發動機進氣VVT調節速度超標的解決方法

張大晴，王兆遠，董南南，李彬，彭玉龍，徐麗君

(江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

目前發動機VVT系統的運用較為廣泛，VVT技術主要是通過調節進氣門開啟角度的提前和延遲調節進氣量的大小，以此來增大發動機的進氣量和進氣效率，同時可以調節發動機缸內的爆發壓力及殘余廢氣量[1]，由此獲得發動機更高的動力性及經濟性。

圖1 單VVT系統結構示意圖

發動機一般有單VVT系統和雙VVT系統，這兩種系統可單獨使用也可組合使用，組合使用效果最佳，但是成本相對較高。VVT系統通常由內轉子、外轉子、OCV閥以及閥片組成(圖1)。本文結合某款直噴增壓+雙VVT技術汽油發動機論述VVT系統在發動機臺架上出現調節速度超標時，如何進行調查分析并提出解決方法，主要是以進氣VVT為例[2]。

1 故障分析

1.1 故障現象及工況

以某款產品為例，某汽油直噴發動機其排放要求須滿足國六b要求，在整機試驗開發過程中其進氣VVT在進行調節速度測試時，當轉速在1 500～3000r/min之間調節速度不能滿足要求，排氣側VVT調節速度均滿足試驗要求，其中進氣VVT在轉速1 500r/min時調節速度只有71 CrA/s，根據企業標準要求進氣VVT系統的調節速度須≥100 CrA/s[3]，測試結果無法滿足試驗要求，此問題對產品性能及排放產生嚴重影響(圖2)。

圖2 VVT調節速度測試結果

本次只介紹VVT調節速度測試方法，解鎖特性及控制穩定性測試不作說明，具體試驗方法如下：

首先恒定發動機轉速，通過INCA調整VVT開啟角度(由0°調整到最大開度，4 s后回到0°，循環10次)，這樣就得到了在這個轉動點調節速度曲線(圖3)。

圖3 VVT調節速度測試過程圖

VVT調節速度計算方法：以第一個循環為例，由于剛開始時調節不穩定，調節前后各去掉3 CrA，提取出VVT由C1調節到C2，調節角度除以時間ΔT(T2-T1) ，然后計算出該循環的調節速度ω1(圖4)[1]。

圖4 VVT調節速度計算方法

1.2 故障分析

根據VVT測試的故障現象，從發動機本身和VVT系統兩個方面利用FTA工具進行原因分析排查(圖5)。經過系統排查共得到14個潛在因子，分別為機油壓力小、機油溫度過高、曲軸位置傳感器不良、凸輪軸位置傳感器不良、凸輪軸轉矩不良、占空比不良、線束接觸不良、控制閥卡滯、電磁閥流量小、滑片卡滯、系統壓力不足、液壓轉矩不合格、摩擦轉矩大、泄漏量大[4]。

圖5 竄油量超標故障FTA分析

通過對可能導致故障的原因逐項進行排查(表1)，首先針對發動機進行機油壓力分布圖測試排查，機油壓力大小會直接影響VVT調節速度的快慢。

表1 故障排查檢測表

經測試樣機，機油壓力分布符合機油泵控制策略，滿足試驗要求(圖6-圖8)，同時試驗時發動機機油溫度最大值為106℃，滿足90℃～125℃試驗要求。

圖6 發動機實測機油壓力分布圖

圖7 發動機控制策略機油壓力分布

圖8 發動機測試機油溫度分布圖

對機油控制閥占空比進行驗證，在ECU中設置VVT角度由0°直接開到最大50°，關注占空比變化曲線是否與VVT開度一致。經測試VVT角度變化與占空比變化是一致的，因此滿足試驗要求，結果是合格的(圖9)。

經過系統排查排除了其中12項，最終確定為X5凸輪軸轉矩不合格和X12液壓轉矩不合格因子導致，具體分析如下：

1) 凸輪軸轉矩確認：經現場與設計人員及廠家進行研討分析，發現廠家未考慮到進氣側多一個高壓油泵負載的問題[5]。由于負載不同導致進、排氣凸輪軸的轉矩不同，因此在相同條件下VVT調節速度存在差異性(圖10)。

圖9 發動機VVT占空比曲線圖

圖10 發動機VVT裝配實物圖

2)液壓轉矩確認：由于進排凸輪軸轉矩的不同，因此VVT系統的液壓轉矩也不同，經查詢圖樣進、排氣側的液壓轉矩相同，均為0.417Nm/MPa，因此，液壓轉矩需要重新計算分析[6](圖11)。

圖11 VVT系統技術參數

綜上所述,最終導致進氣VVT系統調節速度不合格的原因主要是凸輪軸轉矩不合格和液壓轉矩不合格兩個因子所導致。

2 試驗驗證

由分析結論，提出優化方案，并策劃相應試驗進行驗證：

1)針對凸輪軸轉矩不合格的問題，首先對進、排氣側凸輪軸的轉矩進行CAE模擬分析[7]，從數據可看出進氣側凸輪軸轉矩明顯比排氣側大，主要原因是由于進氣側多了一個高壓油泵負載(圖12)。

圖12 進、排氣側VVT凸輪軸轉矩對比數據

2)液壓轉矩不合格，將發動機試驗邊界條件(轉速、轉矩、油壓等)輸入至軟件，軟件根據目標設定，計算出需要液壓轉矩值，最終計算結果液壓轉矩為0.439Nm/MPa(整改前為0.417Nm/MPa)；液壓轉矩為0.439Nm/MPa。VVT系統，整改后較整改前定子的內腔直徑尺寸大了1.4mm[8](圖13)。

圖13 整改前后定子變化對比圖

3 效果檢查

1) 通過整改進，排氣側VVT調節速度均>100 CrA/s，滿足試驗要求，整改措施有效(圖14)。

圖14 整改后VVT調節速度曲線圖

2)發動機最大轉矩265Nm/2000(r/min)，最大功率119.1kW/5500(r/min)，燃油消耗率為353.2g/(kW·h)；發動機動力性及經濟性均符合設計要求，通過驗收。

3) 針對發動機排放摸底測試，此發動機能夠滿足國六b排放指標要求，通過最終驗收[9]。

4) 將優化后的VVT系統圖樣進行更改并輸入PLM進行固化，同時對問題反饋單進行閉環并形成項目總結分析報告。

4 結語

VVT技術的運用較為普及，因此故障也較為突出，同時市場維修及更換成本較高，因此在試驗開發過程中對VVT系統充分驗證其性能的穩定性及可靠性尤其重要。本文結合實際案例，針對VVT調節速度不合格為切入點，利用質量工具深入調查故障發生的原因，并針對潛在因子進行確認排查，最終鎖定關鍵因子，制定整改方案，從根本上消除故障，為后續的相似故障調查提供解決思路。