發(fā)動機電磁驅動配氣機構性能試驗

陳慧濤 常思勤 范愛民

南京理工大學機械工程學院，南京，210094

0 引言

常規(guī)發(fā)動機采用凸輪機構驅動氣門運動，其配氣定時和氣門升程都受到凸輪線性的限制，只能在部分工況下獲得最佳性能[1]。無凸輪發(fā)動機中的配氣機構可使進/排氣門開啟和關閉相位、升程及其運動規(guī)律隨發(fā)動機工況實時地進行柔性化調節(jié)，具備顯著提升發(fā)動機(特別是由節(jié)氣門調節(jié)負荷的發(fā)動機)動力性和經濟性以及改善排放的潛力[2]。

無凸輪可變配氣機構按照其驅動原理可以分為電磁驅動配氣機構(electromagnetic valvetrain, EMVT)、電液驅動配氣機構及電氣驅動配氣機構，現(xiàn)有的研究主要集中于前兩者。美國通用公司在20世紀90年代提出了一種雙電磁鐵、雙彈簧的EMVT方案[3]，德國FEV公司[4]、法國Valeo公司[1,5]以及國內的清華大學[6-7]和浙江大學[8-9]都曾對這類雙EMVT展開過相關研究。福特公司則在20世紀90年代設計出了一種由液壓活塞驅動的電液驅動配氣機構[10]，吉林大學[11-12]、浙江大學[13]和北京理工大學[14]等單位也針對這類配氣機構進行了相關研究。常思勤等[2,15]基于動圈式電磁直線執(zhí)行器的工作原理，提出一種不同于雙電磁鐵型EMVT的新型EMVT的技術方案，并已完成了多輪樣機的試制。

EMVT的最大升程、響應速度和落座速度等基本性能參數(shù)將直接影響EMVT是否具備實際應用的可行性，且實現(xiàn)對氣門運動模式的柔性化調節(jié)是提升發(fā)動機性能的基礎，因此本文針對自行研制的動圈式EMVT，搭建了試驗平臺，并對EMVT的基本性能、氣門運動的柔性調節(jié)能力以及運行穩(wěn)定性進行了試驗研究。在此基礎上，本文提出了一種EMVT應用于發(fā)動機進氣系統(tǒng)的控制系統(tǒng)方案，并通過半實物仿真驗證了所提方案的可行性，證明了EMVT的氣門可以正確地按控制指令進行運動，以及實現(xiàn)期望的運動規(guī)律。

1 試驗平臺的搭建

與目前展開研究較多的雙電磁鐵、雙彈簧型可變配氣機構相比，本文采用的動圈式EMVT在動態(tài)響應、氣門落座速度控制、磁滯損耗和渦流損耗等方面有較大優(yōu)勢。動圈式EMVT的執(zhí)行器主要由外磁軛、內磁軛、電磁線圈和永磁體等部分組成。對一直列四缸、每缸四氣門的汽油機缸蓋進行加工改裝，再將執(zhí)行器安裝于其中一缸的兩個進氣門上。執(zhí)行器結構和硬件實物如圖1所示。

圖1 執(zhí)行器結構和硬件實物Fig.1 Structure and hardware of the actuator

試驗平臺主要由數(shù)字信號處理器(digital signal processor，DSP)(型號TMS320F2812)、功率驅動電路、EMVT、電流和位移傳感器、信號調理電路以及上位機組成，如圖2所示。其中DSP作為核心處理器，主要作用包括運行控制算法、輸出脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM)控制信號、采集傳感器反饋信號以及與上位機進行通信等；功率驅動電路根據DSP輸出的PWM信號來調節(jié)執(zhí)行器兩端電壓，以控制電磁線圈中的電流，從而實現(xiàn)特定的氣門運動規(guī)律；電流、位移傳感器和信號調理電路為DSP提供電流和位移的反饋信號，從而形成控制閉環(huán)。

圖2 試驗平臺結構Fig.2 Structure of the test platform

DSP通過對氣門位移和執(zhí)行器中電流的閉環(huán)控制來實現(xiàn)對氣門運動的精確控制。DSP運行的是文獻[16]提出的一種基于反演滑模控制方法的氣門運動控制算法。

2 柔性控制試驗結果與分析

2.1 EMVT的基本性能

所研制的動圈式EMVT設計的最大升程為8 mm。氣門開啟或關閉過程(從5%氣門開度至95%氣門開度的范圍[17])的所需時間定義為氣門過渡時間，過渡時間越短，氣門開啟和關閉的速度就越快，EMVT能適用的發(fā)動機轉速也越高。試驗中測得，當最大升程為8 mm時，EMVT能達到的最短過渡時間為2.7 ms。圖3所示為當模擬發(fā)動機轉速為6 000 r/min時，在8 mm最大升程和2.7 ms過渡時間的氣門工況下，測得的氣門實際位移與曲軸轉角的關系。試驗中氣門達到最大升程后立即開始關閉，整個開閉過程對應的曲軸轉角為244.8°，試驗結果表明，該EMVT可以滿足轉速為6 000 r/min時的響應要求。

圖3 6 000 r/min轉速時的氣門升程曲線Fig.3 Valve lift curve at engine speed of 6 000 r/min

過大的氣門落座速度會引起振動噪聲，同時影響氣門密封性和發(fā)動機壽命。當氣門落座速度控制在0.1 m/s以下時，可以認為發(fā)動機實現(xiàn)了氣門緩落座[18]。影響落座速度控制難度的主要因素是氣門最大升程和過渡時間，最大升程越大、過渡時間越短，則落座速度越難控制。在前期研究工作[19]中，設定實際應用時的最短過渡時間為3 ms,因此在8 mm最大升程和3 ms最短過渡時間的氣門工況下，采集5個工作循環(huán)中落座過程的氣門速度-位移曲線，見圖4。從圖4中可以看出，5個循環(huán)的氣門速度-位移曲線的一致性和重復性較好，平均氣門落座速度為0.028 m/s，滿足氣門緩落座的要求。

圖4 落座過程氣門速度-位移曲線Fig.4 Valve velocity-displacement curves in the seating process

EMVT的能量主要消耗在氣門開啟和關閉的過程中，而在保持開啟和關閉的過程中所消耗的能量較少。增大氣門最大升程和縮短過渡時間，均會增大消耗的能量。保持開啟和關閉相位不變，在最大升程為8 mm和過渡時間為3 ms的氣門工況下，試驗測得的動圈式EMVT的單個氣門每循環(huán)消耗的能量和功率見圖5。從圖5中可以看出，在最大升程和過渡時間不變的情況下，不同轉速下每循環(huán)消耗能量變化不大，最大值為0.92 J；功率隨發(fā)動機轉速的增大而增大，最大值為46.20 W。作為對比，某2.0 L、16氣門的四缸汽油機在6 000 r/min轉速條件下，其凸輪驅動配氣機構的單個進氣門每循環(huán)消耗的能量和功率分別為2.5 J和140 W[20]，因此動圈式EMVT在能耗方面有較大優(yōu)勢。

圖5 不同轉速下的EMVT能耗Fig.5 Power consumption of EMVT at different engine speeds

此外，該EMVT中每個氣門均由獨立的電磁直線執(zhí)行器驅動，因此每個氣門的運動均可獨立控制，可以實現(xiàn)諸如每個氣缸的兩個進氣門先后開啟或關閉以及一開一關等運動規(guī)律。

2.2 配氣定時柔性調節(jié)試驗

通過改變控制氣門開啟和關閉相位的指令，可以實現(xiàn)對EMVT的配氣定時以及開啟持續(xù)期的柔性調節(jié)。這也是在取消節(jié)氣門的無凸輪發(fā)動機中，實現(xiàn)發(fā)動機負荷控制的主要方式。

圖6所示為氣門開啟持續(xù)期tc不變，改變配氣定時的試驗結果，試驗中將氣門的開啟時刻相較標稱值分別提前和延后2 ms。圖7所示為保持氣門開啟時刻不變，將開啟持續(xù)期tc依次增加2 ms的試驗結果。上述試驗中均設定氣門最大升程為8 mm，過渡時間為3 ms。從圖6和圖7中可以看出，氣門可以正確地按配氣定時的指令進行運動。

圖6 配氣定時柔性調節(jié)試驗曲線Fig.6 Curves of the flexible adjustment test of the valve timing

圖7 開啟持續(xù)期柔性調節(jié)試驗曲線Fig.7 Curves of the flexible adjustment test of the opening duration

2.3 過渡時間柔性調節(jié)試驗

當發(fā)動機轉速較高時，EMVT需要采用較短的過渡時間，以滿足高速響應的要求，而這會消耗更多能量，同時會增大緩落座控制的難度，因此在不同發(fā)動機工況下，需采用不同的氣門過渡時間。

圖8 過渡時間柔性調節(jié)試驗曲線Fig.8 Curves of the flexible adjustment test of the transition time

圖8所示為氣門過渡時間柔性調節(jié)試驗的結果，試驗中設定最大升程為8 mm，氣門開啟和關閉的時刻保持不變，目標過渡時間tt分別為3 ms、4 ms、5 ms和6 ms，試驗中測得的實際過渡時間分別為2.9 ms、4.1 ms、5.1 ms和6.2 ms。試驗結果表明氣門能正確地按指令進行運動。在實際應用中，氣門過渡時間tt可連續(xù)調節(jié)，并不局限于試驗中的幾個方案。

2.4 升程柔性調節(jié)試驗

不同發(fā)動機工況下采用不同的氣門升程，既有助于減小EMVT的功耗，也有助于提高進氣效率、改善工質運動。圖9所示為氣門升程柔性調節(jié)試驗的結果，試驗中設定過渡時間tt為3 ms，最大升程分別為4 mm、6 mm和8 mm。試驗結果表明氣門能正確按指令進行運動，不同曲線最大升程的絕對誤差限為0.04 mm。在實際應用中，氣門升程可在0～8 mm之間連續(xù)調節(jié)，并不局限于試驗中采用的方案。

圖9 升程柔性調節(jié)試驗曲線Fig.9 Curves of the flexible adjustment test of the lifts

2.5 氣門二次開啟試驗

廢氣再循環(huán)(EGR)技術是降低發(fā)動機NOx排放物和提高發(fā)動機經濟性的有效手段，在排氣行程中開啟進氣門可以實現(xiàn)內部EGR，通過改變進氣門二次開啟的相位、持續(xù)期和升程等參數(shù),可以較方便地調節(jié)EGR率，EMVT為上述內部EGR技術方案的實現(xiàn)提供了可行性。

圖10 氣門二次開啟試驗曲線Fig.10 Curve of the valve secondary opening test

圖10所示為氣門二次開啟試驗的結果，試驗中設定第一次開啟升程為8 mm，曲軸轉過200°后進行第二次開啟，此時升程為4 mm。從圖10中可以看出，氣門能正確地按照指令進行運動。該試驗只為證明EMVT能實現(xiàn)氣門二次開啟的技術方案，并不對氣門運動規(guī)律與EGR率、NOx生成量及發(fā)動機性能之間的關系進行研究。

3 穩(wěn)定性運行試驗結果與分析

在模擬發(fā)動機轉速為1 000 r/min、3 000 r/min和6 000 r/min的工況下，EMVT分別連續(xù)運行60 min，每分鐘采集一次氣門開閉過程的位移數(shù)據，以分析EMVT運行的穩(wěn)定性和一致性。試驗中設定氣門最大升程均為8 mm，過渡時間均為3 ms，1 000 r/min和3 000 r/min轉速下的氣門保持開啟一段時間，且時間域內的氣門開啟持續(xù)期相同，6 000 r/min轉速下的氣門達到最大升程后立即開始關閉，無保持開啟階段，結果見圖11。從圖11中可以看出，各轉速下氣門升程曲線的一致性和重復性較好，在高轉速6 000 r/min條件下，各曲線之間略有波動。穩(wěn)定性試驗證明了該EMVT能長時間穩(wěn)定運行。

4 半實物仿真試驗結果與分析

4.1 試驗平臺的建立

在實際應用中，與點火控制和噴油控制類似，發(fā)動機電子控制單元(electronic control unit，ECU)中需要集成EMVT的控制模塊。該控制模塊的作用是根據發(fā)動機工況輸出合適的進氣門運動參數(shù)，并通過CAN總線傳輸給EWVT的ECU(即第1節(jié)中以DSP為核心處理器的控制系統(tǒng))，由EMVT的ECU控制氣門運動，實現(xiàn)期望的氣門運動規(guī)律。

(a)n=1 000 r/min

(b)n=3 000 r/min

(c)n=6 000 r/min圖11 穩(wěn)定性運行試驗結果Fig.11 Results of stability test

圖12 發(fā)動機模型和EMVT控制模塊的結構Fig.12 Block diagram of the engine model and theEMVT controller

為減少CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據量和EMVT的ECU的計算量，EMVT控制模塊并不直接輸出開啟和關閉相位的值，而是在曲軸旋轉到開啟相位時輸出氣門開啟信號(即二進制的1)，在曲軸旋轉到關閉相位時輸出氣門關閉信號(即二進制的0)。

為驗證上述控制系統(tǒng)方案以及EMVT控制模塊的可行性，在第1節(jié)所述試驗平臺的基礎上建立了基于dSPACE系統(tǒng)和CAN總線的半實物仿真平臺，如圖13所示。在試驗過程中，發(fā)動機模型和EMVT控制模塊實時運行在dSPACE系統(tǒng)中，并與EMVT中的ECU通過CAN總線進行通信。

(a)半實物仿真試驗平臺實物

(b)半實物仿真試驗平臺結構圖13 半實物仿真試驗平臺Fig.13 Test platform for hardware-in-the-loop simulation

4.2 試驗結果與分析

試驗中，通過改變發(fā)動機目標轉速n和期望輸出的有效轉矩Te，使EMVT控制模塊輸出不同的氣門運動參數(shù)，采集實際氣門位移曲線，以檢驗其是否符合EMVT控制模塊的要求。

分別在1 500 r/min和2 500 r/min轉速條件下，期望輸出的有效轉矩以20 N·m的步長從20 N·m增加到140 N·m。在1 500 r/min轉速條件下，EMVT控制模塊輸出的氣門最大升程均為4 mm，開啟相位均為360°，過渡時間均為3 ms，關閉相位見表1，相應采集到的氣門實際位移曲線見圖14；在2 500 r/min轉速條件下,EMVT控制模塊輸出的氣門最大升程均為8 mm，開啟相位均為360°，過渡時間均為3ms，關閉相位見表2，相應采集到的氣門實際位移曲線見圖15。

表1 1 500 r/min轉速時條件下氣門控制參數(shù)

圖14 1 500 r/min轉速條件下的氣門升程曲線Fig.14 Valve profiles at condition of 1 500 r/min

表2 2 500 r/min轉速條件下的氣門控制參數(shù)

圖15 2 500 r/min轉速條件下的氣門升程曲線Fig.15 Valve profiles at condition of 2 500 r/min

對比表1和圖14以及表2和圖15可以發(fā)現(xiàn)，氣門實際的開啟相位與EMVT控制模塊的要求基本一致，而實際的關閉相位均滯后了10°左右。這主要是由DSP中運行的控制算法為滿足氣門緩落座的要求，在關閉階段后期降低氣門運動速度引起的。在今后研究中會對相關控制算法進行改進，使氣門實際運動既滿足緩落座要求，同時也符合EMVT控制模塊的要求。

5 結論

(1)所研制的動圈式電磁驅動配氣機構設計的最大升程為8 mm，此升程下氣門開閉的最小過渡時間為2.7 ms，滿足發(fā)動機最高轉速為6 000 r/min時的高速響應要求；平均氣門落座速度為0.028 m/s，滿足緩落座的要求；當轉速為6 000 r/min時，單個進氣門每循環(huán)消耗能量和功率分別為0.92 J和46.20 W，與傳統(tǒng)凸輪驅動配氣機構的單個進氣門每循環(huán)消耗能量和功率相比，有明顯降低；每個氣門的運動均可獨立控制。結果表明動圈式電磁驅動配氣機構滿足了實際應用的基本要求。

(2)該動圈式電磁驅動配氣機構可對配氣定時、氣門開啟持續(xù)期、氣門開啟和關閉的過渡時間、氣門升程等參數(shù)進行柔性調節(jié)，且可在一個發(fā)動機工作循環(huán)內實現(xiàn)氣門的多次開啟，為實現(xiàn)內部EGR提供了技術可行性。結果表明該電磁驅動配氣機構具備改善發(fā)動機動力性和經濟性的潛力。

(3)該動圈式電磁驅動配氣機構有較高的工作可靠性，在低、中、高轉速下均能長時間穩(wěn)定運行，氣門運動的重復性和一致性較好。

(4)半實物仿真試驗模擬了動圈式電磁驅動配氣機構在發(fā)動機進氣系統(tǒng)中實際應用時的情況，仿真結果驗證了所提控制系統(tǒng)方案的可行性，結果表明進氣門能按電磁驅動配氣機構控制模塊的要求進行運動。