可变气门正时机构动态响应特性的试验研究*

王 孟，张 力，谢博强，江 亮，黄永生

(1.重庆大学机械工程学院，重庆 400044;2.装甲兵技术学院车辆工程系，长春 130117)

前言

可变气门正时(VVT)技术对于提高发动机功率、降低油耗和排放具有显著的效果。该技术在多款汽车的发动机上得到了应用，如本田的VTEC、丰田的VVT-i以及BWM的Vanos等是几款应用较成熟的典型机构［1－5］，经过多年的发展，各种技术也开始相互融合［6－8］。

目前国内尚未对可变配气相位系统进行较为深入和系统的研究，也无法直接买到与已研制出的机构相配套的、现成的试验测试系统。为此，本文中自行设计了可变配气相位器的试验测试系统。首先经过测试确定机油控制阀(oil control valve，OCV)的工质流量特性，然后通过其流量特性控制机油的流量，进行VVT系统动态响应特性的测试。根据试验测试的结果，可以了解相位器的实际工作性能，为进一步的研究开发提供可靠的依据。

1 测试系统与OCV工质流量特性

图1为可变配气正时机构动态响应特性的试验测试系统。该系统包括由变频器和变频电机组成的凸轮轴驱动系统，齿轮泵、滤清器与各管路组成的润滑系统及脉冲电源对OCV的控制系统，由曲轴转速传感器、凸轮轴位置传感器和温度传感器组成的信号采集与处理系统等。OCV采用脉宽调制信号进行控制，因而不同占空比控制信号作用下的各出口流量特性是制定OCV控制方法的基础。为确定不同占空比控制信号时OCV的流量特性，通过图1所示的方案获取，即关闭节流阀10，打开节流阀7截断流往VVT的油路，使油路流向右侧的OCV单体，单独测量OCV单体的工质流量特性。

图2为对同一个OCV进行3次测量的试验结果，从图中可见，随着占空比的改变使OCV的阀芯处于相应的位置即可改变控制阀各接口的连接情况，因此通过OCV工质流量特性试验测得:当占空比在20% ～40%变化时，出口A的流量最大，出口B的流量为0，且各出口流量的大小不随占空比的变化而变化;继续增加占空比，A口流量逐渐减小，B口流量仍保持为0。当占空比达到56%左右时，除去因泄漏而计入各阀口的流量，可认为各出口流量均为0;再增加占空比，则A口流量保持为0，B口流量逐渐增加。当占空比变化到约70%时，B口流量达到最大值，继续增加占空比，B口流量不再变化。通过获取不同占空比控制信号时OCV的工质流量特性，实现脉冲电源对OCV工质流量的准确控制。

2 VVT动态响应特性测试原理

2.1 测试方法

为了直观地反映相位器工作时凸轮轴相对曲轴的转动，将曲轴转角传感器测取的变频电机输出的曲轴转速信号、凸轮轴相位传感器测取的凸轮轴位置信号和脉冲电源信号接入信号采集处理器。通过信号提取设置变频电机转角信号为横坐标X轴、凸轮轴相位传感器信号为纵坐标Y轴，每次采集600个工作循环。采集过程中，通过打开、关闭脉冲电源，获得一组相位器工作时传感器测得的信号数据。根据转速传感器转角信号与凸轮轴传感器位置信号之间的相对移动来判别凸轮轴相位，从而计算出VVT相位器相位调节的动态响应时间。

2.2 数据定义与分析

图3为试验中信号采集器所采集到的信号，为了更好地判断相位器的动态响应时间，提取曲轴旋转一周时的凸轮轴位置信号，通过对比相邻循环周数凸轮轴位置信号的相对变化得出相位器的动态响应时间。

定义曲轴旋转一周为一周期，在该周期内提取的凸轮轴位置信号与曲轴转速信号如图4所示。

规定:数字1、2分别代表各个脉冲的上升沿和下降沿数字;①、②、③、④代表凸轮轴传感器信号轮的突起部分与传感器作用时产生的脉冲信号(霍尔效应)。描述规则:CXXX PX JPXX，C为circle，P为pulse，JP 为 jump point。例如:C212-P3-JP1 指的是第212循环的第3个脉冲的上升沿。

2.3 相位器动态响应时间获取

随机选取一组压力为0.3MPa、温度为70℃、变频电机转速为2 000r/min的试验数据。将信号采集处理器检测的曲轴转速传感器信号和凸轮轴位置传感器信号，经逐步处理得出相位提前和相位滞后的动态变化图，如图5和图6所示。当某工作循环与上一工作循环之间某同一位置脉冲的角度差值在不到0.5°时，计为此时相位器在该工作循环刚开始或刚结束动态工作，由开始到结束的整个时间段属于相位器的动态响应过程。

图5中包含17个相邻的工作循环，最上面的为第61循环，经数据分析得:C62-P2-JP1与C63-P2-JP1发生相对变化，角度差值约为0.2°，此时相位器开始工作。C74-P2-JP2与C75-P2-JP2发生相对变化，角度差值约为0.3°，此时相位器结束工作。因此相位器在工作过程中曲轴所转过的角度为C63中转过的214.2°，加上完整的由C64到C73共经过的11个工作循环，以及C74所经转过的302.6°。变频电机转速为2 000r/min，因此得到相位器提前的动态响应特性时间约为373ms。

图6中包含15个相邻的工作循环，最上面的为第440循环，经数据分析得:C441-P1-JP2与C442-P1-JP2发生相对变化，角度差值约为0.7°，此时相位器开始工作。C451-P2-JP2与C452-P2-JP2发生相对变化，角度差值约为0.5°，此时相位器结束工作。相位器在工作过程中曲轴所转过的角度为C442中转过的233.4°，加上完整的由C443到C451共经过的9个工作循环，以及 C452所经转过的245.6°。变频电机转速为2 000r/min，因此得到相位器滞后的动态响应特性时间约为309ms。

3 试验测试结果与分析

采用此可变气门正时机构的试验测试系统，利用试验提出的动态响应特性的测试方法和读取方式，分别获取了相位器的动态响应时间随发动机转速、机油的温度和压力以及不同OCV(阀芯滤网和全开时开口大小等结构上的不同)而变化的关系，即相位器的动态响应特性。

图7为润滑油温度对液力系统流动性的影响。由图7可见，随着润滑油温度的升高，相位器的动态响应时间加快，当温度高于70℃后，响应时间基本保持不变，此后温度对相位器动态响应影响较小。

图8为发动机转速对相位器的动态响应特性，可以看出，随着发动机转速的提高，相位器的动态响应时间滞后方向延长而提前方向加快，但两者变化范围很小，且在滞后方向不同温度时响应时间有较大变化，发动机转速对相位器的动态响应特性影响较小，可忽略。由于压力越高对叶片产生的转矩越大，因此可得出压力对相位器响应时间的影响，见图9。由图可见，压力越高，相位器的动态响应时间越快且滞后方向响应时间快于提前方向。图10为不同的OCV对相位器的动态响应特性，由图可见，不同的OCV随着压力的升高，响应时间变快，且滞后方向反应速率快于提前方向，当压力高于0.2MPa时，压力对相位器的动态反应速率影响成线性关系。

4 相位器泄漏量的测试

图11为相位器的油路。可以看出，机油由供油油路进入之后分别流入进气凸轮润滑油道、排气凸轮润滑油道和通过OCV阀控制相位器油路的相位器油道。因此试验通过采用橡胶对油道进行有选择性的堵塞来完成相关油路流量的测定，从而完成对相位器的泄漏量测试。试验时机油的温度为70℃，机油压力为0.4MPa。由于进气凸轮轴的供油油道在缸盖内部，无法将其堵塞，所以测试时首先堵塞排气凸轮润滑油道和相位器供油油道，测出进气凸轮轴的润滑油流量，然后堵塞相位器油道测出排气凸轮轴和进气凸轮轴的润滑流量，再堵塞OCV出油口流入相位器的油路，从而测出OCV的泄漏量和进、排气凸轮轴的润滑流量之和。最后通过测出系统总的机油流量减去进排气凸轮的润滑流量得出相位器油道的总泄漏量，此泄漏量减去OCV的泄漏量即为相位器的泄漏量。

润滑油的温度会影响其运动黏度，从而影响润滑油的流动性，图12和图13为在不同温度下滞后腔向提前腔和提前腔向滞后腔的泄漏量曲线。可以看出，相位器的泄漏量随着压力的升高成线性关系增加，且在较高温度时提前腔向滞后腔泄漏量较大。

5 结论

(1)设计了VVT动态响应特性测试的试验测试系统，完成了OCV工质流量的特性测试，得出其各出口流量与控制信号占空比并非呈线性关系，流量只在占空比为40%～70%范围内变化时才改变。

(2)提出了利用曲轴转速信号与凸轮轴位置信号两者之间的关系来测量相位器动态响应特性的新方法，以测定不同转速、温度、压力以及不同OCV对相位器的动态响应影响。结果表明，转速和高于70℃的温度对相位器动态响应特性的影响较小;而压力的变化对相位器动态响应的影响较大;当压力高于0.2MPa时，随着压力的升高，OCV对相位器的动态响应时间成线性关系缩短，且均是滞后方向响应时间快于提前方向。

(3)试验通过采用橡胶对油道进行有选择性的堵塞完成了对相位器泄漏量的测试。结果表明相位器的泄漏量随着压力的升高成线性关系增加，高温时提前腔向滞后腔的泄漏量较大，同时受温度的影响明显。

［1］刘小平.可变凸轮轴配气相位机构的测试及分析［D］.天津:天津大学动力机械及工程学院，2008.

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