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新聞
行業新聞成為全球領先汽車行業的專業供應商
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VVT發動機概述
作者:車云網 來源:車云網 時間:2014-04-13 | 點擊數:

車云網2015年3月2日報道 車云按:VVT一直以來都是主機廠宣傳發動機技術水平的重要零部件。日系在當年更是憑借這一技術,獨領市場風騷多年。那么,大家經常能夠聽到的VVT技術,其原理到底如何,各家主機廠背后的VVT技術之優劣又如何區分,目前和未來的發展將會怎樣?本文作者為就職于VVT零部件企業的高級研發工程師。

一篇文章看懂VVT技術

可變氣門技術可以帶來非常具有吸引力的發動機性能改善效果,因此自從發動機開發之初,工程師們就夢寐以求地渴望實現發動機氣門的可變控制??勺儦忾T技術發展至今主要有兩大分支:

  1. 其一:VVT(Variable Valve Timing)可變氣門正時技術,以豐田的VVT-i以及BMW公司的Vanos為代表;

  2. 其二:VVL(Variable Valve lift)可變氣門升程技術,以本田的VTEC,Mitsubishi公司的MIVEC以及Porsche公司的Vario-Cam為代表。

本文將重點講述的VVT可變氣門正時技術,就是在特定的發動機工況下,通過控制進氣門開啟角度提前和延遲來調節進排氣量和時刻和改變氣門重疊角的大小,來實現增大進氣充量和效率,更好的組織進氣渦流,調節氣缸爆發壓力與殘余廢氣量,來獲得發動機功率,扭矩,排放,燃油經濟性,舒適性等綜合性能的改善,從而解決傳統固定配氣相位發動機的各項性能指標之間相互制約的技術矛盾。

1960年起,汽車工程師們開始致力于這項技術的研究。1982年,AlfaRomeo的spider2.0是最早采用VVT技術的量產車型。1993年,豐田公司開始將該技術在行業內大面積推廣。

VVT系統可分為分段式調節和連續調節,而連續調節式VVT又可分為如下四類:

  1. (1)單進氣VVT,簡稱IPS

  2. (2)單排氣VVT, 簡稱EPS

  3. (3)進、排氣獨立調節VVT,簡稱DIPS

  4. (4)進、排氣等相位調節VVT, 簡稱DEPS

目前,市面上不同汽車廠商命名的如VVT,VCT,VVT-i, CVVT, DVVT,VCP,CVCP等,其實都是上述技術中的一種,名字不同而已。

上述四種VVT系統的控制效果如下圖:

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VVT控制效果

VVT系統工作原理及結構

文中以目前中國汽車市場上量產車型大部分采用的液壓驅動式VVT系統為例:

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VVT系統原理圖

上述圖中VVT系統主要由cam phaser(相位器)和oil control valve(機油控制閥,簡稱OCV)組成。cam phaser為該系統的執行器,而OCV為該系統的控制器。

發動機管理系統EMS(通常也叫作發動機ECU)根據節氣門開度傳感器,發動機水溫傳感器,轉速傳感器,空氣流量計等傳來的信號,查找MAP圖,解算出發動機各工況下所需氣門正時角,即目標位置;同時,發動機管理系統EMS根據曲軸位置傳感器和凸輪位置傳感器傳來的反饋信號計算得出的凸輪軸的實際位置。EMS將目標位置和實際位置進行比較,并根據EMS的控制策略,向 OCV發出作動信號,改變控制閥中閥芯的位置,從而改變油路中機油流向和流量大小,把提前、滯后、保持不變等信號以油壓方式反饋至VVT相位器空腔內,來實現相位器內部定子和外部轉子之間的相對轉動 ,來調節凸輪軸的正時角度,從而達到調整進氣(排氣)的量,和氣門開閉時間。

VVT系統為閉環控制,目前較為常見的是三點控制法和PID控制法。電磁閥的控制算法是相位控制的關鍵。整個系統結構分為三部分:

1、VVT油路系統

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發動機機油油路

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VVT系統油路

VVT系統的的所有工作均需通過機油完成,為保證VVT及時、準確的工作,必須保證油壓在工作范圍內,為此,一般VVT發動機均有單獨的VVT油路,如圖4所示。機油從油底殼被機油泵輸送到凸輪軸,然后經過OCV機油控制閥,然后由控制閥控制進入相位器內部空腔中的機油量和機油流入/流出方向。OCV按照ECU的指令,通過Spool Valve(閥芯)的軸向位置來調節機油的流向,使葉片相對殼體轉動,從而實現對配氣相位的調節及控制如圖5所示。

2、cam phaser相位器結構

相位器通常分為四種:鏈傳動葉片式轉子,鏈傳動星型轉子,帶傳動葉片式轉子,帶傳動星型轉子。下面以鏈傳動星型轉子為例。

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相位器結構示意圖

 

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相位器左右油腔示意圖

鏈輪,定子和罩板共同組成液壓空腔,并被帶有油封的星型轉子分割為兩個油腔,如圖7所示。油腔分別于凸輪軸和OCV進出油孔對應相連。

其中轉子與凸輪軸通過中央螺栓固定在一起,轉子與凸輪軸的轉動永遠是同步的;而定子與鏈輪或帶輪通過定子螺栓固定在一起,鏈輪或帶輪以及定子與曲軸的轉動是同步的。轉子相對于定子有相對轉動時,也就意味著凸輪軸就相對于曲軸有正時提前或滯后。

3、OCV機油控制閥結構

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OCV結構示意圖

VVT系統的OCV閥為比例閥,意即閥芯的移動位置與發動機ECU向OCV線圈提供的PWM占空比大小是成正比的。占空比逐漸加大時,線圈電磁力也逐漸加大,鐵芯總成在螺線管中移動,并克服彈簧力推動閥芯前移,當占空比信號逐漸減小時,電磁力也逐漸減小,閥芯在彈簧力的作用下逐漸回位。閥芯在移動過程中,與閥套配合實現油路的切換,從而控制機油進出OCV閥的方向和流量,進而控制流入/流出相位器油腔的機油流量。

VVT系統工作過程

為了更好的說明VVT系統的工作過程,下面以進氣VVT為例,分別概述其三個最基本的工作過程:

1、基準位置:輸入OCV的PWM信號占空比通常為0%,閥芯沒有移動。相位器右側油腔油壓大于左側油腔油壓,葉片左側緊靠在定子臺肩上,轉子與定子之間沒有發生相對轉動,及凸輪軸相對于曲軸正時沒有調節。通常進氣VVT基準位置為進氣配氣相位滯后位置,即進氣門滯后打開和關閉。

2、工作位置:輸入OCV的PWM信號占空比逐漸加大,閥芯移動到最遠的位置,相位器中左側油腔壓力逐漸加大,解鎖后,當左側油腔中壓力大于右側油腔壓力,并克服凸輪軸摩擦轉矩以及相位器內部摩擦轉矩等之后,轉子相對定子有順時針轉動,凸輪軸向正時提前方向調節,即進氣門將提前打開和關閉。

3、穩定位置,也叫控制位置:即轉子相對定子順時針轉動一定角度后,輸入OCV的PWM信號占空比大約在50%左右,相位器左右兩側油腔同時供油,轉子和定子保持在該相對位置。通常VVT介入調節后,大部分時間工作在某一角度的動態穩定位置。

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VVT系統工作過程圖

VVT系統其最終的目的是實現對凸輪軸正時的實時調節和控制,和其他控制系統一樣,其最關鍵的技術特性也是如下三點:

(1)響應速度:即VVT系統的調節速度,單位時間內VVT系統能調節凸輪軸轉過的角度。其中,相位器本身的結構參數對該指標影響最大,可以引入扭矩壓力比參數來衡量,該參數僅與相位器結構有關。另外,OCV在油道中的安裝位置也對VVT系統的響應速度有較大影響。

(2)控制精度:即VVT系統實際的相位角與ECU設定的目標角之間的符合程度。在VVT系統功能試驗中,通常用跟隨性曲線來表征。

(3)控制穩定性:即VVT系統在外界條件發生改變時(如發動機機油油壓,溫度等條件發生變化)對該系統產生干擾,閉環控制系統是否能穩定的工作,一般以某一控制位置時的調節角度波動量來衡量。

總之,上述三項指標與相位器,OCV本身的結構及性能,系統安裝方式,以及控制算法緊密相連。

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