五菱汽车配VVT发动机工作原理及维修案例探索

2014-11-30李铁龙

装备制造技术 2014年10期

关键词：进气门凸轮轴链轮

覃涛，李铁龙

（上汽通用五菱汽车股份有限公司售后服务部，广西柳州 545007）

目前市场上的大部分乘用车发动机都配置了VVT（Variable Valve Timing）技术，但对于微车来说，还是一项新技术。在此，对VVT工作原理、应用进行探索。

1 发动机配气基础理论

发动机进气多，燃烧就充分，爆发压力大，动力就好；反之进气少，爆发压力就小，动力也就小。所以对于发动机来说，如何让进入到燃烧室的气体是否充分，这时保证发动机性能的关键。

发动机从低转速运行到高转速，不同的负荷等各工况要求的动力输出不一样，可是传统的发动机因为配气方面的限制只能在其中进行一种选择，而带了VVT的发动机，却可以很好的中和这两种情况。

1.1 传统发动机配气相位的设置（不带VVT为）

理论上，四冲程发动机的进气门当曲拐处在上止点时开启，在曲拐转到下止点时关闭；排气门则当曲拐在下止点时开启，在上止点时关闭。进气时间和排气时间各占180°曲轴转角。

（1）排气门开启的时机

如果活塞到达下止点提前某个位置开启排气门，排气过程就会更顺畅，从而在排气冲程减少了能量消耗，所以发动机略微提前打开排气门效果会更好一些。

（2）进气门关闭的时机

在活塞越过下止点后一定角度，也就是在压缩冲程一定角度内再关闭进气门，虽然活塞已经开始上升，由于进气门附近的气流速度可以高达每秒两百多米，由于在下止点附近活塞的垂直运动相对很慢，汽缸内体积变化并不大。此时进气岐管内的可燃混合汽靠惯性继续冲入气缸的趋势良好，所以发动机的进气门延迟一点关闭比较好。

（3）排气门的关闭以及进气门的开启时机

如果排气门也在活塞越过上止点一定角度之后再关闭，虽然活塞已经开始下降，排气门附近的废气仍就会继续排出。虽然进气门已经开启了，但是角度控制合适，燃烧室内的废气涡流的方向决定了废气短时间内是不会流向排气门对侧的进气门的；所以，短时间的一边进气一边排气的局面是完全可以实现的。

（4）气门重叠角

重叠持续角用曲轴运行的角度来衡量。重叠的角度通常都很小，可是对发动机性能的影响却相当大。如果发动机转速越高，每个汽缸一个周期内留给吸气和排气的绝对时间也越短。但是发动机需要尽可能长的吸气和排气时间；所以，某些工况下，需要适当加大重叠的角度。但是重叠角的大小与转速有关，转速越高，要求的重叠角度较大，就容易获得较大的峰值功率。但在低转速工况下，如果重叠角度偏大了，废气就会过多的泻入进气岐管，吸气量反而会下降，气缸内气流也会紊乱，ECM也会难以对空燃比进行精确的控制，最终的效果是怠速不稳，低速扭矩偏低。

相反，如果配气机构只对低转速工况优化，发动机的峰值功率就会下降。所以传统的发动机都是一个折衷方案，不可能在两种截然不同的工况下都达到最优状态。

1.2 可变配气相位

VVT即可变气门正时，又称可变配气正时。该系统通过配备的控制及执行系统，对发动机凸轮的相位进行调节，从而使得气门开启、关闭的时间随发动机转速的变化而变化，以提高充气效率，增加发动机功率。目的就是解决发动机的动力、油耗和尾气排放的问题。传统的正时链轮与凸轮轴之间通过花键或螺丝连接成一个刚性，使得凸轮轴与链轮之间不可能发生相对的运动。VVT装置的链轮由链条来驱动，凸轮轴不再是和链轮直接连接，而是凸轮轴与链轮内的转子机械连接形成刚性体，凸轮轴与转子是不能相对运动的。但转子与定子链轮之间可以有一定角度的位移量。

图1 五菱汽车发动机的VVT控制器

如图1转子与链轮的相对运动依靠给转子与链轮之间形成的前、后油腔分别进行加压和泄压来实现。油压的动力来源为发动机机油压力。主油道来的带有一定压力机油，通过一个机油控制阀控制。

机油控制阀依据需要，由ECM对电磁阀进行指令，电磁阀就会把通向VVT执行器转子前后的2个油腔的机油油路分别与主机油道油路和泄压口相通，即主油道可以是与前腔相通，泄压口与后腔相通，这样在机油压力的推动作用下，转子就可以实现相对定子链轮有一定的位移角度。

图2 VVT执行器动作控制示意图

根据需要，ECM还可以控制电磁阀，使得通向VVT执行器转子前后的2个油腔的油路进行换向（如图2）。即主油道可以是与后腔相通，泄压口与前腔相通，这样在机油压力的推动作用下，转子就可以实现相对定子链轮有一定的与之前相反方向的位移角度。

2 五菱汽车发动机的VVT结构、工作条件

2.1 发动机VVT结构

如图3是进气凸轮的VVT控制器，进、排气凸轮的VVT控制器内部结构相同。

图3 VVT控制器结构图

五菱汽车发动机的VVT控制器由一个定时链条驱动的外壳和固定在凸轮轴上叶片组成。来自进气凸轮轴提前（A腔）或者延迟侧（B腔）的通道转送的油压使得VVT控制器的叶片沿圆周方向旋转（如图4），从而连续不断地改变进气气门正时。当发动机停止时，进气凸轮轴被调整（移动）到最大延迟状态以维持起动性能。在发动机起动后，油压并未立即传到VVT控制器时，锁销便锁定VVT控制器的作动机械部以防撞击产生噪声。

图4 OCV阀示意图

2.2 五菱汽车配VVT发动机OCV阀

五菱汽车配VVT发动机OCV阀是线性电磁阀/PWM（脉冲宽度调制），通过控制通电时间的长短来控制阀的行程。根据电磁原理，OCV通电后在内部形成磁场，磁场吸引阀针运动，由于加在OCV阀两端的电压是恒定的（既电瓶电压），因此只能通过控制通电的时间长短来控制针阀的运动位移，控制从而达到控制阀针的目的。

2.3 五菱汽车发动机VVT的工作条件

发动机控制模块持续地将进气凸轮轴位置传感器和排气凸轮轴位置传感器输入与进气凸轮轴位置执行器电磁阀和排气凸轮轴位置执行器电磁阀输入进行比较，以监测凸轮轴位置并检测系统故障。

（1）在低温低负荷低速时，或者在低负荷时延迟气门正时可减少气门重叠，以减少排出的废气逆吹入进气侧，从而达到稳定怠速、提高燃料消耗率和起动性能。延迟由发动机ECM所控制的凸轮轴正时机油控制阀所放置的位置决定。油压作用于气门正时延迟侧的叶片室，使进气凸轮轴向气门正时的延迟方向旋转。

（2）在中等负荷，或者在高负荷中低速时提前气门正时可增加气门重叠，以增加废气再循环使用和降低填充损失，从而改善了排放控制和燃料消耗率。此外，同时提前进气门的关闭时间可减少进气被逆吹回进气侧，改善了容积效率。

（3）在高负荷高速时，提前气门正时可增加气门重叠，以增加废气再循环使用和降低填充损失，从而改善了排放控制和燃料消耗率。此外，同时提前进气门的关闭时间可减少进气被逆吹回进气侧，改善了容积效率。

（4）因采用可变正时系统，只要进气门和排气门的时机控制合适，同样可以使部分废气留着燃烧室内，就无需单独的废气再循环系统了。

综合用表1进行描述。

表1 VVT的工作条件

2.4 VVT故障码与数据流

与VVT系统相关的故障码如表2所示。

表2 故障码表

如果没有报故障码，但车辆出现加速不畅，怀疑VVT系统出现问题时，可以检查数据流：可变气门正时的脉宽调制（进气）——进气凸轮控制的OCV电磁阀的占空比数据（表3）。

表3 与VVT相关的数据流分析

3 维修案例剖析

（1）案例1：1029PFA车辆，起动不了。

故障现象描述：车辆无法起动。服务中心上门抢修检查发现报P0017故障码（曲轴位置和排气凸轮轴位置相关性不合理）。

诊断排除故障过程：根据所报故障码P0017，从简到繁，先检查线路问题，拆下排气OCV阀连接头检查连接的可靠，装复车辆后起动车况正常。判断为线路连接不可靠故障。

（2）案例2：1029PFA车辆，发动机不易启动，行驶无力，故障灯亮。

故障现象描述：客户反应车辆行驶时故障灯亮。在服务站用X431诊断仪检查发现故障码是P0341（进气凸轮轴位置传感器信号不合理）、P0016（曲轴位置和进气凸轮轴位置相关性不合理）。

诊断排除故障过程：根据故障码P0341、P0016分析，故障可能与进气凸轮轴OCV阀相关。检查线路连接正常。拆下进气OCV电磁阀发现较脏，检查观察机油的清洁程度较脏，重新更换机油、并更换OPV阀进行试车检查，故障排除。

故障车辆机油

正常车辆机油

（3）案例3：1029SPFA车辆，发动机故障灯亮、难启动。

故障现象描述：服务中心检查发现发动机故障灯亮报P0017故障码，难启动，发动机抖动、加油不顺畅，松开油门踏板发动机容易熄火。

诊断排除故障过程：根据车辆报P0017曲轴位置和排气凸轮轴位置相关性不合理故障，消码后故障还会重现。检查相关传感器线路无异常，更换排气OCV阀故障消除，且启动容易加油顺畅。重新装回原车排气OCV阀试车，结果故障重现，确认为排气OCV阀故障。

（4）案例4：贵州荣光用户车辆在使用中因机油滤清器被撞烂、漏油没察觉，继续使用导致润滑不良发动机抱死。在当地更换油底壳、曲轴、大小瓦等件维修，之后正常行驶不到100公里，车辆抖动、加油无力、难起动。返回修理厂检查了一个多星期没能解决问题。用户将车辆背到柳州4S店维修。

诊断排除故障过程：根据该车辆前期的维修情况，结合当前车辆难起动、报P0341进气凸轮轴位置传感器信号不合理当前故障码、P0366排气凸轮轴位置传感器信号不合理当前故障码进排气凸轮轴信号现象，技师判断车辆正时不准，拆解发动机重新对准正时，装复后一手就可以着车（起动正常），但一分钟不到车辆抖动、熄火，之后难起动。

因车辆曾经缺油导致发动机大小瓦、曲轴异常磨损，会不会有铁屑跑到OCV阀影响相位呢？拆下进排气OCV阀，果然有大量的铁屑（如图5）！

图5 进排气OCV阀表面有大量的铁屑

重新拆解发动机，清洁油道、更换机油以及进排气OCV阀后，装复试车，还是一手着车（起动正常），但一分钟不到，车辆抖动、熄火，之后起动困难。

此时服务中心感到很困惑，寻求技术求助。通过对服务中心前期维修过程分析，考虑报P0341、P0366进排气凸轮轴信号现象，除与OCV阀关系较大，还有可能是曲轴和凸轮轴位置传感器的相位，相对出现问题而导致（例如正时不准确，或者由于VVT控制卡滞等导致）。再次通过对VVT工作原理细细推敲，判断问题出在——VVT执行控制器上（如图6）。因为每次重新装配发动机，正时相位都需重新对齐，所以装复后第一次起动正常。当发动机起动后VVT开始工作，但之后卡在某一位置不动，相位不对所以报故障码，且难着车。

第四次拆解发动机，重新清洁润滑油道、更换进排气VVT执行控制器。打火着车，车况正常、加油有力，路试车辆一切正常。