T.Anada　M.Hayashi　M.Kobayashi　S.Nakajima

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歡迎訂閱歡迎投稿歡迎惠登廣告混合動力發(fā)動機多鎖式液壓可變氣門正時控制系統(tǒng)的開發(fā)

【日】K.ShiozawaK.ArigaT.MurataH.ItoH.Takeuchi

T.AnadaM.HayashiM.KobayashiS.Nakajima

摘要：有利于改善環(huán)境的汽車技術(shù)不斷發(fā)展，而由于內(nèi)燃機仍是車輛的主流動力源，所以這些技術(shù)也針對內(nèi)燃機的開發(fā)。日產(chǎn)汽車公司開發(fā)出一種多鎖式液壓氣門正時控制系統(tǒng)，并用于為Pathfinder和Infiniti JX混合動力車新開發(fā)的QR25DER型發(fā)動機。新開發(fā)的系統(tǒng)可以在電動車模式的發(fā)動機冷起動和怠速停車再起動2種情況下獲得優(yōu)化的氣門正時。介紹多鎖式液壓氣門正時控制系統(tǒng)的概況、原理和應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：混合動力多鎖式液壓可變氣門正時控制系統(tǒng)運行失效機理

0前言

近年來，隨著世界范圍內(nèi)對環(huán)境問題的關(guān)注日益增加，為了緩和汽車發(fā)動機對環(huán)境的影響，降低燃油耗和廢氣排放的技術(shù)層出不窮，其中，混合動力技術(shù)的重要性日益突顯。日產(chǎn)汽車公司開發(fā)出一種多鎖式液壓可變氣門正時控制(VTC)系統(tǒng)，用于新開發(fā)的配裝于Pathfinder和Infiniti JX混合動力車的QR25DER型發(fā)動機。

2012年，開發(fā)了一種采用最佳角位置鎖定機構(gòu)的VTC系統(tǒng)，以減少2013款 ALTIMA車型發(fā)動機的燃油耗和廢氣排放。

通過采用多鎖機理，新開發(fā)的VTC系統(tǒng)使車輛在以電動車模式巡航(發(fā)動機從怠速停車狀態(tài)下再起動)和冷態(tài)起動時可以實現(xiàn)最佳氣門正時。本文說明中間多鎖式VTC系統(tǒng)的運行原理，以及開發(fā)過程中遇到的挑戰(zhàn)。

1混合動力發(fā)動機的起動氣門正時

在混合動力車中，主要有2種發(fā)動機起動方式： (1) 發(fā)動機冷起動；(2) 發(fā)動機從怠速停車狀態(tài)下再起動。這兩種方式的差異如下文所述。

1.1　發(fā)動機冷起動

由于發(fā)動機在低溫起動時催化轉(zhuǎn)化器無法正常工作，所以關(guān)鍵是要減少發(fā)動機在此時的排放。在這種情形下，同時打開進氣門和排氣門(氣門重疊)被認(rèn)為是有效的方案。

但另一方面，低負(fù)荷工況下氣門重疊角過大將導(dǎo)致燃燒過程不穩(wěn)定。因此，考慮到燃燒穩(wěn)定性和對減排的影響，須合理選擇重疊角。對于本系統(tǒng)，當(dāng)進氣VTC被鎖定在中間位置時，氣門重疊角設(shè)定為12°CA。

圖1示出通過增加冷起動時的氣門重疊角來降低發(fā)動機碳?xì)浠衔?HC)排放的效果。

1.2　發(fā)動機從怠速停車狀態(tài)下再起動

在裝有多鎖定機構(gòu)VTC系統(tǒng)的混合動力車中采用單電機雙離合器配置。當(dāng)車輛的行駛狀態(tài)滿足怠速停車條件時，車輛怠速停車，但隨著車輛開始再次加速，在電動車模式下發(fā)動機再次起動。在這種情況下，發(fā)動機起動時引起的振動被傳遞到車輛內(nèi)部。為了減小這種振動，通過延遲發(fā)動機的進氣門關(guān)閉正時來實現(xiàn)減壓氣門正時。應(yīng)用減壓氣門正時后，車輛底板振動的降低效果如圖2所示。另一方面，在減壓階段延遲進氣門關(guān)閉正時，會降低發(fā)動機輸出扭矩。針對這一問題的對策將在下文介紹。上述各氣門正時如表1所列。針對這兩種車輛狀態(tài)，開發(fā)了對應(yīng)這兩種發(fā)動機起動氣門正時狀態(tài)的多鎖式VTC系統(tǒng)。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前的VTC系統(tǒng)被安裝在凸輪軸的前端。該系統(tǒng)利用1個正時鏈條將曲軸的旋轉(zhuǎn)力傳遞到凸輪軸，同時連續(xù)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)相位。

圖3示出了開發(fā)過程中所使用的最佳角位置鎖定VTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這個系統(tǒng)包括1個最佳角位置鎖定VTC裝置、1個控制相位的機油控制閥(OCV)、1個用于鎖定和解鎖VTC裝置鎖緊鍵的機油切換閥(OSV)，以及1個提供液壓壓力驅(qū)動VTC系統(tǒng)的機油泵。為VTC系統(tǒng)所開發(fā)的OCV和OSV由發(fā)動機電控單元(ECU)根據(jù)行駛條件進行控制。

2.1　多鎖式VTC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

本文介紹的多鎖式VTC系統(tǒng)和已有的中間鎖定VTC系統(tǒng)的比較如圖4所示，所開發(fā)的零部件詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。多鎖式VTC的特征是具有2個鎖定位置，一個位于最大延遲位置，另一個位于中間位置。在結(jié)構(gòu)上，多鎖定功能是由在最大延遲位置將鎖鍵b插入轉(zhuǎn)子槽來實現(xiàn)的。中間位置鎖鍵由OSV控制，最大延遲位置鎖鍵由OCV控制。

多鎖式VTC與中間鎖定VTC之間的差異是，多鎖式VTC在最大延遲位置有1個槽，具有較大的動態(tài)移動范圍，并且設(shè)計簡單。

2.2　多鎖式VTC系統(tǒng)的工作原理

2.2.1發(fā)動機冷起動

從ECU尚未發(fā)出供電指令給OSV和OCV供電的初始狀態(tài)開始，依次介紹中間位置鎖定控制的工作原理。在初始狀態(tài)下，各鎖鍵均由其彈簧反作用力插在轉(zhuǎn)子槽中。

當(dāng)發(fā)動機的點火開關(guān)通電時，電流接通OSV和OCV。起初，電流只接通OSV，液壓不供給VTC單元，使鎖鍵不能解鎖，此時，通往OCV的電流是斷開的。一旦發(fā)動機起動，機油泵將發(fā)動機機油供給VTC單元延遲液壓腔，VTC單元泄漏的發(fā)動機機油也提供給提前液壓腔。這兩個腔室隨即充滿機油。

下一步，為解開鎖鍵，切斷通往OSV的電流，發(fā)動機機油隨后供給轉(zhuǎn)子槽，用于鎖鍵解鎖。這時通往OSV的電流通常是切斷的，并且鎖鍵保持解鎖狀態(tài)，直到發(fā)動機停機。

通過控制OCV的供電完成操作，獲得VTC目標(biāo)相位角，這與現(xiàn)有VTC系統(tǒng)相同。

為了使發(fā)動機在停機時轉(zhuǎn)換為初始相位，首先向OSV供電，并且停止用于鎖鍵解鎖的發(fā)動機機油供給，可以在任意時間將鎖鍵插入到轉(zhuǎn)子槽中。接著，根據(jù)ECU指令向OCV供電,轉(zhuǎn)子被轉(zhuǎn)換到提前狀態(tài)，這時鎖鍵被插入轉(zhuǎn)子槽，從而將系統(tǒng)鎖定在最佳初始位置。

2.2.2發(fā)動機的怠速停車再起動

本節(jié)介紹最大延遲位置鎖定控制的工作原理。從ECU向OSV和OCV發(fā)出供電指令前的初始狀態(tài)開始，在初始狀態(tài)下，僅鎖鍵b在彈簧反作用力下仍處于轉(zhuǎn)子槽中。

當(dāng)發(fā)動機的點火開關(guān)通電時，電流接通OSV和OCV。起初，電流只接通OCV，液壓供給VTC單元，使鎖鍵b解鎖。此時，通往OSV的電流仍然斷開。一旦發(fā)動機起動，機油泵將發(fā)動機機油供給VTC單元的提前液壓腔。而且，VTC單元內(nèi)部泄漏的發(fā)動機機油也被供給到提前液壓腔中。因此，這兩個腔室都充滿發(fā)動機機油。

為了進入中間位置，執(zhí)行上文提及的相同步驟。基于這些工作原理步驟，表2和圖6歸納了各種狀態(tài)下典型的發(fā)動機工況，以及相應(yīng)的VTC運行狀態(tài)。這些運行狀態(tài)的特征是新VTC始終通過鎖鍵鎖定在最佳初始位置，以改善發(fā)動機在起動和停機時的排放。

表2　發(fā)動機運行步驟(典型示例)

通過應(yīng)用多鎖式VTC系統(tǒng)，氣門正時的問題得到解決，但由于采用減壓氣門正時，加速性能不足的問題仍然存在。下面介紹如何解決這個問題。

3采用減壓閥正時解決加速性能不足的問題

是否應(yīng)用減壓閥正時的發(fā)動機節(jié)氣門全開性能如圖7所示。由圖7可見，采用減壓閥氣門正時后，加速性能顯然較差。這是由進氣門關(guān)閉正時延遲引起的，后者導(dǎo)致進氣充量減小。

因此，VTC在發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于車輛諧振頻率后開始運行，并且通過提前進氣門關(guān)閉正時，在車輛加速時獲得所需的發(fā)動機扭矩。

此外，如果VTC在發(fā)動機達到所需機油壓力前開始運行，就有發(fā)生運行故障的風(fēng)險。因此，大多數(shù)情況下，在VTC系統(tǒng)開始運行前，通常會采用發(fā)動機預(yù)定的起動延時。

4運行失效機理

OCV控制最大延遲鎖鍵的釋放動作及VTC相位調(diào)整動作。此外，最大延遲鎖鍵在結(jié)構(gòu)上被設(shè)計成只有當(dāng)VTC位于最大延遲位置時才能被釋放，它同時被驅(qū)動至延遲位置(A腔關(guān)閉，B腔打開)。在這種條件下，在鎖鍵和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生間隙，允許鎖鍵被釋放。因此，如果OCV在機油壓力到達延遲腔(B腔)之前通電，若上述間隙由于轉(zhuǎn)子相位調(diào)整運動被減小到鎖止鍵不能脫開的程度，就可能會發(fā)生運行故障。在這種情況下，VTC不能向提前位置運動，因為這會導(dǎo)致發(fā)動機性能降低。

另一方面，所需的發(fā)動機機油壓力達到VTC運行水平的時間取決于發(fā)動機不運行時(發(fā)動機停機后)從VTC油腔排出的機油量，所需時間與怠速停車的持續(xù)時間成正比。如圖8所示，怠速停車的持續(xù)時間越長，發(fā)動機機機油壓力達到VTC運行水平的時間就越長。

因此，根據(jù)怠速停車持續(xù)時間預(yù)置VTC運行延遲，可以實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)工作可靠性，并且使運行延遲最小化，改善發(fā)動機扭矩特性。也就是說，執(zhí)行VTC運行延遲可以使進氣VTC動作更快，并直接獲得更快的車輛響應(yīng)。

如果不考慮運行延遲，VTC的運行時間會更長，從而在怠速停車運行后降低加速性能。

執(zhí)行預(yù)置的VTC運行延遲控制后，車輛加速性能改善約40%(圖9)。

5結(jié)語

為了實現(xiàn)最佳的發(fā)動機排放性能和車輛駕駛性能，開發(fā)了一種多鎖式VTC系統(tǒng)。通過對現(xiàn)有中間鎖定式VTC進行簡單的結(jié)構(gòu)修改，增加1個鎖鍵槽，使裝置保持在最大延遲位置，開發(fā)出多鎖式VTC。通過執(zhí)行VTC預(yù)置延遲，發(fā)動機扭矩特性獲得改善，并實現(xiàn)了最佳的系統(tǒng)運行可靠性。

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張然治譯自SAE Paper 2014-01-1703

劉巽俊校對

虞展編輯

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收稿日期：( 2014-09-15)