黃圣錦 袁 根 劉 凱 王 政 王 博 張維杰

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

當(dāng)下，可變氣門正時(shí)（Variable Valve Timing，VVT）技術(shù)已經(jīng)成為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的基本配置。VVT 系統(tǒng)主要由凸輪相位調(diào)節(jié)器（VCP）和機(jī)油控制閥（OCV）組成，VVT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對配氣機(jī)構(gòu)氣門正時(shí)的改變，有助于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)，同時(shí)有利于改善燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）排放。不同的工況，需要不同的配氣相位。汽油機(jī)電噴系統(tǒng)通過標(biāo)定ECU 數(shù)據(jù)和VVT 系統(tǒng)的零部件配合，實(shí)現(xiàn)不同工況對VVT 相位的需求[1]。本文以某電噴發(fā)動(dòng)機(jī)為例，結(jié)合VVT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，闡述VVT 系統(tǒng)開發(fā)過程，論證標(biāo)定策略的應(yīng)用對VVT系統(tǒng)正常工作的重要性。

1 VVT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 凸輪相位調(diào)節(jié)器（VCP）結(jié)構(gòu)

進(jìn)氣側(cè)VCP 主要由皮帶輪、擋油銷/葉片簧、轉(zhuǎn)子、定子（外殼）、彈簧座/鎖止銷/鎖止簧/鋼套/襯套、聯(lián)接頭、銷子、密封圈及蓋板等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 進(jìn)氣側(cè)VCP 結(jié)構(gòu)

1.2 機(jī)油控制閥（OCV）結(jié)構(gòu)

OCV 主要由殼體、電磁螺絲管總成、電樞、閥芯、閥套及彈簧等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 OCV 結(jié)構(gòu)

1.3 VVT 系統(tǒng)工作原理

進(jìn)氣側(cè)VVT 系統(tǒng)向提前方向調(diào)節(jié)的工作原理為：車輛加速過程，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩需求增大，OCV通電開始動(dòng)作，閥芯向下運(yùn)動(dòng)，機(jī)油從OCV 的P 口進(jìn)，A 口出，通過VCP 提前腔油道進(jìn)入VCP 提前腔，將鎖銷頂起，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行相位調(diào)節(jié)。滯后腔機(jī)油從OCV 的B 口出，并通過T 口排出。當(dāng)VVT 系統(tǒng)的實(shí)際相位達(dá)到目標(biāo)時(shí)，OCV 保持中立點(diǎn)，VCP 中2 個(gè)腔油道油壓達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在某一個(gè)角度。

VVT 系統(tǒng)向提前方向調(diào)節(jié)的工作原理見圖3。

圖3 VVT 系統(tǒng)向提前方向調(diào)節(jié)的工作原理

進(jìn)氣側(cè)VVT 系統(tǒng)向滯后方向調(diào)節(jié)的工作原理為：車輛減速過程，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩需求減小，OCV斷電，閥芯在彈簧作用下向上運(yùn)動(dòng)，機(jī)油從OCV 的P口進(jìn)，B 口出，通過VCP 滯后腔油道進(jìn)入VCP 滯后腔，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行相位調(diào)節(jié)。提前腔機(jī)油從OCV 的A 口出，并通過T 口排出。當(dāng)VVT 系統(tǒng)的實(shí)際相位達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，OCV 保持中立點(diǎn)，VCP 中2 個(gè)腔的油道油壓達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在某一個(gè)角度。

VVT 系統(tǒng)向滯后方向調(diào)節(jié)的工作原理見圖4。

圖4 VVT 系統(tǒng)向滯后方向調(diào)節(jié)的工作原理

1.4 VVT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)

VVT 系統(tǒng)的響應(yīng)速度為單位時(shí)間內(nèi)VVT 系統(tǒng)所能調(diào)節(jié)凸輪軸轉(zhuǎn)過的角度，一般設(shè)計(jì)要求：

1）-10～20°CA，大于50°CA/s；

2）20°CA 以上，大于100°CA/s。

其中，VCP 本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)對VVT 系統(tǒng)的響應(yīng)速度影響最大，使用轉(zhuǎn)矩壓力比參數(shù)來衡量，該參數(shù)僅與VCP 結(jié)構(gòu)有關(guān)。另外，OCV 在油道中的安裝位置對VVT 系統(tǒng)的響應(yīng)速度有較大影響。

OCV 的電流-流量（I-O）特性曲線示意圖見圖5，包括保持點(diǎn)、最大流量點(diǎn)及曲線特征。

圖5 OCV 的I-O 特性曲線示意圖

2 VVT 系統(tǒng)匹配標(biāo)定

2.1 VVT 系統(tǒng)位置標(biāo)定

各個(gè)工況下，不同的氣門重疊角，發(fā)動(dòng)機(jī)性能表現(xiàn)差異大。根據(jù)整機(jī)性能開發(fā)的要求，篩選出各工況所對應(yīng)的比較理想的VVT 系統(tǒng)工作位置。

常規(guī)的VVT 控制策略如下：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速、小負(fù)荷、停機(jī)或者起動(dòng)時(shí)，盡可能推遲打開進(jìn)氣門、提前關(guān)閉排氣門，采用小的甚至無氣門重疊角。在此種策略下，回流到進(jìn)氣道的燃燒氣體減少，可改善怠速及小負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性及燃油經(jīng)濟(jì)性。

怠速、小負(fù)荷等工況氣門重疊角示意圖見圖6。

圖6 怠速、小負(fù)荷等工況氣門重疊角示意圖

2）發(fā)動(dòng)機(jī)在中等負(fù)荷時(shí)，不僅要考慮動(dòng)力性，還要兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性，因此進(jìn)氣門適當(dāng)早開，排氣門適當(dāng)晚關(guān)，氣門重疊角適當(dāng)增加。在此種策略下，內(nèi)部EGR 率增高，增加了稀釋效應(yīng)，使NOx排放降低（缸內(nèi)燃燒溫度降低）、HC 排放降低（未燃?xì)怏w再燃燒）、發(fā)動(dòng)機(jī)磨損降低（泵氣損失減少）。

中等負(fù)荷工況氣門重疊角示意圖見圖7。

圖7 中等負(fù)荷工況氣門重疊角示意圖

3）發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)，動(dòng)力性和中等負(fù)荷時(shí)類似，需求明顯，但進(jìn)氣門應(yīng)更早開，排氣門應(yīng)更晚關(guān)，以獲得最大的氣門重疊角。在此種策略下，充氣效率提高，從而提高了中低轉(zhuǎn)速段的轉(zhuǎn)矩。

中低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況氣門重疊角示意圖見圖8。

圖8 中低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況氣門重疊角示意圖

4）發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)，氣流速度高，為盡可能提高進(jìn)氣效率，需盡可能推遲打開進(jìn)氣門、適當(dāng)推遲關(guān)閉排氣門。在此種策略下，充氣效率進(jìn)一步提高，在高速高負(fù)荷獲得最大功率。

高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況氣門重疊角示意圖見圖9。

圖9 高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況氣門重疊角示意圖

2.2 VVT 系統(tǒng)位置標(biāo)定目標(biāo)

2.2.1 全負(fù)荷工況

全負(fù)荷工況，對于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，一般標(biāo)定原則是以充氣量最大為最優(yōu)原則；對于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，主要標(biāo)定原則為油耗最低。

自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況（轉(zhuǎn)速為1 200 r/min）標(biāo)定目標(biāo)示意圖見圖10。

圖10 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況標(biāo)定目標(biāo)示意圖

2.2.2 怠速、小負(fù)荷工況

怠速、小負(fù)荷工況，隨著氣門重疊角加大，回流到進(jìn)氣道的燃燒氣體增多，出現(xiàn)失火，導(dǎo)致HC 排放上升。一般發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速、小負(fù)荷工況，VVT 工作在參考位置。

怠速、小負(fù)荷工況標(biāo)定目標(biāo)示意圖見圖11。

圖11 怠速、小負(fù)荷工況標(biāo)定目標(biāo)示意圖

2.2.3 中速、中負(fù)荷工況

中速、中負(fù)荷工況，在轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量不變的情況下，隨著氣門重疊角加大，內(nèi)部EGR 率加大，NOx排放有較明顯的下降。VVT 位置標(biāo)定以油耗最優(yōu)為原則。

中速、中負(fù)荷工況標(biāo)定目標(biāo)示意圖見圖12。

圖12 中速、中負(fù)荷工況標(biāo)定目標(biāo)示意圖

2.3 VVT 系統(tǒng)位置標(biāo)定

基于DOE 設(shè)計(jì)完成VVT 系統(tǒng)位置標(biāo)定[2]，進(jìn)氣VVT 位置標(biāo)定結(jié)果、排氣VVT 位置標(biāo)定結(jié)果分別如圖13、圖14 所示。

圖13 進(jìn)氣VVT 位置標(biāo)定結(jié)果

圖14 排氣VVT 位置標(biāo)定結(jié)果

從圖13、圖14 可以看出，排氣VVT 曲面變化相對平滑，進(jìn)氣VVT 曲面在中小負(fù)荷區(qū)域凹凸不平。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的性能、油耗、排放對進(jìn)氣相位的變化更為敏感[3]。

2.4 VVT 系統(tǒng)匹配標(biāo)定

通過標(biāo)定PID 控制閥值，使進(jìn)、排氣VVT 在各轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的動(dòng)態(tài)跟隨性偏差控制在±1°CA 以內(nèi)，動(dòng)態(tài)變化過程最大超調(diào)不超過3°CA。

需結(jié)合VVT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)健參數(shù)協(xié)同開發(fā)，VVT系統(tǒng)跟隨性允許輕微的超調(diào)，但不允許出現(xiàn)超調(diào)過大、過阻尼等情況。

VVT 系統(tǒng)跟隨性輕微的超調(diào)示意圖見圖15，VVT 系統(tǒng)跟隨性超調(diào)過大、過阻尼示意圖見圖16，VVT 系統(tǒng)跟隨性過阻尼、超調(diào)過大示意圖見圖17。

圖15 VVT 系統(tǒng)跟隨性輕微的超調(diào)示意圖

圖16 VVT 系統(tǒng)跟隨性超調(diào)過大、過阻尼示意圖

圖17 VVT 系統(tǒng)跟隨性過阻尼、超調(diào)過大示意圖

3 VVT 系統(tǒng)標(biāo)定策略應(yīng)用論證

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，會因磨損和清潔度等不可避免的原因產(chǎn)生顆粒物。這些顆粒物跟隨機(jī)油進(jìn)入VVT 系統(tǒng)，使OCV、VCP 開啟或關(guān)閉不暢，造成進(jìn)、排氣VVT 動(dòng)態(tài)跟隨性不良。因此，開發(fā)、應(yīng)用有針對性的標(biāo)定策略是必要的。標(biāo)定策略主要有2 種：自清潔及UNLOCK。

3.1 自清潔功能應(yīng)用

自清潔功能分為車輛上電自清潔、車輛滑行斷油自清潔及車輛下電自清潔3 種。

車輛上電自清潔是指車輛上電時(shí)，通過調(diào)節(jié)VVT，控制占空比大、小往復(fù)變化，進(jìn)行OCV 內(nèi)部自清潔操作。

車輛上電自清潔示意圖見圖18。

圖18 車輛上電自清潔示意圖

車輛滑行斷油自清潔是指車輛滑行斷油過程中，自清潔功能開啟，一種方式是通過調(diào)節(jié)VVT 目標(biāo)值，使VVT 往復(fù)靠近、遠(yuǎn)離參考值，進(jìn)行OCV、VCP 內(nèi)部自清潔操作，示意圖見圖19；另一種方式是通過調(diào)節(jié)VVT，控制占空比大、小往復(fù)變化，進(jìn)行OCV、VCP 內(nèi)部自清潔操作，示意圖見圖20。

圖19 車輛滑行斷油自清潔示意圖（調(diào)節(jié)VVT 目標(biāo)值）

圖20 車輛滑行斷油自清潔示意圖（調(diào)節(jié)VVT）

車輛下電自清潔是指車輛下電時(shí)，通過調(diào)節(jié)VVT，控制占空比大、小往復(fù)變化，進(jìn)行OCV 內(nèi)部自清潔操作。

車輛下電自清潔示意圖見圖21。

圖21 車輛下電自清潔示意圖

3.2 UNLOCK 功能應(yīng)用

UNLOCK 功能是指ECM 檢測到OCV 或VCP因卡滯導(dǎo)致進(jìn)、排氣VVT 動(dòng)態(tài)跟隨性偏差過大時(shí)，通過調(diào)節(jié)VVT，控制占空比大、小往復(fù)變化，進(jìn)行OCV、VCP 內(nèi)部自清潔，從而消除卡滯現(xiàn)象。

UNLOCK 功能示意圖見圖22。

圖22 UNLOCK 功能示意圖

3.3 標(biāo)定策略應(yīng)用說明

持續(xù)跟蹤、統(tǒng)計(jì)某品牌車型：

1）未集成自清潔及UNLOCK 標(biāo)定策略，市場車輛保有量為187 563 臺，一年以內(nèi)出現(xiàn)進(jìn)、排氣VVT動(dòng)態(tài)跟隨性不良相關(guān)故障16 例，維修車輛與已售車輛之比為85×10-6；

2）集成自清潔及UNLOCK 標(biāo)定策略，市場車輛保有量為170 339 臺，一年以內(nèi)出現(xiàn)進(jìn)、排氣VVT 動(dòng)態(tài)跟隨性不良相關(guān)故障0 例。

對比發(fā)現(xiàn)，自清潔及UNLOCK 標(biāo)定策略的應(yīng)用能夠有效降低進(jìn)、排氣VVT 動(dòng)態(tài)跟隨性不良故障率。因此，開發(fā)、應(yīng)用有針對性的標(biāo)定策略是必要且重要的。

4 結(jié)論

本文結(jié)合汽油發(fā)動(dòng)機(jī)VVT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，闡述了VVT 系統(tǒng)開發(fā)過程，論證了標(biāo)定策略的應(yīng)用對VVT 系統(tǒng)正常工作的重要性。結(jié)論如下：

1）VVT 系統(tǒng)開發(fā)過程中，標(biāo)定必須與VVT 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)開發(fā)，如匹配不當(dāng)，會造成VVT 運(yùn)行過程中出現(xiàn)超調(diào)或過阻尼等情況，造成進(jìn)、排氣VVT 動(dòng)態(tài)跟隨性不良。

2）VVT 系統(tǒng)標(biāo)定策略的應(yīng)用能夠有效降低進(jìn)、排氣VVT 動(dòng)態(tài)跟隨性不良故障率，開發(fā)、應(yīng)用有針對性的標(biāo)定策略是必要且重要的。