刘魏辉

海马轿车有限公司，河南郑州 450016

0 引言

发动机是“汽车的心脏”，传统的发动机凸轮轴相位不能随汽车速度、负荷以及各种外部因素变化，在汽车整个运行的过程中，仅在很小的工况范围内，发动机才会获得最佳的配气相位，在其它情况下则很难兼顾[1-2]。VVT（Variable Valve Timing）“智能可变气门正时系统”的出现解决了这一传统难题，进气门开启与关闭的时机能够随着发动机工况实时调节，保证了充气系数、发动机扭矩和功率的最优化，对提高发动机的动力性、降低油耗、减少排放有重要作用。

OCV和执行器是气门可变正时（VVT）发动机系统关键部件，OCV是可变气门正时发动机上控制发动机的进气门的低压机油控制阀，执行器是改变凸轮轴相位正时控制器。发动机中央控制单元计算出最佳气门正时，输出不同脉宽的控制信号改变OCV阀的油门的开口度，改变油路的流量，控制执行器的转动方向和凸轮相位，实现进气、排气的自动调节。

OCV及执行器的生产和制造是一个涉及多学科，复杂程度高，精密加工的过程，产品要经过严格的检验。国外在OCV与执行器产品测试方面已经形成一个较为完整体系，相比之下，国内很少有厂家能够生产功能完善、精度高以及可靠性强的测试设备。

1 VVT工作及测试原理

传统发动机进气门开启、关闭的时间是固定不变的，这种配气机构仅能使发动机在很小的工况范围内获得最佳的性能，无法兼顾其它情况。所以传统发动机中高速的进气跟排气无法实行控制，为此，应用VVT技术通过实现气门叠加角可变（气门正时）来解决这一矛盾，让发动机在高低速时均表现出最佳性能。曲轴位置传感器、空气流量计、节气门位置传感器、水温传感器、转速传感器将发动机转速、节气门位置、水温和车速等信息传递给ECU，ECU计算出每个工况条件下最佳气门正时，发送指令控制OCV阀芯位置，改变执行器提前腔、延迟腔的位置，以实现凸轮轴相位的自动调节，获得最佳气门正时。

OCV阀受ECU的不同脉宽的控制信号，不同的脉宽信号产生不同的平均电压，此电压加到OCV阀绕组上，使OCV阀的阀芯根据不同的电压产生不同的移位，以实现对油路的流量控制。

其内部结构如图1所示。

OCV实质上是一个电压电磁阀，其电压大小决定于ECU信号的脉宽，变化的电压使线圈的电流随之而变，来实现OCV阀的位移量，实现控制油门大小的目的。OCV阀的结构如下图所示，其主要由套筒、线圈、柱塞、连接器、弹簧、线轴阀组成，其上面有进油口、延迟出油口、提前出油口和2个排油口。

图1 OCV内部构造图

其提前出油口和滞后出油口通过油管分别和执行器的提前腔、滞后腔连接，两个排油口也分别和腔体连接。

执行器由链轮、定子、转子以及刮片、弹片等组成。定子（外壳）固定在链轮上，转子固定在凸轮轴上，结构如图2所示。

图2 执行器内部构造

VVT的工作原理是通过OCV阀提前出油口或滞后出油口的开启大小控制油路的流量，进入执行器的提前腔或滞后腔，通过油压带动转子向提前方向或滞后方向转动，以实现对进气和排气的自动调节。

执行器提前控制：

图3 OCV提前系统油路

ECU的脉宽信号占空比较大时（脉宽大于45%以上时），OCV阀芯移到了左侧，提前口打开，延迟口关闭，执行器的提前腔进油，推动转子向提前方向转动，从而使凸轮轴向提前方向转动，如图3所示。

执行器滞后控制：

当发动机转速下降时，需要执行器向滞后方向运动，ECU发出相应的脉宽信号，占空比变小（脉宽小于36%以下时），使OCV阀开启滞后口（OCV阀芯移到了右侧），关闭提前口，高压油进入滞后腔，推动转子向滞后方向转动，以达到凸轮向滞后方向调节的目的，同样，当凸轮轴上的相位传感器上的角度达到给定值时，ECU马上给OCV阀发出关闭指令，从而使执行器稳定工作在此工况下的进气或排气角。如图4所示。

图4 OCV滞后系统油路

ECU的脉宽信号的脉宽达到40%左右时，OCV阀芯处于中间，提前室、延迟室均关闭，执行器提前腔、延迟腔不进油，凸轮轴相位保持不变。

2 OCV设计参数的选择

1）阀芯质量

阀芯质量是影响阀芯运动的响应速度的重要因素，在OCV阀设计中，由于阀芯本身的质量不大，影响相应速度的主要要素是磁力和弹簧力的选配。

2）阀芯行程和磁路长度

为了提高OCV阀的响应速度，所以阀芯的运动形成尽量短，一般在3mm左右，因为阀芯的行程越短，运动延时越短，由于行程短，磁路气隙也小，以达到减小磁阻提高磁力的目的。同时减小行程可以使磁路气隙长度减小，以至磁阻减小达到提高电磁驱动力的目的。

3）线圈匝数

线圈匝数在同等电流条件下，正比于磁力大小，但是在特定的容积内，线圈匝数增加，其导线就越细，电阻就越大，使（同等电压下）电流减小，从而使磁力下降，所以线圈的匝数在给定容积的条件下，是受到制约的，必须要和弹簧的强度合理地选配。而且，匝数越多，电感量越大，使电流的变化响应慢，磁动势增长慢。可见线圈匝数太多、太少都不利于电磁阀的快速动作。因此，必然存在一个使动作时间最短最合适的匝数。

4）线圈电阻

线圈电阻在设计中并不是主导要素，因为决定线圈所需的匝数，当线圈的匝数和导线的粗细选定后，电阻就基本确定，没有选择的余地。这里特别要提到的，由于线圈工作时发热引起电阻的增加，从而影响电流、磁力，在设计过程中，必须留有适当的电流余量。

5）线圈的电压

线圈的工作电压，系统已经确定，为了降低磁滞回线的影响，OCV阀线圈的工作电压没有用直流电压，而是用方波信号进行控制，这对提高OCV阀的控制线性度、重复性、控制精度等都有明显的效果。

6）材料

由于导磁体本身的磁饱和现象，磁通量与电流为非线性关系。当电流达到一定程度时，磁通量将不再增加，所以应选择具有高磁饱和磁通密度的材料作为导磁体。

7）非工作气隙

减小非工作气隙的大小，不但可以改善电磁阀的动态响应特性，同时也有利于减小功耗，延长电磁铁的工作寿命。

8）弹簧

为了在发动机停止工作时，也就是说在ECU没有控制型号的时候，OCV阀能处于滞后状态，而保证执行器在锁定的位置，所以OCV阀弹簧能保证阀芯处在滞后状态。在电磁阀开启过程中，弹簧力是开启的反力，而在阀门关闭的过程中，弹簧力是关闭的驱动力。因而在行程一定的情况下，对弹簧刚度的选择必须兼顾阀门的开启和关闭这两个过程，选择合适的刚度系数。

OCV通过工作状况改变系统油路，进而驱动执行器转动凸轮轴，改变发动机气门正时，本系统要判定出占空比信号下OCV是提前、滞后还是保持。OCV提前时，执行器相位会逐渐增加至行程角度的最大值；OCV滞后时，执行器相位会逐渐减小至行程角度的最小值；OCV保持时，执行器相位则会停留在原点，保持不变。通过监测凸轮轴上的相位传感器的角度，即可辨别出OCV的工作状况。

3 结论

节省油耗、降低排放、提高发动机动力性是汽车发动机的三大重要指标，特别是要达到欧四欧五排放标准，传统发动机无法满足要求，所以此系统的应用是成必然趋势，设计和生产性能良好，价格合理的国产VVT系统是势在必须，本人着重讨论了VVT系统各部件结构组成、功能和设计中的要素。

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