王 孟，張 力，謝博強(qiáng)，江 亮，黃永生

(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044;2.裝甲兵技術(shù)學(xué)院車輛工程系，長(zhǎng)春 130117)

前言

可變氣門正時(shí)(VVT)技術(shù)對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率、降低油耗和排放具有顯著的效果。該技術(shù)在多款汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用，如本田的VTEC、豐田的VVT-i以及BWM的Vanos等是幾款應(yīng)用較成熟的典型機(jī)構(gòu)［1－5］，經(jīng)過多年的發(fā)展，各種技術(shù)也開始相互融合［6－8］。

目前國內(nèi)尚未對(duì)可變配氣相位系統(tǒng)進(jìn)行較為深入和系統(tǒng)的研究，也無法直接買到與已研制出的機(jī)構(gòu)相配套的、現(xiàn)成的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。為此，本文中自行設(shè)計(jì)了可變配氣相位器的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。首先經(jīng)過測(cè)試確定機(jī)油控制閥(oil control valve，OCV)的工質(zhì)流量特性，然后通過其流量特性控制機(jī)油的流量，進(jìn)行VVT系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果，可以了解相位器的實(shí)際工作性能，為進(jìn)一步的研究開發(fā)提供可靠的依據(jù)。

1 測(cè)試系統(tǒng)與OCV工質(zhì)流量特性

圖1為可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括由變頻器和變頻電機(jī)組成的凸輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，齒輪泵、濾清器與各管路組成的潤(rùn)滑系統(tǒng)及脈沖電源對(duì)OCV的控制系統(tǒng)，由曲軸轉(zhuǎn)速傳感器、凸輪軸位置傳感器和溫度傳感器組成的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)等。OCV采用脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行控制，因而不同占空比控制信號(hào)作用下的各出口流量特性是制定OCV控制方法的基礎(chǔ)。為確定不同占空比控制信號(hào)時(shí)OCV的流量特性，通過圖1所示的方案獲取，即關(guān)閉節(jié)流閥10，打開節(jié)流閥7截?cái)嗔魍鵙VT的油路，使油路流向右側(cè)的OCV單體，單獨(dú)測(cè)量OCV單體的工質(zhì)流量特性。

圖2為對(duì)同一個(gè)OCV進(jìn)行3次測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可見，隨著占空比的改變使OCV的閥芯處于相應(yīng)的位置即可改變控制閥各接口的連接情況，因此通過OCV工質(zhì)流量特性試驗(yàn)測(cè)得:當(dāng)占空比在20% ～40%變化時(shí)，出口A的流量最大，出口B的流量為0，且各出口流量的大小不隨占空比的變化而變化;繼續(xù)增加占空比，A口流量逐漸減小，B口流量仍保持為0。當(dāng)占空比達(dá)到56%左右時(shí)，除去因泄漏而計(jì)入各閥口的流量，可認(rèn)為各出口流量均為0;再增加占空比，則A口流量保持為0，B口流量逐漸增加。當(dāng)占空比變化到約70%時(shí)，B口流量達(dá)到最大值，繼續(xù)增加占空比，B口流量不再變化。通過獲取不同占空比控制信號(hào)時(shí)OCV的工質(zhì)流量特性，實(shí)現(xiàn)脈沖電源對(duì)OCV工質(zhì)流量的準(zhǔn)確控制。

2 VVT動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試原理

2.1 測(cè)試方法

為了直觀地反映相位器工作時(shí)凸輪軸相對(duì)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，將曲軸轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)取的變頻電機(jī)輸出的曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)、凸輪軸相位傳感器測(cè)取的凸輪軸位置信號(hào)和脈沖電源信號(hào)接入信號(hào)采集處理器。通過信號(hào)提取設(shè)置變頻電機(jī)轉(zhuǎn)角信號(hào)為橫坐標(biāo)X軸、凸輪軸相位傳感器信號(hào)為縱坐標(biāo)Y軸，每次采集600個(gè)工作循環(huán)。采集過程中，通過打開、關(guān)閉脈沖電源，獲得一組相位器工作時(shí)傳感器測(cè)得的信號(hào)數(shù)據(jù)。根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)角信號(hào)與凸輪軸傳感器位置信號(hào)之間的相對(duì)移動(dòng)來判別凸輪軸相位，從而計(jì)算出VVT相位器相位調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

2.2 數(shù)據(jù)定義與分析

圖3為試驗(yàn)中信號(hào)采集器所采集到的信號(hào)，為了更好地判斷相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，提取曲軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)的凸輪軸位置信號(hào)，通過對(duì)比相鄰循環(huán)周數(shù)凸輪軸位置信號(hào)的相對(duì)變化得出相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

定義曲軸旋轉(zhuǎn)一周為一周期，在該周期內(nèi)提取的凸輪軸位置信號(hào)與曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)如圖4所示。

規(guī)定:數(shù)字1、2分別代表各個(gè)脈沖的上升沿和下降沿?cái)?shù)字;①、②、③、④代表凸輪軸傳感器信號(hào)輪的突起部分與傳感器作用時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)(霍爾效應(yīng))。描述規(guī)則:CXXX PX JPXX，C為circle，P為pulse，JP 為 jump point。例如:C212-P3-JP1 指的是第212循環(huán)的第3個(gè)脈沖的上升沿。

2.3 相位器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間獲取

隨機(jī)選取一組壓力為0.3MPa、溫度為70℃、變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將信號(hào)采集處理器檢測(cè)的曲軸轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)和凸輪軸位置傳感器信號(hào)，經(jīng)逐步處理得出相位提前和相位滯后的動(dòng)態(tài)變化圖，如圖5和圖6所示。當(dāng)某工作循環(huán)與上一工作循環(huán)之間某同一位置脈沖的角度差值在不到0.5°時(shí)，計(jì)為此時(shí)相位器在該工作循環(huán)剛開始或剛結(jié)束動(dòng)態(tài)工作，由開始到結(jié)束的整個(gè)時(shí)間段屬于相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。

圖5中包含17個(gè)相鄰的工作循環(huán)，最上面的為第61循環(huán)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析得:C62-P2-JP1與C63-P2-JP1發(fā)生相對(duì)變化，角度差值約為0.2°，此時(shí)相位器開始工作。C74-P2-JP2與C75-P2-JP2發(fā)生相對(duì)變化，角度差值約為0.3°，此時(shí)相位器結(jié)束工作。因此相位器在工作過程中曲軸所轉(zhuǎn)過的角度為C63中轉(zhuǎn)過的214.2°，加上完整的由C64到C73共經(jīng)過的11個(gè)工作循環(huán)，以及C74所經(jīng)轉(zhuǎn)過的302.6°。變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min，因此得到相位器提前的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性時(shí)間約為373ms。

圖6中包含15個(gè)相鄰的工作循環(huán)，最上面的為第440循環(huán)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析得:C441-P1-JP2與C442-P1-JP2發(fā)生相對(duì)變化，角度差值約為0.7°，此時(shí)相位器開始工作。C451-P2-JP2與C452-P2-JP2發(fā)生相對(duì)變化，角度差值約為0.5°，此時(shí)相位器結(jié)束工作。相位器在工作過程中曲軸所轉(zhuǎn)過的角度為C442中轉(zhuǎn)過的233.4°，加上完整的由C443到C451共經(jīng)過的9個(gè)工作循環(huán)，以及 C452所經(jīng)轉(zhuǎn)過的245.6°。變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min，因此得到相位器滯后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性時(shí)間約為309ms。

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

采用此可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，利用試驗(yàn)提出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)試方法和讀取方式，分別獲取了相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油的溫度和壓力以及不同OCV(閥芯濾網(wǎng)和全開時(shí)開口大小等結(jié)構(gòu)上的不同)而變化的關(guān)系，即相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖7為潤(rùn)滑油溫度對(duì)液力系統(tǒng)流動(dòng)性的影響。由圖7可見，隨著潤(rùn)滑油溫度的升高，相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間加快，當(dāng)溫度高于70℃后，響應(yīng)時(shí)間基本保持不變，此后溫度對(duì)相位器動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較小。

圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間滯后方向延長(zhǎng)而提前方向加快，但兩者變化范圍很小，且在滯后方向不同溫度時(shí)響應(yīng)時(shí)間有較大變化，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性影響較小，可忽略。由于壓力越高對(duì)葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩越大，因此可得出壓力對(duì)相位器響應(yīng)時(shí)間的影響，見圖9。由圖可見，壓力越高，相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間越快且滯后方向響應(yīng)時(shí)間快于提前方向。圖10為不同的OCV對(duì)相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，由圖可見，不同的OCV隨著壓力的升高，響應(yīng)時(shí)間變快，且滯后方向反應(yīng)速率快于提前方向，當(dāng)壓力高于0.2MPa時(shí)，壓力對(duì)相位器的動(dòng)態(tài)反應(yīng)速率影響成線性關(guān)系。

4 相位器泄漏量的測(cè)試

圖11為相位器的油路。可以看出，機(jī)油由供油油路進(jìn)入之后分別流入進(jìn)氣凸輪潤(rùn)滑油道、排氣凸輪潤(rùn)滑油道和通過OCV閥控制相位器油路的相位器油道。因此試驗(yàn)通過采用橡膠對(duì)油道進(jìn)行有選擇性的堵塞來完成相關(guān)油路流量的測(cè)定，從而完成對(duì)相位器的泄漏量測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)機(jī)油的溫度為70℃，機(jī)油壓力為0.4MPa。由于進(jìn)氣凸輪軸的供油油道在缸蓋內(nèi)部，無法將其堵塞，所以測(cè)試時(shí)首先堵塞排氣凸輪潤(rùn)滑油道和相位器供油油道，測(cè)出進(jìn)氣凸輪軸的潤(rùn)滑油流量，然后堵塞相位器油道測(cè)出排氣凸輪軸和進(jìn)氣凸輪軸的潤(rùn)滑流量，再堵塞OCV出油口流入相位器的油路，從而測(cè)出OCV的泄漏量和進(jìn)、排氣凸輪軸的潤(rùn)滑流量之和。最后通過測(cè)出系統(tǒng)總的機(jī)油流量減去進(jìn)排氣凸輪的潤(rùn)滑流量得出相位器油道的總泄漏量，此泄漏量減去OCV的泄漏量即為相位器的泄漏量。

潤(rùn)滑油的溫度會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)黏度，從而影響潤(rùn)滑油的流動(dòng)性，圖12和圖13為在不同溫度下滯后腔向提前腔和提前腔向滯后腔的泄漏量曲線?？梢钥闯?，相位器的泄漏量隨著壓力的升高成線性關(guān)系增加，且在較高溫度時(shí)提前腔向滯后腔泄漏量較大。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了VVT動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，完成了OCV工質(zhì)流量的特性測(cè)試，得出其各出口流量與控制信號(hào)占空比并非呈線性關(guān)系，流量只在占空比為40%～70%范圍內(nèi)變化時(shí)才改變。

(2)提出了利用曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)與凸輪軸位置信號(hào)兩者之間的關(guān)系來測(cè)量相位器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的新方法，以測(cè)定不同轉(zhuǎn)速、溫度、壓力以及不同OCV對(duì)相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速和高于70℃的溫度對(duì)相位器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響較小;而壓力的變化對(duì)相位器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響較大;當(dāng)壓力高于0.2MPa時(shí)，隨著壓力的升高，OCV對(duì)相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間成線性關(guān)系縮短，且均是滯后方向響應(yīng)時(shí)間快于提前方向。

(3)試驗(yàn)通過采用橡膠對(duì)油道進(jìn)行有選擇性的堵塞完成了對(duì)相位器泄漏量的測(cè)試。結(jié)果表明相位器的泄漏量隨著壓力的升高成線性關(guān)系增加，高溫時(shí)提前腔向滯后腔的泄漏量較大，同時(shí)受溫度的影響明顯。

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