VCT发动机润滑系统的改进设计与试验研究

柴油机设计与制造　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｏｆＤｉｅｓｅｌ　Ｅｎ￣ｎｅ　２０１２年第３期第１８卷（总第１４０期）　

ｄｏｉ：１０．３９６９６．ｉｓｓｎ．１６７１－０６１４．２０１２．０３．００８　ＶＣＴ发动机润滑系统的改进设计与试验研究　

殷海庭　（上海汽车集团股份有限公司，上海２０１８０４）　

摘要介绍了在现有发动机基础上开发机油液压控制ＶＣＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｃａｍｓｈａｆｔｓ　Ｔｉｍｉｎｇ）系　统，发动机在开发前期通过对各个改进方案的试验验证，最终为ＶＣＴ机构的机油供应与发动机　润滑需求（特别是缸盖运动件）的矛盾解决提供了最优匹配方案。通过系列试验的验证为该发动　机提供了良好的更改依据，并积累了宝贵的数据，为后期开发和验证定型奠定了基础。这一过程　也可以为其他机型引入ＶＣＴ系统而匹配机油的供应提供参考和支持。　关键词：润滑系统机油供应改进试验验证ＶＣＴ　

Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｔｅｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ＶＣＴ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｙｉｎ　Ｈａｉｔｉｎｇ　（ＳＡＩＣ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０　１　８０４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｏｉｌ　ｈ　ｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ＶＣＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｃａｍｓｈａｆｔｓ　Ｔｉｍｉｎｇ）ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｂａｓｅ　ｅｎｇｉｎｅ．Ｖａｒｉｏｕｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｄｏｎｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅａｒｌｙ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＶＣＴ　ｅｎｇｉｎｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａｎ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｌｉｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｓｕｐｐｌｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＶＣＴ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｍｏｖｉｎｇ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｈｅａｄ　ｉｎ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ．Ａ　ｇｏｏｄ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＶＣＴ　ｅｎｇｉｎｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｓ　ｆｏｒｍｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｓ，ａｎｄ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｄａｔａ　ａｙｅ　ａｌｓｏ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｓｅ　ａｒｅ　ａｌｌ　ｕｓｅｆｕｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｒ　ｓｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃａｎ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｏｔｈｅｒ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ＶＣＴ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｏｉｌ　ｓｕｐｐｌｙ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ＶＣＴ　

１　引言　能源与环境问题是目前汽车工业所面临的２个　主要问题，为了在提高汽油机燃油经济性和动力性　的同时，还要满足越来越严格的排放法规要求。从　２Ｏ世纪７０年代开始，汽油机燃油电喷技术逐步发　展起来，至今已形成了以进气管多点顺序喷射为代　表的较为成熟的汽油机燃油控制技术。与燃油控制　技术相比，早期的配气控制技术研究进展得比较缓　慢，主要成果是在１９８５年以后取得的。２Ｏ世纪９０　年代，国外对可变气门技术的研究成为热点，开发出　了一系列基于凸轮轴的可变气门机构，并且应用于　车用发动机，其中可变凸轮轴相位机构应用最广［１ｌ。　气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴驱动的，气　门的配气正时取决于凸轮轴的转角。在普通发动机　上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的。这　种固定不变的正时很难兼顾到发动机不同转速下的　工况需求，可变气门正时就是解决这一矛盾的技　术。在发动机高速运转时，需要较大的气门叠开角　来达到充气充分的目的；而在发动机低速及部分负　荷工况时，气门叠开角应该相应变小，达到改善性　能、降低排放的目的【２，３１。而ＶＣＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｃａｍｓｈａｆｔｓ　Ｔｉｍｉｎｇ）技术可以通过控制器调节凸轮　轴，从而调节气门开闭，满足不同的工况需求，达　到增加功率、减少油耗，改善排放的目的。采用可　

来稿日期：２０１２—０５—１４　作者简介：殷海庭（１９７８一），男，工程师，主要研究方向为动力总成分析试验。　润滑不足而造成的磨痕，同时发动机台架监控数据　也表明，在故障发生时供应挺柱的机油压力非常　低。通过系统的检查和分析，表明是由于供应给缸　盖系统的机油在高温条件下不能满足需要。这说明　原型设计的发动机机油供应及分配不能满足ＶＣＴ　发动机的工作需要，尽快进行发动机机油供应的重　新匹配成了项目的重要目标。　根据以上方案分别进行分析与试验，其中包括　单项试验及多项试验在一起进行。图３是更改为　

言　时间／ｍｓ　图２原机与ＶＣＴ发动机的性能对比　

至　

ＶＣＴ发动机的原始设计取得的机油压力曲线，并　在机油温度为１３０￣Ｃ时发生了气门脱落事件，共采　集了机油温度在１００￣Ｃ以上时凸轮轴轴承处的机油　压力，作为各个设计方案所得结果的比较基础。从　

柏　翅　

发动机转￣／（ｒ／ｍｉｎ）　图３采用ＶＣＴ后凸轮轴轴承处机油压力　

图中可见，机油温度从１００＂Ｃ增至１３０￣Ｃ时，机油　压力明显下降，造成了机油供应量的不足。　２．２改进方案　依据预计对缸盖和ＶＣＴ机构的机油供应矛盾　的改善和实现的代价，做出的机油供应的改进和匹　配方案如下：　（１）更换机油牌号，由原设计的５Ｗ３０更换为　５Ｗ４０，即采用高黏度机油，以提高高温时能供应　到缸盖部分的机油压力。　（２）改进机油泵性能，增加机油流量，提高供　给发动机的机油量。共有２个设计方案，分别将机　油泵（研究试验时机油泵外置）加厚２　ｍｍ和加厚　０．５　ｒｌｌｎｑｏ　（３）逐步增大缸盖油道限油槽，分别是增大　５０％及去除限油槽，通过试验检查其对ＶＣＴ装置　及缸盖主油道的机油供应的影响。限油槽是在由原　型机改进设计到ＶＣＴ发动机过程中特意在缸盖主　油道上设计的，以保证ＶＣＴ装置机油供应的机油　分配装置，示意图参见图４。　（４）减小凸轮轴轴承间隙，从而减少通过轴承　间隙的机油回油，提高缸盖其他部分的机油供应。　

图４缸盖机油分配示意图　减小的目标仍是与该原型发动机应用相同的气门、　气门导管、气门弹簧、锁夹、油封及液压挺柱等系　列气阀运动机构的量产发动机的凸轮轴间隙。需要　为此增大凸轮轴轴颈直径。　（５）应用机械挺杆代替液压挺柱，减小该部分　对机油的需求。　３　改进措施的验证与分析　３．１采用高黏度机油　对于提高机油的黏度等级是最方便和最简单的　方案。相对于新的５Ｗ３０机油，５Ｗ４０机油是已量　产的发动机的标准用油，通过对比试验取得了好的　结果。在１００￣Ｃ以上的高速段区机油的压力得到了　明显的提高，但仍然不能达到系统的需求，结果如　图５所示。　

日　里　

震　暴　

发动机转：￣ｇ．／（ｒ／ｍｉｎ）　图５机油粘度对机油压力的影响　

３．２提高机油泵流量　对于提高机油泵性能，有增厚２　ｍｍ和０．５　ｍｍ　两种设计方案。增厚２　ｍｍ的方案由于机体中没有　足够的安装空间，所以采用了外置机油泵，通过油　管连接到机体；而对加厚０．５　ｍｍ的方案，机油泵　外形无任何改变，可以在原机体上直接使用。这２　种方案的试验结果如图６～图８所示，可见机油泵　加厚２　ｍｍ对提高机油压力的效果更好一些。但与　０．５　Ｉ／ｌｌｎ的方案相比，２ｍｍ的方案需要更改缸体，　对于已定型的产品来说，其代价比较大，无法在实　际中应用。当０．５　ｍｍ的方案与其他改进措施一起　使用时，仍可获得满意的结果，所以２　ｍｍ方案最　后不被采用。　重　黑　暴　发动机转￣．／（ｒ／ｒｎｉｎ）　图６机油泵加厚２　ｍｍ时机油压力曲线　５００　４００　萋３００　萎２００　１００　０　１　０００　２　０００　３　０００　４　０００　５　０００　６　０００　发动机转　（ｒ／Ⅱ１ｉｎ）　图７原机油泵与加厚２　ＩＴＵＴＩ机油泵的机油压力曲线　５００　４００　３００　墨２００　１００　０　ｌ　０００　２　０００　３　０００　４　０００　５　００Ｏ　６　０００　发动机转￣（ｒ／ｍｉｎ）　图８原机油泵与加厚０．５　ｍｍ机油泵的压力曲线　３．３限油槽　对于限油槽的改进，增大５０％的方案发现对　机油供应的改善不大；而完全去除限油槽，在增大　凸轮轴轴颈和减小轴承间隙后，对ＶＣＴ装置的正　常功能没有不良影响，并能增加缸盖部分的机油供　应，改善了ＶＣＴ机构与缸盖之间的机油分配矛盾，　所以最终采用了完全去除限油槽的改进设计方案。　试验对比机油压力曲线如图９～图１１所示。　３．４凸轮轴承间隙优化　对于减小凸轮轴承间隙，由于新的轴承间隙是　已量产的在发动机上已成功使用的参数，而且　ＶＣＴ发动机缸盖部分采用了大部分的量产发动机　的零件，特别是气阀运动部分，所以在设计方面仅　仅是增加凸轮轴的轴颈直径。该方案能够适当减少　机油泄漏量来提高部分机油供应能力，与其他措施　的集成使用在试验上取得了良好的成果。相应的不　同间隙机油压力对比曲线见图１２。