VVT跟隨性能問題解析

付佳明　李蘭芬　柴曉娜　趙國(guó)東（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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VVT跟隨性能問題解析

付佳明1，2李蘭芬1，2柴曉娜1，2趙國(guó)東1，2
（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

VVT的使用提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，降低了HC等有害污染物的排放，同時(shí)VVT的異常也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的工作不穩(wěn)定。主要對(duì)VVT跟隨性能異常的幾個(gè)原因及排查方法進(jìn)行了闡述分析。

VVT跟隨性能失效分析

引言

當(dāng)前，可變氣門正時(shí)技術(shù)（VVT，Variable Valve Timing）已成為車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，有兩種VVT系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛：液壓VVT系統(tǒng)與電動(dòng)VVT系統(tǒng)。液壓VVT系統(tǒng)根據(jù)OCV（Oil Control Valve）位置及VVT的調(diào)節(jié)方式分為：OCV側(cè)置式、OCV中置式以及中位鎖止式VVT等。

OCV側(cè)置式VVT系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，量產(chǎn)時(shí)間最早，裝配精度要求相對(duì)較低；中置式的OCV置于VVT中心，對(duì)OCV及VVT電磁閥的安裝精度要求較高，其性能優(yōu)于側(cè)置式，一般應(yīng)用在中高端車系上；中位鎖止式VVT系統(tǒng)因VVT相位可雙向調(diào)節(jié)而匹配在應(yīng)用米勒循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，配有一至兩個(gè)OCV。

本文主要針對(duì)OCV側(cè)置式VVT系統(tǒng)的跟隨性問題及原因進(jìn)行闡述分析［1］。

1　OCV側(cè)置式VVT系統(tǒng)的工作原理

根據(jù)OCV的位置區(qū)分，OCV沒有安裝在VVT中心的布置方式，都可稱為OCV側(cè)置式VVT系統(tǒng)。通過氣缸蓋總成及凸輪軸的油路與VVT油路相通，由OCV內(nèi)部的柱塞前后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)提前腔（簡(jiǎn)稱A腔）、滯后腔（簡(jiǎn)稱B腔）兩個(gè)油腔充、放油路的切換，實(shí)現(xiàn)控制VVT動(dòng)作的目的（見圖1）。

圖1　側(cè)置OCV式VVT系統(tǒng)工作原理示意圖

2　VVT失效模式

2.1VVT匹配問題

2013年11月，一臺(tái)試驗(yàn)車在進(jìn)行高環(huán)試驗(yàn)后怠速停車時(shí)，試驗(yàn)車產(chǎn)生強(qiáng)烈的間歇性抖動(dòng)現(xiàn)象，打開機(jī)艙蓋發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，同批次試驗(yàn)車也存在此問題。

通過INCA檢查發(fā)現(xiàn)，問題發(fā)生時(shí)進(jìn)氣VVT未鎖死，在自由波動(dòng)，擾亂了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣及燃燒規(guī)律，致使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定［2］，產(chǎn)生抖動(dòng)（見圖2）。

圖2　VVT實(shí)測(cè)相位數(shù)據(jù)

針對(duì)真因不明且受到多方面因素影響的問題，需要將可能的原因一一列出，并采用減法的方式逐一驗(yàn)證排查。我們運(yùn)用“魚骨刺圖”分析工具列出VVT不跟隨的潛在失效原因（見圖3）?？梢?，造成VVT異常工作的原因可分成4個(gè)部分：電控系統(tǒng)［3］、油路、VVT和OCV。

圖3　魚骨刺分析圖

首先檢查線束的連接是否牢靠；第二，對(duì)調(diào)進(jìn)排氣OCV，確認(rèn)進(jìn)氣OCV功能無異常；第三，刷新ECU數(shù)據(jù)，確認(rèn)數(shù)據(jù)的有效性；最后，更換進(jìn)氣VVT，確認(rèn)其功能無異常。經(jīng)過第一輪的排查驗(yàn)證，我們確認(rèn)電控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸，VVT及OCV等硬件均不存在問題。

進(jìn)氣VVT在工作時(shí)，主要受到凸輪軸扭矩、平衡彈簧力和VVT腔室內(nèi)機(jī)油壓力的共同作用，在解鎖狀態(tài)下，當(dāng)A腔充油，且與B腔的機(jī)油壓力差+平衡彈簧扭力＞凸輪軸扭矩時(shí)，VVT向前調(diào)節(jié)；當(dāng)B腔充油，且與A腔壓差＞凸輪軸扭矩+平衡彈簧扭力時(shí)，VVT向回位方向調(diào)節(jié)。

當(dāng)試驗(yàn)車經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間高速、高負(fù)荷行駛后，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度在100℃左右或更高，此時(shí)機(jī)油粘度降低導(dǎo)致機(jī)油壓力下降，且發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)轉(zhuǎn)速低，無法提供充足的機(jī)油壓力，B腔內(nèi)的壓力不能克服平衡彈簧和凸輪軸扭矩的共同作用力，無法推動(dòng)VVT回位鎖止，導(dǎo)致進(jìn)氣VVT不受控制自由波動(dòng)。

結(jié)合上述分析，我們開始驗(yàn)證彈簧扭矩對(duì)VVT調(diào)節(jié)速度的影響，首先將原機(jī)4 N·m的平衡彈簧更換為2 N·m，并在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行VVT調(diào)速試驗(yàn)測(cè)試（見圖4），在100℃機(jī)油溫度下，進(jìn)氣提前方向的調(diào)節(jié)速度，采用2 N·m和4 N·m平衡彈簧的VVT均能滿足50°CA/s的調(diào)節(jié)速度。但從回位曲線上看，采用4 N·m平衡彈簧的VVT在低轉(zhuǎn)速下不能滿足50°CA/s的調(diào)節(jié)要求，而采用2 N·m彈簧的VVT可快速回到鎖止位置。由此推斷，進(jìn)氣VVT平衡彈簧扭矩大是導(dǎo)致VVT在怠速低油壓工況下不跟隨的原因。

根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果，我們將采用2 N·m平衡彈簧的進(jìn)氣VVT樣件換到一臺(tái)問題試驗(yàn)車上進(jìn)行相同工況的試驗(yàn)測(cè)試，并用INCA進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄（見圖5）。進(jìn)氣VVT的實(shí)際動(dòng)作角度與目標(biāo)值基本重合，跟隨性良好。最后將同批次的試驗(yàn)車都更換成2 N·m的VVT樣件進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，抖動(dòng)現(xiàn)象消失。

圖4　VVT調(diào)速測(cè)試結(jié)果

進(jìn)排氣VVT的工作原理是一樣的，但其彈簧的作用卻是相反的：進(jìn)氣VVT彈簧是輔助VVT向提前方向調(diào)節(jié)的，即平衡彈簧，而排氣的彈簧則是輔助回位的，即回位彈簧。所以，如果彈簧扭矩匹配不合理，進(jìn)排氣VVT都會(huì)出現(xiàn)實(shí)際動(dòng)作角度不能跟隨目標(biāo)值現(xiàn)象。

一臺(tái)六缸試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)的過程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 600 r/min、全負(fù)荷工況下，扭矩突然出現(xiàn)波動(dòng)（420 N·m～475 N·m，見圖6），通過INCA監(jiān)測(cè)顯示，排氣VVT實(shí)際動(dòng)作角度與目標(biāo)值偏差20°CA左右。借鑒先前VVT不回位問題的整改經(jīng)驗(yàn)，我們快速將問題的根源鎖定到排氣VVT彈簧扭矩匹配的問題上，發(fā)現(xiàn)其回位彈簧扭矩只有2.6 N·m，在大負(fù)荷工況下，難以克服凸輪軸扭矩，輔助VVT調(diào)節(jié)，從而降低了排氣VVT的跟隨性。

根據(jù)上述推斷，我們將回位彈簧扭矩為4 N·m的排氣VVT樣件更換到故障發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，此問題未復(fù)現(xiàn)（見圖7）。

圖5　VVT實(shí)測(cè)相位數(shù)據(jù)

圖6　排氣VVT實(shí)測(cè)相位值

圖7　排氣VVT實(shí)測(cè)相位值

2.2OCV常見失效

若把ECU比作發(fā)動(dòng)機(jī)的“大腦”，那么OCV就是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)“神經(jīng)元”，將ECU傳遞的電子指令轉(zhuǎn)化成VVT物理相位的變化［4］。所以，OCV若出現(xiàn)卡滯，線束虛接，內(nèi)部泄漏量超標(biāo)等問題，亦會(huì)造成VVT不正常工作或不工作。

OCV卡滯是比較常見的問題，缸蓋、缸體等復(fù)雜零部件的油道中殘留的鋁屑、鐵屑，在裝配時(shí)未能清理干凈，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，殘留屑隨機(jī)油流到OCV進(jìn)油口處，堵塞OCV進(jìn)油口或進(jìn)入OCV內(nèi)部造成柱塞運(yùn)動(dòng)不暢所致，直接影響VVT的響應(yīng)性能、跟隨性能甚至導(dǎo)致VVT無法調(diào)節(jié)。

線束虛接的問題多發(fā)生在臺(tái)架試驗(yàn)上，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架線束接口經(jīng)常插拔易松動(dòng)，在試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的自震和試驗(yàn)室內(nèi)強(qiáng)制冷卻風(fēng)的吹動(dòng)，會(huì)造成線束接口虛接，造成信號(hào)失真，導(dǎo)致VVT實(shí)際角度與目標(biāo)偏差較大。

OCV內(nèi)部泄漏量增大會(huì)降低VVT的調(diào)節(jié)性能及穩(wěn)定精度，由于OCV屬于精密配合件，工作強(qiáng)度不高且潤(rùn)滑充足，正常情況下不易磨損。

3　結(jié)束語

VVT的應(yīng)用不僅提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，同時(shí)有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗以及污染物的排放。但由于VVT系統(tǒng)中各零部件之間的配合精度高，內(nèi)部傳遞油路復(fù)雜，油道清潔度要求嚴(yán)苛。在試驗(yàn)測(cè)試過程中甚至發(fā)動(dòng)機(jī)量產(chǎn)后，仍會(huì)有許多未知問題出現(xiàn)，根據(jù)問題的特征及VVT系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行排查分析，并及時(shí)整理總結(jié)，為發(fā)動(dòng)機(jī)及VVT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

1馬崇銀.VVT常見故障分析［J］.裝備制造技術(shù)，2014（12）：185-188

2周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996

3左洪衛(wèi)，張永亮.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)VVT標(biāo)定研究［J］.輕型汽車技術(shù)，2013（1/2）：12-16

4唐大美，鄧嘉鳴.油壓控制閥（OCV）性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的研究與設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（6）：57-59

Failure Analysis of Following Performance of VVT

Fu Jiaming1，2，Li Lanfen1，2，Chai Xiaona1，2，Zhao Guodong1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

The use of VVT has improved the dynamics and economy of engine，and reduced the HC emission.At the same time，the abnormity of VVT will also lead to the engine instability.For the abnormal following performance of VVT，the article mainly analyzes the reasons and trouble-shooting methods.

VVT，F(xiàn)ollowing performance，F(xiàn)ailure analysis

TK411+.12

A

2095-8234（2016）04-0087-04

2016-06-28）

付佳明（1990-），男，本科，主要研究方向?yàn)槠噧?nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)。