VCT发动机润滑系统的改进设计与试验研究

殷海庭

（上海汽车集团股份有限公司，上海201804）

VCT发动机润滑系统的改进设计与试验研究

殷海庭

（上海汽车集团股份有限公司，上海201804）

介绍了在现有发动机基础上开发机油液压控制VCT（Variable Camshafts Timing）系统，发动机在开发前期通过对各个改进方案的试验验证，最终为VCT机构的机油供应与发动机润滑需求（特别是缸盖运动件）的矛盾解决提供了最优匹配方案。通过系列试验的验证为该发动机提供了良好的更改依据，并积累了宝贵的数据，为后期开发和验证定型奠定了基础。这一过程也可以为其他机型引入VCT系统而匹配机油的供应提供参考和支持。

润滑系统机油供应改进试验验证VCT

1 引言

能源与环境问题是目前汽车工业所面临的2个主要问题，为了在提高汽油机燃油经济性和动力性的同时，还要满足越来越严格的排放法规要求。从20世纪70年代开始，汽油机燃油电喷技术逐步发展起来，至今已形成了以进气管多点顺序喷射为代表的较为成熟的汽油机燃油控制技术。与燃油控制技术相比，早期的配气控制技术研究进展得比较缓慢，主要成果是在1985年以后取得的。20世纪90年代，国外对可变气门技术的研究成为热点，开发出了一系列基于凸轮轴的可变气门机构，并且应用于车用发动机，其中可变凸轮轴相位机构应用最广[1]。

气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴驱动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。在普通发动机上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的。这种固定不变的正时很难兼顾到发动机不同转速下的工况需求，可变气门正时就是解决这一矛盾的技术。在发动机高速运转时，需要较大的气门叠开角来达到充气充分的目的；而在发动机低速及部分负荷工况时，气门叠开角应该相应变小，达到改善性能、降低排放的目的[2,3]。而VCT（Variable Camshafts Timing）技术可以通过控制器调节凸轮轴，从而调节气门开闭，满足不同的工况需求，达到增加功率、减少油耗，改善排放的目的。采用可变气门正时技术，发动机的功率和扭力输出将会更加线性，同时兼顾高低转速的动力输出，发动机转速能够设计得更高，因而获得更高的功率输出。例如，尼桑2L排量的Neo VVL发动机比没有配备VVT的相同结构的发动机，动力输出可以提高25%以上。采用了可变气门正时技术，发动机在低转速时能增加扭矩输出，大大增强驾驶的操纵灵活性。例如，菲亚特Barchetta's 1.8 VVT发动机，能在2 000～6 000 r/min之间输出90%的扭矩；同时EGR（废气再循环）是一套普通的用于降低排放和提高燃烧效率的系统，而可变配气技术则能进一步发挥EGR的潜能。

本文论述的机油液压控制VCT系统就是在发动机顶置进排气凸轮轴上增加一个液压控制VCT的机构，来实现在发动机全工况区域气门正时连续可变。VCT系统如图1所示。当然该系统能够保证足够的响应时间，与系统机油压力的响应时间有直接的关系，应用VCT系统增加了润滑系统的供油需求，这样缸盖部分的机油供应量就相应减少了，从而产生了VCT系统对机油要求与缸盖正常工作机油需求之间的矛盾[4,5]。

图1 典型VCT系统结构示意图

2 VCT发动机对润滑系统的要求和对策

2.1 VCT发动机润滑系统存在的问题

本文的VCT发动机是在原型发动机的基础上增大缸体主油道内径，通过部分改进缸盖油道增加VCT装置供油孔，修改凸轮轴以安装VCT调相器及适宜的凸轮轴初始相位，增加VCT装置机油控制电磁阀等改进工作得到的。发动机ECU通过电磁阀控制VCT机构的进回机油而连续改变凸轮轴的相位，从而获得最佳的发动机性能。原机与VCT发动机的性能对比如图2所示。

首台VCT发动机的样机装配及初始标定后，在试验过程中发现，润滑系统已无法同时满足VCT装置与缸盖运动部件的机油流量需求。在进行一轮高温条件下的机油压力测量中，机油温度为135℃，最高温度达到150℃，并出现了气门脱落的严重故障，导致了发动机的严重损坏。经过发动机的拆检，发现凸轮轴轴承部分及液压挺柱存在着润滑不足而造成的磨痕，同时发动机台架监控数据也表明，在故障发生时供应挺柱的机油压力非常低。通过系统的检查和分析，表明是由于供应给缸盖系统的机油在高温条件下不能满足需要。这说明原型设计的发动机机油供应及分配不能满足VCT发动机的工作需要，尽快进行发动机机油供应的重新匹配成了项目的重要目标。

图2 原机与VCT发动机的性能对比

根据以上方案分别进行分析与试验，其中包括单项试验及多项试验在一起进行。图3是更改为VCT发动机的原始设计取得的机油压力曲线，并在机油温度为130℃时发生了气门脱落事件，共采集了机油温度在100℃以上时凸轮轴轴承处的机油压力，作为各个设计方案所得结果的比较基础。从图中可见，机油温度从100℃增至130℃时，机油压力明显下降，造成了机油供应量的不足。

图3 采用VCT后凸轮轴轴承处机油压力

2.2 改进方案

依据预计对缸盖和VCT机构的机油供应矛盾的改善和实现的代价，做出的机油供应的改进和匹配方案如下：

（1）更换机油牌号，由原设计的5W30更换为5W40，即采用高黏度机油，以提高高温时能供应到缸盖部分的机油压力。

（2）改进机油泵性能，增加机油流量，提高供给发动机的机油量。共有2个设计方案，分别将机油泵（研究试验时机油泵外置）加厚2 mm和加厚0.5 mm。

（3）逐步增大缸盖油道限油槽，分别是增大50%及去除限油槽，通过试验检查其对VCT装置及缸盖主油道的机油供应的影响。限油槽是在由原型机改进设计到VCT发动机过程中特意在缸盖主油道上设计的，以保证VCT装置机油供应的机油分配装置，示意图参见图4。

图4 缸盖机油分配示意图

（4）减小凸轮轴轴承间隙，从而减少通过轴承间隙的机油回油，提高缸盖其他部分的机油供应。减小的目标仍是与该原型发动机应用相同的气门、气门导管、气门弹簧、锁夹、油封及液压挺柱等系列气阀运动机构的量产发动机的凸轮轴间隙。需要为此增大凸轮轴轴颈直径。

（5）应用机械挺杆代替液压挺柱，减小该部分对机油的需求。

3 改进措施的验证与分析

3.1 采用高黏度机油

对于提高机油的黏度等级是最方便和最简单的方案。相对于新的5W30机油，5W40机油是已量产的发动机的标准用油，通过对比试验取得了好的结果。在100℃以上的高速段区机油的压力得到了明显的提高，但仍然不能达到系统的需求，结果如图5所示。

图5 机油粘度对机油压力的影响

3.2 提高机油泵流量

对于提高机油泵性能，有增厚2 mm和0.5 mm两种设计方案。增厚2 mm的方案由于机体中没有足够的安装空间，所以采用了外置机油泵，通过油管连接到机体；而对加厚0.5 mm的方案，机油泵外形无任何改变，可以在原机体上直接使用。这2种方案的试验结果如图6～图8所示，可见机油泵加厚2 mm对提高机油压力的效果更好一些。但与0.5 mm的方案相比，2 mm的方案需要更改缸体，对于已定型的产品来说，其代价比较大，无法在实际中应用。当0.5 mm的方案与其他改进措施一起使用时，仍可获得满意的结果，所以2 mm方案最后不被采用。

图6 机油泵加厚2 mm时机油压力曲线

图7 原机油泵与加厚2 mm机油泵的机油压力曲线

图8 原机油泵与加厚0.5 mm机油泵的压力曲线

3.3 限油槽

对于限油槽的改进，增大50%的方案发现对机油供应的改善不大；而完全去除限油槽，在增大凸轮轴轴颈和减小轴承间隙后，对VCT装置的正常功能没有不良影响，并能增加缸盖部分的机油供应，改善了VCT机构与缸盖之间的机油分配矛盾，所以最终采用了完全去除限油槽的改进设计方案。试验对比机油压力曲线如图9～图11所示。

3.4 凸轮轴承间隙优化

对于减小凸轮轴承间隙，由于新的轴承间隙是已量产的在发动机上已成功使用的参数，而且VCT发动机缸盖部分采用了大部分的量产发动机的零件，特别是气阀运动部分，所以在设计方面仅仅是增加凸轮轴的轴颈直径。该方案能够适当减少机油泄漏量来提高部分机油供应能力，与其他措施的集成使用在试验上取得了良好的成果。相应的不同间隙机油压力对比曲线见图12。

图9 限油槽增大50%时机油压力曲线

图10 机油泵加厚0.5 mm以及限油槽增加50%的机油压力曲线

3.5 采用机械式挺杆

对于使用机械挺杆的方案，由于对缸盖的改动太大，很多成熟的零件将被重新设计的零件取代，这面临着很大的代价与风险，并且设计产品的成本、时间和验证也都是一个很大的挑战。在其他方案取得了令人满意的结果后，这个方案作为最后的措施被放弃，见图13。

经过润滑系统的试验和重新匹配，最后选择了一个优化的综合方案：5W40机油、机油泵加厚0.5 mm、去除缸盖的机油限油槽、减小凸轮轴轴颈间隙。该方案各转速下机油压力曲线如图14所示，达到了各方面的要求，特别是低速时凸轮轴机油压力＞60 kPa，VCT装置机油压力＞100 kPa。VCT发动机也通过了耐久试验，最终证明了该改进的切实可行。

图11 去除限油槽的机油压力曲线

图12 减小凸轮轴承间隙前后的机油压力

4 结论

（1）通过润滑系统的试验，发现机油控制VCT装置在发动机上应用时会对对发动机，特别是缸盖部分的机油供应产生不良的影响，对发动机的机油供应能力提出了更高的要求。

The Design Development and Test Research for Lubrication System of VCT Engine

Yin Haiting
（SAIC Motor Corporation Limited,Shanghai 201804,China）

The engine with oil hydraulic controlled VCT(Variable Camshafts Timing)is developed based on its base engine.Various improvement tests are done at the early stage of the VCT engine development,which provides an optimal solution to the conflict of the oil supply for the VCT system and the oil demand of the engine lubrication,the moving parts of the cylinder head in particular.A good basis for the VCT engine development is formed through a series of validation tests,and valuable data are also accumulated.These are all useful for the later stages of development and validation.This process can also provide a reference to other types of engines which will introduce VCT system.

lubrication system,oil supply,development test validation,VCT

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.008

来稿日期：2012-05-14

殷海庭（1978-），男，工程师，主要研究方向为动力总成分析试验。