VVT技術在單凸輪軸發動機上的應用研究

曲德鑫，盧洪英，曹權佐，潘圣臨，王劍鋒（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

VVT技術在單凸輪軸發動機上的應用研究

曲德鑫，盧洪英，曹權佐，潘圣臨，王劍鋒
（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章以DAE公司批產機型4G1單凸輪軸發動機為基礎，通過理論研究、結構設計以及功能開發，實現了VVT技術在單凸輪軸發動機上的應用，并開創了國內單凸輪軸發動機采用VVT技術批量生產的先例。最終通過試驗結果表明：①VVT技術在該項目上的成功，打破了業內對于VVT技術能否在單凸輪軸發動機上成功應用的疑慮；②在單凸輪軸發動機上采用VVT技術，能在取得性能提升的前提下最大程度上實現了在現有生產線上共線生產。

VVT；單凸輪軸發動機；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

可變氣門正時技術簡稱VVT（Variavle Valve Timing）技術，其在雙凸輪軸發動機上的應用現已成為成熟技術，該技術對發動機整體性能的提升起到明顯的作用， 但雙凸輪軸發動機結構復雜、摩擦副多且成本相對較高。單凸輪軸發動機相對雙凸輪軸發動機結構簡單、成本較低且摩擦副少，更具有節油的潛力，不過由于業界對VVT技術應用在單凸輪軸發動機上的預期效果等并不清晰，并且開發難度較大，因此幾乎沒有企業或機構涉及單凸輪軸VVT發動機技術的研發。我公司為兼顧性能、油耗以及成本因素，創新性的將VVT技術應用在單凸輪軸發動機上，并取得了成功，使該發動機在性能及油耗方面與原型機相比大幅提升。

1、應用原理

由于單凸輪軸發動機的結構特性決定，即使在單凸輪軸發動機上應用VVT系統，也無法改變發動機的氣門重疊角，因此對于氣門開啟、關閉時刻的控制，是VVT系統在單凸輪軸發動機上應用的重點。對于不同的進氣門開閉時刻，對發動機主要有以下影響：

1）在發動機進氣開始時，因氣門開啟初期氣門上升緩慢，流通截面小，以及進氣氣流由靜止到加速的滯后影響，會使缸內真空度加大，進氣量減少，進氣損失增大，所以要求進氣門在上止點之前適當提前開啟。

2）在發動機進氣結束時，由于充入氣缸內的高速氣流仍具有一定慣性，因此此時若延遲關閉氣門，可以充分利用這部分慣性增大進氣量，以此提高發動機的性能。

4G15V發動機的VVT系統正是利用以上兩點特性對發動機正時進行控制，以達到在不同工況選擇最優的進氣策略的目的。

2、VVT系統在4G15S發動機上的布置研究

采用單凸輪軸VVT系統，控制方式選用葉片類型持續可變式。這是綜合考慮該發動機的結構特點及VVT綜合性能和成本核算等各方面因素后確定的方案。

2.1原型機結構介紹

4G15S發動機是四缸十六氣門多點電噴發動機，發動機排量1488ml。該發動機的配氣機構為單頂置凸輪軸配氣。

2.2加裝VVT系統基本方案

根據公司產品的市場定位及原型機結構，4G15S發動機加裝VVT系統的原則是在滿足發動機性能開發的前提下，盡可能減少原型機零部件的結構變動，實現發動機零件的共用最大化，降低成本。在4G15S現有SOHC結構基礎上增加VVT，從系統構造上說，這就需要對4G15S發動機本體零部件現有結構進行以下調整：

（1）供油方面

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

2）缸蓋進氣凸輪軸孔第一軸承座增加相位調節器控制油路。

3）在缸蓋下方增加OCV閥供油孔，并設計油路連接OCV閥和缸體主油路。

4）根據供油需求調整機油泵轉子厚度，提高其泵油能力。

（2）VVT系統零件安裝方面

1）在缸蓋下方增加OCV閥安裝孔。

2）凸輪軸前端調整結構，以滿足相位調節器（CVCP）的安裝需求，調整相位器安裝螺栓，變為中空結構。

3）更改凸輪相位信號輪結構，根據電噴系統控制要求，信號齒數細化。

4）調整正時帶罩殼結構，確保相位器的安裝。

圖1　4G15S發動機安裝凸輪相位器的總體布置結構示意圖

最終 4G15S發動機安裝凸輪相位器的總體布置結構示意圖，如圖1所示。

2.3VVT系統油路布置方案

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

圖2　VVT系統油路布置簡圖

2.3.1供油主油路路線

缸蓋上獨立的控制油路由缸體中引出機油，如圖2所示，然后經由 OCV油壓控制閥（安裝在缸蓋上），進而根據 ECU控制程序將機油分兩條油路（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，最后流回到發動機油底殼中，從而完成回油過程。

2.3.2正時提前油路路線

當需要發動機配氣正時提前時，ECU發出信號控制油壓控制閥中的機油，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的轉子和凸輪軸一起沿相同方向旋轉（從發動機前方看順時針方向），氣門正時被提前，如圖2所示。此時與氣門正時延遲室相通的油路成為回油路。

2.3.3正時延遲油路路線

當需要發動機配氣正時延遲時，ECU會發出信號來控制流過OCV閥中的機油，將機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的轉子與凸輪軸一起沿相同方向旋轉（從發動機前方看為逆時針方向），從而實現了氣門正時被延遲，如圖2所示。此時與CVCP前端的延遲室相通的油路成為回油通路。

2.4VVT系統控制原理

圖3　VVT系統控制方框圖

VVT系統工作時所需要的凸輪軸相位由ECU根據發動機各種運轉參數（包括轉速、負荷、冷卻液溫度等等）來綜合確定。ECU根據所需的相位值來控制OCV閥動作，從而改變CVCP的轉子和定子間的相對位置，進而實現對氣門正時的間接控制。目前的VVT系統是通過PID（閉環比例積分微分）控制，隨時調整修正目標相位與實際相位的偏差，從而實現了發動機性能的提升。VVT系統控制方框圖如圖3所示。

3、試驗驗證及數據分析

為驗證4G15V發動機性能，公司在發動機臺架上進行相關對比測試。

3.1發動機匹配

本項目發動機匹配的方法是：在4G15S發動機匹配數據基礎上，從相位器能調整到的最提前角開始，以一定的步長一直標定到最滯后角位置。在固定一個相位角后，調整點火、噴油等參數，然后進行綜合考慮選取性能最佳點進行數據固化。關鍵策略如表1所示。

表1　VVT相位調整策略

3.2試驗數據分析

通過試驗數據對比，在4G15S發動機上增加VVT系統后，整機性能得到很大提升。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，發動機在特征點油耗上也明顯下降，詳見表2：

表2　特征點油耗下降前后對比數據

從試驗結果上看，增加VVT系統后，發動機在中低轉速下的扭矩提升較為明顯，在2000rpm時提升率達到7%以上，這也正符合國內實際常用駕駛工況的特點。而在油耗方面，各特征點油耗平均下降約5%，有效的提升了發動機的燃油經濟性，滿足國內對低油耗發動機的市場需求。

4、結論

該發動機的成功開發，證明VVT技術不但可以在單凸輪軸發動機上應用，還能有效地改善發動機的動力性能和經濟性，打破業界對于VVT能否在單凸輪軸發動機上成功應用的疑慮。也證明結構簡單、成本低廉、運行可靠的單凸輪軸發動機仍具有升級潛力與市場空間。此外該發動機也是國內市場上第一款批量上市的采用VVT技術的單凸輪軸發動機，開創了VVT技術在單凸輪軸發動機上應用的先河，填補了VVT應用領域的技術空白。

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[2] 李瑜,張華娟等.EGR系統在SNH4102型柴油機中的標定試驗[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動機制造有限公司技術中心，研究方向為發動機設計、新技術預研。