(gè)相位角后，調(diào)整點(diǎn)火、噴油等參數(shù)，然后進(jìn)行綜合考慮選取性能最佳點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)固化。關(guān)鍵策略如表1所示。

表1　VVT相位調(diào)整策略

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，在4G15S發(fā)動(dòng)機(jī)上增加VVT系統(tǒng)后，整機(jī)性能得到很大提升。在扭矩輸出上，平均提升6.8%，其中最高扭矩提升9.18%，詳見圖4扭矩提升前后對比曲線：

圖4　扭矩提升前后對比曲線

同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在特征點(diǎn)油耗上也明顯下降，詳見表2：

表2　特征點(diǎn)油耗下降前后對比數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)結(jié)果上看，增加VVT系統(tǒng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速下的扭矩提升較為明顯，在2000rpm時(shí)提升率達(dá)到7%以上，這也正符合國內(nèi)實(shí)際常用駕駛工況的特點(diǎn)。而在油耗方面，各特征點(diǎn)油耗平均下降約5%，有效的提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，滿足國內(nèi)對低油耗發(fā)動(dòng)機(jī)的市場需求。

4、結(jié)論

該發(fā)動(dòng)機(jī)的成功開發(fā)，證明VVT技術(shù)不但可以在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用，還能有效地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性，打破業(yè)界對于VVT能否在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上成功應(yīng)用的疑慮。也證明結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可靠的單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)仍具有升級(jí)潛力與市場空間。此外該發(fā)動(dòng)機(jī)也是國內(nèi)市場上第一款批量上市的采用VVT技術(shù)的單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，開創(chuàng)了VVT技術(shù)在單凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的先河，填補(bǔ)了VVT應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)空白。

[1] 敬章超.EGR進(jìn)氣方式對汽油機(jī)性能及其NOX排放影響的試驗(yàn)研究[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003(01).

[2] 李瑜,張華娟等.EGR系統(tǒng)在SNH4102型柴油機(jī)中的標(biāo)定試驗(yàn)[J].汽車工程師,2012(1)：26-28.

[3] H. Kuroda,et al, The Fast Burn with Heavy EGR, New Approach for Low NOx and Improved Fuel Economy, SAE Paper 78000.

[4] Michihiko Tabata, etal, Improving NOx and Fuel Economy for Mixture Injected SI Engine with EGR, SAE Paper 950684.

Application of VVT technology on a single camshaft engine

Qu Dexin, Lu Hongying, Cao Quanzuo, Pan Shenglin, Wang Jianfeng
( Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060 )

In this paper, based on the DAE company batch production of 4G1 single camshaft engine，through theoretical research, structural design and functional development, to achieve the VVT technology used in single camshaft engine, and creating a precedent for batch-produced single camshaft engine with VVT technology in the country.

VVT; single camshaft engine; fuel consumption; torque

U464.9

A

1671-7988（2015）12-21-03

曲德鑫，工程師，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、新技術(shù)預(yù)研。