可變氣門正時機構動態(tài)響應特性的試驗研究*

王 孟，張 力，謝博強，江 亮，黃永生

(1.重慶大學機械工程學院，重慶 400044;2.裝甲兵技術學院車輛工程系，長春 130117)

前言

可變氣門正時(VVT)技術對于提高發(fā)動機功率、降低油耗和排放具有顯著的效果。該技術在多款汽車的發(fā)動機上得到了應用，如本田的VTEC、豐田的VVT-i以及BWM的Vanos等是幾款應用較成熟的典型機構［1－5］，經過多年的發(fā)展，各種技術也開始相互融合［6－8］。

目前國內尚未對可變配氣相位系統(tǒng)進行較為深入和系統(tǒng)的研究，也無法直接買到與已研制出的機構相配套的、現(xiàn)成的試驗測試系統(tǒng)。為此，本文中自行設計了可變配氣相位器的試驗測試系統(tǒng)。首先經過測試確定機油控制閥(oil control valve，OCV)的工質流量特性，然后通過其流量特性控制機油的流量，進行VVT系統(tǒng)動態(tài)響應特性的測試。根據(jù)試驗測試的結果，可以了解相位器的實際工作性能，為進一步的研究開發(fā)提供可靠的依據(jù)。

1 測試系統(tǒng)與OCV工質流量特性

圖1為可變配氣正時機構動態(tài)響應特性的試驗測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括由變頻器和變頻電機組成的凸輪軸驅動系統(tǒng)，齒輪泵、濾清器與各管路組成的潤滑系統(tǒng)及脈沖電源對OCV的控制系統(tǒng)，由曲軸轉速傳感器、凸輪軸位置傳感器和溫度傳感器組成的信號采集與處理系統(tǒng)等。OCV采用脈寬調制信號進行控制，因而不同占空比控制信號作用下的各出口流量特性是制定OCV控制方法的基礎。為確定不同占空比控制信號時OCV的流量特性，通過圖1所示的方案獲取，即關閉節(jié)流閥10，打開節(jié)流閥7截斷流往VVT的油路，使油路流向右側的OCV單體，單獨測量OCV單體的工質流量特性。

圖2為對同一個OCV進行3次測量的試驗結果，從圖中可見，隨著占空比的改變使OCV的閥芯處于相應的位置即可改變控制閥各接口的連接情況，因此通過OCV工質流量特性試驗測得:當占空比在20% ～40%變化時，出口A的流量最大，出口B的流量為0，且各出口流量的大小不隨占空比的變化而變化;繼續(xù)增加占空比，A口流量逐漸減小，B口流量仍保持為0。當占空比達到56%左右時，除去因泄漏而計入各閥口的流量，可認為各出口流量均為0;再增加占空比，則A口流量保持為0，B口流量逐漸增加。當占空比變化到約70%時，B口流量達到最大值，繼續(xù)增加占空比，B口流量不再變化。通過獲取不同占空比控制信號時OCV的工質流量特性，實現(xiàn)脈沖電源對OCV工質流量的準確控制。

2 VVT動態(tài)響應特性測試原理

2.1 測試方法

為了直觀地反映相位器工作時凸輪軸相對曲軸的轉動，將曲軸轉角傳感器測取的變頻電機輸出的曲軸轉速信號、凸輪軸相位傳感器測取的凸輪軸位置信號和脈沖電源信號接入信號采集處理器。通過信號提取設置變頻電機轉角信號為橫坐標X軸、凸輪軸相位傳感器信號為縱坐標Y軸，每次采集600個工作循環(huán)。采集過程中，通過打開、關閉脈沖電源，獲得一組相位器工作時傳感器測得的信號數(shù)據(jù)。根據(jù)轉速傳感器轉角信號與凸輪軸傳感器位置信號之間的相對移動來判別凸輪軸相位，從而計算出VVT相位器相位調節(jié)的動態(tài)響應時間。

2.2 數(shù)據(jù)定義與分析

圖3為試驗中信號采集器所采集到的信號，為了更好地判斷相位器的動態(tài)響應時間，提取曲軸旋轉一周時的凸輪軸位置信號，通過對比相鄰循環(huán)周數(shù)凸輪軸位置信號的相對變化得出相位器的動態(tài)響應時間。

定義曲軸旋轉一周為一周期，在該周期內提取的凸輪軸位置信號與曲軸轉速信號如圖4所示。

規(guī)定:數(shù)字1、2分別代表各個脈沖的上升沿和下降沿數(shù)字;①、②、③、④代表凸輪軸傳感器信號輪的突起部分與傳感器作用時產生的脈沖信號(霍爾效應)。描述規(guī)則:CXXX PX JPXX，C為circle，P為pulse，JP 為 jump point。例如:C212-P3-JP1 指的是第212循環(huán)的第3個脈沖的上升沿。

2.3 相位器動態(tài)響應時間獲取

隨機選取一組壓力為0.3MPa、溫度為70℃、變頻電機轉速為2 000r/min的試驗數(shù)據(jù)。將信號采集處理器檢測的曲軸轉速傳感器信號和凸輪軸位置傳感器信號，經逐步處理得出相位提前和相位滯后的動態(tài)變化圖，如圖5和圖6所示。當某工作循環(huán)與上一工作循環(huán)之間某同一位置脈沖的角度差值在不到0.5°時，計為此時相位器在該工作循環(huán)剛開始或剛結束動態(tài)工作，由開始到結束的整個時間段屬于相位器的動態(tài)響應過程。

圖5中包含17個相鄰的工作循環(huán)，最上面的為第61循環(huán)，經數(shù)據(jù)分析得:C62-P2-JP1與C63-P2-JP1發(fā)生相對變化，角度差值約為0.2°，此時相位器開始工作。C74-P2-JP2與C75-P2-JP2發(fā)生相對變化，角度差值約為0.3°，此時相位器結束工作。因此相位器在工作過程中曲軸所轉過的角度為C63中轉過的214.2°，加上完整的由C64到C73共經過的11個工作循環(huán)，以及C74所經轉過的302.6°。變頻電機轉速為2 000r/min，因此得到相位器提前的動態(tài)響應特性時間約為373ms。

圖6中包含15個相鄰的工作循環(huán)，最上面的為第440循環(huán)，經數(shù)據(jù)分析得:C441-P1-JP2與C442-P1-JP2發(fā)生相對變化，角度差值約為0.7°，此時相位器開始工作。C451-P2-JP2與C452-P2-JP2發(fā)生相對變化，角度差值約為0.5°，此時相位器結束工作。相位器在工作過程中曲軸所轉過的角度為C442中轉過的233.4°，加上完整的由C443到C451共經過的9個工作循環(huán)，以及 C452所經轉過的245.6°。變頻電機轉速為2 000r/min，因此得到相位器滯后的動態(tài)響應特性時間約為309ms。

3 試驗測試結果與分析

采用此可變氣門正時機構的試驗測試系統(tǒng)，利用試驗提出的動態(tài)響應特性的測試方法和讀取方式，分別獲取了相位器的動態(tài)響應時間隨發(fā)動機轉速、機油的溫度和壓力以及不同OCV(閥芯濾網和全開時開口大小等結構上的不同)而變化的關系，即相位器的動態(tài)響應特性。

圖7為潤滑油溫度對液力系統(tǒng)流動性的影響。由圖7可見，隨著潤滑油溫度的升高，相位器的動態(tài)響應時間加快，當溫度高于70℃后，響應時間基本保持不變，此后溫度對相位器動態(tài)響應影響較小。

圖8為發(fā)動機轉速對相位器的動態(tài)響應特性，可以看出，隨著發(fā)動機轉速的提高，相位器的動態(tài)響應時間滯后方向延長而提前方向加快，但兩者變化范圍很小，且在滯后方向不同溫度時響應時間有較大變化，發(fā)動機轉速對相位器的動態(tài)響應特性影響較小，可忽略。由于壓力越高對葉片產生的轉矩越大，因此可得出壓力對相位器響應時間的影響，見圖9。由圖可見，壓力越高，相位器的動態(tài)響應時間越快且滯后方向響應時間快于提前方向。圖10為不同的OCV對相位器的動態(tài)響應特性，由圖可見，不同的OCV隨著壓力的升高，響應時間變快，且滯后方向反應速率快于提前方向，當壓力高于0.2MPa時，壓力對相位器的動態(tài)反應速率影響成線性關系。

4 相位器泄漏量的測試

圖11為相位器的油路?？梢钥闯?，機油由供油油路進入之后分別流入進氣凸輪潤滑油道、排氣凸輪潤滑油道和通過OCV閥控制相位器油路的相位器油道。因此試驗通過采用橡膠對油道進行有選擇性的堵塞來完成相關油路流量的測定，從而完成對相位器的泄漏量測試。試驗時機油的溫度為70℃，機油壓力為0.4MPa。由于進氣凸輪軸的供油油道在缸蓋內部，無法將其堵塞，所以測試時首先堵塞排氣凸輪潤滑油道和相位器供油油道，測出進氣凸輪軸的潤滑油流量，然后堵塞相位器油道測出排氣凸輪軸和進氣凸輪軸的潤滑流量，再堵塞OCV出油口流入相位器的油路，從而測出OCV的泄漏量和進、排氣凸輪軸的潤滑流量之和。最后通過測出系統(tǒng)總的機油流量減去進排氣凸輪的潤滑流量得出相位器油道的總泄漏量，此泄漏量減去OCV的泄漏量即為相位器的泄漏量。

潤滑油的溫度會影響其運動黏度，從而影響潤滑油的流動性，圖12和圖13為在不同溫度下滯后腔向提前腔和提前腔向滯后腔的泄漏量曲線?？梢钥闯觯辔黄鞯男孤┝侩S著壓力的升高成線性關系增加，且在較高溫度時提前腔向滯后腔泄漏量較大。

5 結論

(1)設計了VVT動態(tài)響應特性測試的試驗測試系統(tǒng)，完成了OCV工質流量的特性測試，得出其各出口流量與控制信號占空比并非呈線性關系，流量只在占空比為40%～70%范圍內變化時才改變。

(2)提出了利用曲軸轉速信號與凸輪軸位置信號兩者之間的關系來測量相位器動態(tài)響應特性的新方法，以測定不同轉速、溫度、壓力以及不同OCV對相位器的動態(tài)響應影響。結果表明，轉速和高于70℃的溫度對相位器動態(tài)響應特性的影響較小;而壓力的變化對相位器動態(tài)響應的影響較大;當壓力高于0.2MPa時，隨著壓力的升高，OCV對相位器的動態(tài)響應時間成線性關系縮短，且均是滯后方向響應時間快于提前方向。

(3)試驗通過采用橡膠對油道進行有選擇性的堵塞完成了對相位器泄漏量的測試。結果表明相位器的泄漏量隨著壓力的升高成線性關系增加，高溫時提前腔向滯后腔的泄漏量較大，同時受溫度的影響明顯。

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