VCT發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

殷海庭

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海201804）

VCT發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

殷海庭

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海201804）

介紹了在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)機(jī)油液壓控制VCT（Variable Camshafts Timing）系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)前期通過對(duì)各個(gè)改進(jìn)方案的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終為VCT機(jī)構(gòu)的機(jī)油供應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑需求（特別是缸蓋運(yùn)動(dòng)件）的矛盾解決提供了最優(yōu)匹配方案。通過系列試驗(yàn)的驗(yàn)證為該發(fā)動(dòng)機(jī)提供了良好的更改依據(jù)，并積累了寶貴的數(shù)據(jù)，為后期開發(fā)和驗(yàn)證定型奠定了基礎(chǔ)。這一過程也可以為其他機(jī)型引入VCT系統(tǒng)而匹配機(jī)油的供應(yīng)提供參考和支持。

潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油供應(yīng)改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證VCT

1 引言

能源與環(huán)境問題是目前汽車工業(yè)所面臨的2個(gè)主要問題，為了在提高汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的同時(shí)，還要滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。從20世紀(jì)70年代開始，汽油機(jī)燃油電噴技術(shù)逐步發(fā)展起來，至今已形成了以進(jìn)氣管多點(diǎn)順序噴射為代表的較為成熟的汽油機(jī)燃油控制技術(shù)。與燃油控制技術(shù)相比，早期的配氣控制技術(shù)研究進(jìn)展得比較緩慢，主要成果是在1985年以后取得的。20世紀(jì)90年代，國(guó)外對(duì)可變氣門技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)，開發(fā)出了一系列基于凸輪軸的可變氣門機(jī)構(gòu)，并且應(yīng)用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)，其中可變凸輪軸相位機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣[1]。

氣門是由發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸通過凸輪軸驅(qū)動(dòng)的，氣門的配氣正時(shí)取決于凸輪軸的轉(zhuǎn)角。在普通發(fā)動(dòng)機(jī)上，進(jìn)氣門和排氣門的開閉時(shí)間是固定不變的。這種固定不變的正時(shí)很難兼顧到發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的工況需求，可變氣門正時(shí)就是解決這一矛盾的技術(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要較大的氣門疊開角來達(dá)到充氣充分的目的；而在發(fā)動(dòng)機(jī)低速及部分負(fù)荷工況時(shí)，氣門疊開角應(yīng)該相應(yīng)變小，達(dá)到改善性能、降低排放的目的[2,3]。而VCT（Variable Camshafts Timing）技術(shù)可以通過控制器調(diào)節(jié)凸輪軸，從而調(diào)節(jié)氣門開閉，滿足不同的工況需求，達(dá)到增加功率、減少油耗，改善排放的目的。采用可變氣門正時(shí)技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭力輸出將會(huì)更加線性，同時(shí)兼顧高低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能夠設(shè)計(jì)得更高，因而獲得更高的功率輸出。例如，尼桑2L排量的Neo VVL發(fā)動(dòng)機(jī)比沒有配備VVT的相同結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力輸出可以提高25%以上。采用了可變氣門正時(shí)技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)能增加扭矩輸出，大大增強(qiáng)駕駛的操縱靈活性。例如，菲亞特Barchetta's 1.8 VVT發(fā)動(dòng)機(jī)，能在2 000～6 000 r/min之間輸出90%的扭矩；同時(shí)EGR（廢氣再循環(huán)）是一套普通的用于降低排放和提高燃燒效率的系統(tǒng)，而可變配氣技術(shù)則能進(jìn)一步發(fā)揮EGR的潛能。

本文論述的機(jī)油液壓控制VCT系統(tǒng)就是在發(fā)動(dòng)機(jī)頂置進(jìn)排氣凸輪軸上增加一個(gè)液壓控制VCT的機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況區(qū)域氣門正時(shí)連續(xù)可變。VCT系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)然該系統(tǒng)能夠保證足夠的響應(yīng)時(shí)間，與系統(tǒng)機(jī)油壓力的響應(yīng)時(shí)間有直接的關(guān)系，應(yīng)用VCT系統(tǒng)增加了潤(rùn)滑系統(tǒng)的供油需求，這樣缸蓋部分的機(jī)油供應(yīng)量就相應(yīng)減少了，從而產(chǎn)生了VCT系統(tǒng)對(duì)機(jī)油要求與缸蓋正常工作機(jī)油需求之間的矛盾[4,5]。

圖1 典型VCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 VCT發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的要求和對(duì)策

2.1 VCT發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)存在的問題

本文的VCT發(fā)動(dòng)機(jī)是在原型發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增大缸體主油道內(nèi)徑，通過部分改進(jìn)缸蓋油道增加VCT裝置供油孔，修改凸輪軸以安裝VCT調(diào)相器及適宜的凸輪軸初始相位，增加VCT裝置機(jī)油控制電磁閥等改進(jìn)工作得到的。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通過電磁閥控制VCT機(jī)構(gòu)的進(jìn)回機(jī)油而連續(xù)改變凸輪軸的相位，從而獲得最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。原機(jī)與VCT發(fā)動(dòng)機(jī)的性能對(duì)比如圖2所示。

首臺(tái)VCT發(fā)動(dòng)機(jī)的樣機(jī)裝配及初始標(biāo)定后，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑系統(tǒng)已無法同時(shí)滿足VCT裝置與缸蓋運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)油流量需求。在進(jìn)行一輪高溫條件下的機(jī)油壓力測(cè)量中，機(jī)油溫度為135℃，最高溫度達(dá)到150℃，并出現(xiàn)了氣門脫落的嚴(yán)重故障，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)的拆檢，發(fā)現(xiàn)凸輪軸軸承部分及液壓挺柱存在著潤(rùn)滑不足而造成的磨痕，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也表明，在故障發(fā)生時(shí)供應(yīng)挺柱的機(jī)油壓力非常低。通過系統(tǒng)的檢查和分析，表明是由于供應(yīng)給缸蓋系統(tǒng)的機(jī)油在高溫條件下不能滿足需要。這說明原型設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油供應(yīng)及分配不能滿足VCT發(fā)動(dòng)機(jī)的工作需要，盡快進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油供應(yīng)的重新匹配成了項(xiàng)目的重要目標(biāo)。

圖2 原機(jī)與VCT發(fā)動(dòng)機(jī)的性能對(duì)比

根據(jù)以上方案分別進(jìn)行分析與試驗(yàn)，其中包括單項(xiàng)試驗(yàn)及多項(xiàng)試驗(yàn)在一起進(jìn)行。圖3是更改為VCT發(fā)動(dòng)機(jī)的原始設(shè)計(jì)取得的機(jī)油壓力曲線，并在機(jī)油溫度為130℃時(shí)發(fā)生了氣門脫落事件，共采集了機(jī)油溫度在100℃以上時(shí)凸輪軸軸承處的機(jī)油壓力，作為各個(gè)設(shè)計(jì)方案所得結(jié)果的比較基礎(chǔ)。從圖中可見，機(jī)油溫度從100℃增至130℃時(shí)，機(jī)油壓力明顯下降，造成了機(jī)油供應(yīng)量的不足。

圖3 采用VCT后凸輪軸軸承處機(jī)油壓力

2.2 改進(jìn)方案

依據(jù)預(yù)計(jì)對(duì)缸蓋和VCT機(jī)構(gòu)的機(jī)油供應(yīng)矛盾的改善和實(shí)現(xiàn)的代價(jià)，做出的機(jī)油供應(yīng)的改進(jìn)和匹配方案如下：

（1）更換機(jī)油牌號(hào)，由原設(shè)計(jì)的5W30更換為5W40，即采用高黏度機(jī)油，以提高高溫時(shí)能供應(yīng)到缸蓋部分的機(jī)油壓力。

（2）改進(jìn)機(jī)油泵性能，增加機(jī)油流量，提高供給發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油量。共有2個(gè)設(shè)計(jì)方案，分別將機(jī)油泵（研究試驗(yàn)時(shí)機(jī)油泵外置）加厚2 mm和加厚0.5 mm。

（3）逐步增大缸蓋油道限油槽，分別是增大50%及去除限油槽，通過試驗(yàn)檢查其對(duì)VCT裝置及缸蓋主油道的機(jī)油供應(yīng)的影響。限油槽是在由原型機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)到VCT發(fā)動(dòng)機(jī)過程中特意在缸蓋主油道上設(shè)計(jì)的，以保證VCT裝置機(jī)油供應(yīng)的機(jī)油分配裝置，示意圖參見圖4。

圖4 缸蓋機(jī)油分配示意圖

（4）減小凸輪軸軸承間隙，從而減少通過軸承間隙的機(jī)油回油，提高缸蓋其他部分的機(jī)油供應(yīng)。減小的目標(biāo)仍是與該原型發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用相同的氣門、氣門導(dǎo)管、氣門彈簧、鎖夾、油封及液壓挺柱等系列氣閥運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸間隙。需要為此增大凸輪軸軸頸直徑。

（5）應(yīng)用機(jī)械挺桿代替液壓挺柱，減小該部分對(duì)機(jī)油的需求。

3 改進(jìn)措施的驗(yàn)證與分析

3.1 采用高黏度機(jī)油

對(duì)于提高機(jī)油的黏度等級(jí)是最方便和最簡(jiǎn)單的方案。相對(duì)于新的5W30機(jī)油，5W40機(jī)油是已量產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)用油，通過對(duì)比試驗(yàn)取得了好的結(jié)果。在100℃以上的高速段區(qū)機(jī)油的壓力得到了明顯的提高，但仍然不能達(dá)到系統(tǒng)的需求，結(jié)果如圖5所示。

圖5 機(jī)油粘度對(duì)機(jī)油壓力的影響

3.2 提高機(jī)油泵流量

對(duì)于提高機(jī)油泵性能，有增厚2 mm和0.5 mm兩種設(shè)計(jì)方案。增厚2 mm的方案由于機(jī)體中沒有足夠的安裝空間，所以采用了外置機(jī)油泵，通過油管連接到機(jī)體；而對(duì)加厚0.5 mm的方案，機(jī)油泵外形無任何改變，可以在原機(jī)體上直接使用。這2種方案的試驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖8所示，可見機(jī)油泵加厚2 mm對(duì)提高機(jī)油壓力的效果更好一些。但與0.5 mm的方案相比，2 mm的方案需要更改缸體，對(duì)于已定型的產(chǎn)品來說，其代價(jià)比較大，無法在實(shí)際中應(yīng)用。當(dāng)0.5 mm的方案與其他改進(jìn)措施一起使用時(shí)，仍可獲得滿意的結(jié)果，所以2 mm方案最后不被采用。

圖6 機(jī)油泵加厚2 mm時(shí)機(jī)油壓力曲線

圖7 原機(jī)油泵與加厚2 mm機(jī)油泵的機(jī)油壓力曲線

圖8 原機(jī)油泵與加厚0.5 mm機(jī)油泵的壓力曲線

3.3 限油槽

對(duì)于限油槽的改進(jìn)，增大50%的方案發(fā)現(xiàn)對(duì)機(jī)油供應(yīng)的改善不大；而完全去除限油槽，在增大凸輪軸軸頸和減小軸承間隙后，對(duì)VCT裝置的正常功能沒有不良影響，并能增加缸蓋部分的機(jī)油供應(yīng)，改善了VCT機(jī)構(gòu)與缸蓋之間的機(jī)油分配矛盾，所以最終采用了完全去除限油槽的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)對(duì)比機(jī)油壓力曲線如圖9～圖11所示。

3.4 凸輪軸承間隙優(yōu)化

對(duì)于減小凸輪軸承間隙，由于新的軸承間隙是已量產(chǎn)的在發(fā)動(dòng)機(jī)上已成功使用的參數(shù)，而且VCT發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋部分采用了大部分的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的零件，特別是氣閥運(yùn)動(dòng)部分，所以在設(shè)計(jì)方面僅僅是增加凸輪軸的軸頸直徑。該方案能夠適當(dāng)減少機(jī)油泄漏量來提高部分機(jī)油供應(yīng)能力，與其他措施的集成使用在試驗(yàn)上取得了良好的成果。相應(yīng)的不同間隙機(jī)油壓力對(duì)比曲線見圖12。

圖9 限油槽增大50%時(shí)機(jī)油壓力曲線

圖10 機(jī)油泵加厚0.5 mm以及限油槽增加50%的機(jī)油壓力曲線

3.5 采用機(jī)械式挺桿

對(duì)于使用機(jī)械挺桿的方案，由于對(duì)缸蓋的改動(dòng)太大，很多成熟的零件將被重新設(shè)計(jì)的零件取代，這面臨著很大的代價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)，并且設(shè)計(jì)產(chǎn)品的成本、時(shí)間和驗(yàn)證也都是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。在其他方案取得了令人滿意的結(jié)果后，這個(gè)方案作為最后的措施被放棄，見圖13。

經(jīng)過潤(rùn)滑系統(tǒng)的試驗(yàn)和重新匹配，最后選擇了一個(gè)優(yōu)化的綜合方案：5W40機(jī)油、機(jī)油泵加厚0.5 mm、去除缸蓋的機(jī)油限油槽、減小凸輪軸軸頸間隙。該方案各轉(zhuǎn)速下機(jī)油壓力曲線如圖14所示，達(dá)到了各方面的要求，特別是低速時(shí)凸輪軸機(jī)油壓力＞60 kPa，VCT裝置機(jī)油壓力＞100 kPa。VCT發(fā)動(dòng)機(jī)也通過了耐久試驗(yàn)，最終證明了該改進(jìn)的切實(shí)可行。

圖11 去除限油槽的機(jī)油壓力曲線

圖12 減小凸輪軸承間隙前后的機(jī)油壓力

4 結(jié)論

（1）通過潤(rùn)滑系統(tǒng)的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)油控制VCT裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用時(shí)會(huì)對(duì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是缸蓋部分的機(jī)油供應(yīng)產(chǎn)生不良的影響，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油供應(yīng)能力提出了更高的要求。

The Design Development and Test Research for Lubrication System of VCT Engine

Yin Haiting
（SAIC Motor Corporation Limited,Shanghai 201804,China）

The engine with oil hydraulic controlled VCT(Variable Camshafts Timing)is developed based on its base engine.Various improvement tests are done at the early stage of the VCT engine development,which provides an optimal solution to the conflict of the oil supply for the VCT system and the oil demand of the engine lubrication,the moving parts of the cylinder head in particular.A good basis for the VCT engine development is formed through a series of validation tests,and valuable data are also accumulated.These are all useful for the later stages of development and validation.This process can also provide a reference to other types of engines which will introduce VCT system.

lubrication system,oil supply,development test validation,VCT

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.008

來稿日期：2012-05-14

殷海庭（1978-），男，工程師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力總成分析試驗(yàn)。