两级式可变气门升程机构切换行程的试验研究

刘宗鑫 何 伟 李广乐 任健康 程传辉 徐 政

（1-上海汽车集团股份有限公司技术中心 上海 201804 2-上海市汽车动力总成重点实验室）

引言

对于采用节气门控制负荷的传统汽油发动机，部分负荷工况需要通过节气门对进气量进行限制，缸内负压的增大将导致进气过程阻力增加，泵气损失增大，造成热效率降低[1]。降低泵气损失，改善发动机的燃油经济性已经成为国内外各大汽车企业亟待解决的问题。

传统发动机气门机构由于凸轮型线固定不变，导致工作过程的气门运行参数不能调节，只能在发动机局部工况范围内实现优化[2]，无法适应节能减排的要求。发动机采用两级式可变气门升程（DVVL，Dual Variable Valve Lift）技术，通过机械驱动的方法可以实现气门升程随工况变化进行实时调整，可以在兼顾动力性的前提下有效降低燃油消耗[3]，并改善冷启动的HC、NOx等排放问题[4]。

目前各大厂商对于DVVL 机构的开发主要有两种途径：一是通过CAE 软件进行模拟仿真[5-6]，二是通过物理搭载进行试验开发[7-9]。由于DVVL 结构复杂、涉及零件数量较多，单纯依赖CAE 软件进行仿真开发，无法全面考核DVVL 机构的切换效果。因此，针对DVVL 机构的切换行程开展试验研究，对于评估DVVL 切换效果，验证优化CAE 仿真模型，满足工程需求有着重要的现实意义。

本研究通过搭建配气机构性能测试台架，利用激光测量仪，针对搭载在一款小排量发动机上的两级式可变气门升程机构进行性能试验，研究了发动机转速、螺旋槽行程及弹簧预紧力三个因素对两级式可变气门升程机构切换行程的影响。

1 试验设备与方法

1.1 配气机构性能测试台架

配气机构性能测试台架如图1 所示。

图1 配气机构性能测试台架

该台架使用电机直接驱动凸轮轴旋转，驱动电机转速范围为300～4 000 r/min，可满足最高转速为7 100 r/min 的发动机工况需求。测试台架配备了一台机油压力可调的机油泵，压力范围为0.1～0.8 MPa（±0.05 MPa）；机油箱内安装有加热装置，机油温度范围为5～110 ℃（±2 ℃）。该测试台架可以满足不同发动机转速条件下对机油压力和机油温度的需求。配气机构性能测试台架的各项参数如表1 所示。

表1 配气机构性能测试台架的参数列表

1.2 激光测量仪

使用德国Polytec 公司生产的HSV 系列激光测量仪，对两级式可变气门升程机构的气门运动情况进行监测。测试前，需要将反射膜粘贴在进气侧气门盘面中心及附近燃烧室、进气凸轮轴末端套筒工装中心，借助激光位移传感器实现对发动机气门升程型线、凸轮轴套筒轴向位移的精确测量，测试精度为1 μm。

1.3 发动机凸轮轴

本试验选取了三种不同设计方案所对应的发动机进气侧凸轮轴（分别用Case-1、Case-2、Case-3 表示）进行测试，三种凸轮轴套筒的特征参数对比结果如表2 所示。

表2 三种凸轮轴的设计参数对比

1.4 试验方法

在配气机构性能测试台架上搭载某小排量发动机的缸盖总成、液压挺柱、气门弹簧等零件，借助执行机构电磁阀实现凸轮轴高低升程的切换。通过加载不同发动机转速工况条件，读取激光位移传感器数据，得出凸轮轴套筒的轴向位移曲线，从而基于凸轮轴套筒的轴向位移测量结果实现对两级式可变气门升程机构切换行程的精准评估。

试验过程中发动机的设定测试转速如表3 所示，执行机构电磁阀高低升程的切换频率设定为2 s/次，切换时间为15 min/工况。

表3 发动机转速工况表

2 试验结果与讨论

2.1 发动机转速对DVVL 切换行程的影响

图2 给出了气门升程高低切换时，Case-1、C ase-2 和Case-3 三种凸轮轴在各种发动机转速工况条件下套筒轴向位移的结果。

图2 气门升程高低切换时三种进气凸轮轴套筒的轴向位移结果

可以发现：三种凸轮轴套筒的轴向位移结果均随着发动机转速的升高而升高；当发动机转速低于1 000 r/min 时，三种凸轮轴套筒的轴向位移结果均存在切换不到位的情况。这是因为发动机转速较低（<1 000 r/min）时，套筒轴向移动的惯性力较小，导致DVVL 切换的驱动力小于DVVL 机构的摩擦力。当实际切换行程远低于理论切换行程时，高低升程切换后摇臂滚轮将滞留在高低凸轮交界处，严重时将造成摇臂滚轮跌落，导致滚轮异常磨损和DVVL 切换异响的发生。

此外，由图2 还可以发现：当发动机转速高于1 300 r/min 时，三种凸轮轴套筒的轴向位移结果均出现过冲，且过冲位移最高可以达到0.30 mm@4 000 r/min。这是因为发动机转速较高（>2 000 r/min），套筒轴向移动的惯性力较大，导致DVVL 切换的驱动力大于DVVL 机构的摩擦力。但如果实际切换行程远高于理论切换行程，严重时将造成凸轮轴套筒撞击发动机罩盖止推挡，导致罩盖异常磨损，同时DVVL切换终了将伴随异响发生。

2.2 螺旋槽行程对DVVL 切换行程的影响

图3 和图4 分别给出了Case-1 和Case-2 两种凸轮轴在600 r/min、1 300 r/min 和4 000 r/min 发动机转速工况点的DVVL 切换结果。由图可知：当转速高于1 300 r/min 时，套筒的轴向位移开始出现过冲，且套筒轴向位移过冲量随转速的升高而增大。短暂过冲之后，套筒在止推挡的作用下有所回位，并在电磁阀销子的作用下实现升程的平稳切换。

图3 Case-1 凸轮轴在不同发动机转速条件下的DVVL 切换结果

图4 Case-2 凸轮轴在不同发动机转速条件下的DVVL 切换结果

与Case-1 相比，Case-2 凸轮轴的螺旋槽行程增加了0.05 mm，意味着Case-2 凸轮轴套筒的强制切换行程有所增加，反映到图4 中表现为：在转速及其他因素保持相同的情况下，Case-2 凸轮轴的套筒轴向位移值略高于Case-1 凸轮轴的套筒轴向位移值。这表明，在其他因素保持不变的情况下，DVVL 的切换精度将随着螺旋槽行程的提高而有所改善。

2.3 弹簧预紧力对DVVL 切换行程的影响

图5 给出了Case-3 凸轮轴在600r/min、1300r/min和4 000 r/min 发动机转速工况点的DVVL 切换结果。

结合表2 可以发现，Case-3 凸轮轴的钢球高度比Case-1 增加了0.37 mm，钢球槽的止推倾角也相应增大了5°，意味着凸轮轴的弹簧预紧力有所减小，反映到图5 中表现为：在转速及其他因素保持相同的情况下，Case-3 凸轮轴的套筒轴向位移值高于Case-1 凸轮轴的套筒轴向位移值。这表明，在其他因素保持不变的情况下，降低弹簧预紧力有助于提升DVVL 的切换精度。

图5 Case-3 凸轮轴在不同发动机转速条件下的DVVL 切换结果

3 结论

本研究针对搭载在一款小排量发动机上的两级式可变气门升程机构，在配气机构性能测试台架上，利用激光测量仪进行了性能试验，研究了发动机转速、螺旋槽行程和弹簧预紧力三种因素对DVVL 机构切换行程的影响。结果表明：

1）三种凸轮轴套筒的轴向位移均随着发动机转速的升高而升高，当发动机转速低于1 000 r/min 时，三种凸轮轴套筒的轴向位移均存在切换不到位的情况；当发动机转速高于1 300 r/min 时，三种凸轮轴套筒的轴向位移均出现过冲。

2）在转速及其他因素保持相同的情况下，增大螺旋槽行程，将引起凸轮轴套筒强制切换行程的增大，有利于DVVL 的切换精度。

3）在转速及其他因素保持相同的情况下，增高钢球初装高度、增大钢球槽止推角，将引起凸轮轴弹簧预紧力的减小，有利于提高DVVL 的切换精度。