五菱汽車配VVT發(fā)動機工作原理及維修案例探索

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)動機都配置了VVT（Variable Valve Timing）技術(shù)，但對于微車來說，還是一項新技術(shù)。在此，對VVT工作原理、應(yīng)用進(jìn)行探索。

1 發(fā)動機配氣基礎(chǔ)理論

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

發(fā)動機從低轉(zhuǎn)速運行到高轉(zhuǎn)速，不同的負(fù)荷等各工況要求的動力輸出不一樣，可是傳統(tǒng)的發(fā)動機因為配氣方面的限制只能在其中進(jìn)行一種選擇，而帶了VVT的發(fā)動機，卻可以很好的中和這兩種情況。

1.1 傳統(tǒng)發(fā)動機配氣相位的設(shè)置（不帶VVT為）

理論上，四沖程發(fā)動機的進(jìn)氣門當(dāng)曲拐處在上止點時開啟，在曲拐轉(zhuǎn)到下止點時關(guān)閉；排氣門則當(dāng)曲拐在下止點時開啟，在上止點時關(guān)閉。進(jìn)氣時間和排氣時間各占180°曲軸轉(zhuǎn)角。

（1）排氣門開啟的時機

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

（2）進(jìn)氣門關(guān)閉的時機

在活塞越過下止點后一定角度，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，由于在下止點附近活塞的垂直運動相對很慢，汽缸內(nèi)體積變化并不大。此時進(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)動機的進(jìn)氣門延遲一點關(guān)閉比較好。

（3）排氣門的關(guān)閉以及進(jìn)氣門的開啟時機

如果排氣門也在活塞越過上止點一定角度之后再關(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間內(nèi)是不會流向排氣門對側(cè)的進(jìn)氣門的；所以，短時間的一邊進(jìn)氣一邊排氣的局面是完全可以實現(xiàn)的。

（4）氣門重疊角

重疊持續(xù)角用曲軸運行的角度來衡量。重疊的角度通常都很小，可是對發(fā)動機性能的影響卻相當(dāng)大。如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，每個汽缸一個周期內(nèi)留給吸氣和排氣的絕對時間也越短。但是發(fā)動機需要盡可能長的吸氣和排氣時間；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，廢氣就會過多的瀉入進(jìn)氣岐管，吸氣量反而會下降，氣缸內(nèi)氣流也會紊亂，ECM也會難以對空燃比進(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，如果配氣機構(gòu)只對低轉(zhuǎn)速工況優(yōu)化，發(fā)動機的峰值功率就會下降。所以傳統(tǒng)的發(fā)動機都是一個折衷方案，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，又稱可變配氣正時。該系統(tǒng)通過配備的控制及執(zhí)行系統(tǒng)，對發(fā)動機凸輪的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使得氣門開啟、關(guān)閉的時間隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化，以提高充氣效率，增加發(fā)動機功率。目的就是解決發(fā)動機的動力、油耗和尾氣排放的問題。傳統(tǒng)的正時鏈輪與凸輪軸之間通過花鍵或螺絲連接成一個剛性，使得凸輪軸與鏈輪之間不可能發(fā)生相對的運動。VVT裝置的鏈輪由鏈條來驅(qū)動，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)子機械連接形成剛性體，凸輪軸與轉(zhuǎn)子是不能相對運動的。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)動機的VVT控制器

如圖1轉(zhuǎn)子與鏈輪的相對運動依靠給轉(zhuǎn)子與鏈輪之間形成的前、后油腔分別進(jìn)行加壓和泄壓來實現(xiàn)。油壓的動力來源為發(fā)動機機油壓力。主油道來的帶有一定壓力機油，通過一個機油控制閥控制。

機油控制閥依據(jù)需要，由ECM對電磁閥進(jìn)行指令，電磁閥就會把通向VVT執(zhí)行器轉(zhuǎn)子前后的2個油腔的機油油路分別與主機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，這樣在機油壓力的推動作用下，轉(zhuǎn)子就可以實現(xiàn)相對定子鏈輪有一定的位移角度。

圖2 VVT執(zhí)行器動作控制示意圖

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，這樣在機油壓力的推動作用下，轉(zhuǎn)子就可以實現(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)動機的VVT結(jié)構(gòu)、工作條件

2.1 發(fā)動機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)動機的VVT控制器由一個定時鏈條驅(qū)動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。當(dāng)發(fā)動機停止時，進(jìn)氣凸輪軸被調(diào)整（移動）到最大延遲狀態(tài)以維持起動性能。在發(fā)動機起動后，油壓并未立即傳到VVT控制器時，鎖銷便鎖定VVT控制器的作動機械部以防撞擊產(chǎn)生噪聲。

圖4 OCV閥示意圖

2.2 五菱汽車配VVT發(fā)動機OCV閥

五菱汽車配VVT發(fā)動機OCV閥是線性電磁閥/PWM（脈沖寬度調(diào)制），通過控制通電時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，磁場吸引閥針運動，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間長短來控制針閥的運動位移，控制從而達(dá)到控制閥針的目的。

2.3 五菱汽車發(fā)動機VVT的工作條件

發(fā)動機控制模塊持續(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，或者在低負(fù)荷時延遲氣門正時可減少氣門重疊，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性能。延遲由發(fā)動機ECM所控制的凸輪軸正時機油控制閥所放置的位置決定。油壓作用于氣門正時延遲側(cè)的葉片室，使進(jìn)氣凸輪軸向氣門正時的延遲方向旋轉(zhuǎn)。

（2）在中等負(fù)荷，或者在高負(fù)荷中低速時提前氣門正時可增加氣門重疊，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，同時提前進(jìn)氣門的關(guān)閉時間可減少進(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，提前氣門正時可增加氣門重疊，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，同時提前進(jìn)氣門的關(guān)閉時間可減少進(jìn)氣被逆吹回進(jìn)氣側(cè)，改善了容積效率。

（4）因采用可變正時系統(tǒng)，只要進(jìn)氣門和排氣門的時機控制合適，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，可以檢查數(shù)據(jù)流：可變氣門正時的脈寬調(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，起動不了。

故障現(xiàn)象描述：車輛無法起動。服務(wù)中心上門搶修檢查發(fā)現(xiàn)報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)動機不易啟動，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，檢查觀察機油的清潔程度較臟，重新更換機油、并更換OPV閥進(jìn)行試車檢查，故障排除。

故障車輛機油

正常車輛機油

（3）案例3：1029SPFA車輛，發(fā)動機故障燈亮、難啟動。

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

診斷排除故障過程：根據(jù)車輛報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)動機抱死。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、加油無力、難起動。返回修理廠檢查了一個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、報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，技師判斷車輛正時不準(zhǔn)，拆解發(fā)動機重新對準(zhǔn)正時，裝復(fù)后一手就可以著車（起動正常），但一分鐘不到車輛抖動、熄火，之后難起動。

因車輛曾經(jīng)缺油導(dǎo)致發(fā)動機大小瓦、曲軸異常磨損，會不會有鐵屑跑到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)動機，清潔油道、更換機油以及進(jìn)排氣OCV閥后，裝復(fù)試車，還是一手著車（起動正常），但一分鐘不到，車輛抖動、熄火，之后起動困難。

此時服務(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）。因為每次重新裝配發(fā)動機，正時相位都需重新對齊，所以裝復(fù)后第一次起動正常。當(dāng)發(fā)動機起動后VVT開始工作，但之后卡在某一位置不動，相位不對所以報故障碼，且難著車。

第四次拆解發(fā)動機，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)動機維修時，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)合車輛實際案例的維修解決過程，希望可以讓不熟悉可變配氣正時系統(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.