發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)冷試檢測原理及應(yīng)用

周 玲，盧 帥

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

可變氣門正時(shí)（簡稱 VVT，Variable Valve Timing）作為提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率、降低油耗和排放的一項(xiàng)重要技術(shù)，已在國內(nèi)外多款汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用，而目前大多數(shù)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠已采用發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)測試代替熱試，因此，如何準(zhǔn)確檢測可變氣門正時(shí)系統(tǒng)，使測試后的發(fā)動(dòng)機(jī)能放心投向市場成為我們需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文從發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)工作原理及冷試檢測技術(shù)原理及應(yīng)用方面進(jìn)行闡述，希望對發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的同事提供一些參考和幫助。

1 可變氣門正時(shí)工作原理

VVT系統(tǒng)即是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)不同的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷，調(diào)整進(jìn)/排氣量和氣門開啟/關(guān)閉時(shí)刻（氣門重疊角），使進(jìn)入的空氣量最佳，從而提高燃燒效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)滿足既定的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放法規(guī)。本文主要描述電磁式可變氣門正時(shí)系統(tǒng)工作原理、檢測原理和應(yīng)用。

（1）普通的正時(shí)系統(tǒng)

如圖1所示，曲軸鏈輪通過鏈條帶動(dòng)凸輪軸鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而由于凸輪鏈輪和凸輪軸是剛性的連接（不能相對轉(zhuǎn)動(dòng)），因此凸輪軸的相位無法發(fā)生改變。

（2）帶VVT的正時(shí)系統(tǒng)

如圖2所示，把凸輪軸鏈輪設(shè)計(jì)為由可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的兩部分零件（轉(zhuǎn)子和定子）組成。凸輪軸鏈輪作為定子和正時(shí)鏈條相嚙合，即與曲軸相對固定，而凸輪軸與轉(zhuǎn)子固定連接；定子和轉(zhuǎn)子組合裝配在一起，即可實(shí)現(xiàn)凸輪軸可相對凸輪軸鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的目的，從而實(shí)現(xiàn)可變相位。

圖1 普通的正時(shí)系統(tǒng)

圖2 帶VVT的正時(shí)系統(tǒng)

（3）VVT系統(tǒng)工作原理

VVT系統(tǒng)由相位執(zhí)行器（VCP)和相位控制器（OCV）兩大部分組成，如圖3和圖4所示。主要原理是：利用相位控制器控制機(jī)油流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相位執(zhí)行器的轉(zhuǎn)子（凸輪軸）與定子（凸輪軸鏈輪）相對轉(zhuǎn)動(dòng)，來完成發(fā)動(dòng)機(jī)相位的改變，如圖5所示。

圖3 凸輪軸鏈輪（相位執(zhí)行器）

圖4 OCV閥（相位控制器）

圖5 VVT工作原理圖

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，當(dāng)需要改變相位時(shí)，整車ECU系統(tǒng)對凸輪軸位置執(zhí)行器電磁閥（以下簡稱OCV閥）進(jìn)行通電使其閥門開啟，油底殼的機(jī)油經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔油道最終流向凸輪軸鏈輪中，在油壓的驅(qū)動(dòng)作用下，凸輪軸鏈輪轉(zhuǎn)子鎖止銷被解鎖，機(jī)油進(jìn)入凸輪軸鏈輪內(nèi)，定子與轉(zhuǎn)子之間分隔成兩個(gè)油腔（如圖3中A、B腔），通過控制兩個(gè)油腔的機(jī)油量來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子與轉(zhuǎn)子之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)凸輪軸相位的改變。同時(shí)通過控制OCV通電時(shí)間的長短來控制OCV針閥的行程及開啟時(shí)間，即可控制達(dá)到所需改變的相位角度[1]。

2 冷試檢測原理

冷試VVT測試的主要目的是通過VVT系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)凸輪軸從原始位置轉(zhuǎn)動(dòng)到最大角度位置，根據(jù)凸輪相位信號(hào)的變化來判斷VVT系統(tǒng)是否存在裝配缺陷或零部件缺陷[2]。主要評(píng)定內(nèi)容有：VVT開啟起始角度、VVT開啟結(jié)束角度、VVT開啟角度差、VVT開啟響應(yīng)時(shí)間、VVT開啟響應(yīng)速度、VVT關(guān)閉起始角度、VVT關(guān)閉結(jié)束角度、VVT關(guān)閉角度差、VVT關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間、VVT關(guān)閉響應(yīng)速度和VVT開啟角度跨度。若測試或計(jì)算結(jié)果不滿足上述條件中的任何一個(gè)條件，則判定該發(fā)動(dòng)機(jī)VVT系統(tǒng)工作不正常，需要進(jìn)行返修。

2.1 測試條件

（1）外部伺服電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過內(nèi)部或外接傳感器可探測發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸的位置；

（2）測試轉(zhuǎn)速一般設(shè)置在冷試過程中的最高轉(zhuǎn)速階段（一般為1 500~3 000 r/min），因在該轉(zhuǎn)速下，機(jī)油壓力已充分建立、凸輪軸及其相關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)部件已充分潤滑，可以比較準(zhǔn)確的測量VVT作用下凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的響應(yīng)速度；另外，因VVT測試需要采集的數(shù)據(jù)長度較大（一般50個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)周期），高轉(zhuǎn)速可以顯著地縮短測試節(jié)拍；

（3）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在高轉(zhuǎn)速階段運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，以1缸壓縮上止點(diǎn)（TDC）為基準(zhǔn)，對發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪相位信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；采樣方式為外部時(shí)鐘數(shù)字觸發(fā)采樣，采樣頻率可為4 096或8 192 pulse/rev，采集長度為較多個(gè)（如50個(gè)）完整發(fā)動(dòng)機(jī)周期。

2.2 測試原理

如圖6所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在采集50個(gè)完整發(fā)動(dòng)機(jī)周期凸輪相位信號(hào)的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊會(huì)對OCV閥進(jìn)行兩次控制。第一次是發(fā)送占空比為100%的PWM信號(hào)，使OCV閥開啟到最大，以最大機(jī)油量通過VVT系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，測試VVT系統(tǒng)的響應(yīng)速度，凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)到最大角度位置后，OCV控制信號(hào)保持一段時(shí)間，測試凸輪軸轉(zhuǎn)到最大角度位置時(shí)相位的穩(wěn)定性；第二次是，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊發(fā)送占空比為0的PWM信號(hào)，使OCV閥完全關(guān)閉，VVT系統(tǒng)不啟動(dòng)，凸輪軸自動(dòng)返回原位，測試返回過程中的響應(yīng)速度。

圖6 冷試VVT測試曲線

測試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工廠冷試臺(tái)架，將冷試工藝線束連接至發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、OCV閥后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入冷試臺(tái)架進(jìn)行測試。

伺服電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)至穩(wěn)定在最高轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)，機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)油道內(nèi)高速流動(dòng)。此時(shí)，臺(tái)架通過OCV閥線束接頭對OCV閥提供12 V電壓，OCV閥門開啟，在凸輪軸罩蓋油道內(nèi)流動(dòng)的機(jī)油通過OCV閥，流經(jīng)凸輪軸前軸承蓋油道、凸輪軸油道至凸輪軸鏈輪。凸輪軸鏈輪鎖止銷在油壓驅(qū)動(dòng)作用下解鎖，機(jī)油進(jìn)入凸輪軸鏈輪內(nèi)轉(zhuǎn)子與定子之間的分隔油腔，使二者發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7所示為一臺(tái)合格發(fā)動(dòng)機(jī)的VVT測試曲線，體現(xiàn)了VVT系統(tǒng)從開啟至關(guān)閉的連續(xù)運(yùn)行曲線。OCV閥在冷試臺(tái)架提供的電壓作用下閥針打開，凸輪軸在鏈輪油壓驅(qū)動(dòng)作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，并在較短時(shí)間內(nèi)（約400 ms）轉(zhuǎn)到相位最大角度位置，即完成最大相位改變（根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求設(shè)定，60°）。該相位持續(xù)一段時(shí)間后對OCV閥進(jìn)行斷電，凸輪軸在一段

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)工廠某臺(tái)合格發(fā)動(dòng)機(jī)VVT測試曲線

3 常見測試問題及分析方法

冷試VVT系統(tǒng)檢測中，測試問題主要有：第一，VVT響應(yīng)速度慢，即在測試時(shí)間內(nèi)，進(jìn)氣或排氣側(cè)凸輪軸相位零改變，或改變角度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；第二，VVT響應(yīng)速度正常，但開啟時(shí)間相對遲緩，最終在測試時(shí)間內(nèi)達(dá)不到要求變化角度。

通常情況下，導(dǎo)致以上問題的主要原因及分析方法如下：

（1）油道不通

按照發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)油流通路徑，任何一處油道堵塞或OCV閥無法正常開啟，機(jī)油均不能正常流入凸輪軸鏈輪，因此相位無改變或改變角度較小?？赏ㄟ^拆機(jī)觀察機(jī)油流通情況、檢查是否存在鐵屑或毛刺并清潔，或更換存在懷疑的零部件驗(yàn)證。

（2）機(jī)油泄漏

按照裝配關(guān)系，若凸輪軸鏈輪與凸輪軸之間、OCV閥與凸輪軸罩蓋之間等任何一處零件尺寸配合不好均會(huì)造成機(jī)油泄漏，導(dǎo)致相位無改變或改變角度較小?？赏ㄟ^拆機(jī)檢測相關(guān)零件尺寸或更換相關(guān)零部件進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）凸輪軸鏈輪卡滯

凸輪軸鏈輪內(nèi)部生銹或因加工/裝配原因，使轉(zhuǎn)子和定子之間不能相對轉(zhuǎn)動(dòng)或較難轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致相位無改變或改變角度較小?？赏ㄟ^拆解凸輪軸鏈輪檢查是否存在生銹，是否可手動(dòng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，或更換凸輪軸鏈輪進(jìn)行驗(yàn)證。

（4）其它問題

如正時(shí)系統(tǒng)裝配不正確、凸輪軸和曲軸相位本身錯(cuò)誤問題、工藝線束問題、發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器問題、測試傳感器問題、冷試臺(tái)架后臺(tái)數(shù)據(jù)處理器問題等?？赏ㄟ^逐一更換相關(guān)問題線束或零部件進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

VVT系統(tǒng)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)高速動(dòng)力性、提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放的重要手段，而影響VVT系統(tǒng)工作的相關(guān)因素又較多，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和加工上需充分保證各相關(guān)零件的尺寸和配合精度。同時(shí)冷試設(shè)備作為大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)工廠產(chǎn)品出廠前的最終檢測工序，需測試工程師進(jìn)行周期性的發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷驗(yàn)證，不斷完善和優(yōu)化測試工藝和參數(shù)，并根據(jù)問題故障數(shù)有針對性地解決影響VVT系統(tǒng)工作的問題，以保證流出發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的產(chǎn)品零缺陷。

[1]覃 濤，李鐵龍.五菱汽車配VVT發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理及維修案例探索[J].裝備制造技術(shù)，2014，（10）：27-30.

[2]宋炯毅，王 玨，計(jì)維斌.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷試工藝設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)，2011，06（3）：46-50.