BWK汽车改装养护网

汽车改装养护网
你身边的养护专家

VVT可变气门升程技术

自从发动机开发之初,工程师们就梦寐以求地实现发动机气门的可变控制。而如今,VVT几乎成为发动机标配,但其优劣对比同样存在。

VVT一直以来都是主机厂宣传发动机技术水平的重要零部件。日系在当年更是凭借这一技术,独领市场风骚多年。那么,大家经常能够听到的VVT技术,其原理到底如何,各家主机厂背后的VVT技术之优劣又如何区分,目前和未来的发展将会怎样?本文作者为就职于VVT零部件企业的高级研发工程师。

VVT发动机

可变气门技术可以带来非常具有吸引力的发动机性能改善效果,因此自从发动机开发之初,工程师们就梦寐以求地渴望实现发动机气门的可变控制。可变气门技术发展至今主要有两大分支:

其一:VVT(Variable Valve Timing)可变气门正时技术,以丰田的VVT-i以及BMW公司的Vanos为代表;

其二:VVL(Variable Valve lift)可变气门升程技术,以本田的VTEC,Mitsubishi公司的MIVEC以及Porsche公司的Vario-Cam为代表。

本文将重点讲述的VVT可变气门正时技术,就是在特定的发动机工况下,通过控制进气门开启角度提前和延迟来调节进排气量和时刻和改变气门重叠角的大小,来实现增大进气充量和效率,更好的组织进气涡流,调节气缸爆发压力与残余废气量,来获得发动机功率,扭矩,排放,燃油经济性,舒适性等综合性能的改善,从而解决传统固定配气相位发动机的各项性能指标之间相互制约的技术矛盾。

1960年起,汽车工程师们开始致力于这项技术的研究。1982年,AlfaRomeo的spider2.0是最早采用VVT技术的量产车型。1993年,丰田公司开始将该技术在行业内大面积推广。

VVT系统可分为分段式调节和连续调节,而连续调节式VVT又可分为如下四类:

(1)单进气VVT,简称IPS

(2)单排气VVT, 简称EPS

(3)进、排气独立调节VVT,简称DIPS

(4)进、排气等相位调节VVT, 简称DEPS

目前,市面上不同汽车厂商命名的如VVT,VCT,VVT-i, CVVT, DVVT,VCP,CVCP等,其实都是上述技术中的一种,名字不同而已。

上述四种VVT系统的控制效果如下图:

VVT曲线图
VVT控制效果

VVT系统工作原理及结构

文中以目前中国汽车市场上量产车型大部分采用的液压驱动式VVT系统为例:

图3 VVT系统原理图.png
VVT系统原理图

上述图中VVT系统主要由cam phaser(相位器)和oil control valve(机油控制阀,简称OCV)组成。cam phaser为该系统的执行器,而OCV为该系统的控制器。

发动机管理系统EMS(通常也叫作发动机ECU)根据节气门开度传感器,发动机水温传感器,转速传感器,空气流量计等传来的信号,查找MAP图,解算出发动机各工况下所需气门正时角,即目标位置;同时,发动机管理系统EMS根据曲轴位置传感器和凸轮位置传感器传来的反馈信号计算得出的凸轮轴的实际位置。EMS将目标位置和实际位置进行比较,并根据EMS的控制策略,向 OCV发出作动信号,改变控制阀中阀芯的位置,从而改变油路中机油流向和流量大小,把提前、滞后、保持不变等信号以油压方式反馈至VVT相位器空腔内,来实现相位器内部定子和外部转子之间的相对转动 ,来调节凸轮轴的正时角度,从而达到调整进气(排气)的量,和气门开闭时间。

VVT系统为闭环控制,目前较为常见的是三点控制法和PID控制法。电磁阀的控制算法是相位控制的关键。整个系统结构分为三部分:

1、VVT油路系统

图4 发动机机油油路.png
发动机机油油路

图5 VVT系统油路.png
VVT系统油路

VVT系统的的所有工作均需通过机油完成,为保证VVT及时、准确的工作,必须保证油压在工作范围内,为此,一般VVT发动机均有单独的VVT油路,如图4所示。机油从油底壳被机油泵输送到凸轮轴,然后经过OCV机油控制阀,然后由控制阀控制进入相位器内部空腔中的机油量和机油流入/流出方向。OCV按照ECU的指令,通过Spool Valve(阀芯)的轴向位置来调节机油的流向,使叶片相对壳体转动,从而实现对配气相位的调节及控制如图5所示。

2、cam phaser相位器结构

相位器通常分为四种:链传动叶片式转子,链传动星型转子,带传动叶片式转子,带传动星型转子。下面以链传动星型转子为例。

图6相位器结构示意图.png
相位器结构示意图

图7 相位器左右油腔示意图.png
相位器左右油腔示意图

链轮,定子和罩板共同组成液压空腔,并被带有油封的星型转子分割为两个油腔,如图7所示。油腔分别于凸轮轴和OCV进出油孔对应相连。

其中转子与凸轮轴通过中央螺栓固定在一起,转子与凸轮轴的转动永远是同步的;而定子与链轮或带轮通过定子螺栓固定在一起,链轮或带轮以及定子与曲轴的转动是同步的。转子相对于定子有相对转动时,也就意味着凸轮轴就相对于曲轴有正时提前或滞后。

3、OCV机油控制阀结构

图8 OCV结构示意图.png
OCV结构示意图

VVT系统的OCV阀为比例阀,意即阀芯的移动位置与发动机ECU向OCV线圈提供的PWM占空比大小是成正比的。占空比逐渐加大时,线圈电磁力也逐渐加大,铁芯总成在螺线管中移动,并克服弹簧力推动阀芯前移,当占空比信号逐渐减小时,电磁力也逐渐减小,阀芯在弹簧力的作用下逐渐回位。阀芯在移动过程中,与阀套配合实现油路的切换,从而控制机油进出OCV阀的方向和流量,进而控制流入/流出相位器油腔的机油流量。

VVT系统工作过程

为了更好的说明VVT系统的工作过程,下面以进气VVT为例,分别概述其三个最基本的工作过程:

1、基准位置:输入OCV的PWM信号占空比通常为0%,阀芯没有移动。相位器右侧油腔油压大于左侧油腔油压,叶片左侧紧靠在定子台肩上,转子与定子之间没有发生相对转动,及凸轮轴相对于曲轴正时没有调节。通常进气VVT基准位置为进气配气相位滞后位置,即进气门滞后打开和关闭。

2、工作位置:输入OCV的PWM信号占空比逐渐加大,阀芯移动到最远的位置,相位器中左侧油腔压力逐渐加大,解锁后,当左侧油腔中压力大于右侧油腔压力,并克服凸轮轴摩擦转矩以及相位器内部摩擦转矩等之后,转子相对定子有顺时针转动,凸轮轴向正时提前方向调节,即进气门将提前打开和关闭。

3、稳定位置,也叫控制位置:即转子相对定子顺时针转动一定角度后,输入OCV的PWM信号占空比大约在50%左右,相位器左右两侧油腔同时供油,转子和定子保持在该相对位置。通常VVT介入调节后,大部分时间工作在某一角度的动态稳定位置。

图9 VVT系统工作过程图.png

b.png

C.png
VVT系统工作过程图

VVT系统其最终的目的是实现对凸轮轴正时的实时调节和控制,和其他控制系统一样,其最关键的技术特性也是如下三点:

(1)响应速度:即VVT系统的调节速度,单位时间内VVT系统能调节凸轮轴转过的角度。其中,相位器本身的结构参数对该指标影响最大,可以引入扭矩压力比参数来衡量,该参数仅与相位器结构有关。另外,OCV在油道中的安装位置也对VVT系统的响应速度有较大影响。

(2)控制精度:即VVT系统实际的相位角与ECU设定的目标角之间的符合程度。在VVT系统功能试验中,通常用跟随性曲线来表征。

(3)控制稳定性:即VVT系统在外界条件发生改变时(如发动机机油油压,温度等条件发生变化)对该系统产生干扰,闭环控制系统是否能稳定的工作,一般以某一控制位置时的调节角度波动量来衡量。

总之,上述三项指标与相位器,OCV本身的结构及性能,系统安装方式,以及控制算法紧密相连。

目前的VVT系统制造商

随着节能减排要求日益加严,VVT技术也由以前作为发动机特有技术趋近于发动机的标配。随着中国汽车市场爆发式增长,VVT技术的市场前景也异常乐观。然而,这一巨大的市场蛋糕如今也不能由某几家VVT制造商独占,竞争者也越来越多,市场竞争也日趋白热化。下面针对目前一些主要VVT供应商进行简单介绍。

美系:供应商主要有Borgwarner,Delphi。

Borgwarner依靠其深厚的链传动技术主导着VVT链轮齿形的行业规范,加之进入行业较早,一直在行业内占据较大市场份额,产品种类丰富,粉末冶金,铝压铸件,精冲件都有涉及。在上海设有研发中心

Delphi则依靠其强大的发动机管理系统开发能力在VVT业界的影响力也不容小觑,提供的标定技术支持成为他们津津乐道的项目攻关的有力武器。这两家供应商都具备独立研发生产相位器和OCV的能力。

德系:供应商主要有Schaeffler INA,Hilite。

Schaeffler INA一直以其高精度制造工艺和质量稳定而著称,几乎与中国境内所有的汽车主机厂都有合作项目,并且其产品已量产多年。而且在欧洲,目前也主要与与BMW,Porsche,Ferrari等高端车型配套。在中国上海建有研发中心,实现VVT本土研发和提供技术支持,生产基地位于江苏太仓。其相位器主要工艺为粉末冶金和精冲。具有独立研发生产相位器和OCV的能力。目前零部件处于部分国产化阶段。尚无批量生产铝制VVT系统,安全系数高,但缺点是零件较重,成本较高。

而Hilite则是Schaeffler INA强有力的竞争对手。同样具有独立研发生产相位器和OCV的能力。总部位于德国,在美国和中国设有研发中心,VVT生产基地位于江苏常熟。它于2014年被中航工业收购100%股权,最近开始实施零件国产化计划。其主要客户为上海通用,大众和吉利。

日系:供应商主要有Denso,Hitachi,Aisin,Mikuni。

日系供应商依然延续业界传统,在日系车企占据较大市场份额,同时也进军欧美和中国本土车系市场。粉末冶金和铝压铸也都有涉及。都有独立研发生产相位器和OCV的能力。另外Toyota和Honda能自行研发和生产VVT系统。

Denso主要客户为丰田,现代,起亚和标志雪铁龙,目前也正在和大众开展新的业务。其零部件已经实现完全国产。因规模化使用铝制VVT系统,成本低廉。

Hitachi与本田,尼桑保持紧密合作,并有意于将新技术导入到本土主机厂。其零部件目前实现部分国产化。也因规模化使用铝制VVT系统,成本低廉。

中国本土:

浙江泰州Deerfu,四川绵阳富临精工是国内较早进入VVT行业的本土供应商,目前除了给长城,吉利,上汽供货以外,也为GM中国市场供货,都有独立研发生产相位器和OCV的能力。

另外,还有四川宜宾天工,浙江台州大行,广东佛山天佑,安徽芜湖杰锋动力都是相对较新的VVT本土供应商,有相位器生产能力,OCV处于研发初期,基本外购。

据2008年统计数据得知,Toyota,Hitachi,Denso,Honda,Schaeffler这5家主要的VVT系统供应商占据中国国内约76%的市场份额,而到2014年,能生产VVT的公司至少达到80家以上,主要得益于国内供应商的异军突起。据预测,未来五年内,绵阳富临精工将会出现强势增长,其销量将引领本土VVT系统制造商。

未来发展方向

VVT系统产品演化与升级主要经历了如下几代产品:

从初期的液压式螺旋花键相位器到目前中国国内大规模使用的液压叶片式和星型转子相位器,都采用插入式OCV,OCV一般装在发动机凸轮轴罩盖或发动机气缸盖上,距离相位器较远,因而VVT系统响应速度一般。国外欧美汽车市场目前也有相应车型,但是该技术应用份额逐渐降低。

目前国外欧美,日本正开始大规模使用中置式液压VVT系统,相对于传统VVT系统响应速度更高。因为中置式OCV安装在相位器的转子内部,OCV距离相位器内部油腔近,工作过程中油道中油压损失小。而中国国内汽车市场也正在掀起中置式VVT系统的热潮,只不过大部分项目尚处于研发阶段。中置式VVT供应商主要集中于国外几家,本土供应商尚处于刚刚起步阶段,无研发中置式电磁铁和电磁阀能力。

作为技术储备的电子VVT系统(也称EVCP)也逐渐登上汽车市场的历史舞台。目前国外供应商已经开始磨肩擦掌,而中国国内供应商尚未涉足该领域。因传统液压式VVT系统需要在建立一定的解锁油压后才能介入工作对发动机气门正时进行调节,意味着都多数情况下发动机怠速时VVT不能工作;而且传统液压式VVT系统调节角度有限,通常最大调节角度在35度凸轮轴转角。然而,电子VVT系统依靠直流电机通过齿轮箱带动凸轮轴转动,不依赖与发动机机油油压,只要供电便可立即参与调节,而且360度可调。电子VVT系统的安装要求与中置式VVT系统相似度极高,为将来发动机的技术升级换代做好了铺垫。

预计不久的将来,电子VVT系统成本逐渐下降到消费者愿意为其买单之时,便离规模化生产就不远了。

本原创文章未经允许不得转载 | 当前页面:BWK汽车改装养护网 » VVT可变气门升程技术

评论