发动机进气VVT调节速度超标的解决方法

张大晴，王兆远，董南南，李彬，彭玉龙，徐丽君

(江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

目前发动机VVT系统的运用较为广泛，VVT技术主要是通过调节进气门开启角度的提前和延迟调节进气量的大小，以此来增大发动机的进气量和进气效率，同时可以调节发动机缸内的爆发压力及残余废气量[1]，由此获得发动机更高的动力性及经济性。

图1 单VVT系统结构示意图

发动机一般有单VVT系统和双VVT系统，这两种系统可单独使用也可组合使用，组合使用效果最佳，但是成本相对较高。VVT系统通常由内转子、外转子、OCV阀以及阀片组成(图1)。本文结合某款直喷增压+双VVT技术汽油发动机论述VVT系统在发动机台架上出现调节速度超标时，如何进行调查分析并提出解决方法，主要是以进气VVT为例[2]。

1 故障分析

1.1 故障现象及工况

以某款产品为例，某汽油直喷发动机其排放要求须满足国六b要求，在整机试验开发过程中其进气VVT在进行调节速度测试时，当转速在1 500～3000r/min之间调节速度不能满足要求，排气侧VVT调节速度均满足试验要求，其中进气VVT在转速1 500r/min时调节速度只有71 CrA/s，根据企业标准要求进气VVT系统的调节速度须≥100 CrA/s[3]，测试结果无法满足试验要求，此问题对产品性能及排放产生严重影响(图2)。

图2 VVT调节速度测试结果

本次只介绍VVT调节速度测试方法，解锁特性及控制稳定性测试不作说明，具体试验方法如下：

首先恒定发动机转速，通过INCA调整VVT开启角度(由0°调整到最大开度，4 s后回到0°，循环10次)，这样就得到了在这个转动点调节速度曲线(图3)。

图3 VVT调节速度测试过程图

VVT调节速度计算方法：以第一个循环为例，由于刚开始时调节不稳定，调节前后各去掉3 CrA，提取出VVT由C1调节到C2，调节角度除以时间ΔT(T2-T1) ，然后计算出该循环的调节速度ω1(图4)[1]。

图4 VVT调节速度计算方法

1.2 故障分析

根据VVT测试的故障现象，从发动机本身和VVT系统两个方面利用FTA工具进行原因分析排查(图5)。经过系统排查共得到14个潜在因子，分别为机油压力小、机油温度过高、曲轴位置传感器不良、凸轮轴位置传感器不良、凸轮轴转矩不良、占空比不良、线束接触不良、控制阀卡滞、电磁阀流量小、滑片卡滞、系统压力不足、液压转矩不合格、摩擦转矩大、泄漏量大[4]。

图5 窜油量超标故障FTA分析

通过对可能导致故障的原因逐项进行排查(表1)，首先针对发动机进行机油压力分布图测试排查，机油压力大小会直接影响VVT调节速度的快慢。

表1 故障排查检测表

经测试样机，机油压力分布符合机油泵控制策略，满足试验要求(图6-图8)，同时试验时发动机机油温度最大值为106℃，满足90℃～125℃试验要求。

图6 发动机实测机油压力分布图

图7 发动机控制策略机油压力分布

图8 发动机测试机油温度分布图

对机油控制阀占空比进行验证，在ECU中设置VVT角度由0°直接开到最大50°，关注占空比变化曲线是否与VVT开度一致。经测试VVT角度变化与占空比变化是一致的，因此满足试验要求，结果是合格的(图9)。

经过系统排查排除了其中12项，最终确定为X5凸轮轴转矩不合格和X12液压转矩不合格因子导致，具体分析如下：

1) 凸轮轴转矩确认：经现场与设计人员及厂家进行研讨分析，发现厂家未考虑到进气侧多一个高压油泵负载的问题[5]。由于负载不同导致进、排气凸轮轴的转矩不同，因此在相同条件下VVT调节速度存在差异性(图10)。

图9 发动机VVT占空比曲线图

图10 发动机VVT装配实物图

2)液压转矩确认：由于进排凸轮轴转矩的不同，因此VVT系统的液压转矩也不同，经查询图样进、排气侧的液压转矩相同，均为0.417Nm/MPa，因此，液压转矩需要重新计算分析[6](图11)。

图11 VVT系统技术参数

综上所述,最终导致进气VVT系统调节速度不合格的原因主要是凸轮轴转矩不合格和液压转矩不合格两个因子所导致。

2 试验验证

由分析结论，提出优化方案，并策划相应试验进行验证：

1)针对凸轮轴转矩不合格的问题，首先对进、排气侧凸轮轴的转矩进行CAE模拟分析[7]，从数据可看出进气侧凸轮轴转矩明显比排气侧大，主要原因是由于进气侧多了一个高压油泵负载(图12)。

图12 进、排气侧VVT凸轮轴转矩对比数据

2)液压转矩不合格，将发动机试验边界条件(转速、转矩、油压等)输入至软件，软件根据目标设定，计算出需要液压转矩值，最终计算结果液压转矩为0.439Nm/MPa(整改前为0.417Nm/MPa)；液压转矩为0.439Nm/MPa。VVT系统，整改后较整改前定子的内腔直径尺寸大了1.4mm[8](图13)。

图13 整改前后定子变化对比图

3 效果检查

1) 通过整改进，排气侧VVT调节速度均>100 CrA/s，满足试验要求，整改措施有效(图14)。

图14 整改后VVT调节速度曲线图

2)发动机最大转矩265Nm/2000(r/min)，最大功率119.1kW/5500(r/min)，燃油消耗率为353.2g/(kW·h)；发动机动力性及经济性均符合设计要求，通过验收。

3) 针对发动机排放摸底测试，此发动机能够满足国六b排放指标要求，通过最终验收[9]。

4) 将优化后的VVT系统图样进行更改并输入PLM进行固化，同时对问题反馈单进行闭环并形成项目总结分析报告。

4 结语

VVT技术的运用较为普及，因此故障也较为突出，同时市场维修及更换成本较高，因此在试验开发过程中对VVT系统充分验证其性能的稳定性及可靠性尤其重要。本文结合实际案例，针对VVT调节速度不合格为切入点，利用质量工具深入调查故障发生的原因，并针对潜在因子进行确认排查，最终锁定关键因子，制定整改方案，从根本上消除故障，为后续的相似故障调查提供解决思路。