發動機可變氣門正時系統冷試檢測研究

□ 賴明聰 □ 張風順

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州 545007

1 可變氣門正時系統工作原理

可變氣門正時作為提高發動機動力性、經濟性，降低排放的一項重要技術,已經應用于國內外多款汽車的發動機上。目前，大多數汽油發動機制造廠已采用發動機冷試檢測代替熱試檢測,因此,如何在冷試時準確檢測可變氣門正時系統,使測試后的發動機能夠安全投入市場，成為需要重點關注的問題。

可變氣門正時系統根據發動機運行時不同的轉速、負荷,調整進、排氣量和氣門開啟、關閉時刻，即氣門重疊角,使進入的空氣量最佳,從而提高燃燒效率,同時使發動機滿足既定的動力性、經濟性要求，以及排放法規[1]。筆者主要研究兩種電磁式可變氣門正時系統的工作原理、檢測原理和方法。

發動機正時系統的作用是確保曲柄連桿機構運動與配氣機構運動間的關系,使氣門開啟或關閉時刻與曲軸轉角相對應[2]。

采用普通正時系統，發動機的曲軸鏈輪通過正時鏈條帶動凸輪軸鏈輪轉動。由于凸輪鏈輪與凸輪軸是剛性連接[3],不能相對轉動,因此凸輪軸的相位無法改變。普通正時系統如圖1所示。

采用可變氣門正時系統，將凸輪軸鏈輪設計為由可相對轉動的兩部分零件——轉子和定子組成。凸輪軸鏈輪作為定子與正時鏈條相嚙合,即與曲軸相對固定,凸輪軸則與轉子固定連接。定子與轉子組合裝配在一起,可以實現凸輪軸相對于凸輪軸鏈輪進行轉動的目的,從而實現可變相位。可變氣門正時系統如圖2所示。

電磁式可變氣門正時系統可以分為油壓驅動式和扭力輔助式兩種驅動形式[4]。油壓驅動式采用機油壓力驅動,并采用標準機油控制閥,相位調節速度與機油壓力有關,油壓越高,相位調節速度越快,最大相位調節角為70°。油壓驅動式的優勢在于結構簡單、成本低，但是對機油的消耗量較大,機油泵產生的摩擦功會增大,因此會產生附加損失。扭力輔助式采用機油壓力和凸輪軸扭矩來驅動,由于機油泵功率較小,因此附

加的功率損失也較小,凸輪軸上只需要單油道為相位器供油。相比油壓驅動式,扭力輔助式具有更快的相位調節速度,在高溫、低溫、低速時性能更好，且對整車廠而言,發動機油道設計更簡單。

筆者以油壓驅動式為例,介紹可變氣門正時系統的工作原理。可變氣門正時系統包括相位執行器和相位控制器[5],分別如圖3、圖4所示。廣義而言,可變氣門正時系統還包括傳感器和油道。可變氣門正時系統的工作原理是通過控制與凸輪軸相連的可變氣門正時總成轉子兩側的機油流量，使轉子相對于與正時鏈輪相連的定子發生旋轉,從而實現相位調節。

根據發動機運行工況,當需要改變相位時,整車計算機控制系統解算出發動機在各工況下所需要的氣門正時,根據位于曲軸和凸輪軸處的傳感器信號,計算出轉子和定子的相對位置,然后對凸輪軸位置機油控制閥進行通電，使閥門開啟，油底殼的機油經發動機內腔油道最終流向凸輪軸鏈輪。在機油壓力的驅動作用下,凸輪軸鏈輪中的轉子鎖止銷被解鎖,機油進入凸輪軸鏈輪內,定子與轉子之間分隔為兩個油腔。通過控制兩個油腔的機油量，來實現轉子與定子之間的相對轉動,從而實現凸輪軸相位的改變,最終滿足氣門正時目標值要求。當相位改變完成后,通過液壓鎖銷控制，使轉子和定子被鎖死,保持中立位置。同時通過機油控制閥通電時間的長短，來控制閥門的行程及開啟時間,達到所需要改變的相位角[6]。

2 冷試檢測條件

可變氣門正時系統冷試檢測指在發動機高速運轉階段,通過監控凸輪軸的相位變化來識別發動機的油道、零件配合、正時系統、可變角度、時間等是否正常,進而判斷可變氣門正時系統是否存在裝配缺陷或零部件缺陷[7]。

冷試檢測條件如下：

(1) 檢測時通過外部伺服電機驅動發動機旋轉,通過內部或外接傳感器探測發動機曲軸、凸輪軸的位置,對接方式有臺架對接插頭自動對接和人工線束對接兩種[8];

(2) 檢測時轉速一般設置為冷試過程中的最高轉速,機油壓力已充分建立,凸輪軸及其它相關轉動部件已充分潤滑,可以比較準確地測量出可變氣門正時作用下凸輪軸轉動的響應速度[9]，此外,由于檢測需要采集的數據長度較長，為200個發動機沖程,因此高轉速可以顯著縮短測試節拍;

(3) 當發動機穩定在高轉速階段運轉時,以第一油缸壓縮上止點為基準,對發動機凸輪軸相位信號進行數據采集，采集方式為外部時鐘數字觸發采集,編碼器每轉一圈產生4 096或8 192個脈沖,采集長度為多個發動機沖程。

3 冷試檢測原理

可變氣門正時冷試檢測曲線如圖5所示,數據采集系統在采集200個發動機沖程凸輪相位信號的過程中,發動機控制模塊會對機油控制閥進行兩次控制。第一次是發送占空比為持續增大或一次性100%的脈寬調制信號,使機油控制閥開啟到最大,以最大機油量通過可變氣門正時系統驅動凸輪軸轉動,測試可變氣門正時系統的響應速度。凸輪軸轉動到最大角度位置后,機油控制閥控制信號保持一段時間,測試凸輪軸轉到最大角度位置時相位的穩定性。第二次是發動機控制模塊發送占空比為0的脈寬調制信號,使機油控制閥完全關閉,可變氣門正時系統不啟動,凸輪軸自動返回原位,測試返回過程中的響應速度。

4 案例分析

基于某汽油發動機工廠冷試臺架,將冷試工藝線束連接至發動機曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、機油控制閥后,使發動機在冷試臺架上進行測試。

伺服電機驅動發動機穩定旋轉于最高轉速2 000 r/min時,機油在發動機油道內高速流動。此時,冷試臺架通過機油控制閥線束接頭為機油控制閥提供12 V電壓。機油控制閥開啟,在凸輪軸罩蓋油道內流動的機油通過機油控制閥流入凸輪軸前軸承蓋油道、凸輪軸油道，并流入凸輪軸鏈輪。凸輪軸鏈輪鎖止銷在油壓驅動作用下解鎖,機油進入凸輪軸鏈輪內轉子與定子之間的分隔油腔,使轉子與定子發生相對轉動。

某臺合格發動機的進氣側可變氣門正時冷試檢測曲線如圖6所示,體現了可變氣門正時系統從開啟至關閉的連續運行狀態。機油控制閥在冷試臺架提供的電壓作用下打開,凸輪軸在鏈輪油壓驅動作用下開始轉動,并在較短時間內轉到相位最大角度位置,即完成最大相位改變。根據零件的設計要求，轉動角度約為60°。該相位持續一段時間后，對機油控制閥進行斷電,凸輪軸在一段時間后返回到原位置。

檢測主要評定內容包括:① 可變氣門正時開啟起始角度;② 可變氣門正時開啟結束角度;③ 可變氣門正時開啟角度差;④ 可變氣門正時開啟響應時間;⑤ 可變氣門正時開啟響應速度;⑥ 可變氣門正時關閉起始角度;⑦ 可變氣門正時關閉結束角度;⑧ 可變氣門正時關閉角度差;⑨ 可變氣門正時關閉響應時間;⑩ 可變氣門正時關閉響應速度;可變氣門正時開啟角度跨度。若檢測或計算結果不滿足上述評定內容中的任何一項,則判定發動機可變氣門正時系統工作不正常,發動機需要進行返工。

某發動機工廠投產新款發動機初期，在可變氣門正時冷試檢測時出現較多檢測不合格,檢測曲線如圖7所示。

圖7顯示排氣側可變氣門正時已經完成了一次打開、關閉的過程,而進氣側可變氣門正時曲線是一條直線,完全沒有打開，導致檢測不合格。

現場檢查冷試設備及發動機相關零件，均無異常。不合格的發動機重新檢測后，可變氣門正時都能打開，符號測試要求，為合格。檢查發現，新款發動機采用的是扭力輔助式可變氣門正時系統，而該發動機工廠之前生產的都是采用油壓驅動式可變氣門正時系統，冷試檢測時，油壓驅動式可變氣門正時系統通過發送占空比為一次性100%的脈寬調制信號，使機油控制閥開啟到最大。這種機油控制閥開啟方式適用于油壓驅動式可變氣門正時系統，不適用于扭力輔助式可變氣門正時系統，發送占空比為一次性100%的脈寬調制信號會使機油控制閥很快開啟至最大，導致凸輪軸鏈輪內的轉子運轉過快，產生沖擊,使鎖銷和鎖銷孔內罩板產生摩擦及卡滯,從而導致鎖銷不能正確解鎖,最終導致可變氣門正時無法打開。

為了解決這一問題，對發送脈寬調制信號的方法進行優化，采用冷試檢測發送占空比為持續增大的脈寬調制信號,必要時增加短暫停頓，約50 ms,使機油控制閥間歇式打開,避免可變氣門正時凸輪軸鏈輪內部的轉子運轉過快問題,從而解決鎖銷與鎖銷孔內罩板產生摩擦的問題,消除卡滯現象,并最終保證在冷試檢測時可變氣門正時能夠正確開啟。處理前后脈寬調制信號如圖8所示。由此可見，不同的可變氣門正時系統，在冷試檢測時需要選擇不同的測試方法，這樣才能保證正確檢測發動機可變氣門正時系統是否存在裝配缺陷或零部件缺陷。

5 常見問題分析

可變氣門正時系統冷試檢測中出現的主要問題如下:① 可變氣門正時響應速度慢,即在檢測時間內,進氣側或排氣側凸輪軸相位零改變,或改變角度達不到設計要求；② 可變氣門正時響應速度正常,但開啟時間相對遲緩,最終在檢測時間內達不到設計要求變化角度。

對以上問題進行分析。

(1) 油道不通。按照發動機內部機油流通路徑,任何一處油道堵塞或機油控制閥無法正常開啟,機油均不能正常流入凸輪軸鏈輪,因此相位無改變或改變角度較小。可通過拆機觀察機油流通情況，檢查是否存在鐵屑或毛刺，并進行清潔,或更換懷疑存在問題的零部件進行驗證[10]。

(2) 機油泄漏。按照裝配關系,若凸輪軸鏈輪與凸輪軸之間、機油控制閥與凸輪軸罩蓋之間任何一處零件尺寸配合不佳，均會造成機油泄漏,導致相位無改變或改變角度較小。可通過拆機檢測相關零部件尺寸或更換相關零部件進行驗證。

(3) 凸輪軸鏈輪卡滯。凸輪軸鏈輪內部生銹或因加工、裝配原因,引起轉子與定子之間不能或較難相對轉動,將導致相位無改變或改變角度較小。可通過拆解凸輪軸鏈輪,檢查是否存在生銹,是否可手動旋轉轉子,或更換凸輪軸鏈輪進行驗證。

(4) 凸輪軸鏈輪螺栓卡滯。對于扭力輔助式可變氣門正時系統而言,凸輪軸鏈輪螺栓是機油控制閥的一部分,凸輪軸鏈輪螺栓內部有雜質或因加工、裝配原因無法開啟、關閉油道,將導致相位無改變或改變角度較小。可通過拆解凸輪軸鏈輪螺栓檢查是否存在雜質,是否可手動開啟或關閉油道開關,或更換凸輪軸鏈輪螺栓進行驗證。

(5) 其它問題。包括正時系統裝配不正確、凸輪軸和曲軸相位自身存在錯誤、工藝線束問題、發動機傳感器問題、測試傳感器問題、冷試臺架后臺數據處理器問題等，可通過逐一更換相關線束或零部件進行驗證。

6 結束語

可變氣門正時系統是提高發動機動力性、經濟性，降低排放的重要手段。影響可變氣門正時系統工作的因素較多,在發動機設計和零件加工時需要充分保證各相關零件的尺寸及配合精度。冷試檢測作為大多數發動機產品下線前的一道關鍵檢測工序,需進行周期性的發動機缺陷驗證,并不斷優化、完善檢測工藝和參數。對于可變氣門正時冷試檢測,需要根據相應問題和故障有針對性地進行解決,以保證發動機生產線生產的產品零缺陷。