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        五菱汽車配VVT發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理及維修案例探索

        2014-11-30 08:19:40李鐵龍
        裝備制造技術(shù) 2014年10期
        關(guān)鍵詞:進(jìn)氣門凸輪軸鏈輪

        覃 濤,李鐵龍

        (上汽通用五菱汽車股份有限公司售后服務(wù)部,廣西 柳州 545007)

        目前市場上的大部分乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)都配置了VVT(Variable Valve Timing)技術(shù),但對于微車來說,還是一項(xiàng)新技術(shù)。在此,對VVT工作原理、應(yīng)用進(jìn)行探索。

        1 發(fā)動(dòng)機(jī)配氣基礎(chǔ)理論

        發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣多,燃燒就充分,爆發(fā)壓力大,動(dòng)力就好;反之進(jìn)氣少,爆發(fā)壓力就小,動(dòng)力也就小。所以對于發(fā)動(dòng)機(jī)來說,如何讓進(jìn)入到燃燒室的氣體是否充分,這時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵。

        發(fā)動(dòng)機(jī)從低轉(zhuǎn)速運(yùn)行到高轉(zhuǎn)速,不同的負(fù)荷等各工況要求的動(dòng)力輸出不一樣,可是傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)榕錃夥矫娴南拗浦荒茉谄渲羞M(jìn)行一種選擇,而帶了VVT的發(fā)動(dòng)機(jī),卻可以很好的中和這兩種情況。

        1.1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位的設(shè)置(不帶VVT為)

        理論上,四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門當(dāng)曲拐處在上止點(diǎn)時(shí)開啟,在曲拐轉(zhuǎn)到下止點(diǎn)時(shí)關(guān)閉;排氣門則當(dāng)曲拐在下止點(diǎn)時(shí)開啟,在上止點(diǎn)時(shí)關(guān)閉。進(jìn)氣時(shí)間和排氣時(shí)間各占180°曲軸轉(zhuǎn)角。

        (1)排氣門開啟的時(shí)機(jī)

        如果活塞到達(dá)下止點(diǎn)提前某個(gè)位置開啟排氣門,排氣過程就會(huì)更順暢,從而在排氣沖程減少了能量消耗,所以發(fā)動(dòng)機(jī)略微提前打開排氣門效果會(huì)更好一些。

        (2)進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)機(jī)

        在活塞越過下止點(diǎn)后一定角度,也就是在壓縮沖程一定角度內(nèi)再關(guān)閉進(jìn)氣門,雖然活塞已經(jīng)開始上升,由于進(jìn)氣門附近的氣流速度可以高達(dá)每秒兩百多米,由于在下止點(diǎn)附近活塞的垂直運(yùn)動(dòng)相對很慢,汽缸內(nèi)體積變化并不大。此時(shí)進(jìn)氣岐管內(nèi)的可燃混合汽靠慣性繼續(xù)沖入氣缸的趨勢良好,所以發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門延遲一點(diǎn)關(guān)閉比較好。

        (3)排氣門的關(guān)閉以及進(jìn)氣門的開啟時(shí)機(jī)

        如果排氣門也在活塞越過上止點(diǎn)一定角度之后再關(guān)閉,雖然活塞已經(jīng)開始下降,排氣門附近的廢氣仍就會(huì)繼續(xù)排出。雖然進(jìn)氣門已經(jīng)開啟了,但是角度控制合適,燃燒室內(nèi)的廢氣渦流的方向決定了廢氣短時(shí)間內(nèi)是不會(huì)流向排氣門對側(cè)的進(jìn)氣門的;所以,短時(shí)間的一邊進(jìn)氣一邊排氣的局面是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

        (4)氣門重疊角

        重疊持續(xù)角用曲軸運(yùn)行的角度來衡量。重疊的角度通常都很小,可是對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響卻相當(dāng)大。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高,每個(gè)汽缸一個(gè)周期內(nèi)留給吸氣和排氣的絕對時(shí)間也越短。但是發(fā)動(dòng)機(jī)需要盡可能長的吸氣和排氣時(shí)間;所以,某些工況下,需要適當(dāng)加大重疊的角度。但是重疊角的大小與轉(zhuǎn)速有關(guān),轉(zhuǎn)速越高,要求的重疊角度較大,就容易獲得較大的峰值功率。但在低轉(zhuǎn)速工況下,如果重疊角度偏大了,廢氣就會(huì)過多的瀉入進(jìn)氣岐管,吸氣量反而會(huì)下降,氣缸內(nèi)氣流也會(huì)紊亂,ECM也會(huì)難以對空燃比進(jìn)行精確的控制,最終的效果是怠速不穩(wěn),低速扭矩偏低。

        相反,如果配氣機(jī)構(gòu)只對低轉(zhuǎn)速工況優(yōu)化,發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率就會(huì)下降。所以傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)都是一個(gè)折衷方案,不可能在兩種截然不同的工況下都達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

        1.2 可變配氣相位

        VVT即可變氣門正時(shí),又稱可變配氣正時(shí)。該系統(tǒng)通過配備的控制及執(zhí)行系統(tǒng),對發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪的相位進(jìn)行調(diào)節(jié),從而使得氣門開啟、關(guān)閉的時(shí)間隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化,以提高充氣效率,增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率。目的就是解決發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力、油耗和尾氣排放的問題。傳統(tǒng)的正時(shí)鏈輪與凸輪軸之間通過花鍵或螺絲連接成一個(gè)剛性,使得凸輪軸與鏈輪之間不可能發(fā)生相對的運(yùn)動(dòng)。VVT裝置的鏈輪由鏈條來驅(qū)動(dòng),凸輪軸不再是和鏈輪直接連接,而是凸輪軸與鏈輪內(nèi)的轉(zhuǎn)子機(jī)械連接形成剛性體,凸輪軸與轉(zhuǎn)子是不能相對運(yùn)動(dòng)的。但轉(zhuǎn)子與定子鏈輪之間可以有一定角度的位移量。

        圖1 五菱汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的VVT控制器

        如圖1轉(zhuǎn)子與鏈輪的相對運(yùn)動(dòng)依靠給轉(zhuǎn)子與鏈輪之間形成的前、后油腔分別進(jìn)行加壓和泄壓來實(shí)現(xiàn)。油壓的動(dòng)力來源為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力。主油道來的帶有一定壓力機(jī)油,通過一個(gè)機(jī)油控制閥控制。

        機(jī)油控制閥依據(jù)需要,由ECM對電磁閥進(jìn)行指令,電磁閥就會(huì)把通向VVT執(zhí)行器轉(zhuǎn)子前后的2個(gè)油腔的機(jī)油油路分別與主機(jī)油道油路和泄壓口相通,即主油道可以是與前腔相通,泄壓口與后腔相通,這樣在機(jī)油壓力的推動(dòng)作用下,轉(zhuǎn)子就可以實(shí)現(xiàn)相對定子鏈輪有一定的位移角度。

        圖2 VVT執(zhí)行器動(dòng)作控制示意圖

        根據(jù)需要,ECM還可以控制電磁閥,使得通向VVT執(zhí)行器轉(zhuǎn)子前后的2個(gè)油腔的油路進(jìn)行換向(如圖2)。即主油道可以是與后腔相通,泄壓口與前腔相通,這樣在機(jī)油壓力的推動(dòng)作用下,轉(zhuǎn)子就可以實(shí)現(xiàn)相對定子鏈輪有一定的與之前相反方向的位移角度。

        2 五菱汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的VVT結(jié)構(gòu)、工作條件

        2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)VVT結(jié)構(gòu)

        如圖3是進(jìn)氣凸輪的VVT控制器,進(jìn)、排氣凸輪的VVT控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同。

        圖3 VVT控制器結(jié)構(gòu)圖

        五菱汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的VVT控制器由一個(gè)定時(shí)鏈條驅(qū)動(dòng)的外殼和固定在凸輪軸上葉片組成。來自進(jìn)氣凸輪軸提前(A腔)或者延遲側(cè)(B腔)的通道轉(zhuǎn)送的油壓使得VVT控制器的葉片沿圓周方向旋轉(zhuǎn)(如圖4),從而連續(xù)不斷地改變進(jìn)氣氣門正時(shí)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí),進(jìn)氣凸輪軸被調(diào)整(移動(dòng))到最大延遲狀態(tài)以維持起動(dòng)性能。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后,油壓并未立即傳到VVT控制器時(shí),鎖銷便鎖定VVT控制器的作動(dòng)機(jī)械部以防撞擊產(chǎn)生噪聲。

        圖4 OCV閥示意圖

        2.2 五菱汽車配VVT發(fā)動(dòng)機(jī)OCV閥

        五菱汽車配VVT發(fā)動(dòng)機(jī)OCV閥是線性電磁閥/PWM(脈沖寬度調(diào)制),通過控制通電時(shí)間的長短來控制閥的行程。根據(jù)電磁原理,OCV通電后在內(nèi)部形成磁場,磁場吸引閥針運(yùn)動(dòng),由于加在OCV閥兩端的電壓是恒定的(既電瓶電壓),因此只能通過控制通電的時(shí)間長短來控制針閥的運(yùn)動(dòng)位移,控制從而達(dá)到控制閥針的目的。

        2.3 五菱汽車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT的工作條件

        發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊持續(xù)地將進(jìn)氣凸輪軸位置傳感器和排氣凸輪軸位置傳感器輸入與進(jìn)氣凸輪軸位置執(zhí)行器電磁閥和排氣凸輪軸位置執(zhí)行器電磁閥輸入進(jìn)行比較,以監(jiān)測凸輪軸位置并檢測系統(tǒng)故障。

        (1)在低溫低負(fù)荷低速時(shí),或者在低負(fù)荷時(shí)延遲氣門正時(shí)可減少氣門重疊,以減少排出的廢氣逆吹入進(jìn)氣側(cè),從而達(dá)到穩(wěn)定怠速、提高燃料消耗率和起動(dòng)性能。延遲由發(fā)動(dòng)機(jī)ECM所控制的凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥所放置的位置決定。油壓作用于氣門正時(shí)延遲側(cè)的葉片室,使進(jìn)氣凸輪軸向氣門正時(shí)的延遲方向旋轉(zhuǎn)。

        (2)在中等負(fù)荷,或者在高負(fù)荷中低速時(shí)提前氣門正時(shí)可增加氣門重疊,以增加廢氣再循環(huán)使用和降低填充損失,從而改善了排放控制和燃料消耗率。此外,同時(shí)提前進(jìn)氣門的關(guān)閉時(shí)間可減少進(jìn)氣被逆吹回進(jìn)氣側(cè),改善了容積效率。

        (3)在高負(fù)荷高速時(shí),提前氣門正時(shí)可增加氣門重疊,以增加廢氣再循環(huán)使用和降低填充損失,從而改善了排放控制和燃料消耗率。此外,同時(shí)提前進(jìn)氣門的關(guān)閉時(shí)間可減少進(jìn)氣被逆吹回進(jìn)氣側(cè),改善了容積效率。

        (4)因采用可變正時(shí)系統(tǒng),只要進(jìn)氣門和排氣門的時(shí)機(jī)控制合適,同樣可以使部分廢氣留著燃燒室內(nèi),就無需單獨(dú)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)了。

        綜合用表1進(jìn)行描述。

        表1 VVT的工作條件

        2.4 VVT故障碼與數(shù)據(jù)流

        與VVT系統(tǒng)相關(guān)的故障碼如表2所示。

        表2 故障碼表

        如果沒有報(bào)故障碼,但車輛出現(xiàn)加速不暢,懷疑VVT系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí),可以檢查數(shù)據(jù)流:可變氣門正時(shí)的脈寬調(diào)制(進(jìn)氣)——進(jìn)氣凸輪控制的OCV電磁閥的占空比數(shù)據(jù)(表3)。

        表3 與VVT相關(guān)的數(shù)據(jù)流分析

        3 維修案例剖析

        (1)案例1:1029PFA車輛,起動(dòng)不了。

        故障現(xiàn)象描述:車輛無法起動(dòng)。服務(wù)中心上門搶修檢查發(fā)現(xiàn)報(bào)P0017故障碼(曲軸位置和排氣凸輪軸位置相關(guān)性不合理)。

        診斷排除故障過程:根據(jù)所報(bào)故障碼P0017,從簡到繁,先檢查線路問題,拆下排氣OCV閥連接頭檢查連接的可靠,裝復(fù)車輛后起動(dòng)車況正常。判斷為線路連接不可靠故障。

        (2)案例2:1029PFA車輛,發(fā)動(dòng)機(jī)不易啟動(dòng),行駛無力,故障燈亮。

        故障現(xiàn)象描述:客戶反應(yīng)車輛行駛時(shí)故障燈亮。在服務(wù)站用X431診斷儀檢查發(fā)現(xiàn)故障碼是P0341(進(jìn)氣凸輪軸位置傳感器信號不合理)、P0016(曲軸位置和進(jìn)氣凸輪軸位置相關(guān)性不合理)。

        診斷排除故障過程:根據(jù)故障碼P0341、P0016分析,故障可能與進(jìn)氣凸輪軸OCV閥相關(guān)。檢查線路連接正常。拆下進(jìn)氣OCV電磁閥發(fā)現(xiàn)較臟,檢查觀察機(jī)油的清潔程度較臟,重新更換機(jī)油、并更換OPV閥進(jìn)行試車檢查,故障排除。

        故障車輛機(jī)油

        正常車輛機(jī)油

        (3)案例3:1029SPFA車輛,發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈亮、難啟動(dòng)。

        故障現(xiàn)象描述:服務(wù)中心檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈亮報(bào)P0017故障碼,難啟動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)、加油不順暢,松開油門踏板發(fā)動(dòng)機(jī)容易熄火。

        診斷排除故障過程:根據(jù)車輛報(bào)P0017曲軸位置和排氣凸輪軸位置相關(guān)性不合理故障,消碼后故障還會(huì)重現(xiàn)。檢查相關(guān)傳感器線路無異常,更換排氣OCV閥故障消除,且啟動(dòng)容易加油順暢。重新裝回原車排氣OCV閥試車,結(jié)果故障重現(xiàn),確認(rèn)為排氣OCV閥故障。

        (4)案例4:貴州榮光用戶車輛在使用中因機(jī)油濾清器被撞爛、漏油沒察覺,繼續(xù)使用導(dǎo)致潤滑不良發(fā)動(dòng)機(jī)抱死。在當(dāng)?shù)馗鼡Q油底殼、曲軸、大小瓦等件維修,之后正常行駛不到100公里,車輛抖動(dòng)、加油無力、難起動(dòng)。返回修理廠檢查了一個(gè)多星期沒能解決問題。用戶將車輛背到柳州4S店維修。

        診斷排除故障過程:根據(jù)該車輛前期的維修情況,結(jié)合當(dāng)前車輛難起動(dòng)、報(bào)P0341進(jìn)氣凸輪軸位置傳感器信號不合理當(dāng)前故障碼、P0366排氣凸輪軸位置傳感器信號不合理當(dāng)前故障碼進(jìn)排氣凸輪軸信號現(xiàn)象,技師判斷車輛正時(shí)不準(zhǔn),拆解發(fā)動(dòng)機(jī)重新對準(zhǔn)正時(shí),裝復(fù)后一手就可以著車(起動(dòng)正常),但一分鐘不到車輛抖動(dòng)、熄火,之后難起動(dòng)。

        因車輛曾經(jīng)缺油導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)大小瓦、曲軸異常磨損,會(huì)不會(huì)有鐵屑跑到OCV閥影響相位呢?拆下進(jìn)排氣OCV閥,果然有大量的鐵屑(如圖5)!

        圖5 進(jìn)排氣OCV閥表面有大量的鐵屑

        重新拆解發(fā)動(dòng)機(jī),清潔油道、更換機(jī)油以及進(jìn)排氣OCV閥后,裝復(fù)試車,還是一手著車(起動(dòng)正常),但一分鐘不到,車輛抖動(dòng)、熄火,之后起動(dòng)困難。

        此時(shí)服務(wù)中心感到很困惑,尋求技術(shù)求助。通過對服務(wù)中心前期維修過程分析,考慮報(bào)P0341、P0366進(jìn)排氣凸輪軸信號現(xiàn)象,除與OCV閥關(guān)系較大,還有可能是曲軸和凸輪軸位置傳感器的相位,相對出現(xiàn)問題而導(dǎo)致(例如正時(shí)不準(zhǔn)確,或者由于VVT控制卡滯等導(dǎo)致)。再次通過對VVT工作原理細(xì)細(xì)推敲,判斷問題出在——VVT執(zhí)行控制器上(如圖6)。因?yàn)槊看沃匦卵b配發(fā)動(dòng)機(jī),正時(shí)相位都需重新對齊,所以裝復(fù)后第一次起動(dòng)正常。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后VVT開始工作,但之后卡在某一位置不動(dòng),相位不對所以報(bào)故障碼,且難著車。

        第四次拆解發(fā)動(dòng)機(jī),重新清潔潤滑油道、更換進(jìn)排氣VVT執(zhí)行控制器。打火著車,車況正常、加油有力,路試車輛一切正常。

        圖6 有故障的進(jìn)排氣VVT執(zhí)行控制器

        回顧維修過程發(fā)現(xiàn):服務(wù)中心發(fā)現(xiàn)進(jìn)排氣OCV閥有大量鐵屑需拆解發(fā)動(dòng)機(jī)維修時(shí),因?qū)M(jìn)排氣VVT執(zhí)行控制器不熟悉,不敢拆解此部件總成檢查、清潔,細(xì)小的鐵屑已通過OCV閥的過濾網(wǎng)進(jìn)到內(nèi)部。所以只是檢查、清潔與潤滑相關(guān)的其它油道不能解決問題。

        4 結(jié)束語

        通過對VVT原理的分析,結(jié)合車輛實(shí)際案例的維修解決過程,希望可以讓不熟悉可變配氣正時(shí)系統(tǒng)的工程技術(shù)人員加深了解。也希望對生產(chǎn)、制造、維修人員解決故障有所幫助。

        [1]蔡興旺.汽車構(gòu)造與原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

        [2](德)德國BOSCH公司.BOSCH汽車工程手冊[M].顧柏良,等譯.北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.4.

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