VCT發動機潤滑系統的改進設計與試驗研究

殷海庭

（上海汽車集團股份有限公司，上海201804）

VCT發動機潤滑系統的改進設計與試驗研究

殷海庭

（上海汽車集團股份有限公司，上海201804）

介紹了在現有發動機基礎上開發機油液壓控制VCT（Variable Camshafts Timing）系統，發動機在開發前期通過對各個改進方案的試驗驗證，最終為VCT機構的機油供應與發動機潤滑需求（特別是缸蓋運動件）的矛盾解決提供了最優匹配方案。通過系列試驗的驗證為該發動機提供了良好的更改依據，并積累了寶貴的數據，為后期開發和驗證定型奠定了基礎。這一過程也可以為其他機型引入VCT系統而匹配機油的供應提供參考和支持。

潤滑系統機油供應改進試驗驗證VCT

1 引言

能源與環境問題是目前汽車工業所面臨的2個主要問題，為了在提高汽油機燃油經濟性和動力性的同時，還要滿足越來越嚴格的排放法規要求。從20世紀70年代開始，汽油機燃油電噴技術逐步發展起來，至今已形成了以進氣管多點順序噴射為代表的較為成熟的汽油機燃油控制技術。與燃油控制技術相比，早期的配氣控制技術研究進展得比較緩慢，主要成果是在1985年以后取得的。20世紀90年代，國外對可變氣門技術的研究成為熱點，開發出了一系列基于凸輪軸的可變氣門機構，并且應用于車用發動機，其中可變凸輪軸相位機構應用最廣[1]。

氣門是由發動機的曲軸通過凸輪軸驅動的，氣門的配氣正時取決于凸輪軸的轉角。在普通發動機上，進氣門和排氣門的開閉時間是固定不變的。這種固定不變的正時很難兼顧到發動機不同轉速下的工況需求，可變氣門正時就是解決這一矛盾的技術。在發動機高速運轉時，需要較大的氣門疊開角來達到充氣充分的目的；而在發動機低速及部分負荷工況時，氣門疊開角應該相應變小，達到改善性能、降低排放的目的[2,3]。而VCT（Variable Camshafts Timing）技術可以通過控制器調節凸輪軸，從而調節氣門開閉，滿足不同的工況需求，達到增加功率、減少油耗，改善排放的目的。采用可變氣門正時技術，發動機的功率和扭力輸出將會更加線性，同時兼顧高低轉速的動力輸出，發動機轉速能夠設計得更高，因而獲得更高的功率輸出。例如，尼桑2L排量的Neo VVL發動機比沒有配備VVT的相同結構的發動機，動力輸出可以提高25%以上。采用了可變氣門正時技術，發動機在低轉速時能增加扭矩輸出，大大增強駕駛的操縱靈活性。例如，菲亞特Barchetta's 1.8 VVT發動機，能在2 000～6 000 r/min之間輸出90%的扭矩；同時EGR（廢氣再循環）是一套普通的用于降低排放和提高燃燒效率的系統，而可變配氣技術則能進一步發揮EGR的潛能。

本文論述的機油液壓控制VCT系統就是在發動機頂置進排氣凸輪軸上增加一個液壓控制VCT的機構，來實現在發動機全工況區域氣門正時連續可變。VCT系統如圖1所示。當然該系統能夠保證足夠的響應時間，與系統機油壓力的響應時間有直接的關系，應用VCT系統增加了潤滑系統的供油需求，這樣缸蓋部分的機油供應量就相應減少了，從而產生了VCT系統對機油要求與缸蓋正常工作機油需求之間的矛盾[4,5]。

圖1 典型VCT系統結構示意圖

2 VCT發動機對潤滑系統的要求和對策

2.1 VCT發動機潤滑系統存在的問題

本文的VCT發動機是在原型發動機的基礎上增大缸體主油道內徑，通過部分改進缸蓋油道增加VCT裝置供油孔，修改凸輪軸以安裝VCT調相器及適宜的凸輪軸初始相位，增加VCT裝置機油控制電磁閥等改進工作得到的。發動機ECU通過電磁閥控制VCT機構的進回機油而連續改變凸輪軸的相位，從而獲得最佳的發動機性能。原機與VCT發動機的性能對比如圖2所示。

首臺VCT發動機的樣機裝配及初始標定后，在試驗過程中發現，潤滑系統已無法同時滿足VCT裝置與缸蓋運動部件的機油流量需求。在進行一輪高溫條件下的機油壓力測量中，機油溫度為135℃，最高溫度達到150℃，并出現了氣門脫落的嚴重故障，導致了發動機的嚴重損壞。經過發動機的拆檢，發現凸輪軸軸承部分及液壓挺柱存在著潤滑不足而造成的磨痕，同時發動機臺架監控數據也表明，在故障發生時供應挺柱的機油壓力非常低。通過系統的檢查和分析，表明是由于供應給缸蓋系統的機油在高溫條件下不能滿足需要。這說明原型設計的發動機機油供應及分配不能滿足VCT發動機的工作需要，盡快進行發動機機油供應的重新匹配成了項目的重要目標。

圖2 原機與VCT發動機的性能對比

根據以上方案分別進行分析與試驗，其中包括單項試驗及多項試驗在一起進行。圖3是更改為VCT發動機的原始設計取得的機油壓力曲線，并在機油溫度為130℃時發生了氣門脫落事件，共采集了機油溫度在100℃以上時凸輪軸軸承處的機油壓力，作為各個設計方案所得結果的比較基礎。從圖中可見，機油溫度從100℃增至130℃時，機油壓力明顯下降，造成了機油供應量的不足。

圖3 采用VCT后凸輪軸軸承處機油壓力

2.2 改進方案

依據預計對缸蓋和VCT機構的機油供應矛盾的改善和實現的代價，做出的機油供應的改進和匹配方案如下：

（1）更換機油牌號，由原設計的5W30更換為5W40，即采用高黏度機油，以提高高溫時能供應到缸蓋部分的機油壓力。

（2）改進機油泵性能，增加機油流量，提高供給發動機的機油量。共有2個設計方案，分別將機油泵（研究試驗時機油泵外置）加厚2 mm和加厚0.5 mm。

（3）逐步增大缸蓋油道限油槽，分別是增大50%及去除限油槽，通過試驗檢查其對VCT裝置及缸蓋主油道的機油供應的影響。限油槽是在由原型機改進設計到VCT發動機過程中特意在缸蓋主油道上設計的，以保證VCT裝置機油供應的機油分配裝置，示意圖參見圖4。

圖4 缸蓋機油分配示意圖

（4）減小凸輪軸軸承間隙，從而減少通過軸承間隙的機油回油，提高缸蓋其他部分的機油供應。減小的目標仍是與該原型發動機應用相同的氣門、氣門導管、氣門彈簧、鎖夾、油封及液壓挺柱等系列氣閥運動機構的量產發動機的凸輪軸間隙。需要為此增大凸輪軸軸頸直徑。

（5）應用機械挺桿代替液壓挺柱，減小該部分對機油的需求。

3 改進措施的驗證與分析

3.1 采用高黏度機油

對于提高機油的黏度等級是最方便和最簡單的方案。相對于新的5W30機油，5W40機油是已量產的發動機的標準用油，通過對比試驗取得了好的結果。在100℃以上的高速段區機油的壓力得到了明顯的提高，但仍然不能達到系統的需求，結果如圖5所示。

圖5 機油粘度對機油壓力的影響

3.2 提高機油泵流量

對于提高機油泵性能，有增厚2 mm和0.5 mm兩種設計方案。增厚2 mm的方案由于機體中沒有足夠的安裝空間，所以采用了外置機油泵，通過油管連接到機體；而對加厚0.5 mm的方案，機油泵外形無任何改變，可以在原機體上直接使用。這2種方案的試驗結果如圖6～圖8所示，可見機油泵加厚2 mm對提高機油壓力的效果更好一些。但與0.5 mm的方案相比，2 mm的方案需要更改缸體，對于已定型的產品來說，其代價比較大，無法在實際中應用。當0.5 mm的方案與其他改進措施一起使用時，仍可獲得滿意的結果，所以2 mm方案最后不被采用。

圖6 機油泵加厚2 mm時機油壓力曲線

圖7 原機油泵與加厚2 mm機油泵的機油壓力曲線

圖8 原機油泵與加厚0.5 mm機油泵的壓力曲線

3.3 限油槽

對于限油槽的改進，增大50%的方案發現對機油供應的改善不大；而完全去除限油槽，在增大凸輪軸軸頸和減小軸承間隙后，對VCT裝置的正常功能沒有不良影響，并能增加缸蓋部分的機油供應，改善了VCT機構與缸蓋之間的機油分配矛盾，所以最終采用了完全去除限油槽的改進設計方案。試驗對比機油壓力曲線如圖9～圖11所示。

3.4 凸輪軸承間隙優化

對于減小凸輪軸承間隙，由于新的軸承間隙是已量產的在發動機上已成功使用的參數，而且VCT發動機缸蓋部分采用了大部分的量產發動機的零件，特別是氣閥運動部分，所以在設計方面僅僅是增加凸輪軸的軸頸直徑。該方案能夠適當減少機油泄漏量來提高部分機油供應能力，與其他措施的集成使用在試驗上取得了良好的成果。相應的不同間隙機油壓力對比曲線見圖12。

圖9 限油槽增大50%時機油壓力曲線

圖10 機油泵加厚0.5 mm以及限油槽增加50%的機油壓力曲線

3.5 采用機械式挺桿

對于使用機械挺桿的方案，由于對缸蓋的改動太大，很多成熟的零件將被重新設計的零件取代，這面臨著很大的代價與風險，并且設計產品的成本、時間和驗證也都是一個很大的挑戰。在其他方案取得了令人滿意的結果后，這個方案作為最后的措施被放棄，見圖13。

經過潤滑系統的試驗和重新匹配，最后選擇了一個優化的綜合方案：5W40機油、機油泵加厚0.5 mm、去除缸蓋的機油限油槽、減小凸輪軸軸頸間隙。該方案各轉速下機油壓力曲線如圖14所示，達到了各方面的要求，特別是低速時凸輪軸機油壓力＞60 kPa，VCT裝置機油壓力＞100 kPa。VCT發動機也通過了耐久試驗，最終證明了該改進的切實可行。

圖11 去除限油槽的機油壓力曲線

圖12 減小凸輪軸承間隙前后的機油壓力

4 結論

（1）通過潤滑系統的試驗，發現機油控制VCT裝置在發動機上應用時會對對發動機，特別是缸蓋部分的機油供應產生不良的影響，對發動機的機油供應能力提出了更高的要求。

The Design Development and Test Research for Lubrication System of VCT Engine

Yin Haiting
（SAIC Motor Corporation Limited,Shanghai 201804,China）

The engine with oil hydraulic controlled VCT(Variable Camshafts Timing)is developed based on its base engine.Various improvement tests are done at the early stage of the VCT engine development,which provides an optimal solution to the conflict of the oil supply for the VCT system and the oil demand of the engine lubrication,the moving parts of the cylinder head in particular.A good basis for the VCT engine development is formed through a series of validation tests,and valuable data are also accumulated.These are all useful for the later stages of development and validation.This process can also provide a reference to other types of engines which will introduce VCT system.

lubrication system,oil supply,development test validation,VCT

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.008

來稿日期：2012-05-14

殷海庭（1978-），男，工程師，主要研究方向為動力總成分析試驗。