兩級可變式氣門升程系統試驗研究

黃旭 郝曉偉 周洲

（1．上海汽車集團股份有限公司技術中心／上海市汽車動力總成重點實驗室，上海 201804 2．上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

0 前言

傳統發動機的氣門升程是固定不變的，無法兼顧高低轉速時發動機的性能。可變氣門升程技術可以根據工況的不同改變氣門升程，以提高發動機的動力性及經濟性。當發動機在較小負荷運轉時，采用氣門低升程，可以減少泵氣損失，改善燃油經濟性。當發動機在較大負荷運轉時，切換到高升程，可輸出較大功率及扭矩，提高動力性。

本田于1989年成功研制可變氣門正時和氣門升程電子控制系統（VTEC），以及升級版的智能可變氣門正時系統（i－VTEC）技術。全球其他汽車廠商也都相繼推出可變氣門升程技術，采用分段氣門升程調節的車型有奧迪 AVS、三菱 MIVEC、保時捷Cariocam Plus等。德爾福開發了一款連續可變氣門升程機構（CVVL），寶馬開發了Valvetronic系統，日產開發了VVEL系統，豐田開發了Valvematic系統。另外，同樣屬于可變升程范疇的停缸系統包括奔馳1．3T停缸系統（CDS）、通用停缸系統（CSS tripower）、大眾EA211的停缸系統（ACT）、福特的1．0L三缸機停缸系統（DRFF）等［1－7］。

本文所述的可變氣門升程機構為兩級可變氣門升程機構，通過特制的控制器根據特定的控制邏輯完成高低升程切換。

1 試驗臺架與機構原理

試驗臺架采用變頻電機直驅凸輪軸的方式驅動，為非點火零部件試驗臺架。主要部件包括缸蓋總成支撐工作臺、驅動電機、機油循環控制系統、激光數據采集系統、臺架工況采集傳感器等。試驗研究所采用的可變氣門升程系統機構臺示意如圖1所示。

圖1 可變氣門升程系統機構測試臺示意

可變氣門升程機構系統所用缸蓋、凸輪軸罩蓋、可移動式凸輪軸、執行機構電磁閥為特制零件，通過控制器控制執行機構動作，實現高低升程切換。通過激光位移系統測試氣門升程運動，記錄凸輪型線，驗證切換是否成功。

2 試驗方法

在可變氣門升程技術應用到發動機整機及進行點火試驗之前，需要在零部件臺架對配氣機構性能進行驗證試驗，測試氣門升程、氣門速度、氣門加速度、動力學扭矩特性等，以確保機構的切換性能的可靠，為后續發動機整機點火試驗提供數據輸入。

試驗基于某2．0L渦輪增壓發動機缸蓋，通過設計高低升程關鍵零部件，如可變氣門升程凸輪軸、高低升程切換執行器等，進行倒拖試驗，測試氣門升程、氣門速度、氣門加速度、凸輪軸扭矩，分析高低升程切換的響應速度及切換可靠性，同時監控升程切換執行器的動作是否正常［8－9］。通過工控機記錄的參數包括凸輪軸轉速、扭矩、機油溫度、機油壓力［10］。

通過激光位移測量系統測試氣門升程、氣門速度、氣門加速度，記錄凸輪型線，通過凸輪型線判斷機構切換是否成功。

3 試驗結果及分析

3．1 氣門升程特性

圖2為在某轉速下高升程與低升程的氣門升程曲線，從中可見，高升程與低升程的凸輪型線光滑，通過氣門升程測試可精確獲得氣門升程值。通過在試驗過程中監控氣門升程曲線，可實時判斷升程切換成功與否。

圖2 進氣凸輪軸氣門升程曲線示意圖

3．2 氣門速度特性

圖3 為低升程切換至高升程氣門速度示意圖，從中可以看出，在同一發動機轉速下，高升程狀態的氣門速度大于低升程狀態的氣門速度，由于此款發動機高升程與低升程的氣門升程差值不大，故發動機氣門速度差值也不大。

從速度零點可看出，零點位置速度并未出現波峰波谷，即基本在速度零點附近。同時結合圖2氣門升程特性曲線可以看出，氣門落座后，無明顯反跳現象發生，凸輪移動式升程切換機構切換過程平穩，可滿足性能開發要求。

3．3 電磁閥響應特性

圖3 進氣凸輪軸氣門速度示意圖

可變氣門升程系統的關鍵執行機構電磁閥的響應特性分析結果如圖4所示。1A－11為電磁閥A銷在11 V驅動電壓下的切換時間，1A－12為電磁閥A銷在12 V驅動電壓下的切換時間，1B－11為電磁閥B銷在11 V驅動電壓下的切換時間，1B－12為電磁閥B銷在12 V驅動電壓下的切換時間。

從圖4可以看出，在12V驅動電壓時，電磁閥動作時間與響應時間比11V驅動電壓時有所縮短，進而整個切換時間縮短，此結果表明，提高驅動電壓，使得電磁閥響應變快，性能更優。在后續開發進程中，可考慮優化電磁閥設計，減小線圈電阻值，進一步提高電磁閥響應性能。

圖4 電磁閥響應特性分析

3．4 電磁閥動作反饋信號監測

圖5 為電磁閥動作反饋電壓值。可以看出，電磁閥在動作時，通過霍爾傳感器感應電磁閥A銷與B銷的實時位置，當A銷伸出B銷縮回，B銷伸出A銷縮回，A銷與B銷都縮回時，霍爾傳感器分別輸出1個電壓值。通過輸出的電壓值，與標定量進行比較，可實時判斷出電磁閥的實際動作狀態。通過實時監控的氣門升程切換狀態，與電磁閥動作狀態進行對照，結果一致。

3．5 氣門升程切換

圖5 電磁閥動作反饋電壓值

圖6 為低升程切換至高升程示意圖。系統處于低升程狀態時，通過控制器給電磁閥發出通電信號后，電磁閥在特定的相位時刻伸出動作，將凸輪軸套從低升程移動至高升程狀態。從圖中曲線可以看出，系統在電磁閥接收到控制器切換信號后的一個循環內實現了低升程至高升程的切換，表明切換系統在當前轉速范圍內由低到高具備可靠的切換性能。

圖6 低升程切換至高升程示意圖

圖7 為高升程切換至低升程的示意圖。系統處于高升程狀態時，通過控制器向電磁閥發出通電信號后，電磁閥在特定的相位時刻伸出動作，將凸輪軸套從高升程移動至低升程狀態。從圖中曲線可以看出，系統在電磁閥接收到控制器切換信號后的一個循環內實現了高升程至低升程的切換，表明切換系統在當前轉速范圍內由低到高切換的可行性。

圖7 高升程切換至低升程示意圖

當前機構切換都是在較低轉速下進行，經過多次反復試驗表明，在不超過特定轉速時，可實現一個循環內的可靠切換。

當前系統在開發過程中，通過電磁閥在特定的相位時刻完成伸出與縮回動作，可成功實現系統高低升程的切換，而相位時刻錯誤時，則無法實現系統高低升程切換。因此，當前系統需根據電磁閥的響應特性精確定義切換策略，進而實現系統的可靠切換運行。

3．6 氣門升程隨轉速與油溫變化特性

由圖8和圖9可以看出，在低升程凸輪與高升程凸輪狀態下，隨著機油溫度的升高，氣門升程呈現增大的趨勢。在低升程狀態下，機油溫度從較低油溫升溫到較高油溫，氣門升程增大1．3%。在高升程狀態下，機油溫度從較低油溫升溫到較高油溫，氣門升程增大1．4%。因此，從變化幅度來看，氣門升程隨油溫升高呈現增大的趨勢，但增大幅度較小。

圖8 低升程隨油溫變化曲線

圖9 高升程隨油溫變化曲線

由圖10和圖11可以看出，低升程凸輪與高升程凸輪狀態下，隨著轉速的升高，氣門升程呈現增大的趨勢。在低升程狀態下，凸輪軸轉速從較低轉速升高到較高轉速，氣門升程增大0．8%。在高升程狀態下，凸輪軸轉速從較低轉速升高到較高轉速，氣門升程增大0．4%。因此從變化幅度來看，氣門升程隨轉速升高呈現增大的趨勢，但增大幅度較小。

圖10 高升程隨油溫變化曲線

圖11 高升程隨油溫變化曲線

3．7 結果分析

由上述試驗結果可看出：切換機構在完成一系列動作后實現了高低升程的切換，表明該可變氣門升程系統能夠實現切換功能。隨著低升程切換至高升程，氣門速度呈現增大的趨勢，氣門落座后，無明顯反跳現象發生。

在不超過特定轉速且機油溫度在某一特定范圍內時，可實現一個循環內的可靠切換。當凸輪軸轉速超過特定轉速時，切換機構也可進行調整，但機構沖擊較大，存在一定的失效風險。故該切換機構限定在特定轉速與機油溫度范圍內才可實現可靠切換。

4 結論

該可變升程系統在氣門升程切換過程中，機構升程切換平穩可靠，氣門落座平穩，無明顯反跳現象發生。氣門升程隨油溫升高呈現增大的趨勢，但增大幅度較小。氣門升程隨轉速升高呈現增大的趨勢，但增大幅度較小。

在不超過特定轉速且機油溫度在某一特定范圍內時，可實現一個循環內的可靠切換。當凸輪軸轉速超過特定轉速時，切換機構也可實現切換，但機構沖擊較大，存在一定的失效風險。

由于切換機構對于執行切換動作的電磁閥響應速度要求較高，同時對于電磁閥的一致性要求也較高，以便于控制功能的實現，故為了使該系統在發動機及整車試驗中更加可靠，可進一步優化電磁閥的結構，提高電磁閥的響應速度，進一步提高電磁閥動作特性的一致性及穩定性，同時可優化控制策略，使切換邏輯更加優化，切換過程平穩可靠，提高耐久性能。