兩級可變式氣門升程系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)發(fā)動機的氣門升程是固定不變的，無法兼顧高低轉(zhuǎn)速時發(fā)動機的性能?？勺儦忾T升程技術(shù)可以根據(jù)工況的不同改變氣門升程，以提高發(fā)動機的動力性及經(jīng)濟性。當發(fā)動機在較小負荷運轉(zhuǎn)時，采用氣門低升程，可以減少泵氣損失，改善燃油經(jīng)濟性。當發(fā)動機在較大負荷運轉(zhuǎn)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(tǒng)（VTEC），以及升級版的智能可變氣門正時系統(tǒng)（i－VTEC）技術(shù)。全球其他汽車廠商也都相繼推出可變氣門升程技術(shù)，采用分段氣門升程調(diào)節(jié)的車型有奧迪 AVS、三菱 MIVEC、保時捷Cariocam Plus等。德爾福開發(fā)了一款連續(xù)可變氣門升程機構(gòu)（CVVL），寶馬開發(fā)了Valvetronic系統(tǒng)，日產(chǎn)開發(fā)了VVEL系統(tǒng)，豐田開發(fā)了Valvematic系統(tǒng)。另外，同樣屬于可變升程范疇的停缸系統(tǒng)包括奔馳1．3T停缸系統(tǒng)（CDS）、通用停缸系統(tǒng)（CSS tripower）、大眾EA211的停缸系統(tǒng)（ACT）、福特的1．0L三缸機停缸系統(tǒng)（DRFF）等［1－7］。

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

1 試驗臺架與機構(gòu)原理

試驗臺架采用變頻電機直驅(qū)凸輪軸的方式驅(qū)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(qū)動電機、機油循環(huán)控制系統(tǒng)、激光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、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(tǒng)機構(gòu)臺示意如圖1所示。

圖1 可變氣門升程系統(tǒng)機構(gòu)測試臺示意

可變氣門升程機構(gòu)系統(tǒng)所用缸蓋、凸輪軸罩蓋、可移動式凸輪軸、執(zhí)行機構(gòu)電磁閥為特制零件，通過控制器控制執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)高低升程切換。通過激光位移系統(tǒng)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(shù)應用到發(fā)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(gòu)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(gòu)的切換性能的可靠，為后續(xù)發(fā)動機整機點火試驗提供數(shù)據(jù)輸入。

試驗基于某2．0L渦輪增壓發(fā)動機缸蓋，通過設計高低升程關(guān)鍵零部件，如可變氣門升程凸輪軸、高低升程切換執(zhí)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(jiān)控升程切換執(zhí)行器的動作是否正常［8－9］。通過工控機記錄的參數(shù)包括凸輪軸轉(zhuǎn)速、扭矩、機油溫度、機油壓力［10］。

通過激光位移測量系統(tǒng)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(gòu)切換是否成功。

3 試驗結(jié)果及分析

3．1 氣門升程特性

圖2為在某轉(zhuǎn)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(jiān)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(fā)動機轉(zhuǎn)速下，高升程狀態(tài)的氣門速度大于低升程狀態(tài)的氣門速度，由于此款發(fā)動機高升程與低升程的氣門升程差值不大，故發(fā)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(xiàn)波峰波谷，即基本在速度零點附近。同時結(jié)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(xiàn)象發(fā)生，凸輪移動式升程切換機構(gòu)切換過程平穩(wěn)，可滿足性能開發(fā)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(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行機構(gòu)電磁閥的響應特性分析結(jié)果如圖4所示。1A－11為電磁閥A銷在11 V驅(qū)動電壓下的切換時間，1A－12為電磁閥A銷在12 V驅(qū)動電壓下的切換時間，1B－11為電磁閥B銷在11 V驅(qū)動電壓下的切換時間，1B－12為電磁閥B銷在12 V驅(qū)動電壓下的切換時間。

從圖4可以看出，在12V驅(qū)動電壓時，電磁閥動作時間與響應時間比11V驅(qū)動電壓時有所縮短，進而整個切換時間縮短，此結(jié)果表明，提高驅(qū)動電壓，使得電磁閥響應變快，性能更優(yōu)。在后續(xù)開發(fā)進程中，可考慮優(yōu)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(jiān)測

圖5 為電磁閥動作反饋電壓值?？梢钥闯?，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(tài)。通過實時監(jiān)控的氣門升程切換狀態(tài)，與電磁閥動作狀態(tài)進行對照，結(jié)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(tǒng)處于低升程狀態(tài)時，通過控制器給電磁閥發(fā)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(tài)。從圖中曲線可以看出，系統(tǒng)在電磁閥接收到控制器切換信號后的一個循環(huán)內(nèi)實現(xiàn)了低升程至高升程的切換，表明切換系統(tǒng)在當前轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)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(tǒng)處于高升程狀態(tài)時，通過控制器向電磁閥發(fā)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(tài)。從圖中曲線可以看出，系統(tǒng)在電磁閥接收到控制器切換信號后的一個循環(huán)內(nèi)實現(xiàn)了高升程至低升程的切換，表明切換系統(tǒng)在當前轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)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(gòu)切換都是在較低轉(zhuǎn)速下進行，經(jīng)過多次反復試驗表明，在不超過特定轉(zhuǎn)速時，可實現(xiàn)一個循環(huán)內(nèi)的可靠切換。

當前系統(tǒng)在開發(fā)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(xiàn)系統(tǒng)高低升程的切換，而相位時刻錯誤時，則無法實現(xiàn)系統(tǒng)高低升程切換。因此，當前系統(tǒng)需根據(jù)電磁閥的響應特性精確定義切換策略，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠切換運行。

3．6 氣門升程隨轉(zhuǎn)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(tài)下，隨著機油溫度的升高，氣門升程呈現(xiàn)增大的趨勢。在低升程狀態(tài)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(tài)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(xiàn)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(tài)下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，氣門升程呈現(xiàn)增大的趨勢。在低升程狀態(tài)下，凸輪軸轉(zhuǎn)速從較低轉(zhuǎn)速升高到較高轉(zhuǎn)速，氣門升程增大0．8%。在高升程狀態(tài)下，凸輪軸轉(zhuǎn)速從較低轉(zhuǎn)速升高到較高轉(zhuǎn)速，氣門升程增大0．4%。因此從變化幅度來看，氣門升程隨轉(zhuǎn)速升高呈現(xiàn)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(jié)果分析

由上述試驗結(jié)果可看出：切換機構(gòu)在完成一系列動作后實現(xiàn)了高低升程的切換，表明該可變氣門升程系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)切換功能。隨著低升程切換至高升程，氣門速度呈現(xiàn)增大的趨勢，氣門落座后，無明顯反跳現(xiàn)象發(fā)生。

在不超過特定轉(zhuǎn)速且機油溫度在某一特定范圍內(nèi)時，可實現(xiàn)一個循環(huán)內(nèi)的可靠切換。當凸輪軸轉(zhuǎn)速超過特定轉(zhuǎn)速時，切換機構(gòu)也可進行調(diào)整，但機構(gòu)沖擊較大，存在一定的失效風險。故該切換機構(gòu)限定在特定轉(zhuǎn)速與機油溫度范圍內(nèi)才可實現(xiàn)可靠切換。

4 結(jié)論

該可變升程系統(tǒng)在氣門升程切換過程中，機構(gòu)升程切換平穩(wěn)可靠，氣門落座平穩(wěn)，無明顯反跳現(xiàn)象發(fā)生。氣門升程隨油溫升高呈現(xiàn)增大的趨勢，但增大幅度較小。氣門升程隨轉(zhuǎn)速升高呈現(xiàn)增大的趨勢，但增大幅度較小。

在不超過特定轉(zhuǎn)速且機油溫度在某一特定范圍內(nèi)時，可實現(xiàn)一個循環(huán)內(nèi)的可靠切換。當凸輪軸轉(zhuǎn)速超過特定轉(zhuǎn)速時，切換機構(gòu)也可實現(xiàn)切換，但機構(gòu)沖擊較大，存在一定的失效風險。

由于切換機構(gòu)對于執(zhí)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(xiàn)，故為了使該系統(tǒng)在發(fā)動機及整車試驗中更加可靠，可進一步優(yōu)化電磁閥的結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性，同時可優(yōu)化控制策略，使切換邏輯更加優(yōu)化，切換過程平穩(wěn)可靠，提高耐久性能。