VVT跟随性能问题解析

付佳明　李兰芬　柴晓娜　赵国东（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

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VVT跟随性能问题解析

付佳明1，2李兰芬1，2柴晓娜1，2赵国东1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

VVT的使用提升了发动机的动力性和经济性，降低了HC等有害污染物的排放，同时VVT的异常也会导致发动机的工作不稳定。主要对VVT跟随性能异常的几个原因及排查方法进行了阐述分析。

VVT跟随性能失效分析

引言

当前，可变气门正时技术（VVT，Variable Valve Timing）已成为车用汽油发动机的标准配置，有两种VVT系统应用最为广泛：液压VVT系统与电动VVT系统。液压VVT系统根据OCV（Oil Control Valve）位置及VVT的调节方式分为：OCV侧置式、OCV中置式以及中位锁止式VVT等。

OCV侧置式VVT系统应用广泛，量产时间最早，装配精度要求相对较低；中置式的OCV置于VVT中心，对OCV及VVT电磁阀的安装精度要求较高，其性能优于侧置式，一般应用在中高端车系上；中位锁止式VVT系统因VVT相位可双向调节而匹配在应用米勒循环的发动机上，配有一至两个OCV。

本文主要针对OCV侧置式VVT系统的跟随性问题及原因进行阐述分析［1］。

1　OCV侧置式VVT系统的工作原理

根据OCV的位置区分，OCV没有安装在VVT中心的布置方式，都可称为OCV侧置式VVT系统。通过气缸盖总成及凸轮轴的油路与VVT油路相通，由OCV内部的柱塞前后移动实现提前腔（简称A腔）、滞后腔（简称B腔）两个油腔充、放油路的切换，实现控制VVT动作的目的（见图1）。

图1　侧置OCV式VVT系统工作原理示意图

2　VVT失效模式

2.1VVT匹配问题

2013年11月，一台试验车在进行高环试验后怠速停车时，试验车产生强烈的间歇性抖动现象，打开机舱盖发现，发动机抖动现象严重，同批次试验车也存在此问题。

通过INCA检查发现，问题发生时进气VVT未锁死，在自由波动，扰乱了发动机的进气及燃烧规律，致使发动机转速不稳定［2］，产生抖动（见图2）。

图2　VVT实测相位数据

针对真因不明且受到多方面因素影响的问题，需要将可能的原因一一列出，并采用减法的方式逐一验证排查。我们运用“鱼骨刺图”分析工具列出VVT不跟随的潜在失效原因（见图3）。可见，造成VVT异常工作的原因可分成4个部分：电控系统［3］、油路、VVT和OCV。

图3　鱼骨刺分析图

首先检查线束的连接是否牢靠；第二，对调进排气OCV，确认进气OCV功能无异常；第三，刷新ECU数据，确认数据的有效性；最后，更换进气VVT，确认其功能无异常。经过第一轮的排查验证，我们确认电控系统的信号传输，VVT及OCV等硬件均不存在问题。

进气VVT在工作时，主要受到凸轮轴扭矩、平衡弹簧力和VVT腔室内机油压力的共同作用，在解锁状态下，当A腔充油，且与B腔的机油压力差+平衡弹簧扭力＞凸轮轴扭矩时，VVT向前调节；当B腔充油，且与A腔压差＞凸轮轴扭矩+平衡弹簧扭力时，VVT向回位方向调节。

当试验车经过长时间高速、高负荷行驶后，发动机机油温度在100℃左右或更高，此时机油粘度降低导致机油压力下降，且发动机怠速时转速低，无法提供充足的机油压力，B腔内的压力不能克服平衡弹簧和凸轮轴扭矩的共同作用力，无法推动VVT回位锁止，导致进气VVT不受控制自由波动。

结合上述分析，我们开始验证弹簧扭矩对VVT调节速度的影响，首先将原机4 N·m的平衡弹簧更换为2 N·m，并在试验台架上对同一台发动机进行VVT调速试验测试（见图4），在100℃机油温度下，进气提前方向的调节速度，采用2 N·m和4 N·m平衡弹簧的VVT均能满足50°CA/s的调节速度。但从回位曲线上看，采用4 N·m平衡弹簧的VVT在低转速下不能满足50°CA/s的调节要求，而采用2 N·m弹簧的VVT可快速回到锁止位置。由此推断，进气VVT平衡弹簧扭矩大是导致VVT在怠速低油压工况下不跟随的原因。

根据台架试验的结果，我们将采用2 N·m平衡弹簧的进气VVT样件换到一台问题试验车上进行相同工况的试验测试，并用INCA进行数据记录（见图5）。进气VVT的实际动作角度与目标值基本重合，跟随性良好。最后将同批次的试验车都更换成2 N·m的VVT样件进行试验测试，抖动现象消失。

图4　VVT调速测试结果

进排气VVT的工作原理是一样的，但其弹簧的作用却是相反的：进气VVT弹簧是辅助VVT向提前方向调节的，即平衡弹簧，而排气的弹簧则是辅助回位的，即回位弹簧。所以，如果弹簧扭矩匹配不合理，进排气VVT都会出现实际动作角度不能跟随目标值现象。

一台六缸试验机在试验台架进行试验的过程中，在发动机转速为3 600 r/min、全负荷工况下，扭矩突然出现波动（420 N·m～475 N·m，见图6），通过INCA监测显示，排气VVT实际动作角度与目标值偏差20°CA左右。借鉴先前VVT不回位问题的整改经验，我们快速将问题的根源锁定到排气VVT弹簧扭矩匹配的问题上，发现其回位弹簧扭矩只有2.6 N·m，在大负荷工况下，难以克服凸轮轴扭矩，辅助VVT调节，从而降低了排气VVT的跟随性。

根据上述推断，我们将回位弹簧扭矩为4 N·m的排气VVT样件更换到故障发动机上进行测试，此问题未复现（见图7）。

图5　VVT实测相位数据

图6　排气VVT实测相位值

图7　排气VVT实测相位值

2.2OCV常见失效

若把ECU比作发动机的“大脑”，那么OCV就是发动机的一个“神经元”，将ECU传递的电子指令转化成VVT物理相位的变化［4］。所以，OCV若出现卡滞，线束虚接，内部泄漏量超标等问题，亦会造成VVT不正常工作或不工作。

OCV卡滞是比较常见的问题，缸盖、缸体等复杂零部件的油道中残留的铝屑、铁屑，在装配时未能清理干净，发动机运转后，残留屑随机油流到OCV进油口处，堵塞OCV进油口或进入OCV内部造成柱塞运动不畅所致，直接影响VVT的响应性能、跟随性能甚至导致VVT无法调节。

线束虚接的问题多发生在台架试验上，发动机试验台架线束接口经常插拔易松动，在试验过程中发动机产生的自震和试验室内强制冷却风的吹动，会造成线束接口虚接，造成信号失真，导致VVT实际角度与目标偏差较大。

OCV内部泄漏量增大会降低VVT的调节性能及稳定精度，由于OCV属于精密配合件，工作强度不高且润滑充足，正常情况下不易磨损。

3　结束语

VVT的应用不仅提升了发动机的扭矩，同时有效地降低发动机燃油消耗以及污染物的排放。但由于VVT系统中各零部件之间的配合精度高，内部传递油路复杂，油道清洁度要求严苛。在试验测试过程中甚至发动机量产后，仍会有许多未知问题出现，根据问题的特征及VVT系统的工作原理进行排查分析，并及时整理总结，为发动机及VVT系统的设计开发提供参考。

1马崇银.VVT常见故障分析［J］.装备制造技术，2014（12）：185-188

2周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，1996

3左洪卫，张永亮.汽油发动机VVT标定研究［J］.轻型汽车技术，2013（1/2）：12-16

4唐大美，邓嘉鸣.油压控制阀（OCV）性能实验台架的研究与设计［J］.机械设计与制造，2011（6）：57-59

Failure Analysis of Following Performance of VVT

Fu Jiaming1，2，Li Lanfen1，2，Chai Xiaona1，2，Zhao Guodong1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

The use of VVT has improved the dynamics and economy of engine，and reduced the HC emission.At the same time，the abnormity of VVT will also lead to the engine instability.For the abnormal following performance of VVT，the article mainly analyzes the reasons and trouble-shooting methods.

VVT，Following performance，Failure analysis

TK411+.12

A

2095-8234（2016）04-0087-04

2016-06-28）

付佳明（1990-），男，本科，主要研究方向为汽车内燃机设计。