两级可变式气门升程系统试验研究

动机燃油经济性和动力性两者矛盾的核心技术之一。基于某2. 0 L涡轮增压汽油发动机搭载两级可

变式气门升程系统进行倒拖试验，分析气门升程特性、气门速度特性，以及切换功能实现及可靠性验

证，同时针对可变气门升程系统的关键零部件进行了性能研究。关键词：可变气门升程；电磁阀；性能分析为非点火零部件试验台架。主要部件包括缸盖总成支

0 前言传统发动机的气门升程是固定不变的，无法兼顾 高低转速时发动机的性能。可变气门升程技术可以根 据工况的不同改变气门升程，以提高发动机的动力性

撑工作台、驱动电机、机油循环控制系统、激光数据采

集系统、台架工况采集传感器等。试验研究所采用的 可变气门升程系统机构台示意如图1所示。及经济性。当发动机在较小负荷运转时，采用气门低

升程，可以减少泵气损失，改善燃油经济性。当发动机 在较大负荷运转时,切换到高升程，可输出较大功率及 扭矩,提高动力性。监控驱动扭动可变气门 升程机构 条统控制机构—的切换执行机构控制器”系统供电扌\"矩测皇系统激尤位移 测址系统供电系统本田于1989年成功研制可变气门正时和气门升程

系统机 油循坏电子控制系统(VTEC),以及升级版的智能可变气门正 时系统(i-VTEC)技术。全球其他汽车厂商也都相继推

赠图1可变气门升程系统机构测试台示意出可变气门升程技术，采用分段气门升程调节的车型有

奥迪AVS、三菱MIVEC、保时捷Cariocam Plus等。德 尔福开发了一款连续可变气门升程机构(CVVL),宝马

可变气门升程机构系统所用缸盖、凸轮轴罩盖、可

移动式凸轮轴、执行机构电磁阀为特制零件，通过控制 器控制执行机构动作，实现高低升程切换。通过激光

开发了 Valvetronic系统，日产开发了 WEL系统，丰田 开发了 Valvematic系统。另外，同样属于可变升程范畴

位移系统测试气门升程运动，记录凸轮型线，验证切换

的停缸系统包括奔驰1. 3T停缸系统(CDS)、通用停缸系 统(CSS tripower)、大众EA211的停缸系统(ACT)、福特

是否成功。的1. 0L三缸机停缸系统(DRFF)等口期。本文所述的可变气门升程机构为两级可变气门升 程机构，通过特制的控制器根据特定的控制逻辑完成

2试验方法在可变气门升程技术应用到发动机整机及进行点 火试验之前，需要在零部件台架对配气机构性能进行 验证试验,测试气门升程、气门速度、气门加速度、动力

高低升程切换。1试验台架与机构原理试验台架采用变频电机直驱凸轮轴的方式驱动，学扭矩特性等，以确保机构的切换性能的可靠，为后续 发动机整机点火试验提供数据输入。试验基于某2. 0 L涡轮增压发动机缸盖，通过设>79计高低升程关键零部件，如可变气门升程凸轮轴、高低

升程切换执行器等，进行倒拖试验,测试气门升程、气 门速度、气门加速度、凸辂轴扭矩，分析高低升程切换

的响应速度及切换可靠性，同时监控升程切换执行器 的动作是否正常®列。通过工控机记录的参数包括凸

轮轴转速、扭矩、机油温度、机油压力口°〕。通过激光位移测量系统测试气门升程、气门速度、

气门加速度,记录凸轮型线，通过凸轮型线判断机构切

换是否成功。3试验结果及分析3.1气门升程特性图2为在某转速下高升程与低升程的气门升程曲 线，从中可见，高升程与低升程的凸轮型线光滑，通过 气门升程测试可精确获得气门升程值。通过在试验过 程中监控气门升程曲线，可实时判断升程切换成功

与否。i/Bvfc匚r

时 fnj/ms图2进气凸轮轴气门升程曲线示意图3.2气门速度特性图3为低升程切换至高升程气门速度示意图，从

中可以看出，在同一发动机转速下，高升程状态的气门 速度大于低升程状态的气门速度，由于此款发动机高 升程与低升程的气门升程差值不大，故发动机气门速

度差值也不大。从速度零点可看出，零点位置速度并未出现波峰

波谷，即基本在速度零点附近.同时结合图2气门升 程特性曲线可以看出，气门落座后，无明显反跳现象发

生，凸轮移动式升程切换机构切换过程平稳,可满足性 能开发要求.3.3电磁阀响应特性可变气门升程系统的关键执行机构电磁阀的响应 特性分析结果如图4所示。lA-口为电磁阀A销在口on ggsBan时间/ms

图3进气凸轮轴气门速度示意图V驱动电压下的切换时间,1A-12为电磁阀A销在12 V驱动电压下的切换时间,1B-11为电磁阀B销在11 V驱动电压下的切换时间，1庄12为电磁阀B销在12 V驱动电压下的切换时间。从图4可以看岀，在12V驱动电压时，电磁阀动作

时间与响应时间比11 V驱动电压时有所缩短，进而整

个切换时间缩短，此结果表明，提高驱动电压,使得电

磁阀响应变快，性能更优.在后续开发进程中，可考虑

优化电磁阀设计，减小线圈电阻值，进一步提高电磁阀 响应性能。官

二£=

•动作时间■响应时何————<^1 C'l r-i m eEfF3 00 < <寸寸寸 C2 00电磁阀编号图4电磁阀响应特性分析3.4电磁阀动作反馈信号监测图5为电磁阀动作反馈电压值。可以看出，电磁 阀在动作时,通过霍尔传感器感应电磁阀A销与B销 的实时位置，当A销伸出B销缩回，B销伸出A销缩

回,A销与B销都缩回时,霍尔传感器分别输出1个电 压值。通过输出的电压值，与标定量进行比较，可实时 判断出电磁阀的实际动作状态。通过实时监控的气门

升程切换状态，与电磁阀动作状态进行对照，结果 一致。3.5气门升程切换图6为低升程切换至高升程示意图。系统处于低 升程状态时，通过控制器给电磁阀发出通电信号后，电B销伸出,A销缩冋A销与E销细冋—A借伸d!,B销缩回时间/s图5电磁阀动作反馈电压值磁阀在特定的相位时刻伸出动作，将凸轮轴套从低升

程移动至高升程状态。从图中曲线可以看出，系统在

电磁阀接收到控制器切换信号后的一个循环内实现了 低升程至高升程的切换,表明切换系统在当前转速范

围内由低到高具备可靠的切换性能。图6低升程切换至高升程示意图图7为高升程切换至低升程的示意图。系统处于

高升程状态时，通过控制器向电磁阀发岀通电信号后， 电磁阀在特定的相位时刻伸出动作，将凸轮轴套从高

升程移动至低升程状态。从图中曲线可以看出，系统

在电磁阀接收到控制器切换信号后的一个循环内实现

了高升程至低升程的切换，表明切换系统在当前转速 范围内由低到高切换的可行性。气门升程加m-电磁阀控制信号/V■. I J |11>图7高升程切换至低升程示意图当前机构切换都是在较低转速下进行，经过多次 反复试验表明，在不超过特定转速时，可实现一个循环 内的可靠切换。当前系统在开发过程中，通过电磁阀在特定的相 位时刻完成伸出与缩回动作，可成功实现系统高低升

程的切换，而相位时刻错误时，则无法实现系统高低升 程切换。因此，当前系统需根据电磁阀的响应特性精

确定义切换策略，进而实现系统的可靠切换运行°

3.6气门升程随转速与油温变化特性由图8和图9可以看出，在低升程凸轮与高升程 凸轮状态下,随着机油温度的升高，气门升程呈现增大 的趋势。在低升程状态下，机油温度从较低油温升温

到较高油温,气门升程增大1.3%0在高升程状态下， 机油温度从较低油温升温到较高油温,气门升程增大

1.4%。因此，从变化幅度来看,气门升程随油温升高 呈现增大的趋势，但增大幅度较小。低升程/mm机汕温度厂 C图8低升程随油温变化曲线罚升程/mni机油温度代

图9高升程随油温变化曲线由图10和图11可以看出，低升程凸轮与高升程 凸轮状态下，随着转速的升高，气门升程呈现增大的趋

势。在低升程状态下，凸轮轴转速从较低转速升高到

较高转速,气门升程增大0.8%。在高升程状态下，凸 轮轴转速从较低转速升高到较高转速，气门升程增大旄车小•附皿manaimw F ° 10.4%。因此从变化幅度来看，气门升程随转速升高呈 现增大的趋势，但增大幅度较小。低升li-./mm凸轮轴转速/(r-miir1)

图10高升程随油温变化曲线离升程/mm凸轮轴转速/(rrnin1)

图11高升程随油温变化曲线3.7结果分析由上述试验结果可看出：切换机构在完成一系列 动作后实现了高低升程的切换,表明该可变气门升程 系统能够实现切换功能。随着低升程切换至高升程， 气门速度呈现增大的趋势，气门落座后，无明显反跳现

象发生。在不超过特定转速且机油温度在某一特定范围内

时，可实现一个循环内的可靠切换。当凸轮轴转速超 过特定转速时，切换机构也可进行调整,但机构冲击较

大，存在一定的失效风险。故该切换机构限定在特定 转速与机油温度范围内才可实现可靠切换。4结论该可变升程系统在气门升程切换过程中，机构升 程切换平稳可靠，气门落座平稳，无明显反跳现象发

生。气门升程随油温升高呈现增大的趋势，但增大幅

Qo/gsESBan度较小。气门升程随转速升高呈现增大的趋势，但增 大幅度较小。在不超过特定转速且机油温度在某一特定范围内

时，可实现一个循环内的可靠切换。当凸轮轴转速超 过特定转速时，切换机构也可实现切换,但机构冲击较 大，存在一定的失效风险。由于切换机构对于执行切换动作的电磁阀响应速

度要求较高，同时对于电磁阀的一致性要求也较高，以 便于控制功能的实现，故为了使该系统在发动机及整 车试验中更加可靠,可进一步优化电磁阀的结构，提高

电磁阀的响应速度，进一步提高电磁阀动作特性的一 致性及稳定性，同时可优化控制策略，使切换逻辑更加 优化,切换过程平稳可靠,提高耐久性能。参考文献[1] 张华,孔毅.一种机械式CVVL机构及其动力学性能分析[J].现代

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