两级可变式气门升程系统试验研究

黄旭 郝晓伟 周洲

（1．上海汽车集团股份有限公司技术中心／上海市汽车动力总成重点实验室，上海 201804 2．上汽通用汽车有限公司，上海 201206）

0 前言

传统发动机的气门升程是固定不变的，无法兼顾高低转速时发动机的性能。可变气门升程技术可以根据工况的不同改变气门升程，以提高发动机的动力性及经济性。当发动机在较小负荷运转时，采用气门低升程，可以减少泵气损失，改善燃油经济性。当发动机在较大负荷运转时，切换到高升程，可输出较大功率及扭矩，提高动力性。

本田于1989年成功研制可变气门正时和气门升程电子控制系统（VTEC），以及升级版的智能可变气门正时系统（i－VTEC）技术。全球其他汽车厂商也都相继推出可变气门升程技术，采用分段气门升程调节的车型有奥迪 AVS、三菱 MIVEC、保时捷Cariocam Plus等。德尔福开发了一款连续可变气门升程机构（CVVL），宝马开发了Valvetronic系统，日产开发了VVEL系统，丰田开发了Valvematic系统。另外，同样属于可变升程范畴的停缸系统包括奔驰1．3T停缸系统（CDS）、通用停缸系统（CSS tripower）、大众EA211的停缸系统（ACT）、福特的1．0L三缸机停缸系统（DRFF）等［1－7］。

本文所述的可变气门升程机构为两级可变气门升程机构，通过特制的控制器根据特定的控制逻辑完成高低升程切换。

1 试验台架与机构原理

试验台架采用变频电机直驱凸轮轴的方式驱动，为非点火零部件试验台架。主要部件包括缸盖总成支撑工作台、驱动电机、机油循环控制系统、激光数据采集系统、台架工况采集传感器等。试验研究所采用的可变气门升程系统机构台示意如图1所示。

图1 可变气门升程系统机构测试台示意

可变气门升程机构系统所用缸盖、凸轮轴罩盖、可移动式凸轮轴、执行机构电磁阀为特制零件，通过控制器控制执行机构动作，实现高低升程切换。通过激光位移系统测试气门升程运动，记录凸轮型线，验证切换是否成功。

2 试验方法

在可变气门升程技术应用到发动机整机及进行点火试验之前，需要在零部件台架对配气机构性能进行验证试验，测试气门升程、气门速度、气门加速度、动力学扭矩特性等，以确保机构的切换性能的可靠，为后续发动机整机点火试验提供数据输入。

试验基于某2．0L涡轮增压发动机缸盖，通过设计高低升程关键零部件，如可变气门升程凸轮轴、高低升程切换执行器等，进行倒拖试验，测试气门升程、气门速度、气门加速度、凸轮轴扭矩，分析高低升程切换的响应速度及切换可靠性，同时监控升程切换执行器的动作是否正常［8－9］。通过工控机记录的参数包括凸轮轴转速、扭矩、机油温度、机油压力［10］。

通过激光位移测量系统测试气门升程、气门速度、气门加速度，记录凸轮型线，通过凸轮型线判断机构切换是否成功。

3 试验结果及分析

3．1 气门升程特性

图2为在某转速下高升程与低升程的气门升程曲线，从中可见，高升程与低升程的凸轮型线光滑，通过气门升程测试可精确获得气门升程值。通过在试验过程中监控气门升程曲线，可实时判断升程切换成功与否。

图2 进气凸轮轴气门升程曲线示意图

3．2 气门速度特性

图3 为低升程切换至高升程气门速度示意图，从中可以看出，在同一发动机转速下，高升程状态的气门速度大于低升程状态的气门速度，由于此款发动机高升程与低升程的气门升程差值不大，故发动机气门速度差值也不大。

从速度零点可看出，零点位置速度并未出现波峰波谷，即基本在速度零点附近。同时结合图2气门升程特性曲线可以看出，气门落座后，无明显反跳现象发生，凸轮移动式升程切换机构切换过程平稳，可满足性能开发要求。

3．3 电磁阀响应特性

图3 进气凸轮轴气门速度示意图

可变气门升程系统的关键执行机构电磁阀的响应特性分析结果如图4所示。1A－11为电磁阀A销在11 V驱动电压下的切换时间，1A－12为电磁阀A销在12 V驱动电压下的切换时间，1B－11为电磁阀B销在11 V驱动电压下的切换时间，1B－12为电磁阀B销在12 V驱动电压下的切换时间。

从图4可以看出，在12V驱动电压时，电磁阀动作时间与响应时间比11V驱动电压时有所缩短，进而整个切换时间缩短，此结果表明，提高驱动电压，使得电磁阀响应变快，性能更优。在后续开发进程中，可考虑优化电磁阀设计，减小线圈电阻值，进一步提高电磁阀响应性能。

图4 电磁阀响应特性分析

3．4 电磁阀动作反馈信号监测

图5 为电磁阀动作反馈电压值。可以看出，电磁阀在动作时，通过霍尔传感器感应电磁阀A销与B销的实时位置，当A销伸出B销缩回，B销伸出A销缩回，A销与B销都缩回时，霍尔传感器分别输出1个电压值。通过输出的电压值，与标定量进行比较，可实时判断出电磁阀的实际动作状态。通过实时监控的气门升程切换状态，与电磁阀动作状态进行对照，结果一致。

3．5 气门升程切换

图5 电磁阀动作反馈电压值

图6 为低升程切换至高升程示意图。系统处于低升程状态时，通过控制器给电磁阀发出通电信号后，电磁阀在特定的相位时刻伸出动作，将凸轮轴套从低升程移动至高升程状态。从图中曲线可以看出，系统在电磁阀接收到控制器切换信号后的一个循环内实现了低升程至高升程的切换，表明切换系统在当前转速范围内由低到高具备可靠的切换性能。

图6 低升程切换至高升程示意图

图7 为高升程切换至低升程的示意图。系统处于高升程状态时，通过控制器向电磁阀发出通电信号后，电磁阀在特定的相位时刻伸出动作，将凸轮轴套从高升程移动至低升程状态。从图中曲线可以看出，系统在电磁阀接收到控制器切换信号后的一个循环内实现了高升程至低升程的切换，表明切换系统在当前转速范围内由低到高切换的可行性。

图7 高升程切换至低升程示意图

当前机构切换都是在较低转速下进行，经过多次反复试验表明，在不超过特定转速时，可实现一个循环内的可靠切换。

当前系统在开发过程中，通过电磁阀在特定的相位时刻完成伸出与缩回动作，可成功实现系统高低升程的切换，而相位时刻错误时，则无法实现系统高低升程切换。因此，当前系统需根据电磁阀的响应特性精确定义切换策略，进而实现系统的可靠切换运行。

3．6 气门升程随转速与油温变化特性

由图8和图9可以看出，在低升程凸轮与高升程凸轮状态下，随着机油温度的升高，气门升程呈现增大的趋势。在低升程状态下，机油温度从较低油温升温到较高油温，气门升程增大1．3%。在高升程状态下，机油温度从较低油温升温到较高油温，气门升程增大1．4%。因此，从变化幅度来看，气门升程随油温升高呈现增大的趋势，但增大幅度较小。

图8 低升程随油温变化曲线

图9 高升程随油温变化曲线

由图10和图11可以看出，低升程凸轮与高升程凸轮状态下，随着转速的升高，气门升程呈现增大的趋势。在低升程状态下，凸轮轴转速从较低转速升高到较高转速，气门升程增大0．8%。在高升程状态下，凸轮轴转速从较低转速升高到较高转速，气门升程增大0．4%。因此从变化幅度来看，气门升程随转速升高呈现增大的趋势，但增大幅度较小。

图10 高升程随油温变化曲线

图11 高升程随油温变化曲线

3．7 结果分析

由上述试验结果可看出：切换机构在完成一系列动作后实现了高低升程的切换，表明该可变气门升程系统能够实现切换功能。随着低升程切换至高升程，气门速度呈现增大的趋势，气门落座后，无明显反跳现象发生。

在不超过特定转速且机油温度在某一特定范围内时，可实现一个循环内的可靠切换。当凸轮轴转速超过特定转速时，切换机构也可进行调整，但机构冲击较大，存在一定的失效风险。故该切换机构限定在特定转速与机油温度范围内才可实现可靠切换。

4 结论

该可变升程系统在气门升程切换过程中，机构升程切换平稳可靠，气门落座平稳，无明显反跳现象发生。气门升程随油温升高呈现增大的趋势，但增大幅度较小。气门升程随转速升高呈现增大的趋势，但增大幅度较小。

在不超过特定转速且机油温度在某一特定范围内时，可实现一个循环内的可靠切换。当凸轮轴转速超过特定转速时，切换机构也可实现切换，但机构冲击较大，存在一定的失效风险。

由于切换机构对于执行切换动作的电磁阀响应速度要求较高，同时对于电磁阀的一致性要求也较高，以便于控制功能的实现，故为了使该系统在发动机及整车试验中更加可靠，可进一步优化电磁阀的结构，提高电磁阀的响应速度，进一步提高电磁阀动作特性的一致性及稳定性，同时可优化控制策略，使切换逻辑更加优化，切换过程平稳可靠，提高耐久性能。