CVVL發(fā)動機(jī)動態(tài)工況優(yōu)化控制

韓本忠，張力華，傅園松，李理光

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2.聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206)

前言

連續(xù)可變氣門升程技術(shù)(continuously variable valve lift，CVVL)是國際上公認(rèn)的在提升發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的同時可滿足動力性和排放性能的技術(shù)，被越來越多的國際知名汽車制造企業(yè)采用[1-3]。但是CVVL技術(shù)的復(fù)雜性，也讓很多企業(yè)在采用該技術(shù)時保持謹(jǐn)慎的態(tài)度。

發(fā)動機(jī)動態(tài)工況控制是發(fā)動機(jī)電子控制的難點之一，也是實際應(yīng)用中必須面對的挑戰(zhàn)，對于基于CVVL系統(tǒng)負(fù)荷控制的發(fā)動機(jī)尤為如此[4-5]。當(dāng)駕駛員踩下油門踏板，控制器將踏板傳感器信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩需求和目標(biāo)進(jìn)氣量，系統(tǒng)進(jìn)一步將該轉(zhuǎn)矩需求和目標(biāo)進(jìn)氣量分別轉(zhuǎn)換成CVVL機(jī)構(gòu)的目標(biāo)升程、節(jié)氣門(throttle body，TB)目標(biāo)開度和可變氣門正時(variable valve timing，VVT)目標(biāo)位置，再將目標(biāo)需求轉(zhuǎn)換成各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動指令，驅(qū)動機(jī)構(gòu)從當(dāng)前位置移動到目標(biāo)位置。3個機(jī)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性如圖1所示。由圖可見：節(jié)氣門動態(tài)響應(yīng)速度最快，其次是無刷直流電機(jī)驅(qū)動的CVVL機(jī)構(gòu)，最慢的是液壓驅(qū)動的VVT機(jī)構(gòu)。

圖1 3種負(fù)荷控制機(jī)構(gòu)加速過程中動態(tài)響應(yīng)

3種機(jī)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性不同，造成進(jìn)氣充量動態(tài)變化過程也不相同。按照理論分析，節(jié)氣門開度決定了進(jìn)氣歧管壓力，CVVL決定了氣門的有效流通面積，進(jìn)氣VVT決定了氣門的開啟和關(guān)閉時刻，即氣門開啟和關(guān)閉時刻的氣缸容積，因此3種控制方式的進(jìn)氣動態(tài)特性并不相同。

另外，系統(tǒng)引入CVVL機(jī)構(gòu)后，發(fā)動機(jī)充量控制比節(jié)氣門控制有了更復(fù)雜的控制策略組合，有CVVL+TB+VVT，CVVL+VVT，CVVL+TB 和 CVVL單獨控制4種策略。同時，從起始進(jìn)氣量達(dá)到目標(biāo)進(jìn)氣量，切換過程有更多機(jī)構(gòu)參數(shù)可以調(diào)整：(1)通過TB控制不同歧管壓力，TB控制負(fù)荷比例越高，則CVVL控制比例越低；(2)進(jìn)排氣VVT的動態(tài)響應(yīng)速度(用VVT從開始位置到達(dá)目標(biāo)位置需要的時間表示)；(3)CVVL動態(tài)響應(yīng)速度(用CVVL從初始升程到達(dá)目標(biāo)升程的時間表示)。不同控制策略和控制參數(shù)組合，對發(fā)動機(jī)充量動態(tài)性能可能有復(fù)雜的影響[6-8]。

圖1中，CVVL，TB和VVT 3種機(jī)構(gòu)組合控制時，實際進(jìn)氣量ml和目標(biāo)進(jìn)氣量(圖中細(xì)線)相比，進(jìn)氣量存在波動。設(shè)進(jìn)氣量上沖、下跌波動兩個峰值的差異為Δml。

圖2為2 000r/min，BMEP 0.2→0.5MPa和 0.5→0.2MPa切換時，節(jié)氣門開度保持不變，CVVL和VVT組合控制方式下，每個執(zhí)行器以最大加速度移動到目標(biāo)位置，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過程變化情況，圖中顯示的進(jìn)氣過程不平順。0.2→0.5MPa切換時，ml先快速上沖，然后迅速下跌，Δml達(dá)到 6kg/h，相當(dāng)于15.5%的波動幅度。0.5→0.2MPa切換時，ml先快速上沖，Δml達(dá)到5.7kg/h，相當(dāng)于11%的波動幅度，然后迅速下跌，再上升，Δml達(dá)到4.6kg/h，相當(dāng)于11.5%的波動幅度。進(jìn)氣量的這種波動在車輛駕駛中會造成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速抖動，從而影響駕駛感受。因此有必要調(diào)整和優(yōu)化控制策略和參數(shù)，使工況切換時進(jìn)氣過程變得平順。參數(shù)優(yōu)化要同時兼顧從踏板開始動作到進(jìn)氣量到達(dá)目標(biāo)進(jìn)氣量的時間，從而保證車輛的加速性能。

圖2 CVVL和VVT組合控制方式下發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過程

本文中將討論從一個穩(wěn)態(tài)工況點到另一個穩(wěn)態(tài)工況點的過渡工況產(chǎn)生進(jìn)氣波動問題的機(jī)理。為避免上述進(jìn)氣波動問題，縮短加速時間，本文中將介紹節(jié)氣門開度、氣門升程和 VVT三者協(xié)同控制的方法。

1 測試方法和定義

為深刻理解CVVL發(fā)動機(jī)各個負(fù)荷控制機(jī)構(gòu)及其組合控制對發(fā)動機(jī)充量控制的影響，揭示工況切換時產(chǎn)生進(jìn)氣量不平順的機(jī)理，優(yōu)化發(fā)動機(jī)動態(tài)響應(yīng)性能，找到最優(yōu)控制策略和最優(yōu)控制參數(shù)組合，選擇在一臺4缸1.5L增壓直噴(gasoline direct injection，GDI)發(fā)動機(jī)進(jìn)行測試和優(yōu)化，發(fā)動機(jī)參數(shù)如表1所示。測試發(fā)動機(jī)上安裝了所有必要的傳感器和排放測試設(shè)備，并在穩(wěn)態(tài)工況下，完成節(jié)氣門開度、氣門升程、VVT正時、點火角和噴油量的優(yōu)化。

表1 GW4B15T發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

測試分4步進(jìn)行：第1步，對節(jié)氣門、CVVL和VVT 3個執(zhí)行機(jī)構(gòu)單獨進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)特性和進(jìn)氣量動態(tài)響應(yīng)特性的測試；第2步，在特定工況下優(yōu)化CVVL，VVT和節(jié)氣門動態(tài)響應(yīng)控制參數(shù)，找到最優(yōu)控制規(guī)律；第3步，在該工況下對機(jī)構(gòu)不同組合策略下進(jìn)氣量動態(tài)響應(yīng)時間進(jìn)行測試，找到不同機(jī)構(gòu)最優(yōu)組合策略；第4步，在不同工況條件下優(yōu)化控制參數(shù)，并進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)時間測試，確定最優(yōu)控制規(guī)律的普遍適用性[9]。

為便于分析，將起始進(jìn)氣量定義為m0，目標(biāo)進(jìn)氣量為m100%，加減油門過程進(jìn)氣量定義兩個點，到達(dá)目標(biāo)進(jìn)氣量的50%定義為m50%，到達(dá)90%定義為m90%。圖3(a)為加油門過程，圖3(b)為減油門過程，進(jìn)氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始動作為0時刻，結(jié)束動作時刻為ta，進(jìn)氣量到達(dá)50%，90%和100%目標(biāo)進(jìn)氣量對應(yīng)時刻分別定義為t，t和t[10]。50%90%100%

圖3 動態(tài)響應(yīng)時間定義

2 CVVL和節(jié)氣門動態(tài)控制特性

測試選擇2 000r/min，將VVT固定在參考位置，即進(jìn)排氣VVT處在重疊角最小的位置。分別用節(jié)氣門開度TOA(CVVL固定在8.5mm)和CVVL升程(節(jié)氣門開度固定在24°)控制發(fā)動機(jī)負(fù)荷，測試平均有效壓力(brake mean effective pressure，BMEP)從0.2→0.5MPa和0.5→0.2MPa切換時發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量變化，測試結(jié)果如圖4所示。

(1)節(jié)氣門開度控制方式0.2→0.5MPa時，節(jié)氣門開度從 7.1°提升到 11.8°，ta需要 100ms，t50%需要370ms(空氣量從 m0＝32kg/h上升到 m50%＝44kg/h)，t90%需要 1 160ms(m90%＝53.6kg/h)。 0.5→0.2MPa 時，TOA 從 11.8°降低到 7.1°，ta同樣需要100ms，t50%同樣需要 370ms(空氣量從 m0＝56kg/h達(dá)到 m50%＝44kg/h)，t90%需要 1 220ms(m90%＝34.4kg/h)。

(2)CVVL升程(intake valve lift，IL)控制方式0.2→0.5MPa時，IL從 2.4提升到 3.2mm，ta需要150ms，t50%僅需要 100ms，t90%需要 580ms。 0.5→0.2MPa時，IL從3.2降低到 2.4mm，ta＝120ms，t50%僅需要 90ms，t90%需要 1 950ms。

圖4 2 000r/min時節(jié)氣門和CVVL機(jī)構(gòu)動態(tài)控制比較

將上述測試結(jié)果匯總成表2，比較兩種控制方式。從0.2→0.5MPa，盡管節(jié)氣門自身響應(yīng)時間比CVVL控制方式短，但CVVL進(jìn)氣動態(tài)響應(yīng)時間明顯比節(jié)氣門方式短，特別是t50%時間。這是因為節(jié)氣門距離氣缸更遠(yuǎn)，進(jìn)氣增加或減少所需的流動時間更長。從0.5降低到0.2MPa，節(jié)氣門自身響應(yīng)時間ta仍為100ms，而CVVL機(jī)構(gòu)略微加快，從150縮短到120ms；達(dá)到 m50%，CVVL的動態(tài)響應(yīng)時間 t50%明顯更短，但達(dá)到m90%，CVVL的t90%比節(jié)氣門方式需要更長。這是因為CVVL自身動態(tài)響應(yīng)速度更快，因此達(dá)到目標(biāo)進(jìn)氣量50%響應(yīng)更快，同時歧管壓力更高，因而達(dá)到90%進(jìn)氣量下降更緩慢，需要時間更長。

表2 節(jié)氣門和CVVL動態(tài)響應(yīng)時間比較

觀察圖4測試結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)，單獨使用CVVL控制方式，進(jìn)氣量存在波動的現(xiàn)象。在加油門從m50%到m90%時進(jìn)氣量先突然增加，然后快速下降，再緩慢上升，Δml達(dá)到2kg/h；減油門時進(jìn)氣量突然下降，然后反彈，再緩慢下降，Δml達(dá)到3kg/h。而節(jié)氣門開度控制方式不存在上述現(xiàn)象，顯然這種現(xiàn)象與CVVL動態(tài)響應(yīng)更快的控制特點有關(guān)。

3 VVT動態(tài)控制特性

下面研究VVT的動態(tài)響應(yīng)特性，同樣選擇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000r/min。由于從怠速到大負(fù)荷加油門時，進(jìn)排氣VVT從參考位置移動到最佳工作位置，而最佳工作位置對于本項目接近最大重疊位置(進(jìn)排氣VVT重疊角最大的位置)，因此設(shè)定進(jìn)排氣VVT在參考位置和最大重疊位置間切換，即在VVT的兩個極端位置之間切換。設(shè)定節(jié)氣門全開(歧管壓力1 018hPa)，由CVVL升程控制負(fù)荷。進(jìn)氣量的動態(tài)切換過程變換如圖5所示。由圖可見：進(jìn)氣量在負(fù)荷增加時先增加到56.5，然后下降到41.4kg/h，再緩慢上升，Δml達(dá)到 15.1kg/h，波動幅度36.5%；負(fù)荷減小時進(jìn)氣量從49.4下跌到31.2，然后反彈到38.8kg/h，再緩慢下降，Δml達(dá)到7.5kg/h，波動幅度24%。進(jìn)氣波動遠(yuǎn)超CVVL單獨控制，這樣大的進(jìn)氣波動，對駕駛性會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

為理解進(jìn)氣波動嚴(yán)重的原因，下面進(jìn)一步測試VVT單獨控制時的進(jìn)氣動態(tài)響應(yīng)特性。首先，在2 000r/min，0.2MPa時，節(jié)氣門保持全開，CVVL升程固定在1.77mm，進(jìn)排氣VVT從參考位置切換到最大重疊位置，測量進(jìn)氣量的變化，結(jié)果如圖6(a)所示，進(jìn)氣量從31.3下降到 23.2kg/h。同樣，在

圖5 2 000r/min時CVVL和VVT組合動態(tài)控制

0.5 MPa時，節(jié)氣門保持全開，CVVL固定在3.3mm升程，VVT從最大重疊位置切換到參考位置，進(jìn)氣量從48.8上升到79.5kg/h，如圖6(b)所示。

圖6 VVT切換時進(jìn)氣量的變化

由于0.2MPa時進(jìn)排氣 VVT在參考位置，0.5MPa時在最大重疊位置，參考位置進(jìn)氣量顯著高于最大重疊位置，因此系統(tǒng)控制從0.2→0.5MPa切換時，VVT從參考位置切換到最大重疊位置，進(jìn)氣量下降；從0.5→0.2MPa切換時，VVT從最大重疊位置切換到參考位置，進(jìn)氣量會增加。

將圖6中VVT動態(tài)響應(yīng)時間匯總，如表3所示。0.2MPa從參考位置切換到最大重疊位置，VVT自身動作時間 ta為 380ms，t50%為 270ms(31.2到27.2kg/h)，t90%為330ms(31.2到24kg/h)。 0.5MPa時，從最大重疊位置切換到參考位置，VVT自身動作時間 ta為 270ms，t50%需要 270ms(48.7到 64kg/h)，t90%需要 710ms(48到 76.3kg/h)。顯然，0.2MPa時，進(jìn)氣量動態(tài)響應(yīng)時間更短一些，這是因為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和歧管壓力相同的情況下，進(jìn)氣量小，進(jìn)氣時間短，進(jìn)氣量大，進(jìn)氣時間長。

表3 VVT動態(tài)響應(yīng)時間 ms

綜上，0.2MPa時VVT切換，進(jìn)氣量變化較??；0.5MPa時，進(jìn)氣量變化較大。VVT的t50%時間介于節(jié)氣門和CVVL之間，但t90%的動態(tài)響應(yīng)時間比節(jié)氣門和CVVL控制更短。

進(jìn)排氣VVT在參考位置和最大重疊位置時進(jìn)氣量隨氣門升程變化如圖7所示。小升程時，參考位置和最大重疊位置進(jìn)氣量差距小，這可以解釋0.2MPa時，進(jìn)氣量變化較小的原因。隨著升程的增加，兩者進(jìn)氣量差距逐漸擴(kuò)大，0.5MPa時，升程增加，因此進(jìn)氣量差距也較大。顯然，加油門過程中，當(dāng)VVT切換較快，CVVL升程增加慢時，VVT切換在小升程完成，則進(jìn)氣量變化較小；減油門過程中，當(dāng)VVT動作越慢，CVVL升程降低越快時，VVT切換在小升程完成，則進(jìn)氣量變化較小。

圖7 進(jìn)排氣VVT在參考位置和最大重疊位置時進(jìn)氣量隨氣門升程變化(2 000r/min)

4 動態(tài)控制參數(shù)優(yōu)化

4.1 簡化模型

為了理解各個控制機(jī)構(gòu)組合控制效果，將CVVL、節(jié)氣門和VVT 3個機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣量動態(tài)變化過程簡化為圖8和圖9模型，假定起始0-50%，50%-90%和90%-100%進(jìn)氣的變化過程為直線，3個機(jī)構(gòu)的起始指令動作時刻完全相同。

(1)加油門：加油門過程簡化模型如圖8所示，顯然0-100ms的進(jìn)氣主要由CVVL決定，因為CVVL進(jìn)氣的動態(tài)響應(yīng)速度非?？欤梢栽?00ms內(nèi)達(dá)到50%進(jìn)氣量；100-200ms，由于CVVL引起的進(jìn)氣量下降，以及VVT引起的進(jìn)氣量下降，而TOA增加的進(jìn)氣較少，因此組合進(jìn)氣下降；200-250ms，由于VVT下降速度加快，組合進(jìn)氣量繼續(xù)下降；250ms后，VVT已經(jīng)達(dá)到最低，隨著CVVL和TOA上升，組合進(jìn)氣量逐步上升，直至達(dá)到目標(biāo)進(jìn)氣量。如果目標(biāo)工況要保持在0.5MPa，需要采用CVVL和節(jié)氣門某種組合，如CVVL和節(jié)氣門各控制目標(biāo)進(jìn)氣的50%，顯然不同CVVL和節(jié)氣門組合對進(jìn)氣量動態(tài)響應(yīng)也是有影響的。

圖8 加油門進(jìn)氣量動態(tài)變化過程簡化模型

按照上述加油門過程簡化模型，如果要消除0-100ms上沖，100-300ms進(jìn)氣下降，有以下3種方法：降低CVVL動態(tài)響應(yīng)速度，如圖8中CVVL降速線，以降低0-50%階段進(jìn)氣峰值；調(diào)整VVT動態(tài)響應(yīng)速度，避免VVT達(dá)到最低的時刻與CVVL進(jìn)氣量下降時刻疊加，按照圖7(a)，VVT動態(tài)響應(yīng)速度要盡量快，在小升程進(jìn)行VVT切換，以減小切換時進(jìn)氣充量的變化幅度；降低CVVL在進(jìn)氣控制中的比例，增加節(jié)氣門的比例，以減小CVVL進(jìn)氣量在100-200ms下降的影響。上述措施會影響進(jìn)氣的動態(tài)響應(yīng)速度，CVVL動態(tài)響應(yīng)速度越慢，比例越低，進(jìn)氣動態(tài)響應(yīng)速度越慢。

(2)減油門：同理，減油門過程簡化模型見圖9，圖中所示減油門過程中VVT切換過程與圖7(b)一致。如果CVVL和VVT按照切換過程1到達(dá)目標(biāo)位置，則不會出現(xiàn)減油門進(jìn)氣上沖現(xiàn)象；如果CVVL和VVT按照過程2到達(dá)目標(biāo)位置，則在下降過程中會出現(xiàn)較小幅度的進(jìn)氣量上升；如果CVVL動作開始時刻遲于VVT，減油門過程按照切換過程3完成，則減油門開始時進(jìn)氣量出現(xiàn)較大的上沖，然后隨氣門升程下降快速下降。

圖9 減油門進(jìn)氣量動態(tài)變化過程簡化模型

按照上述減油門過程簡化模型，要消除VVT和CVVL配合引起的進(jìn)氣量上沖和下跌問題，可以采取如下措施：適當(dāng)增加VVT濾波時間，降低VVT動態(tài)響應(yīng)速度；CVVL保持較高的動態(tài)響應(yīng)速度，按照圖9過程1或過程2切換，以減小VVT切換時的進(jìn)氣量波動；降低CVVL比例，增加節(jié)氣門在組合進(jìn)氣中的比例，以減小CVVL進(jìn)氣量下跌的影響，與加油門過程不同，增加節(jié)氣門比例可加快達(dá)到目標(biāo)進(jìn)氣量的時間，因為節(jié)氣門控制在減油門過程中，達(dá)到目標(biāo)進(jìn)氣量的時間更短。

如果各機(jī)構(gòu)動作始點時刻不同，疊加控制效果與上述分析相同，例如延遲CVVL起始動作時刻，加油門進(jìn)氣量波動幅度下降，但減油門會出現(xiàn)空氣量上沖的現(xiàn)象。

4.2 CVVL和節(jié)氣門組合比例的影響

圖10為2 000r/min，0.2和0.5MPa，CVVL 升程和節(jié)氣門開度以不同組合比例切換，不同組合意味著切換起始和終了不同的歧管壓力。由圖可見：在①的切換過程中，節(jié)氣門開度不變，即歧管壓力保持為1018hPa，負(fù)荷切換100%由CVVL控制；在②的過程中，歧管起始壓力降低到800hPa，終了壓力保持為1 018hPa不變，負(fù)荷切換由CVVL和節(jié)氣門開度組合完成；同樣，在③的過程中，歧管起始壓力進(jìn)一步降低到600hPa，終了壓力降低到860hPa；在④的過程中，歧管起始壓力降低到415hPa，終了與③相同；在⑤的過程中，起始和終了氣門均處在全升程，負(fù)荷切換100%由節(jié)氣門開度控制，即相當(dāng)于非CVVL發(fā)動機(jī)。

圖10 CVVL和節(jié)氣門不同組合

在①的切換過程中，動態(tài)響應(yīng)時間最短，但進(jìn)氣量波動幅度最大。在⑤的過程中，動態(tài)響應(yīng)時間最長，但進(jìn)氣量波動幅度最小。②③④的切換過程，動態(tài)響應(yīng)時間和波動幅度介于①和⑤兩者之間，不同歧管壓力對進(jìn)氣波動影響測試結(jié)果匯總見表4。

表4 不同控制策略動態(tài)響應(yīng)比較

圖11為不同歧管壓力下的動態(tài)切換過程的詳細(xì)分析。隨著歧管壓力降低，CVVL升程提高，VVT在不同升程處切換，進(jìn)氣波動范圍也不相同。加油門過程，如圖11(a)所示，CVVL動作速度較快，首先沿600hPa VVT參考位置曲線到達(dá)目標(biāo)升程，產(chǎn)生第一個進(jìn)氣量峰值，此時VVT和歧管壓力上升動作較慢，對進(jìn)氣影響較小。隨著歧管壓力上升，進(jìn)氣量快速上升，產(chǎn)生最大進(jìn)氣量峰值。當(dāng)VVT切換到最大位置后，進(jìn)氣量下降到目標(biāo)進(jìn)氣量水平。如果起始歧管壓力較高(如800hPa)，當(dāng)CVVL到達(dá)目標(biāo)升程位置時，進(jìn)氣量高于目標(biāo)進(jìn)氣量，即第一個峰值已經(jīng)高于目標(biāo)進(jìn)氣量。隨著歧管壓力上升引起進(jìn)氣量繼續(xù)增加，加油門時會出現(xiàn)第二個更大的進(jìn)氣量峰值，VVT切換后再下跌到目標(biāo)進(jìn)氣量的現(xiàn)象。如果起始歧管壓力降低到600hPa以下，如415hPa，CVVL初始位置高于目標(biāo)升程位置，CVVL升程下降，引起進(jìn)氣量下跌，隨著歧管壓力上升和VVT切換，進(jìn)氣量達(dá)到目標(biāo)位置，進(jìn)氣量波動大小取決于歧管壓力和VVT的配合。當(dāng)CVVL處在全升程不變時，在全升程附近VVT切換引起的進(jìn)氣量波動范圍較小，因此進(jìn)氣較平順。

減油門過程如圖11(b)所示，CVVL同樣首先沿1 000hPa VVT最大重疊位置曲線到達(dá)目標(biāo)升程，進(jìn)氣量下降，當(dāng)VVT切換時，進(jìn)氣量出現(xiàn)微小反彈，隨歧管壓力下降到600hPa，達(dá)到目標(biāo)進(jìn)氣量。如果歧管壓力更快達(dá)到目標(biāo)歧管壓力，進(jìn)氣量低于目標(biāo)進(jìn)氣量，隨著VVT切換，逐步上升到目標(biāo)進(jìn)氣量。如果起始歧管壓力低于1 000hPa，如800hPa，進(jìn)氣量曲線下移，有助于降低進(jìn)氣波動，但CVVL起始升程增加，移動距離增加，移動時間增加，因此在CVVL未達(dá)到目標(biāo)位置前，VVT進(jìn)行切換，進(jìn)氣量波動會有所增加。如果VVT切換顯著快于CVVL，在較大升程進(jìn)行切換，則在任何歧管壓力下減油門均會出現(xiàn)進(jìn)氣量上沖。

隨著歧管壓力降低，進(jìn)氣量曲線下移，CVVL升程變化下降，有助于降低進(jìn)氣量波動。圖10過程③是較優(yōu)的控制方式，歧管壓力從650hPa到800hPa，是動態(tài)響應(yīng)時間和進(jìn)氣量波動幅度較好的折衷，同時，CVVL升程和節(jié)氣門開度在切換過程中動作較小，有利于延長機(jī)構(gòu)的壽命。

綜上，增加節(jié)氣門控制比例，降低歧管壓力，從而降低CVVL比例，可以減小進(jìn)氣量波動。但過低的歧管壓力，會降低進(jìn)氣量動態(tài)響應(yīng)速度，造成動態(tài)響應(yīng)時間明顯增加。因此，存在最佳歧管壓力，使進(jìn)氣波動和動態(tài)響應(yīng)時間達(dá)到最佳折衷。

4.3 VVT和CVVL響應(yīng)速度的影響

在前面的試驗中，CVVL和VVT的動態(tài)響應(yīng)速度均為最快，濾波時間均為0.01s。加油門和減油門過程中，進(jìn)氣均表現(xiàn)出不同程度的波動現(xiàn)象，特別是節(jié)氣門全開，完全由CVVL控制負(fù)荷時，進(jìn)氣波動嚴(yán)重，如圖5所示。下面研究CVVL和VVT的動態(tài)響應(yīng)速度對進(jìn)氣特性的影響，濾波時間越長，機(jī)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)速度越慢。為方便試驗，加減油門采用相同的濾波時間。

如果VVT濾波時間保持在0.01s，將CVVL濾波時間延長到1s，結(jié)果如圖12(a)所示。加油門過程的進(jìn)氣量動態(tài)響應(yīng)速度明顯降低，t50%延長到2 027ms，t90%延長到3 930ms。減油門過程出現(xiàn)進(jìn)氣量上沖現(xiàn)象，Δml＝10kg/h，動態(tài)響應(yīng)時間 t50%下降到674ms，t90%下降到910ms。如果CVVL濾波時間調(diào)整到0.75s時，如圖12(b)所示。加油門過程仍有上沖現(xiàn)象，Δml＝10kg/h，但小于CVVL濾波0.01s的情況。動態(tài)響應(yīng)時間縮短，t50%為280ms，t90%為810ms。減油門過程仍出現(xiàn)進(jìn)氣量上沖現(xiàn)象，Δml＝9kg/h，動態(tài)響應(yīng)時間 t50%為 290ms，t90%為 510ms。因此加油門時CVVL濾波時間0.75s控制效果優(yōu)于0.01和1s，而減油門時0.01s效果相對較優(yōu)。

圖12 CVVL動態(tài)響應(yīng)速度對進(jìn)氣量波動的影響

圖13 VVT動態(tài)響應(yīng)速度對進(jìn)氣量波動的影響(2 000r/min，Psr＝600～1 000hPa)

如果CVVL保持最快響應(yīng)速度，濾波時間保持在0.01s，VVT響應(yīng)速度的濾波時間增加到0.6s時，如圖13(a)所示。加油門進(jìn)氣量首先隨CVVL的增加迅速增加，表現(xiàn)出明顯的過度上沖，峰值進(jìn)氣量達(dá)到73.6kg/h。當(dāng)VVT從參考位置切換到最大重疊位置時，進(jìn)氣量隨VVT切換下降到目標(biāo)進(jìn)氣量，Δml達(dá)到21.1kg/h。減油門過程則表現(xiàn)平順，沒有進(jìn)氣上沖或急速下跌反彈現(xiàn)象。如果將VVT濾波時間縮短，如0.15s，結(jié)果如圖13(b)所示。與圖13(a)相比，僅加油門過程的進(jìn)氣量上沖時間變短，上沖幅度沒有明顯下降，但減油門過程進(jìn)氣平順。因此加油門時VVT濾波時間0.01s控制效果相對較優(yōu)，而減油門0.6和0.15s差異不大，但均優(yōu)于0.01s。

上述測試結(jié)果說明，在 2 000r/min時，0.2→0.5MPa加油門時，可以選擇VVT濾波時間0.01s，CVVL 0.75s；0.5→0.2MPa減油門時，可以選擇VVT濾波時間0.6s，CVVL 0.01s，作為相對最優(yōu)的控制方案。

上述結(jié)論與4.1節(jié)簡化模型的結(jié)論完全一致。

4.4 不同控制策略的動態(tài)響應(yīng)特性

表4為 2 000r/min，0.2和 0.5MPa之間切換時，不同控制策略的動態(tài)響應(yīng)時間和進(jìn)氣量波動范圍的比較。TB+VVT控制方式動態(tài)響應(yīng)時間最長，但進(jìn)氣量波動范圍Δml最小，Δml＝0。CVVL+VVT動態(tài)響應(yīng)最快，但進(jìn)氣量波動范圍Δml最大，加油門Δml＝25kg/h，減油門 Δml＝ 11kg/h。 CVVL+TB 方式當(dāng)歧管壓力從415切換到1 000hPa時，加油門進(jìn)氣量波動為0，但減油門波動較大，Δml＝20kg/h。CVVL+TB+VVT控制方式的動態(tài)響應(yīng)速度與起點和終點的歧管壓力有關(guān)，即與CVVL和TB在進(jìn)氣量的控制比例有關(guān)，800和1 000hPa之間切換時，動態(tài)響應(yīng)速度最快，加油門進(jìn)氣量波動也最大，Δml＝20kg/h，但減油門波動較小。降低歧管壓力 600和860hPa之間切換時，加減油門的動態(tài)響應(yīng)速度和進(jìn)氣量波動均達(dá)到比較優(yōu)化的結(jié)果，如果進(jìn)一步優(yōu)化CVVL和VVT動態(tài)響應(yīng)速度，可以達(dá)到最優(yōu)的控制效果。

從表4可以得到如下結(jié)論：相比于TB+VVT控制方式，CVVL+TB+VVT控制方式比其他3種控制方式達(dá)到更優(yōu)的控制效果，在最佳歧管壓力時，進(jìn)氣量波動相對最小，同時可以顯著提升動態(tài)響應(yīng)速度。加油門進(jìn)氣動態(tài)響應(yīng)時間t50%從310下降到100ms，t90%從840下降到120ms；減油門t50%響應(yīng)時間同樣明顯縮短，從450縮短到200ms，但t90%從590略延長到600ms。

5 不同轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣量下CVVL和VVT響應(yīng)速度

要把2 000r/min得到的結(jié)論擴(kuò)展到所有工況，首先需要理解不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時，VVT位置和CVVL升程的關(guān)系，以及VVT在參考位置和最大重疊位置時進(jìn)氣量的差異。圖14為穩(wěn)態(tài)工況下，進(jìn)排氣VVT在參考位置和最大重疊位置兩個極端位置時，不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)氣量和輸出轉(zhuǎn)矩曲線。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論。

(1)小升程時，VVT位置對進(jìn)氣量和輸出轉(zhuǎn)矩影響較小。1 000r/min小于1mm時，2 000r/min在小于1.5mm范圍內(nèi)，4 000r/min小于3mm范圍內(nèi)，5000r/min在小于3.5mm范圍內(nèi)。

(2)接近全升程，VVT切換對進(jìn)氣量的影響不確定，不同轉(zhuǎn)速，可能上升，可能下降。低速時，VVT最大重疊位置的進(jìn)氣量和輸出轉(zhuǎn)矩大于參考位置，1 000r/min超過16%，2 000r/min超過25%。4 000r/min時兩者輸出轉(zhuǎn)矩相同。5 000r/min時，VVT參考位置大于最大重疊位置。

(3)在上述升程位置中間時，進(jìn)排氣VVT在參考位置時的進(jìn)氣量和輸出轉(zhuǎn)矩均大于最大重疊角時。如1 000r/min，3到5mm升程范圍時高出38%到 50%；2 000r/min，5mm 時高出 30%；4 000r/min，6mm時高出38%；5 000r/min，7mm時高出50%。同樣，進(jìn)排氣VVT在參考位置進(jìn)氣量均比最大重疊位置高，如1 000r/min，3到5mm升程范圍時高出30%到68%；2 000r/min，5mm時高出29%以上；4 000r/min，6mm時高40%。5000r/min，7mm時高50%。

圖14 VVT在兩個極端位置時的輸出轉(zhuǎn)矩和進(jìn)氣量

(4)在大升程VVT參考位置時，輸出轉(zhuǎn)矩對升程不敏感，如4000r/min超過6mm升程，5000r/min超過7mm，輸出轉(zhuǎn)矩不再隨升程上升而上升，而是出現(xiàn)下降趨勢。而最大重疊位置時，輸出轉(zhuǎn)矩隨升程幾乎始終呈線性變化，并沒有出現(xiàn)缸內(nèi)殘余廢氣大量增加而影響進(jìn)氣量和轉(zhuǎn)矩輸出的現(xiàn)象[1]。

(5)進(jìn)氣量在VVT參考位置時，同樣出現(xiàn)對升程不敏感的現(xiàn)象，只是出現(xiàn)在更小升程時。低速時，如1 000r/min，在3mm后進(jìn)氣量近乎不再上升；高速時，如5 000r/min，在7mm之后。

上述現(xiàn)象的原因如下。

(1)在大負(fù)荷全升程時，較大的氣門重疊角，意味著更充分的換氣，即更大的進(jìn)氣量和更大的轉(zhuǎn)矩輸出，因此低速大負(fù)荷，如1 000和2 000r/min接近全升程時最大重疊位置進(jìn)氣量更大。但高速大負(fù)荷時，如5 000r/min大負(fù)荷，由于進(jìn)氣量大，換氣時間短，而VVT參考位置殘余廢氣少，因此VVT參考位置進(jìn)氣量更大。

(2)隨著升程下降，意味著進(jìn)氣門開啟持續(xù)期下降，推遲進(jìn)氣門開啟和提前關(guān)閉。在VVT最大重疊位置，由于排氣門開啟推遲，造成缸內(nèi)殘余廢氣量較多，同時氣門重疊角較小或者沒有重疊角，因此掃氣弱或者無掃氣；另一方面由于進(jìn)氣門開啟和關(guān)閉提前，減少了氣缸有效進(jìn)氣容積，因此進(jìn)氣量小，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩較小。反之，在VVT參考位置，排氣門提前開啟，減少缸內(nèi)殘余廢氣；進(jìn)氣門推遲開啟和關(guān)閉，進(jìn)一步增加氣缸有效進(jìn)氣容積，因此進(jìn)氣量較大。

(3)隨著氣門升程進(jìn)一步減小和負(fù)荷進(jìn)一步下降，殘余廢氣量和進(jìn)氣量下降，歧管和缸內(nèi)壓差接近臨界狀態(tài)，進(jìn)氣流速在整個進(jìn)氣過程中幾乎不變，因此對進(jìn)氣門和排氣門開啟關(guān)閉時刻不敏感，流量只取決于氣門升程大小，兩者呈線性關(guān)系。特別是高速時，進(jìn)氣時間短，活塞運動速度更快，因此較大升程時，對進(jìn)排氣門開啟和關(guān)閉時刻已經(jīng)不敏感了。

(4)VVT在參考位置時，由于缸內(nèi)殘余廢氣少，歧管與缸內(nèi)壓差大，造成進(jìn)氣流動速度隨升程上升更快，因此更早達(dá)到該轉(zhuǎn)速的最大氣缸充量。之后，進(jìn)氣量不再隨升程提高而上升。轉(zhuǎn)速越高，最大進(jìn)氣量越大，因此達(dá)到最大進(jìn)氣量需要的升程越大。反之在最大重疊位置時，進(jìn)氣流動速度相對較低，氣缸充氣慢，一般到最大升程時，才達(dá)到最大進(jìn)氣量，而在5000r/min在最大升程還沒有達(dá)到最大進(jìn)氣量。

綜上，上述穩(wěn)態(tài)各個轉(zhuǎn)速和工況下測試結(jié)果，與2 000r/min結(jié)果類似，因此在2 000r/min得到的優(yōu)化發(fā)動機(jī)動態(tài)工況控制和優(yōu)化方法的結(jié)論具有普遍性。

6 結(jié)論

(1)CVVL、節(jié)氣門和VVT單獨動作所引起的進(jìn)氣量動態(tài)響應(yīng)過程不相同，0-50%進(jìn)氣過程，CVVL引起的進(jìn)氣量動態(tài)響應(yīng)最快，其次是VVT，節(jié)氣門最慢。50%-90%進(jìn)氣過程，以及90%-100%進(jìn)氣過程，VVT的進(jìn)氣量動態(tài)響應(yīng)最快，其次是節(jié)氣門，CVVL最慢。

(2)用CVVL+TB+VVT負(fù)荷協(xié)同控制，實現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)氣過程。對于每個工況點，通過節(jié)氣門控制實現(xiàn)最佳歧管壓力，從而降低CVVL控制比例，提高進(jìn)氣平順性。同時以最佳歧管壓力進(jìn)行切換，CVVL升程和節(jié)氣門開度在切換過程中動作較小，有利于延長機(jī)構(gòu)壽命。

(3)加油門進(jìn)氣平順性和動態(tài)響應(yīng)速度的最佳平衡是：VVT保持最快響應(yīng)速度，濾波時間0.01s，同時增加濾波時間降低CVVL動態(tài)響應(yīng)速度，如采用0.75s，可以避免VVT和CVVL兩者進(jìn)氣下跌疊加，同時節(jié)氣門開度的增加可以補(bǔ)償CVVL造成的進(jìn)氣量下跌。

(4)減油門進(jìn)氣平順性和動態(tài)響應(yīng)速度的最佳平衡是：CVVL保持最快響應(yīng)速度，采用0.01s濾波，增加VVT濾波時間，如0.6s，以降低VVT動態(tài)響應(yīng)速度，同時避免 VVT響應(yīng)速度過慢造成的進(jìn)氣反彈。

通過采用上述負(fù)荷協(xié)同控制和動態(tài)補(bǔ)償策略，加減油門進(jìn)氣量和發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平順，在各轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下動態(tài)響應(yīng)時間比節(jié)氣門控制方式均顯著縮短。