VVT發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

劉魏輝

海馬轎車有限公司，河南鄭州 450016

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是“汽車的心臟”，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸相位不能隨汽車速度、負(fù)荷以及各種外部因素變化，在汽車整個(gè)運(yùn)行的過(guò)程中，僅在很小的工況范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)才會(huì)獲得最佳的配氣相位，在其它情況下則很難兼顧[1-2]。VVT（Variable Valve Timing）“智能可變氣門正時(shí)系統(tǒng)”的出現(xiàn)解決了這一傳統(tǒng)難題，進(jìn)氣門開啟與關(guān)閉的時(shí)機(jī)能夠隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證了充氣系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和功率的最優(yōu)化，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、降低油耗、減少排放有重要作用。

OCV和執(zhí)行器是氣門可變正時(shí)（VVT）發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵部件，OCV是可變氣門正時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)上控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門的低壓機(jī)油控制閥，執(zhí)行器是改變凸輪軸相位正時(shí)控制器。發(fā)動(dòng)機(jī)中央控制單元計(jì)算出最佳氣門正時(shí)，輸出不同脈寬的控制信號(hào)改變OCV閥的油門的開口度，改變油路的流量，控制執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和凸輪相位，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、排氣的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

OCV及執(zhí)行器的生產(chǎn)和制造是一個(gè)涉及多學(xué)科，復(fù)雜程度高，精密加工的過(guò)程，產(chǎn)品要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢驗(yàn)。國(guó)外在OCV與執(zhí)行器產(chǎn)品測(cè)試方面已經(jīng)形成一個(gè)較為完整體系，相比之下，國(guó)內(nèi)很少有廠家能夠生產(chǎn)功能完善、精度高以及可靠性強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備。

1 VVT工作及測(cè)試原理

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門開啟、關(guān)閉的時(shí)間是固定不變的，這種配氣機(jī)構(gòu)僅能使發(fā)動(dòng)機(jī)在很小的工況范圍內(nèi)獲得最佳的性能，無(wú)法兼顧其它情況。所以傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中高速的進(jìn)氣跟排氣無(wú)法實(shí)行控制，為此，應(yīng)用VVT技術(shù)通過(guò)實(shí)現(xiàn)氣門疊加角可變（氣門正時(shí)）來(lái)解決這一矛盾，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在高低速時(shí)均表現(xiàn)出最佳性能。曲軸位置傳感器、空氣流量計(jì)、節(jié)氣門位置傳感器、水溫傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、水溫和車速等信息傳遞給ECU，ECU計(jì)算出每個(gè)工況條件下最佳氣門正時(shí)，發(fā)送指令控制OCV閥芯位置，改變執(zhí)行器提前腔、延遲腔的位置，以實(shí)現(xiàn)凸輪軸相位的自動(dòng)調(diào)節(jié)，獲得最佳氣門正時(shí)。

OCV閥受ECU的不同脈寬的控制信號(hào)，不同的脈寬信號(hào)產(chǎn)生不同的平均電壓，此電壓加到OCV閥繞組上，使OCV閥的閥芯根據(jù)不同的電壓產(chǎn)生不同的移位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)油路的流量控制。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

OCV實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓電磁閥，其電壓大小決定于ECU信號(hào)的脈寬，變化的電壓使線圈的電流隨之而變，來(lái)實(shí)現(xiàn)OCV閥的位移量，實(shí)現(xiàn)控制油門大小的目的。OCV閥的結(jié)構(gòu)如下圖所示，其主要由套筒、線圈、柱塞、連接器、彈簧、線軸閥組成，其上面有進(jìn)油口、延遲出油口、提前出油口和2個(gè)排油口。

圖1 OCV內(nèi)部構(gòu)造圖

其提前出油口和滯后出油口通過(guò)油管分別和執(zhí)行器的提前腔、滯后腔連接，兩個(gè)排油口也分別和腔體連接。

執(zhí)行器由鏈輪、定子、轉(zhuǎn)子以及刮片、彈片等組成。定子（外殼）固定在鏈輪上，轉(zhuǎn)子固定在凸輪軸上，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 執(zhí)行器內(nèi)部構(gòu)造

VVT的工作原理是通過(guò)OCV閥提前出油口或滯后出油口的開啟大小控制油路的流量，進(jìn)入執(zhí)行器的提前腔或滯后腔，通過(guò)油壓帶動(dòng)轉(zhuǎn)子向提前方向或滯后方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣和排氣的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

執(zhí)行器提前控制：

圖3 OCV提前系統(tǒng)油路

ECU的脈寬信號(hào)占空比較大時(shí)（脈寬大于45%以上時(shí)），OCV閥芯移到了左側(cè)，提前口打開，延遲口關(guān)閉，執(zhí)行器的提前腔進(jìn)油，推動(dòng)轉(zhuǎn)子向提前方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使凸輪軸向提前方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。

執(zhí)行器滯后控制：

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，需要執(zhí)行器向滯后方向運(yùn)動(dòng)，ECU發(fā)出相應(yīng)的脈寬信號(hào)，占空比變小（脈寬小于36%以下時(shí)），使OCV閥開啟滯后口（OCV閥芯移到了右側(cè)），關(guān)閉提前口，高壓油進(jìn)入滯后腔，推動(dòng)轉(zhuǎn)子向滯后方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到凸輪向滯后方向調(diào)節(jié)的目的，同樣，當(dāng)凸輪軸上的相位傳感器上的角度達(dá)到給定值時(shí)，ECU馬上給OCV閥發(fā)出關(guān)閉指令，從而使執(zhí)行器穩(wěn)定工作在此工況下的進(jìn)氣或排氣角。如圖4所示。

圖4 OCV滯后系統(tǒng)油路

ECU的脈寬信號(hào)的脈寬達(dá)到40%左右時(shí)，OCV閥芯處于中間，提前室、延遲室均關(guān)閉，執(zhí)行器提前腔、延遲腔不進(jìn)油，凸輪軸相位保持不變。

2 OCV設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

1）閥芯質(zhì)量

閥芯質(zhì)量是影響閥芯運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度的重要因素，在OCV閥設(shè)計(jì)中，由于閥芯本身的質(zhì)量不大，影響相應(yīng)速度的主要要素是磁力和彈簧力的選配。

2）閥芯行程和磁路長(zhǎng)度

為了提高OCV閥的響應(yīng)速度，所以閥芯的運(yùn)動(dòng)形成盡量短，一般在3mm左右，因?yàn)殚y芯的行程越短，運(yùn)動(dòng)延時(shí)越短，由于行程短，磁路氣隙也小，以達(dá)到減小磁阻提高磁力的目的。同時(shí)減小行程可以使磁路氣隙長(zhǎng)度減小，以至磁阻減小達(dá)到提高電磁驅(qū)動(dòng)力的目的。

3）線圈匝數(shù)

線圈匝數(shù)在同等電流條件下，正比于磁力大小，但是在特定的容積內(nèi)，線圈匝數(shù)增加，其導(dǎo)線就越細(xì)，電阻就越大，使（同等電壓下）電流減小，從而使磁力下降，所以線圈的匝數(shù)在給定容積的條件下，是受到制約的，必須要和彈簧的強(qiáng)度合理地選配。而且，匝數(shù)越多，電感量越大，使電流的變化響應(yīng)慢，磁動(dòng)勢(shì)增長(zhǎng)慢。可見(jiàn)線圈匝數(shù)太多、太少都不利于電磁閥的快速動(dòng)作。因此，必然存在一個(gè)使動(dòng)作時(shí)間最短最合適的匝數(shù)。

4）線圈電阻

線圈電阻在設(shè)計(jì)中并不是主導(dǎo)要素，因?yàn)闆Q定線圈所需的匝數(shù)，當(dāng)線圈的匝數(shù)和導(dǎo)線的粗細(xì)選定后，電阻就基本確定，沒(méi)有選擇的余地。這里特別要提到的，由于線圈工作時(shí)發(fā)熱引起電阻的增加，從而影響電流、磁力，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須留有適當(dāng)?shù)碾娏饔嗔俊?/p>

5）線圈的電壓

線圈的工作電壓，系統(tǒng)已經(jīng)確定，為了降低磁滯回線的影響，OCV閥線圈的工作電壓沒(méi)有用直流電壓，而是用方波信號(hào)進(jìn)行控制，這對(duì)提高OCV閥的控制線性度、重復(fù)性、控制精度等都有明顯的效果。

6）材料

由于導(dǎo)磁體本身的磁飽和現(xiàn)象，磁通量與電流為非線性關(guān)系。當(dāng)電流達(dá)到一定程度時(shí)，磁通量將不再增加，所以應(yīng)選擇具有高磁飽和磁通密度的材料作為導(dǎo)磁體。

7）非工作氣隙

減小非工作氣隙的大小，不但可以改善電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)也有利于減小功耗，延長(zhǎng)電磁鐵的工作壽命。

8）彈簧

為了在發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，也就是說(shuō)在ECU沒(méi)有控制型號(hào)的時(shí)候，OCV閥能處于滯后狀態(tài)，而保證執(zhí)行器在鎖定的位置，所以O(shè)CV閥彈簧能保證閥芯處在滯后狀態(tài)。在電磁閥開啟過(guò)程中，彈簧力是開啟的反力，而在閥門關(guān)閉的過(guò)程中，彈簧力是關(guān)閉的驅(qū)動(dòng)力。因而在行程一定的情況下，對(duì)彈簧剛度的選擇必須兼顧閥門的開啟和關(guān)閉這兩個(gè)過(guò)程，選擇合適的剛度系數(shù)。

OCV通過(guò)工作狀況改變系統(tǒng)油路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪軸，改變發(fā)動(dòng)機(jī)氣門正時(shí)，本系統(tǒng)要判定出占空比信號(hào)下OCV是提前、滯后還是保持。OCV提前時(shí)，執(zhí)行器相位會(huì)逐漸增加至行程角度的最大值；OCV滯后時(shí)，執(zhí)行器相位會(huì)逐漸減小至行程角度的最小值；OCV保持時(shí)，執(zhí)行器相位則會(huì)停留在原點(diǎn)，保持不變。通過(guò)監(jiān)測(cè)凸輪軸上的相位傳感器的角度，即可辨別出OCV的工作狀況。

3 結(jié)論

節(jié)省油耗、降低排放、提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的三大重要指標(biāo)，特別是要達(dá)到歐四歐五排放標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法滿足要求，所以此系統(tǒng)的應(yīng)用是成必然趨勢(shì)，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)性能良好，價(jià)格合理的國(guó)產(chǎn)VVT系統(tǒng)是勢(shì)在必須，本人著重討論了VVT系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)組成、功能和設(shè)計(jì)中的要素。

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