發(fā)動機(jī)進(jìn)氣VVT調(diào)節(jié)速度超標(biāo)的解決方法

張大晴，王兆遠(yuǎn)，董南南，李彬，彭玉龍，徐麗君

(江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

目前發(fā)動機(jī)VVT系統(tǒng)的運(yùn)用較為廣泛，VVT技術(shù)主要是通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣門開啟角度的提前和延遲調(diào)節(jié)進(jìn)氣量的大小，以此來增大發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量和進(jìn)氣效率，同時可以調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的爆發(fā)壓力及殘余廢氣量[1]，由此獲得發(fā)動機(jī)更高的動力性及經(jīng)濟(jì)性。

圖1 單VVT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)動機(jī)一般有單VVT系統(tǒng)和雙VVT系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)可單獨(dú)使用也可組合使用，組合使用效果最佳，但是成本相對較高。VVT系統(tǒng)通常由內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子、OCV閥以及閥片組成(圖1)。本文結(jié)合某款直噴增壓+雙VVT技術(shù)汽油發(fā)動機(jī)論述VVT系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)臺架上出現(xiàn)調(diào)節(jié)速度超標(biāo)時，如何進(jìn)行調(diào)查分析并提出解決方法，主要是以進(jìn)氣VVT為例[2]。

1 故障分析

1.1 故障現(xiàn)象及工況

以某款產(chǎn)品為例，某汽油直噴發(fā)動機(jī)其排放要求須滿足國六b要求，在整機(jī)試驗開發(fā)過程中其進(jìn)氣VVT在進(jìn)行調(diào)節(jié)速度測試時，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 500～3000r/min之間調(diào)節(jié)速度不能滿足要求，排氣側(cè)VVT調(diào)節(jié)速度均滿足試驗要求，其中進(jìn)氣VVT在轉(zhuǎn)速1 500r/min時調(diào)節(jié)速度只有71 CrA/s，根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)氣VVT系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度須≥100 CrA/s[3]，測試結(jié)果無法滿足試驗要求，此問題對產(chǎn)品性能及排放產(chǎn)生嚴(yán)重影響(圖2)。

圖2 VVT調(diào)節(jié)速度測試結(jié)果

本次只介紹VVT調(diào)節(jié)速度測試方法，解鎖特性及控制穩(wěn)定性測試不作說明，具體試驗方法如下：

首先恒定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，通過INCA調(diào)整VVT開啟角度(由0°調(diào)整到最大開度，4 s后回到0°，循環(huán)10次)，這樣就得到了在這個轉(zhuǎn)動點(diǎn)調(diào)節(jié)速度曲線(圖3)。

圖3 VVT調(diào)節(jié)速度測試過程圖

VVT調(diào)節(jié)速度計算方法：以第一個循環(huán)為例，由于剛開始時調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)前后各去掉3 CrA，提取出VVT由C1調(diào)節(jié)到C2，調(diào)節(jié)角度除以時間ΔT(T2-T1) ，然后計算出該循環(huán)的調(diào)節(jié)速度ω1(圖4)[1]。

圖4 VVT調(diào)節(jié)速度計算方法

1.2 故障分析

根據(jù)VVT測試的故障現(xiàn)象，從發(fā)動機(jī)本身和VVT系統(tǒng)兩個方面利用FTA工具進(jìn)行原因分析排查(圖5)。經(jīng)過系統(tǒng)排查共得到14個潛在因子，分別為機(jī)油壓力小、機(jī)油溫度過高、曲軸位置傳感器不良、凸輪軸位置傳感器不良、凸輪軸轉(zhuǎn)矩不良、占空比不良、線束接觸不良、控制閥卡滯、電磁閥流量小、滑片卡滯、系統(tǒng)壓力不足、液壓轉(zhuǎn)矩不合格、摩擦轉(zhuǎn)矩大、泄漏量大[4]。

圖5 竄油量超標(biāo)故障FTA分析

通過對可能導(dǎo)致故障的原因逐項進(jìn)行排查(表1)，首先針對發(fā)動機(jī)進(jìn)行機(jī)油壓力分布圖測試排查，機(jī)油壓力大小會直接影響VVT調(diào)節(jié)速度的快慢。

表1 故障排查檢測表

經(jīng)測試樣機(jī)，機(jī)油壓力分布符合機(jī)油泵控制策略，滿足試驗要求(圖6-圖8)，同時試驗時發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度最大值為106℃，滿足90℃～125℃試驗要求。

圖6 發(fā)動機(jī)實測機(jī)油壓力分布圖

圖7 發(fā)動機(jī)控制策略機(jī)油壓力分布

圖8 發(fā)動機(jī)測試機(jī)油溫度分布圖

對機(jī)油控制閥占空比進(jìn)行驗證，在ECU中設(shè)置VVT角度由0°直接開到最大50°，關(guān)注占空比變化曲線是否與VVT開度一致。經(jīng)測試VVT角度變化與占空比變化是一致的，因此滿足試驗要求，結(jié)果是合格的(圖9)。

經(jīng)過系統(tǒng)排查排除了其中12項，最終確定為X5凸輪軸轉(zhuǎn)矩不合格和X12液壓轉(zhuǎn)矩不合格因子導(dǎo)致，具體分析如下：

1) 凸輪軸轉(zhuǎn)矩確認(rèn)：經(jīng)現(xiàn)場與設(shè)計人員及廠家進(jìn)行研討分析，發(fā)現(xiàn)廠家未考慮到進(jìn)氣側(cè)多一個高壓油泵負(fù)載的問題[5]。由于負(fù)載不同導(dǎo)致進(jìn)、排氣凸輪軸的轉(zhuǎn)矩不同，因此在相同條件下VVT調(diào)節(jié)速度存在差異性(圖10)。

圖9 發(fā)動機(jī)VVT占空比曲線圖

圖10 發(fā)動機(jī)VVT裝配實物圖

2)液壓轉(zhuǎn)矩確認(rèn)：由于進(jìn)排凸輪軸轉(zhuǎn)矩的不同，因此VVT系統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)矩也不同，經(jīng)查詢圖樣進(jìn)、排氣側(cè)的液壓轉(zhuǎn)矩相同，均為0.417Nm/MPa，因此，液壓轉(zhuǎn)矩需要重新計算分析[6](圖11)。

圖11 VVT系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

綜上所述,最終導(dǎo)致進(jìn)氣VVT系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度不合格的原因主要是凸輪軸轉(zhuǎn)矩不合格和液壓轉(zhuǎn)矩不合格兩個因子所導(dǎo)致。

2 試驗驗證

由分析結(jié)論，提出優(yōu)化方案，并策劃相應(yīng)試驗進(jìn)行驗證：

1)針對凸輪軸轉(zhuǎn)矩不合格的問題，首先對進(jìn)、排氣側(cè)凸輪軸的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行CAE模擬分析[7]，從數(shù)據(jù)可看出進(jìn)氣側(cè)凸輪軸轉(zhuǎn)矩明顯比排氣側(cè)大，主要原因是由于進(jìn)氣側(cè)多了一個高壓油泵負(fù)載(圖12)。

圖12 進(jìn)、排氣側(cè)VVT凸輪軸轉(zhuǎn)矩對比數(shù)據(jù)

2)液壓轉(zhuǎn)矩不合格，將發(fā)動機(jī)試驗邊界條件(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油壓等)輸入至軟件，軟件根據(jù)目標(biāo)設(shè)定，計算出需要液壓轉(zhuǎn)矩值，最終計算結(jié)果液壓轉(zhuǎn)矩為0.439Nm/MPa(整改前為0.417Nm/MPa)；液壓轉(zhuǎn)矩為0.439Nm/MPa。VVT系統(tǒng)，整改后較整改前定子的內(nèi)腔直徑尺寸大了1.4mm[8](圖13)。

圖13 整改前后定子變化對比圖

3 效果檢查

1) 通過整改進(jìn)，排氣側(cè)VVT調(diào)節(jié)速度均>100 CrA/s，滿足試驗要求，整改措施有效(圖14)。

圖14 整改后VVT調(diào)節(jié)速度曲線圖

2)發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩265Nm/2000(r/min)，最大功率119.1kW/5500(r/min)，燃油消耗率為353.2g/(kW·h)；發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性均符合設(shè)計要求，通過驗收。

3) 針對發(fā)動機(jī)排放摸底測試，此發(fā)動機(jī)能夠滿足國六b排放指標(biāo)要求，通過最終驗收[9]。

4) 將優(yōu)化后的VVT系統(tǒng)圖樣進(jìn)行更改并輸入PLM進(jìn)行固化，同時對問題反饋單進(jìn)行閉環(huán)并形成項目總結(jié)分析報告。

4 結(jié)語

VVT技術(shù)的運(yùn)用較為普及，因此故障也較為突出，同時市場維修及更換成本較高，因此在試驗開發(fā)過程中對VVT系統(tǒng)充分驗證其性能的穩(wěn)定性及可靠性尤其重要。本文結(jié)合實際案例，針對VVT調(diào)節(jié)速度不合格為切入點(diǎn)，利用質(zhì)量工具深入調(diào)查故障發(fā)生的原因，并針對潛在因子進(jìn)行確認(rèn)排查，最終鎖定關(guān)鍵因子，制定整改方案，從根本上消除故障，為后續(xù)的相似故障調(diào)查提供解決思路。