VVT技术在单凸轮轴发动机上的应用研究

曲德鑫，卢洪英，曹权佐，潘圣临，王剑锋（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

VVT技术在单凸轮轴发动机上的应用研究

曲德鑫，卢洪英，曹权佐，潘圣临，王剑锋
（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

文章以DAE公司批产机型4G1单凸轮轴发动机为基础，通过理论研究、结构设计以及功能开发，实现了VVT技术在单凸轮轴发动机上的应用，并开创了国内单凸轮轴发动机采用VVT技术批量生产的先例。最终通过试验结果表明：①VVT技术在该项目上的成功，打破了业内对于VVT技术能否在单凸轮轴发动机上成功应用的疑虑；②在单凸轮轴发动机上采用VVT技术，能在取得性能提升的前提下最大程度上实现了在现有生产线上共线生产。

VVT；单凸轮轴发动机；油耗；扭矩

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.008

CLC NO.: U464.9Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-21-03

引言

可变气门正时技术简称VVT（Variavle Valve Timing）技术，其在双凸轮轴发动机上的应用现已成为成熟技术，该技术对发动机整体性能的提升起到明显的作用， 但双凸轮轴发动机结构复杂、摩擦副多且成本相对较高。单凸轮轴发动机相对双凸轮轴发动机结构简单、成本较低且摩擦副少，更具有节油的潜力，不过由于业界对VVT技术应用在单凸轮轴发动机上的预期效果等并不清晰，并且开发难度较大，因此几乎没有企业或机构涉及单凸轮轴VVT发动机技术的研发。我公司为兼顾性能、油耗以及成本因素，创新性的将VVT技术应用在单凸轮轴发动机上，并取得了成功，使该发动机在性能及油耗方面与原型机相比大幅提升。

1、应用原理

由于单凸轮轴发动机的结构特性决定，即使在单凸轮轴发动机上应用VVT系统，也无法改变发动机的气门重叠角，因此对于气门开启、关闭时刻的控制，是VVT系统在单凸轮轴发动机上应用的重点。对于不同的进气门开闭时刻，对发动机主要有以下影响：

1）在发动机进气开始时，因气门开启初期气门上升缓慢，流通截面小，以及进气气流由静止到加速的滞后影响，会使缸内真空度加大，进气量减少，进气损失增大，所以要求进气门在上止点之前适当提前开启。

2）在发动机进气结束时，由于充入气缸内的高速气流仍具有一定惯性，因此此时若延迟关闭气门，可以充分利用这部分惯性增大进气量，以此提高发动机的性能。

4G15V发动机的VVT系统正是利用以上两点特性对发动机正时进行控制，以达到在不同工况选择最优的进气策略的目的。

2、VVT系统在4G15S发动机上的布置研究

采用单凸轮轴VVT系统，控制方式选用叶片类型持续可变式。这是综合考虑该发动机的结构特点及VVT综合性能和成本核算等各方面因素后确定的方案。

2.1原型机结构介绍

4G15S发动机是四缸十六气门多点电喷发动机，发动机排量1488ml。该发动机的配气机构为单顶置凸轮轴配气。

2.2加装VVT系统基本方案

根据公司产品的市场定位及原型机结构，4G15S发动机加装VVT系统的原则是在满足发动机性能开发的前提下，尽可能减少原型机零部件的结构变动，实现发动机零件的共用最大化，降低成本。在4G15S现有SOHC结构基础上增加VVT，从系统构造上说，这就需要对4G15S发动机本体零部件现有结构进行以下调整：

（1）供油方面

1）在缸体主油路上增加相位调节器供油取油口，用来获得足够的供油压力，以确保相位调节器的响应速度。

2）缸盖进气凸轮轴孔第一轴承座增加相位调节器控制油路。

3）在缸盖下方增加OCV阀供油孔，并设计油路连接OCV阀和缸体主油路。

4）根据供油需求调整机油泵转子厚度，提高其泵油能力。

（2）VVT系统零件安装方面

1）在缸盖下方增加OCV阀安装孔。

2）凸轮轴前端调整结构，以满足相位调节器（CVCP）的安装需求，调整相位器安装螺栓，变为中空结构。

3）更改凸轮相位信号轮结构，根据电喷系统控制要求，信号齿数细化。

4）调整正时带罩壳结构，确保相位器的安装。

图1　4G15S发动机安装凸轮相位器的总体布置结构示意图

最终 4G15S发动机安装凸轮相位器的总体布置结构示意图，如图1所示。

2.3VVT系统油路布置方案

VVT系统油路布置及控制简图如图2所示，整个油路布置由供应主油路、控制油路（C1、C2）、回油路（V1、V2）组成。

图2　VVT系统油路布置简图

2.3.1供油主油路路线

缸盖上独立的控制油路由缸体中引出机油，如图2所示，然后经由 OCV油压控制阀（安装在缸盖上），进而根据 ECU控制程序将机油分两条油路（提前油路和延迟油路）分配给凸轮相位器。通过电磁控制阀的另一条泄油路，由凸轮相位器流回到缸盖，最后流回到发动机油底壳中，从而完成回油过程。

2.3.2正时提前油路路线

当需要发动机配气正时提前时，ECU发出信号控制油压控制阀中的机油，通过凸轮轴的油道引入相位控制器的提前室，提前室中的油压控制CVCP的转子和凸轮轴一起沿相同方向旋转（从发动机前方看顺时针方向），气门正时被提前，如图2所示。此时与气门正时延迟室相通的油路成为回油路。

2.3.3正时延迟油路路线

当需要发动机配气正时延迟时，ECU会发出信号来控制流过OCV阀中的机油，将机油通过中空的相位器紧固螺钉引到CVCP前端的延迟室。延迟室中的油压控制CVCP的转子与凸轮轴一起沿相同方向旋转（从发动机前方看为逆时针方向），从而实现了气门正时被延迟，如图2所示。此时与CVCP前端的延迟室相通的油路成为回油通路。

2.4VVT系统控制原理

图3　VVT系统控制方框图

VVT系统工作时所需要的凸轮轴相位由ECU根据发动机各种运转参数（包括转速、负荷、冷却液温度等等）来综合确定。ECU根据所需的相位值来控制OCV阀动作，从而改变CVCP的转子和定子间的相对位置，进而实现对气门正时的间接控制。目前的VVT系统是通过PID（闭环比例积分微分）控制，随时调整修正目标相位与实际相位的偏差，从而实现了发动机性能的提升。VVT系统控制方框图如图3所示。

3、试验验证及数据分析

为验证4G15V发动机性能，公司在发动机台架上进行相关对比测试。

3.1发动机匹配

本项目发动机匹配的方法是：在4G15S发动机匹配数据基础上，从相位器能调整到的最提前角开始，以一定的步长一直标定到最滞后角位置。在固定一个相位角后，调整点火、喷油等参数，然后进行综合考虑选取性能最佳点进行数据固化。关键策略如表1所示。

表1　VVT相位调整策略

3.2试验数据分析

通过试验数据对比，在4G15S发动机上增加VVT系统后，整机性能得到很大提升。在扭矩输出上，平均提升6.8%，其中最高扭矩提升9.18%，详见图4扭矩提升前后对比曲线：

图4　扭矩提升前后对比曲线

同时，发动机在特征点油耗上也明显下降，详见表2：

表2　特征点油耗下降前后对比数据

从试验结果上看，增加VVT系统后，发动机在中低转速下的扭矩提升较为明显，在2000rpm时提升率达到7%以上，这也正符合国内实际常用驾驶工况的特点。而在油耗方面，各特征点油耗平均下降约5%，有效的提升了发动机的燃油经济性，满足国内对低油耗发动机的市场需求。

4、结论

该发动机的成功开发，证明VVT技术不但可以在单凸轮轴发动机上应用，还能有效地改善发动机的动力性能和经济性，打破业界对于VVT能否在单凸轮轴发动机上成功应用的疑虑。也证明结构简单、成本低廉、运行可靠的单凸轮轴发动机仍具有升级潜力与市场空间。此外该发动机也是国内市场上第一款批量上市的采用VVT技术的单凸轮轴发动机，开创了VVT技术在单凸轮轴发动机上应用的先河，填补了VVT应用领域的技术空白。

[1] 敬章超.EGR进气方式对汽油机性能及其NOX排放影响的试验研究[D].天津大学硕士学位论文，2003(01).

[2] 李瑜,张华娟等.EGR系统在SNH4102型柴油机中的标定试验[J].汽车工程师,2012(1)：26-28.

[3] H. Kuroda,et al, The Fast Burn with Heavy EGR, New Approach for Low NOx and Improved Fuel Economy, SAE Paper 78000.

[4] Michihiko Tabata, etal, Improving NOx and Fuel Economy for Mixture Injected SI Engine with EGR, SAE Paper 950684.

Application of VVT technology on a single camshaft engine

Qu Dexin, Lu Hongying, Cao Quanzuo, Pan Shenglin, Wang Jianfeng
( Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060 )

In this paper, based on the DAE company batch production of 4G1 single camshaft engine，through theoretical research, structural design and functional development, to achieve the VVT technology used in single camshaft engine, and creating a precedent for batch-produced single camshaft engine with VVT technology in the country.

VVT; single camshaft engine; fuel consumption; torque

U464.9

A

1671-7988（2015）12-21-03

曲德鑫，工程师，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，研究方向为发动机设计、新技术预研。