相位调节VCP介绍-无logo

连续可变凸轮相位调节器及其控制阀 CVCP OCV 名词解释 可变气门正时 VVT VariableValveTiming 连续可变凸轮相位调节器 CVCP ContinueVariableCamPhaser 可变凸轮正时 VCT VariableCamTiming 机油控制阀 OCV OilControlValve CVCP知识介绍 一 功能及任务二 结构特点三 工作原理四 GN3VCT介绍 一 功能及任务连续可变凸轮相位调节器 CVCP或VCP 用来改变配气机构的正时 它可以根据控制系统的需要连续调节凸轮轴与曲轴间的相对相位关系 实现对配气相位的控制 根据发动机的具体结构和应用的不同 所使用VCP及其机油控制阀 OCV 进行相位调节的策略也各不相同 具体安装的位置和数量也各不相同 目前主要存在四种结构 进气凸轮相位调节 ICP 排气相位调节 ECP 进排气双等相位调节 DECP 和进排气双独立相位调节 DICP 对于这四种策略而言 所获得的效果也是不同的 综合而言 通过VCP及其OCV改变配气相位 将有助于提升发动机效率 改进怠速稳定性并可提供更大的扭矩及功率 同时有助于提高燃油经济性并降低碳氢化合物 HC 以及氮氧化物 NOx 的排放 系统概况图 1 1相位调节的策略VCP功能的关键在于通过改变凸轮正时 进而实现对气门重叠角的控制 下面了解一下什么是气门提前角 滞后角和重叠角 进气门或排气门在上止点或下止点后到关闭时所对应的曲轴转角被称为气门滞后角 进气门或排气门在上止点或下止点前开启 所对应的曲轴转角被称为气门提前角 在上止点范围内 进气门和排气门同时开启 期间所对应的曲轴转角就是气门重叠角 根据发动机负荷状态对气门开关时机进行调节 从而达到最佳运动状态 增加输出功率 改善油耗 1 2CVCP对排放的改善 1 2 1改善NOx的排放氮氧化物的形成主要与以下三方面的因素有关 温度因素 高温环境促使混合气中通常比较稳定的氧分子和氮分子分解 有利于氮氧化物的生成 在高温中反应的时间 较长的燃烧过程为氮氧化物的生成提供了更多的时间 氧气浓度 稀空燃比的混合气可以为氮氧化物的形成提供充分的氧气和氮气 在凸轮相位调节过程中 通过调节气门重叠角大小 可以控制吸入每缸中的废气再循环量 从而控制对新鲜混合气的稀释作用 稀释作用是一种在燃烧室内减少NOx生成的有效方法 通过稀释作用 在未燃混合气中加入一定的废气量 废气是惰性的 只含有极少量的可燃物质 这样就增加了混合气的总热容量 当热容量提高时 使充入的混合气很难被加热 降低了燃烧的峰值温度 因为Nox的生成直接与燃烧温度相关 因此 进气稀释作用可以减少Nox的产生 在发动机中 用作进气稀释控制的废气主要有三种来源 稀释总量 残余废气量 内部EGR 外部EGR残余废气量是指在排气行程结束后 残存在燃烧室空间内的已燃废气 内部EGR指在气门重叠期间内从排气歧管和进气歧管内被再次吸入的已燃气体 外部EGR指从排气管或排气歧管中被控制引入到进气歧管内的废气量 外部EGR是普通固定配气正时发动机中 减少NOx排放的传统方法 1 2 2改善碳氢化物的排放碳氢化物的形成主要来自未燃烧的燃料 一般使用排放后处理设备 如催化转化器 把CH转化成无害物质 H2O CO2 N2 在排气行程结束时 废气中的CH浓度最高 CVCP使得这部分废气更多的被重新吸入到汽缸内再氧化 从而减少了CH的排放 1 3CVCP与EGR技术的比较 在固定配气相位正时的发动机中 良好的怠速质量和稳定性需要较小的气门重叠角 而这对提供减少NOx生成所需的内部EGR量来说远远不足 如果重叠角增大 以提供发动机在高负荷时所需的大量内部EGR时 在怠速时汽缸内则进入了过多的废气 导致怠速恶劣 同时也增加了HC排放 降低压缩比也可以减少NOx 因为这样可以降低汽缸的峰值压力和温度 就可以在做功行程中减少NOx的生成 但是 减小压缩比将降低燃油经济性 而在装备VCP系统的发动机中 气门重叠角可以根据发动机不同的工况调整以提供适量的内部EGR 在怠速时 重叠角调到最小状态 以保证怠速稳定 而在高负荷工况下 重叠角增大以提供足够的内部EGR减少Nox的排放 而且在使用VCP增大重叠角来减少NOx的同时 通过吸入排气冲程末端HC浓度最高的废气 再次燃烧 HC的排放水平也得以降低 在发动机正常工作不同工况时 进气的稀释量 在排气相位调节中通过滞后凸轮正时 在进气相位调节中通过提前凸轮正时来调节变化 由于引入的废气量直接由气门来控制 并不存在在外部EGR控制中出现的通过歧管分配废气带来的损耗现象 而且废气是直接进入各个汽缸中 汽缸间的分配更为平均 因此 这种通过对稀释作用控制的方法可以改进对瞬时空燃比控制 这些优点可以使特定的发动机能够容纳更多的稀释量 从而获得更多的对燃油经济性和排放性能的改进 综上所述 使用VCP技术对进气进行稀释控制与传统的外部EGR技术相比可以获得更多的优点 传统外部EGR技术在降低Nox的同时会增加HC的排放 使用VCP来控制稀释作用 这样就避免了标定过程中 在燃油经济性 HC和NOx的排放中作出牺牲 带来某一项性能的降低 外部EGR技术的损耗作用和各缸间分配不均现象以及过渡状态限制了高稀释率的应用 这样并不能完全发挥稀释控制的作用 VCP技术没有这种问题 可以有更高的稀释率 而获得更多的性能改进 1 4应用类型及优点 目前主要存在以下四种应用策略 分别具有各自不同的特点 可以有不同的性能改进效果 排气相位调节 ECPECP的主要目标就是取代EGR系统 既改进稀释控制又没有EGR阀所带来的耐久性问题 排气可变凸轮相位调节可以在改进相等的NOx排放性和燃油消耗率的前提下 降低HC的排放 通过排气凸轮相位调节改变重叠角的大小 可以影响残余废气的比例 降低燃烧温度减少NOx 另外由于吸入了行程结束时HC含量最高的废气进行再氧化 所以还可以减少HC的排放 排气凸轮相位调节同时也增加了有效膨胀比 改进了燃油转化效率 而且 由于进气门晚关延长了膨胀循环 进一步减少了HC的排放 ECP系统的使用 在怠速时 可以通过减少重叠角减少内部的EGR 这样可以改善燃烧 改善怠速性能 在发动机刚启动时 这也有利于减少催化转换器的预热时间 通常调节范围为40度到50度曲轴转角的VCP可以提供足够的稀释量以取代外部EGR系统 在发动机全负荷工况 提前ECP相位 有助于改进排放同时可以增加少量的扭矩和功率 进气凸轮相位调节 ICPICP的应用在获得排放改善的同时还可以提高发动机的动力性能 通过控制进气门的关闭时刻 可以优化发动机的扭矩特性 在发动机低速时 在压缩行程中 ICP控制进气门晚关角 使之较早关闭 可以减少排出进气门的新鲜混合气 这样可以使汽缸内吸进更多的混合气 产生更高的低速扭矩 当发动机转速提高时 进气歧管的调谐效应需要进气门保持更长的开启状态以吸入更多的气 ICP可以增大进气门的晚关角 提高高速时最大功率 总而言之 VCP可以用来优化进气门的关闭时刻 这样可以在整个转速范围内得到更好的扭矩特性 另外进气相位调节也可以减少HC的排放 原理与排气相位调节类似 通过吸入浓度最高的排气行程末端废气进行再循环来实现 改变进气门的正时会影响到发动机燃烧室内的混合气运动和压缩效果 根据特定的应用 改变进气正时可以用来控制排放和爆振 进排气独立相位调节 DICP进排气双独立相位调节系统 DICP 是上面两种策略的结合体 在进排气凸轮处各装有一套VCP系统 可以分别对进排气凸轮相位进行调节 独立相位调节系统可以同时改变气门重叠角的大小和相对活塞位置的正时相位 可以获得前面提到的两种结构的优点 但是因为装备两套VCP系统 使系统成本较高 随着VCP系统价格的不断降低 这种结构已经成为市场上的主流 双等相位调节 DECP与DICP系统的可变气门重叠角不同 DECP系统中使用大小不变的气门重叠角 而只是改变相对于活塞运动的相位 DECP系统主要用于需要考虑成本控制及发动机结构限制独立凸轮相位调节系统使用的情况下 DECP结合进气门晚关角 LIVC 控制 可以得到较好的燃油经济性 一般情况下 凸轮设计中需要延长进气门的开启周期 在这种策略下 回位状态位于完全提前位置 1 5优点概述 改善怠速 通过减少内部EGR改善怠速稳定性 较小的重叠角 较小的重叠角 更少的废气回流 因此燃烧更好 改善排放 HC排放比外部EGR更低 在限定NOx排放水平的情况下 最大可以减少25 HC排放HC浓度最高的末端废气被再次燃烧HC排放减少的趋势在到达燃烧稳定极限前比较平缓 NOx由于燃烧温度的降低而减少 与外部EGR控制相同 冷启动排放减少 仅限排气相位调节系统 较热的废气使得催化器更快预热 通过更稀的混合气实现 混合气越稀 燃烧温度越高 预热越快 提高低速工况扭矩 进气门提前关闭 避免已吸入汽缸内的混合气被排出 可以提高低速扭矩5 10 最大可达12 提高高速工况功率 进气门推迟关闭 充分利用高速时进气流的动量 可以提高功率5 8 废气稀释量控制 通过改变重叠角引入废气进行稀释作用非常迅速 没有滞后 所以可以得到更佳的控制 改善混合气的瞬态控制 废气稀释量改变非常迅速 没有混合滞后 废气稀释量改变更接近线性 通过凸轮轴位置的反馈 可以得到稀释量的当前情况 更改的稀释率 各缸废气分配均匀 标定时不需要做出折中取舍 更高的稀释率可以获得更好的燃油经济性 改善燃油经济性 降低燃油消耗率1 3 部分负荷工况下可以减少泵气功可以容许更多的稀释量 因而优点更突出 与外部EGR最大值比较 车辆标定工程更简单 因为HC减少的变化比较平缓 成本控制 CVCP可以取代外部EGR系统 二 结构特点 2 1VCP的组成及特点以德尔福GenIIVCP为例 介绍一下VCP的主要结构特点 其主要由以下几部分组成 转子 定子 前盖 后盖 锁销 弹簧导承 锁销弹簧油封 定子螺栓和凸轮销组成 产品结构的主要特点和改进 转子和定子均为粉末冶金成形 减少了切削加工量 链轮与定子集成在一起 转子与定子间的接触面起径向支承作用 锁销原理进行优化 具有更好的脱离 锁止性能 回位弹簧被集成在内部 封装紧凑 内部泄漏得到优化 工艺的主要特点和改进 钢基粉末冶金的精铸毛坯成形能力已经具备 链轮齿部进行感应热处理 研磨 进行长度和形状的控制 锁销间隙的装配控制 2 2OCV的组成及特点OCV由两部分组成 一个线性电磁阀和一个四通阀体 电磁线圈控制柱塞阀的位置 通过柱塞的形状控制分配到VCP内部转子两侧的机油流速 VCP的位置通过发动机控制器进行 闭环 控制 电磁阀通常由128到300Hz的方波信号来驱动 但是频率为250Hz时可以获得最佳的性能 发动机控制器调节信号中的占空比从而控制电磁阀的输入电流 OCV在20摄氏度下表现的负载电阻为7 0 OCV电阻随温度所表现的变化符合铜阻电气设备的特点 OCV接线端子连接要求 VCP的机油控制阀接线端子如图所示 管脚A 接地管脚B 发动机控制器到线圈的PWM Pulse WidthModulation脉宽调制 开关信号 三 工作原理 德尔福所使用的VCP系统是一个由电脑控制的电 液力系统 该系统工作时 可以使曲轴相对于凸轮轴的正时关系发生连续的变化 在发动机运行时 通过VCP改变凸轮轴 进而是气门的正时 通过控制流入VCP的机油流量 凸轮轴相对于曲轴的相位正时可以提前或滞后 机油流量通过OCV来调节 OCV由发动机ECM根据发动机的速度 负荷和冷却水温度来管理 从根本上讲 OCV是一个可双向移动的四通路脉宽调制电磁阀 可以通过柱塞阀的轴向移动实现对机油流量和流向的控制 发动机ECM通过脉宽调节的占空比信号 改变通至转子叶片两侧的机油流量 由此控制凸轮相对于曲轴的正时和相位 3 1液力供给系统VCP的液力供给系统通过发动机的机油泵供油 供到VCP的机油由四通PWM电磁阀控制 一般在控制阀或者油路上有滤清器 通过控制转子 与凸轮轴连接 两侧的机油流量 使其相对定子 通过传动装置与曲轴连接 发生相对转动 也可通过液压控制使转子和定子锁死 保持中间位置 3 2OCV阀工作原理OCV阀的主要作用就是控制流入VCP的机油流量和方向 它的工作原理通过以下三个状态就可疑概括出来 3 3VCP工作原理要了解VCP的工作原理 其实只要弄清楚以下几点就可以了 定子 定子通过凸轮轴定位销和凸轮轴螺栓与凸轮轴连接在一起它们间的相对位置是不变的 转子 转子通过皮带或链条等传动装置与曲轴连接在一起 它们间的相对位置也是不变的 锁止销 锁止销保证VCP初始位置为最小重叠角 回位弹簧 回位弹簧是保证锁止销能准确的回到销孔 因此 VCP的工作流程就可以概括成以下几步 发动机启动 机油通过OCV阀到达VCP 锁止销从销孔脱离 转子相对定子发生转动 实际相当于凸轮轴和曲轴的相对位置发生了变化 也即改变了凸轮轴的相位 当发动机停机或怠速时在回位弹簧的帮助下锁止销成功的回到销孔 3 4泄漏VCP和OCV主体部分都位于发动机的缸盖内 OCV与O型圈一起作用防止机油泄漏到发动机表面 VCP内部的泄漏经过技术改进减小到最低程度 如果OCV孔被加工到推荐的尺寸 OCV与阀孔间的泄漏也可以被减小到最低程度 如果支承处间隙过大 或支撑面过短 将会产生较严重的泄漏 降低系统的性能 严重的泄漏需要更多的机油流量来弥补 也会引起