欢迎订阅 欢迎投稿 欢迎惠登广告 混合动力发动机多锁式液压可变气门正时控制系统的开发

T.Anada　M.Hayashi　M.Kobayashi　S.Nakajima



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【日】K.ShiozawaK.ArigaT.MurataH.ItoH.Takeuchi

T.AnadaM.HayashiM.KobayashiS.Nakajima

摘要：有利于改善环境的汽车技术不断发展，而由于内燃机仍是车辆的主流动力源，所以这些技术也针对内燃机的开发。日产汽车公司开发出一种多锁式液压气门正时控制系统，并用于为Pathfinder和Infiniti JX混合动力车新开发的QR25DER型发动机。新开发的系统可以在电动车模式的发动机冷起动和怠速停车再起动2种情况下获得优化的气门正时。介绍多锁式液压气门正时控制系统的概况、原理和应用效果。

关键词：混合动力多锁式液压可变气门正时控制系统运行失效机理

0前言

近年来，随着世界范围内对环境问题的关注日益增加，为了缓和汽车发动机对环境的影响，降低燃油耗和废气排放的技术层出不穷，其中，混合动力技术的重要性日益突显。日产汽车公司开发出一种多锁式液压可变气门正时控制(VTC)系统，用于新开发的配装于Pathfinder和Infiniti JX混合动力车的QR25DER型发动机。

2012年，开发了一种采用最佳角位置锁定机构的VTC系统，以减少2013款 ALTIMA车型发动机的燃油耗和废气排放。

通过采用多锁机理，新开发的VTC系统使车辆在以电动车模式巡航(发动机从怠速停车状态下再起动)和冷态起动时可以实现最佳气门正时。本文说明中间多锁式VTC系统的运行原理，以及开发过程中遇到的挑战。

1混合动力发动机的起动气门正时

在混合动力车中，主要有2种发动机起动方式： (1) 发动机冷起动；(2) 发动机从怠速停车状态下再起动。这两种方式的差异如下文所述。

1.1　发动机冷起动

由于发动机在低温起动时催化转化器无法正常工作，所以关键是要减少发动机在此时的排放。在这种情形下，同时打开进气门和排气门(气门重叠)被认为是有效的方案。

但另一方面，低负荷工况下气门重叠角过大将导致燃烧过程不稳定。因此，考虑到燃烧稳定性和对减排的影响，须合理选择重叠角。对于本系统，当进气VTC被锁定在中间位置时，气门重叠角设定为12°CA。

图1示出通过增加冷起动时的气门重叠角来降低发动机碳氢化合物(HC)排放的效果。

1.2　发动机从怠速停车状态下再起动

在装有多锁定机构VTC系统的混合动力车中采用单电机双离合器配置。当车辆的行驶状态满足怠速停车条件时，车辆怠速停车，但随着车辆开始再次加速，在电动车模式下发动机再次起动。在这种情况下，发动机起动时引起的振动被传递到车辆内部。为了减小这种振动，通过延迟发动机的进气门关闭正时来实现减压气门正时。应用减压气门正时后，车辆底板振动的降低效果如图2所示。另一方面，在减压阶段延迟进气门关闭正时，会降低发动机输出扭矩。针对这一问题的对策将在下文介绍。上述各气门正时如表1所列。针对这两种车辆状态，开发了对应这两种发动机起动气门正时状态的多锁式VTC系统。

2系统结构

当前的VTC系统被安装在凸轮轴的前端。该系统利用1个正时链条将曲轴的旋转力传递到凸轮轴，同时连续调节旋转相位。

图3示出了开发过程中所使用的最佳角位置锁定VTC系统的结构。这个系统包括1个最佳角位置锁定VTC装置、1个控制相位的机油控制阀(OCV)、1个用于锁定和解锁VTC装置锁紧键的机油切换阀(OSV)，以及1个提供液压压力驱动VTC系统的机油泵。为VTC系统所开发的OCV和OSV由发动机电控单元(ECU)根据行驶条件进行控制。

2.1　多锁式VTC系统的基本结构

本文介绍的多锁式VTC系统和已有的中间锁定VTC系统的比较如图4所示，所开发的零部件详细结构如图5所示。多锁式VTC的特征是具有2个锁定位置，一个位于最大延迟位置，另一个位于中间位置。在结构上，多锁定功能是由在最大延迟位置将锁键b插入转子槽来实现的。中间位置锁键由OSV控制，最大延迟位置锁键由OCV控制。

多锁式VTC与中间锁定VTC之间的差异是，多锁式VTC在最大延迟位置有1个槽，具有较大的动态移动范围，并且设计简单。

2.2　多锁式VTC系统的工作原理

2.2.1发动机冷起动

从ECU尚未发出供电指令给OSV和OCV供电的初始状态开始，依次介绍中间位置锁定控制的工作原理。在初始状态下，各锁键均由其弹簧反作用力插在转子槽中。

当发动机的点火开关通电时，电流接通OSV和OCV。起初，电流只接通OSV，液压不供给VTC单元，使锁键不能解锁，此时，通往OCV的电流是断开的。一旦发动机起动，机油泵将发动机机油供给VTC单元延迟液压腔，VTC单元泄漏的发动机机油也提供给提前液压腔。这两个腔室随即充满机油。

下一步，为解开锁键，切断通往OSV的电流，发动机机油随后供给转子槽，用于锁键解锁。这时通往OSV的电流通常是切断的，并且锁键保持解锁状态，直到发动机停机。

通过控制OCV的供电完成操作，获得VTC目标相位角，这与现有VTC系统相同。

为了使发动机在停机时转换为初始相位，首先向OSV供电，并且停止用于锁键解锁的发动机机油供给，可以在任意时间将锁键插入到转子槽中。接着，根据ECU指令向OCV供电,转子被转换到提前状态，这时锁键被插入转子槽，从而将系统锁定在最佳初始位置。

2.2.2发动机的怠速停车再起动

本节介绍最大延迟位置锁定控制的工作原理。从ECU向OSV和OCV发出供电指令前的初始状态开始，在初始状态下，仅锁键b在弹簧反作用力下仍处于转子槽中。

当发动机的点火开关通电时，电流接通OSV和OCV。起初，电流只接通OCV，液压供给VTC单元，使锁键b解锁。此时，通往OSV的电流仍然断开。一旦发动机起动，机油泵将发动机机油供给VTC单元的提前液压腔。而且，VTC单元内部泄漏的发动机机油也被供给到提前液压腔中。因此，这两个腔室都充满发动机机油。

为了进入中间位置，执行上文提及的相同步骤。基于这些工作原理步骤，表2和图6归纳了各种状态下典型的发动机工况，以及相应的VTC运行状态。这些运行状态的特征是新VTC始终通过锁键锁定在最佳初始位置，以改善发动机在起动和停机时的排放。

表2　发动机运行步骤(典型示例)

通过应用多锁式VTC系统，气门正时的问题得到解决，但由于采用减压气门正时，加速性能不足的问题仍然存在。下面介绍如何解决这个问题。

3采用减压阀正时解决加速性能不足的问题

是否应用减压阀正时的发动机节气门全开性能如图7所示。由图7可见，采用减压阀气门正时后，加速性能显然较差。这是由进气门关闭正时延迟引起的，后者导致进气充量减小。

因此，VTC在发动机转速高于车辆谐振频率后开始运行，并且通过提前进气门关闭正时，在车辆加速时获得所需的发动机扭矩。

此外，如果VTC在发动机达到所需机油压力前开始运行，就有发生运行故障的风险。因此，大多数情况下，在VTC系统开始运行前，通常会采用发动机预定的起动延时。

4运行失效机理

OCV控制最大延迟锁键的释放动作及VTC相位调整动作。此外，最大延迟锁键在结构上被设计成只有当VTC位于最大延迟位置时才能被释放，它同时被驱动至延迟位置(A腔关闭，B腔打开)。在这种条件下，在锁键和转子之间产生间隙，允许锁键被释放。因此，如果OCV在机油压力到达延迟腔(B腔)之前通电，若上述间隙由于转子相位调整运动被减小到锁止键不能脱开的程度，就可能会发生运行故障。在这种情况下，VTC不能向提前位置运动，因为这会导致发动机性能降低。

另一方面，所需的发动机机油压力达到VTC运行水平的时间取决于发动机不运行时(发动机停机后)从VTC油腔排出的机油量，所需时间与怠速停车的持续时间成正比。如图8所示，怠速停车的持续时间越长，发动机机机油压力达到VTC运行水平的时间就越长。

因此，根据怠速停车持续时间预置VTC运行延迟，可以实现最佳的系统工作可靠性，并且使运行延迟最小化，改善发动机扭矩特性。也就是说，执行VTC运行延迟可以使进气VTC动作更快，并直接获得更快的车辆响应。

如果不考虑运行延迟，VTC的运行时间会更长，从而在怠速停车运行后降低加速性能。

执行预置的VTC运行延迟控制后，车辆加速性能改善约40%(图9)。

5结语

为了实现最佳的发动机排放性能和车辆驾驶性能，开发了一种多锁式VTC系统。通过对现有中间锁定式VTC进行简单的结构修改，增加1个锁键槽，使装置保持在最大延迟位置，开发出多锁式VTC。通过执行VTC预置延迟，发动机扭矩特性获得改善，并实现了最佳的系统运行可靠性。

参考文献

[1] Suzuki S. Valve opening/closing timing control apparatus[P]. U.S. Patent 2010/0175649 A1.

[2] Fujiwaki K. Variable valve timing device[P]. U.S. Patent 5901674.

[3] Ogawa K. Variable valve timing system[P]. U.S. Patent 6450137 B2.

[4] Komazawa O. Variable valve timing control device[P]. U.S. Patent 6976460 B2.

[5] Miura T, Aoyama S, Onogawa K, et al. Development of a hydraulic variable valve timing control system with an optimum angular position locking mechanism[C]. SAE Paper 2012-01-0416.

[6] Minakawa S, Onoyama T, Ishizuka T. The new Nissan FF hybrid+new 4-cylinder 2.5L supercharged engine—a new appr-oach to power source evolution[C]. 34. Internationales Wiener Motorensymposium, 2013.

[7] Yoshida N, Ishizuka T, Minakawa S. Development of new 4-cylinder engine with supercharger for new FF hybrid system[C]. JSAE Paper 16-20135215.

张然治译自SAE Paper 2014-01-1703

刘巽俊校对

虞展编辑

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收稿日期：( 2014-09-15)