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VVT发动机概述
作者:车云网 来源:车云网 时间:2014-04-13 | 点击数:

车云网2015年3月2日报道 车云按:VVT一直以来都是主机厂宣传发动机技术水平的重要零部件。日系在当年更是凭借这一技术,独领市场风骚多年。那么,大家经常能够听到的VVT技术,其原理到底如何,各家主机厂背后的VVT技术之优劣又如何区分,目前和未来的发展将会怎样?本文作者为就职于VVT零部件企业的高级研发工程师。

一篇文章看懂VVT技术

可变气门技术可以带来非常具有吸引力的发动机性能改善效果,因此自从发动机开发之初,工程师们就梦寐以求地渴望实现发动机气门的可变控制。可变气门技术发展至今主要有两大分支:

  1. 其一:VVT(Variable Valve Timing)可变气门正时技术,以丰田的VVT-i以及BMW公司的Vanos为代表;

  2. 其二:VVL(Variable Valve lift)可变气门升程技术,以本田的VTEC,Mitsubishi公司的MIVEC以及Porsche公司的Vario-Cam为代表。

本文将重点讲述的VVT可变气门正时技术,就是在特定的发动机工况下,通过控制进气门开启角度提前和延迟来调节进排气量和时刻和改变气门重叠角的大小,来实现增大进气充量和效率,更好的组织进气涡流,调节气缸爆发压力与残余废气量,来获得发动机功率,扭矩,排放,燃油经济性,舒适性等综合性能的改善,从而解决传统固定配气相位发动机的各项性能指标之间相互制约的技术矛盾。

1960年起,汽车工程师们开始致力于这项技术的研究。1982年,AlfaRomeo的spider2.0是最早采用VVT技术的量产车型。1993年,丰田公司开始将该技术在行业内大面积推广。

VVT系统可分为分段式调节和连续调节,而连续调节式VVT又可分为如下四类:

  1. (1)单进气VVT,简称IPS

  2. (2)单排气VVT, 简称EPS

  3. (3)进、排气独立调节VVT,简称DIPS

  4. (4)进、排气等相位调节VVT, 简称DEPS

目前,市面上不同汽车厂商命名的如VVT,VCT,VVT-i, CVVT, DVVT,VCP,CVCP等,其实都是上述技术中的一种,名字不同而已。

上述四种VVT系统的控制效果如下图:

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VVT控制效果

VVT系统工作原理及结构

文中以目前中国汽车市场上量产车型大部分采用的液压驱动式VVT系统为例:

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VVT系统原理图

上述图中VVT系统主要由cam phaser(相位器)和oil control valve(机油控制阀,简称OCV)组成。cam phaser为该系统的执行器,而OCV为该系统的控制器。

发动机管理系统EMS(通常也叫作发动机ECU)根据节气门开度传感器,发动机水温传感器,转速传感器,空气流量计等传来的信号,查找MAP图,解算出发动机各工况下所需气门正时角,即目标位置;同时,发动机管理系统EMS根据曲轴位置传感器和凸轮位置传感器传来的反馈信号计算得出的凸轮轴的实际位置。EMS将目标位置和实际位置进行比较,并根据EMS的控制策略,向 OCV发出作动信号,改变控制阀中阀芯的位置,从而改变油路中机油流向和流量大小,把提前、滞后、保持不变等信号以油压方式反馈至VVT相位器空腔内,来实现相位器内部定子和外部转子之间的相对转动 ,来调节凸轮轴的正时角度,从而达到调整进气(排气)的量,和气门开闭时间。

VVT系统为闭环控制,目前较为常见的是三点控制法和PID控制法。电磁阀的控制算法是相位控制的关键。整个系统结构分为三部分:

1、VVT油路系统

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发动机机油油路

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VVT系统油路

VVT系统的的所有工作均需通过机油完成,为保证VVT及时、准确的工作,必须保证油压在工作范围内,为此,一般VVT发动机均有单独的VVT油路,如图4所示。机油从油底壳被机油泵输送到凸轮轴,然后经过OCV机油控制阀,然后由控制阀控制进入相位器内部空腔中的机油量和机油流入/流出方向。OCV按照ECU的指令,通过Spool Valve(阀芯)的轴向位置来调节机油的流向,使叶片相对壳体转动,从而实现对配气相位的调节及控制如图5所示。

2、cam phaser相位器结构

相位器通常分为四种:链传动叶片式转子,链传动星型转子,带传动叶片式转子,带传动星型转子。下面以链传动星型转子为例。

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相位器结构示意图

 

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相位器左右油腔示意图

链轮,定子和罩板共同组成液压空腔,并被带有油封的星型转子分割为两个油腔,如图7所示。油腔分别于凸轮轴和OCV进出油孔对应相连。

其中转子与凸轮轴通过中央螺栓固定在一起,转子与凸轮轴的转动永远是同步的;而定子与链轮或带轮通过定子螺栓固定在一起,链轮或带轮以及定子与曲轴的转动是同步的。转子相对于定子有相对转动时,也就意味着凸轮轴就相对于曲轴有正时提前或滞后

3、OCV机油控制阀结构

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OCV结构示意图

VVT系统的OCV阀为比例阀,意即阀芯的移动位置与发动机ECU向OCV线圈提供的PWM占空比大小是成正比的。占空比逐渐加大时,线圈电磁力也逐渐加大,铁芯总成在螺线管中移动,并克服弹簧力推动阀芯前移,当占空比信号逐渐减小时,电磁力也逐渐减小,阀芯在弹簧力的作用下逐渐回位。阀芯在移动过程中,与阀套配合实现油路的切换,从而控制机油进出OCV阀的方向和流量,进而控制流入/流出相位器油腔的机油流量。

VVT系统工作过程

为了更好的说明VVT系统的工作过程,下面以进气VVT为例,分别概述其三个最基本的工作过程:

1、基准位置:输入OCV的PWM信号占空比通常为0%,阀芯没有移动。相位器右侧油腔油压大于左侧油腔油压,叶片左侧紧靠在定子台肩上,转子与定子之间没有发生相对转动,及凸轮轴相对于曲轴正时没有调节。通常进气VVT基准位置为进气配气相位滞后位置,即进气门滞后打开和关闭。

2、工作位置:输入OCV的PWM信号占空比逐渐加大,阀芯移动到最远的位置,相位器中左侧油腔压力逐渐加大,解锁后,当左侧油腔中压力大于右侧油腔压力,并克服凸轮轴摩擦转矩以及相位器内部摩擦转矩等之后,转子相对定子有顺时针转动,凸轮轴向正时提前方向调节,即进气门将提前打开和关闭。

3、稳定位置,也叫控制位置:即转子相对定子顺时针转动一定角度后,输入OCV的PWM信号占空比大约在50%左右,相位器左右两侧油腔同时供油,转子和定子保持在该相对位置。通常VVT介入调节后,大部分时间工作在某一角度的动态稳定位置。

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VVT系统工作过程图

VVT系统其最终的目的是实现对凸轮轴正时的实时调节和控制,和其他控制系统一样,其最关键的技术特性也是如下三点:

(1)响应速度:即VVT系统的调节速度,单位时间内VVT系统能调节凸轮轴转过的角度。其中,相位器本身的结构参数对该指标影响最大,可以引入扭矩压力比参数来衡量,该参数仅与相位器结构有关。另外,OCV在油道中的安装位置也对VVT系统的响应速度有较大影响。

(2)控制精度:即VVT系统实际的相位角与ECU设定的目标角之间的符合程度。在VVT系统功能试验中,通常用跟随性曲线来表征。

(3)控制稳定性:即VVT系统在外界条件发生改变时(如发动机机油油压,温度等条件发生变化)对该系统产生干扰,闭环控制系统是否能稳定的工作,一般以某一控制位置时的调节角度波动量来衡量。

总之,上述三项指标与相位器,OCV本身的结构及性能,系统安装方式,以及控制算法紧密相连。

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