歡迎訂閱　歡迎投稿　歡迎惠登廣告　混合動力發動機多鎖式液壓可變氣門正時控制系統的開發

T.Anada　M.Hayashi　M.Kobayashi　S.Nakajima

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歡迎訂閱歡迎投稿歡迎惠登廣告混合動力發動機多鎖式液壓可變氣門正時控制系統的開發

【日】K.ShiozawaK.ArigaT.MurataH.ItoH.Takeuchi

T.AnadaM.HayashiM.KobayashiS.Nakajima

摘要：有利于改善環境的汽車技術不斷發展，而由于內燃機仍是車輛的主流動力源，所以這些技術也針對內燃機的開發。日產汽車公司開發出一種多鎖式液壓氣門正時控制系統，并用于為Pathfinder和Infiniti JX混合動力車新開發的QR25DER型發動機。新開發的系統可以在電動車模式的發動機冷起動和怠速停車再起動2種情況下獲得優化的氣門正時。介紹多鎖式液壓氣門正時控制系統的概況、原理和應用效果。

關鍵詞：混合動力多鎖式液壓可變氣門正時控制系統運行失效機理

0前言

近年來，隨著世界范圍內對環境問題的關注日益增加，為了緩和汽車發動機對環境的影響，降低燃油耗和廢氣排放的技術層出不窮，其中，混合動力技術的重要性日益突顯。日產汽車公司開發出一種多鎖式液壓可變氣門正時控制(VTC)系統，用于新開發的配裝于Pathfinder和Infiniti JX混合動力車的QR25DER型發動機。

2012年，開發了一種采用最佳角位置鎖定機構的VTC系統，以減少2013款 ALTIMA車型發動機的燃油耗和廢氣排放。

通過采用多鎖機理，新開發的VTC系統使車輛在以電動車模式巡航(發動機從怠速停車狀態下再起動)和冷態起動時可以實現最佳氣門正時。本文說明中間多鎖式VTC系統的運行原理，以及開發過程中遇到的挑戰。

1混合動力發動機的起動氣門正時

在混合動力車中，主要有2種發動機起動方式： (1) 發動機冷起動；(2) 發動機從怠速停車狀態下再起動。這兩種方式的差異如下文所述。

1.1　發動機冷起動

由于發動機在低溫起動時催化轉化器無法正常工作，所以關鍵是要減少發動機在此時的排放。在這種情形下，同時打開進氣門和排氣門(氣門重疊)被認為是有效的方案。

但另一方面，低負荷工況下氣門重疊角過大將導致燃燒過程不穩定。因此，考慮到燃燒穩定性和對減排的影響，須合理選擇重疊角。對于本系統，當進氣VTC被鎖定在中間位置時，氣門重疊角設定為12°CA。

圖1示出通過增加冷起動時的氣門重疊角來降低發動機碳氫化合物(HC)排放的效果。

1.2　發動機從怠速停車狀態下再起動

在裝有多鎖定機構VTC系統的混合動力車中采用單電機雙離合器配置。當車輛的行駛狀態滿足怠速停車條件時，車輛怠速停車，但隨著車輛開始再次加速，在電動車模式下發動機再次起動。在這種情況下，發動機起動時引起的振動被傳遞到車輛內部。為了減小這種振動，通過延遲發動機的進氣門關閉正時來實現減壓氣門正時。應用減壓氣門正時后，車輛底板振動的降低效果如圖2所示。另一方面，在減壓階段延遲進氣門關閉正時，會降低發動機輸出扭矩。針對這一問題的對策將在下文介紹。上述各氣門正時如表1所列。針對這兩種車輛狀態，開發了對應這兩種發動機起動氣門正時狀態的多鎖式VTC系統。

2系統結構

當前的VTC系統被安裝在凸輪軸的前端。該系統利用1個正時鏈條將曲軸的旋轉力傳遞到凸輪軸，同時連續調節旋轉相位。

圖3示出了開發過程中所使用的最佳角位置鎖定VTC系統的結構。這個系統包括1個最佳角位置鎖定VTC裝置、1個控制相位的機油控制閥(OCV)、1個用于鎖定和解鎖VTC裝置鎖緊鍵的機油切換閥(OSV)，以及1個提供液壓壓力驅動VTC系統的機油泵。為VTC系統所開發的OCV和OSV由發動機電控單元(ECU)根據行駛條件進行控制。

2.1　多鎖式VTC系統的基本結構

本文介紹的多鎖式VTC系統和已有的中間鎖定VTC系統的比較如圖4所示，所開發的零部件詳細結構如圖5所示。多鎖式VTC的特征是具有2個鎖定位置，一個位于最大延遲位置，另一個位于中間位置。在結構上，多鎖定功能是由在最大延遲位置將鎖鍵b插入轉子槽來實現的。中間位置鎖鍵由OSV控制，最大延遲位置鎖鍵由OCV控制。

多鎖式VTC與中間鎖定VTC之間的差異是，多鎖式VTC在最大延遲位置有1個槽，具有較大的動態移動范圍，并且設計簡單。

2.2　多鎖式VTC系統的工作原理

2.2.1發動機冷起動

從ECU尚未發出供電指令給OSV和OCV供電的初始狀態開始，依次介紹中間位置鎖定控制的工作原理。在初始狀態下，各鎖鍵均由其彈簧反作用力插在轉子槽中。

當發動機的點火開關通電時，電流接通OSV和OCV。起初，電流只接通OSV，液壓不供給VTC單元，使鎖鍵不能解鎖，此時，通往OCV的電流是斷開的。一旦發動機起動，機油泵將發動機機油供給VTC單元延遲液壓腔，VTC單元泄漏的發動機機油也提供給提前液壓腔。這兩個腔室隨即充滿機油。

下一步，為解開鎖鍵，切斷通往OSV的電流，發動機機油隨后供給轉子槽，用于鎖鍵解鎖。這時通往OSV的電流通常是切斷的，并且鎖鍵保持解鎖狀態，直到發動機停機。

通過控制OCV的供電完成操作，獲得VTC目標相位角，這與現有VTC系統相同。

為了使發動機在停機時轉換為初始相位，首先向OSV供電，并且停止用于鎖鍵解鎖的發動機機油供給，可以在任意時間將鎖鍵插入到轉子槽中。接著，根據ECU指令向OCV供電,轉子被轉換到提前狀態，這時鎖鍵被插入轉子槽，從而將系統鎖定在最佳初始位置。

2.2.2發動機的怠速停車再起動

本節介紹最大延遲位置鎖定控制的工作原理。從ECU向OSV和OCV發出供電指令前的初始狀態開始，在初始狀態下，僅鎖鍵b在彈簧反作用力下仍處于轉子槽中。

當發動機的點火開關通電時，電流接通OSV和OCV。起初，電流只接通OCV，液壓供給VTC單元，使鎖鍵b解鎖。此時，通往OSV的電流仍然斷開。一旦發動機起動，機油泵將發動機機油供給VTC單元的提前液壓腔。而且，VTC單元內部泄漏的發動機機油也被供給到提前液壓腔中。因此，這兩個腔室都充滿發動機機油。

為了進入中間位置，執行上文提及的相同步驟。基于這些工作原理步驟，表2和圖6歸納了各種狀態下典型的發動機工況，以及相應的VTC運行狀態。這些運行狀態的特征是新VTC始終通過鎖鍵鎖定在最佳初始位置，以改善發動機在起動和停機時的排放。

表2　發動機運行步驟(典型示例)

通過應用多鎖式VTC系統，氣門正時的問題得到解決，但由于采用減壓氣門正時，加速性能不足的問題仍然存在。下面介紹如何解決這個問題。

3采用減壓閥正時解決加速性能不足的問題

是否應用減壓閥正時的發動機節氣門全開性能如圖7所示。由圖7可見，采用減壓閥氣門正時后，加速性能顯然較差。這是由進氣門關閉正時延遲引起的，后者導致進氣充量減小。

因此，VTC在發動機轉速高于車輛諧振頻率后開始運行，并且通過提前進氣門關閉正時，在車輛加速時獲得所需的發動機扭矩。

此外，如果VTC在發動機達到所需機油壓力前開始運行，就有發生運行故障的風險。因此，大多數情況下，在VTC系統開始運行前，通常會采用發動機預定的起動延時。

4運行失效機理

OCV控制最大延遲鎖鍵的釋放動作及VTC相位調整動作。此外，最大延遲鎖鍵在結構上被設計成只有當VTC位于最大延遲位置時才能被釋放，它同時被驅動至延遲位置(A腔關閉，B腔打開)。在這種條件下，在鎖鍵和轉子之間產生間隙，允許鎖鍵被釋放。因此，如果OCV在機油壓力到達延遲腔(B腔)之前通電，若上述間隙由于轉子相位調整運動被減小到鎖止鍵不能脫開的程度，就可能會發生運行故障。在這種情況下，VTC不能向提前位置運動，因為這會導致發動機性能降低。

另一方面，所需的發動機機油壓力達到VTC運行水平的時間取決于發動機不運行時(發動機停機后)從VTC油腔排出的機油量，所需時間與怠速停車的持續時間成正比。如圖8所示，怠速停車的持續時間越長，發動機機機油壓力達到VTC運行水平的時間就越長。

因此，根據怠速停車持續時間預置VTC運行延遲，可以實現最佳的系統工作可靠性，并且使運行延遲最小化，改善發動機扭矩特性。也就是說，執行VTC運行延遲可以使進氣VTC動作更快，并直接獲得更快的車輛響應。

如果不考慮運行延遲，VTC的運行時間會更長，從而在怠速停車運行后降低加速性能。

執行預置的VTC運行延遲控制后，車輛加速性能改善約40%(圖9)。

5結語

為了實現最佳的發動機排放性能和車輛駕駛性能，開發了一種多鎖式VTC系統。通過對現有中間鎖定式VTC進行簡單的結構修改，增加1個鎖鍵槽，使裝置保持在最大延遲位置，開發出多鎖式VTC。通過執行VTC預置延遲，發動機扭矩特性獲得改善，并實現了最佳的系統運行可靠性。

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張然治譯自SAE Paper 2014-01-1703

劉巽俊校對

虞展編輯

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收稿日期：( 2014-09-15)