汽油機智能可變氣門升程系統的開發

平銀生 朱國華 郝曉偉 李偉軍 李沖霄 李兆建

中國燃油耗法規與排放法規的不斷發展，對汽車發動機的燃油耗和排放都提出了更高的要求?？勺儦忾T升程技術可以有效降低發動機的燃油耗和排放。介紹了1種由上汽集團技術中心自主研發的兩級智能可變氣門升程（I-VVL）系統。結合計算機輔助工程（CAE）的仿真分析，設計了該系統的核心結構。開發了一整套適用于該系統的零件加工工藝，并完成了配氣機構性能試驗和耐久試驗驗證。結果表明，該I-VVL系統結構緊湊，對周邊零部件影響小，功能性和可靠性滿足設計要求。汽油機;兩級智能可變氣門升程;結構設計;工藝開發;試驗驗證

0 前言

為了應對能源環境問題日益嚴峻的挑戰，我國陸續出臺了一系列更加嚴格的燃油耗與排放法規[1]?？勺儦忾T升程技術能夠通過改變氣門升程以適應發動機不同的工況，從而達到提高發動機性能和燃油經濟性的目的，是近些年汽油機領域研究的熱點。

目前，市場上搭載可變氣門升程技術的發動機均由國外廠商開發[2-5]。其中，通用公司推出了可變滾子搖臂（SRFF）技術，其技術核心是應用1個特殊搖臂，低升程時以滾子驅動，高升程時以搖臂殼體驅動。大眾公司開發了可變氣門升程（AVS）技術，首先應用在奧迪車型的V8發動機上，并陸續搭載到了EA888和EA211等發動機機型上。寶馬公司推出了“Valvetronic”電子氣門技術，實現了連續可變氣門升程，可以通過調節偏心軸角度，改變中間大搖臂的位置，實現了氣門升程的無級調節。

由于國外可變氣門升程技術專利壁壘的封鎖，加上國內排放和燃油耗法規的日益嚴苛，國內企業對于自主開發1種全新的可變氣門升程系統的要求迫在眉睫。根據發動機的結構性能指標需求，上汽集團技術中心全新設計了1套能夠實現升程切換功能的可變氣門升程系統，對核心部件進行了運動學及動力學分析，創新開發適用于新型結構的加工工藝，并通過臺架試驗驗證了可變氣門升程系統的功能性、耐久性及可靠性。

1 可變氣門升程系統的結構選型

本文研究的可變氣門升程技術基于上汽集團技術中心最新的2.0T發動機同步進行開發。發動機主要技術參數如表1所示。

在發動機的開發過程中，上汽集團技術中心對可變氣門升程系統提出3個要求：（1）響應速度快;（2）結構簡單可靠，利于布置;（3）對其他周邊零件或系統的影響較小。

可變氣門升程可分為多級可變氣門升程和連續可變氣門升程。技術人員研究認為：分段式的可變氣門升程在能夠滿足發動機燃油耗要求的前提下，相對連續可變氣門升程在結構和成本上具有較大的優勢，所以初步確定采用進氣側兩級式可變氣門升程方案。

配氣機構主要包括調相器、凸輪軸、搖臂滾子、氣門等部件，采用凸輪切換的方式可實現氣門升程切換，能夠盡可能減小對周邊零部件的影響。升程切換執行機構一般分為液壓執行機構和電動執行機構。液壓執行機構需要重新布置油路結構，對周邊零部件的影響較大，而且響應速度比較慢。采用電動執行機構不僅布置相對靈活，而且規避了液壓執行機構的不足，所以選擇電動執行機構，并通過發動機控制單元（ECU）控制執行機構的動作。

經過研究，開發團隊確定采用以電動驅動的兩級滑移式可變氣門升程方案，即全新自主開發1套兩級智能可變氣門升程（I-VVL）系統，并初步確立以下I-VVL系統的設計思路：（1）滑移式套筒與芯軸采用標準花鍵連接;（2）行程切換執行器為4個雙銷電磁閥;（3）電磁閥銷子伸入套筒溝槽以驅動套筒移動，自主設計切換溝槽形狀;（4）套筒軸向位置采用鋼球限位，自主設計鋼球槽型線;（5）套筒設計分為A型套筒和B型套筒，2種套筒在升程切換時運動方向相反。

如圖1所示，I-VVL系統的凸輪軸一共布局有4個滑移套筒。1缸和3缸為A型套筒，2缸和4缸為B型套筒，每個套筒對應1個電磁閥執行器。如圖2所示，A型套筒與B型套筒的區別是高低升程凸輪位置相反。在凸輪軸初始狀態下，搖臂滾子處于高升程狀態，所以當套筒從高升程切換到低升程的過程中，A型套筒向左移動，B型套筒向右移動，從而起到平衡軸向力的作用。

2 I-VVL系統滑移式凸輪軸設計

2.1 芯軸的結構

凸輪軸芯軸的示意圖如圖3所示。凸輪軸芯軸與套筒采用花鍵配合的方式，共分4段花鍵，每段花鍵長度均相等，長度由套筒結構尺寸和套筒切換行程而決定。花鍵采用標準花鍵DIN 5480-2 May 2006。每段花鍵后有1個彈簧孔，孔徑稍大于彈簧大徑和鋼球直徑。彈簧孔有2個作用：一是限制彈簧與鋼球的軸向位置，二是約束彈簧使其向鋼球提供徑向推力。

止推鋼球需要具有較高的硬度和耐磨性。為保證零件可靠性，降低零件成本，技術人員直接選用標準滾動軸承鋼球，參考標準為GB/308-2002。鋼球彈簧選用標準柱狀彈簧，參照芯軸和套筒的設計邊界，根據對彈簧性能參數的需求，完成彈簧選型。

2.2 滑移套筒的結構

如圖4所示，滑移套筒由3部分組成：凸輪段，軸頸段和螺旋槽切換段。高低升程凸輪、軸頸和螺旋槽切換段是1個套筒整體，通過內花鍵和凸輪軸芯軸的外花鍵配合，套筒花鍵參數與芯軸相同。實現套筒滑移的結構為螺旋槽。當電磁閥銷子伸入螺旋槽時，銷子位置固定。在螺旋槽的限制下，套筒隨著轉動發生軸向位移，從而實現高低升程的切換。

螺旋槽型線設計如圖5所示，沿徑向方向可將螺旋槽分為下沉段、基圓段和上升段。螺旋槽下沉深度可表示為h，在軸向方向上可將螺旋槽分為進入段、切換段和退出段。切換段行程可表示為s，完全處于基圓段內。

套筒鋼球槽與止推鋼球配合以固定套筒軸向位置。鋼球槽中鋼球球心理論位置距離為Z，鋼球槽呈對稱形狀。鋼球槽深度受鋼球彈簧并圈長度和彈簧力的制約。當鋼球在最低位置時，技術人員要確保彈簧無并圈風險，另外要保證切換過程中彈簧力處于合適的范圍，使鋼球能夠給予套筒合適的軸向推力。初步確定的套筒鋼球槽型線如圖6所示。

3 電磁閥的開發

3.1 電磁閥的設計

電磁閥采用上汽集團與國內優秀供應商聯合開發的1種響應速度快，反應精度高的雙銷電磁閥，突破了國外技術的壁壘（圖7）。

如圖8所示，電磁閥的驅動核心為螺旋線管和磁芯。當內螺旋線管通電后，會在周邊介質中產生磁通，電磁閥銷子在縮回狀態時，磁芯與螺旋線管周圍的導磁材料之間存在氣隙，氣隙部分磁阻較大，導致氣隙兩端產生較大的磁勢，從而產生電磁力，拉動磁芯向下運動，直到磁芯與下殼體接觸，氣隙消失。在磁芯向下運動的過程中，克服彈簧力，并推動閥芯向下運動，完成閥芯的伸出動作。

電磁閥的2個銷子分為A、B銷。2個銷子的工作狀態是通過電磁閥自身反饋信號傳遞給ECU的。如圖9所示，采用單獨的霍爾傳感器對銷子狀態進行診斷，這種診斷擁有單獨的驅動電路，不受電磁閥驅動電路的影響，因而具有更高的診斷精度?；魻杺鞲衅魍ㄟ^感應A、B銷上磁環的磁場強度，輸出反饋電壓信號。

當銷子位移發生變化時，磁環與傳感器的距離會發生變化，霍爾傳感器感應到的磁場強度也會隨之發生變化。基于霍爾效應，磁場強度的變化會引起電勢差的變化，即反饋電壓的變化。如圖10所示，二者呈線性關系。

如圖11所示，電磁閥銷子回位首次采用了回位彈簧設計。套筒在完成切換后，電磁閥斷電，閥芯在彈簧力的作用下回到初始位置。銷子在螺旋槽退出段依靠彈簧回位，槽底上升段起到保證回位作用，有效降低了銷子底部的磨損。另外，回位彈簧提高了銷子抵抗振動加速度的能力，避免了在車輛路況顛簸時，銷子在振動加速度作用下出現異常伸出現象。

3.2 電磁閥的仿真分析

如圖12所示，借助電磁閥電磁仿真計算，技術人員對磁場分布進行了優化，提升了電磁力，同時降低了磁阻、氣阻、油阻等阻力，最終實現了超越國外量產產品的響應性能（圖13）。

在套筒在切換過程中，發動機轉速越高，套筒切換時對銷子的沖擊也就越大。選定nmax作為銷子受力的計算機輔助工程（CAE）計算條件，計算結果如圖14所示。電磁閥銷子受到最大沖擊力為F1 <Fmax。其中，Fmax為銷子能承受的最大側向力，可以認為銷子具有足夠的強度。

4 凸輪軸工藝設計

I-VVL系統凸輪軸采用全新的結構設計，傳統的凸輪軸加工工藝無法滿足零件的性能要求。之前，與可變氣門升程凸輪軸相關的工藝技術均掌握在國外供應商手中。通過技術團隊與國內優秀供應商一同進行了大量的工藝試驗，雙方共同開發了相應的機加工和表面處理工藝。

4.1 凸輪軸機加工工藝

芯軸花鍵的加工精度將直接影響可變氣門升程凸輪軸凸輪相位的誤差，從而影響I-VVL系統的性能。搓齒工藝屬于冷加工工藝，用于外花鍵加工，是1種高效、高精度，并具有較高材料利用率的新型制造方法[6]。如圖15所示，項目選擇搓齒成型工藝加工芯軸花鍵，有以下幾個原因：（1）搓齒工藝加工出的花鍵齒側定位精度高;（2）搓齒板寬度可以根據花鍵總長度進行定制，選用合適的搓齒板可將4段花鍵一次性加工出來，避免了分次加工的角位不一致;（3）搓齒加工采用上、下2個搓齒板對芯軸進行冷擠壓，搓出花鍵，從而不產生廢料，材料利用率高。

4.2 凸輪軸表面處理工藝

凸輪軸芯軸花鍵和鋼球孔區域需要較高的表面硬度，以降低磨損。離子氮化滲氮具有速度快，氮化層硬度高，層厚深，滲氮組織脆性小，滲氮溫度低，零件變形小等優點[7]，故凸輪軸芯軸采用離子氮化工藝。為了降低芯軸氮化變形，采用頭部以固定豎直吊裝的方式入爐氮化，后續再進行自動校直，以保證芯軸滿足直線度要求。

滑移套筒上的凸輪寬度較窄，較高的接觸應力對凸輪硬度和硬化層深度有更高的要求。由于高低升程凸輪存在高度差，若采用中頻或高頻淬火工藝會導致臺階面處淬火溫度大大降低，從而影響其硬度和硬化層深度（圖16）。

高低升程凸輪的特殊結構對其淬火工藝提出了更高的要求：必須能夠對凸輪表面區域進行精準的淬火。為了解決凸輪淬火問題，公司與供應商共同開發了1套激光淬火裝置。這也是國內首次將激光淬火技術應用于凸輪軸的表面熱處理工藝。

如圖17所示，在激光淬火工藝中，激光束不動，套筒緩慢轉動，高能激光束掃過凸輪表面，其表面迅速升溫，而此時凸輪中心仍處于冷態，隨著套筒轉動1個圓周后，激光束停止照射凸輪表面，表面熱量迅速向內部傳遞，使表層急速冷卻，實現自身淬火[8]。激光束照射精準，可以靈活調整照射角度，故高低升程凸輪的臺階不影響激光束的掃射，可滿足淬火硬度和硬化層深的要求。

在激光淬火的過程中，要嚴格控制套筒旋轉的速度和激光束的能量。這直接影響到硬化層的硬度和深度。經過大量的工藝試驗，最終確定了合適的淬火參數。

5 試驗驗證及結果

在完成樣件制作后，需要通過相關試驗初步驗證其可靠性和耐久性[9]，并安排相關配氣機構試驗，其中包括性能試驗和耐久試驗。

5.1 配氣機構性能試驗

配氣機構性能試驗臺架如圖18所示。通過測量氣門開啟時刻和氣門升程，以驗證I-VVL系統升程切換功能是否正常。在氣門升程切換的轉速范圍內，電磁閥通電，銷子伸出后，氣門升程發生變化。氣門升程切換結果如圖19所示。從圖中可以看到，無論低轉速（n0）還是高轉速（nmax）切換，氣門升程曲線平滑，切換功能均正常。這說明該系統滿足設計要求。

5.2 配氣機構耐久試驗

在實際運行中，為避免頻繁切換升程造成系統零件的失效，對I-VVL系統的耐久性進行了配氣臺架試驗。以整車50萬km為考核指標，對該系統進行臺架耐久試驗。配氣機構耐久試驗臺架如圖20所示。

在試驗結束后，技術人員對相關零部件進行了評估。以肉眼觀察，芯軸止推面無異常磨損，并對試驗結果進行尺寸測量，結果合格。這說明凸輪軸在軸向力方向受力均衡，滿足設計要求。肉眼可見，在凸輪表面有搖臂滾子痕跡，并對凸輪表面輪廓度和粗糙度進行測量，均滿足要求。試驗人員將滑移套筒剖開，檢測鋼球槽輪廓度，其磨損在可接受范圍內。試驗人員對滑移套筒螺旋槽工作面進行輪廓度測量，磨損情況滿足預設要求。試驗人員觀察電磁閥銷子，無明顯的摩擦痕跡，銷子與殼體之間間隙也在可控范圍內，銷子伸出退回動作流暢無卡滯。電磁閥耐久考核通過。

經過對I-VVL系統的耐久試驗后進行評估，技術人員認為該系統能夠在保證基本性能的同時滿足可靠性要求。

6 總結

上汽集團技術中心自主開發了國內首個兩級智能可變氣門升程系統，突破了國外相關技術的封鎖。相關研發要點如下。

（1）技術人員以需求為導向，經過充分的理論論證和技術儲備，結合CAE仿真分析，完成了I-VVL系統的核心結構設計。該結構簡單緊湊，對周邊機體結構影響小，有利于零部件的通用化，降低了開發成本。

（2）技術人員全新開發了1種氣門升程切換的驅動機構——可變氣門升程電磁閥。該電磁閥響應速度快，安全性高，具有智能自我診斷功能，提高了整機的電氣化水平。

（3）針對I-VVL凸輪軸特殊的結構和功能，上汽集團技術中心與國內供應商聯合開發了一整套加工工藝流程，完全掌握了核心加工技術，在保證零件達到設計指標的前提下，大大降低了開發和生產成本。

（4）通過臺架試驗對I-VVL系統進行性能和耐久性驗證。結果表明，該系統的功能指標和可靠性滿足設計要求。

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[5]BAUER F. BMW turns to steam to boost power， improve fuel economy[J]. Automotive News. 2006，80：44.

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