關(guān)于VVT 超調(diào)影響因素的研究

羅秋萍 溫龍軒 劉勝強 郭 強 趙福成 王瑞平,2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

發(fā)動機作為汽車的心臟，為汽車提供動力。其燃油經(jīng)濟性與動力性是車輛最受關(guān)注的性能。而傳統(tǒng)的發(fā)動機凸輪軸相位不能隨汽車的速度、負荷以及各種外部因素的變化而變化，發(fā)動機在絕大部分工況下無法獲得最佳配氣正時相位?？勺儦忾T正時技術(shù)（Variable Valve Timing，VVT）的出現(xiàn)很好地解決了這個難題，這項技術(shù)可以調(diào)節(jié)發(fā)動機進排氣門的開啟與關(guān)閉時刻，保證了充氣系數(shù)，達到最優(yōu)的配氣正時相位，可以降低油耗與排放，是發(fā)動機非常關(guān)鍵的技術(shù)[1]。

OCV（oil control valve）和相位器是VVT 系統(tǒng)的關(guān)鍵零件。OCV 是提供相位器機油，并接收ECU 命令改變油壓驅(qū)動相位器的液壓控制閥[2]。相位器是執(zhí)行ECU 命令改變凸輪軸相位的執(zhí)行器。VVT 的跟隨性對發(fā)動機的性能非常重要，而最大超調(diào)是評價VVT 響應(yīng)性與跟隨性的重要指標(biāo)之一。最大超調(diào)指實際相位器第一次達到目標(biāo)角度后，實際角度相對目標(biāo)角度的最大偏移量。若超調(diào)量過大，則偏離原標(biāo)定開發(fā)的最優(yōu)燃燒工況，將影響發(fā)動機的動力性與排放性能[3-4]。因此改善VVT 的超調(diào)量對發(fā)動機性能具有重要意義。

本文目的是研究VVT 超調(diào)量的影響因素，重點是通過優(yōu)化OCV 零件參數(shù)減小VVT 的超調(diào)量，改善VVT 的響應(yīng)性與跟隨性。

1 OCV 與相位器的構(gòu)造和工作原理

OCV 主要是由線圈（閥體、閥芯、頂桿等）、閥套、換向桿、O 型圈、彈簧等零件組成。線圈接收控制信號后，產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力，推動閥芯移動，從而改變油路的油壓。相位器主要是由定子、轉(zhuǎn)子、前蓋、鎖銷機構(gòu)、復(fù)位彈簧等零件組成[5]。排氣帶有復(fù)位彈簧，進氣根據(jù)發(fā)動機工況可選擇是否帶卷簧。相位器轉(zhuǎn)子兩側(cè)分別為提前腔與滯后腔，其油路與OCV 的AB油孔油路連通。其中一個腔進油時，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，即實現(xiàn)了凸輪軸相位變化。

如圖1 所示，當(dāng)相位器處于初始位置（最滯后位置）時，OCV 未接收到控制信號，換向桿處于初始位置，此時機油從OCV 的P 口進入，沿內(nèi)部油道從B口出，最終進入VVT 提前腔。相位器滯后腔中機油從OCV 的A 口進入OCV，最終從OCV 的T 口排出，轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動，則實現(xiàn)了凸輪軸相位滯后。同理，油從A 口進入滯后腔，機油從提前腔排出，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動，則實現(xiàn)了凸輪軸相位提前。

圖1 相位器與OCV 工作原理

2 VVT 性能的臺架測試方法

VVT 最關(guān)鍵的功能是跟隨響應(yīng)，其評價指標(biāo)有響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)時間、最大超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)偏差，如圖2所示。

圖2 VVT 響應(yīng)性與跟隨性評價指標(biāo)

為了研究VVT 接收ECU 命令后，執(zhí)行命令的速度和控制穩(wěn)定性，同時也是給性能開發(fā)優(yōu)化標(biāo)定參數(shù)提供參考數(shù)據(jù)，我們利用發(fā)動機點火臺架閉環(huán)控制，測試VVT 跟隨響應(yīng)性能。測試過程將發(fā)動機其他邊界參數(shù)固定，并外接機油恒溫裝置與冷卻液外循環(huán)，搭建臺架。

具體測試工況如下：

1）發(fā)動機熱機后，控制主油道油溫與出水溫度為90 ℃，轉(zhuǎn)矩為50 N·m，分別將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min。

2）利用圖3 INCA 軟件調(diào)節(jié)進排氣VVT 走ECU的MAP，先手動控制進氣從初始位置按照15°CA 或5°CA 步長，調(diào)節(jié)至極限位置；再從極限位置按照15°CA 或5°CA 步長，調(diào)節(jié)至初始位置。如此定義為一個試驗循環(huán)，測試VVT 的最大超調(diào)量。

3）同樣地，再控制排氣VVT 進行一個試驗循環(huán)，測試VVT 的最大超調(diào)量。

3 VVT 超調(diào)的影響因素

3.1 標(biāo)定參數(shù)

一般地發(fā)動機正向開發(fā)時，若VVT 的響應(yīng)速度和控制穩(wěn)定性滿足要求，可以通過修改標(biāo)定PWM 參數(shù)，調(diào)整相位器的超調(diào)量。這種方法成本最低，效果最明顯。但目前國內(nèi)很多主機廠并不具備修改標(biāo)定參數(shù)的能力。同時，為了技術(shù)降本，開發(fā)二軌供應(yīng)商時需覆蓋原有的標(biāo)定數(shù)據(jù)。這時候必須通過修改相位器與OCV 零件本身來滿足最大超調(diào)要求。

圖3 VVT 性能測試INCA 軟件

3.2 相位器卷簧力

因發(fā)動機凸輪軸力矩作用于VVT 滯后方向，進氣相位器向提前方調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度要小于向滯后方調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度；而排氣正好相反。為了平均提前和滯后方向的調(diào)節(jié)速度，同時也是為了使排氣相位器更好地回位和落鎖，相位器會采用卷簧。若卷簧力設(shè)計不合理，卷簧力過大或過小，VVT 均會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

10月24日，國家重點工程——港珠澳大橋正式通車運營。在這座由粵港澳三地首次合作共建的超大型跨海交通工程中，有著上?；て髽I(yè)的一份辛勞，其中，大橋橋梁混凝土和內(nèi)部鋼筋防腐蝕保護，使用了嘉寶莉的硅烷浸漬漆，而東方雨虹則為大橋?qū)ｉT定制了防水系統(tǒng)解決方案。

因此，在設(shè)計時可以仿真計算相位器提前與滯后方向的受力情況，選擇合適的卷簧力，避免出現(xiàn)提前或滯后方向受力不均勻?qū)е鲁{(diào)或欠調(diào)現(xiàn)象（欠調(diào)：響應(yīng)時間過長）。

3.3 OCV 中位占空比與中心幅值對相位器超調(diào)的影響

OCV 是影響VVT 控制性能的重要零件。一般地，OCV 會采用流量-占空比或流量-電流圖表示OCV 的流量特性，如圖4 所示。本文發(fā)動機采用占空比控制信號，因此以流量-占空比描述OCV 性能。占空比從0%至100%，AB 油路所對應(yīng)的開啟情況如圖5 所示?？梢钥闯鲇吐妨髁壳€左側(cè)斜線代表了相位器調(diào)節(jié)的下降沿，即相位器從小角度向大角度調(diào)節(jié)；曲線右側(cè)斜線代表了相位器調(diào)節(jié)的上升沿，即相位器從大角度向小角度調(diào)節(jié)。

3.3.1 OCV 中位占空比對相位器超調(diào)的影響

圖4 OCV 流量-占空比示意圖

當(dāng)相位器轉(zhuǎn)子提前腔與滯后腔油壓相同，相位穩(wěn)定時，此時的占空比稱為中位占空比，如圖4 中的③所示。標(biāo)定在進行性能開發(fā)時，會預(yù)設(shè)某溫度下的中位占空比。相位器具有±5%左右的自學(xué)習(xí)能力，若實際OCV 的中位占空比與標(biāo)定預(yù)設(shè)值相差在±5%以內(nèi)時，相位器可以自學(xué)習(xí)彌補差值。若差值大于5%時，相位器調(diào)節(jié)角度過程，同一占空比下對應(yīng)的流量相差較大，則容易產(chǎn)生超調(diào)或欠調(diào)（欠調(diào)時，應(yīng)評估響應(yīng)時間）。

如圖5 所示，假設(shè)曲線1 為標(biāo)定預(yù)設(shè)占空比流量曲線，中位占空比為40%；曲線2、3 是實際OCV流量曲線，中位占空比分別為25%和55%。曲線左側(cè)，對應(yīng)的B 腔油壓PB3＞PB1＞PB2。曲線右側(cè)，對應(yīng)的A 腔油壓PA2＞PA1＞PA3。我們可以得到以下結(jié)論：

圖5 不同中位占空比流量曲線示意圖

1）曲線2 油壓不足，下降沿容易欠調(diào)；曲線3 油壓過大，下降沿容易超調(diào)。

2）曲線2 油壓過大，上升沿容易超調(diào)；曲線3 油壓不足；上升沿容易欠調(diào)。

圖6 中位占空比對最大超調(diào)量的影響

圖7 中位占空比40%，超調(diào)滿足要求

圖8 中位占空比25%，上升沿超調(diào)下降沿欠調(diào)

圖9 中位占空比45%，上升沿欠調(diào)下降沿超調(diào)

研究表明，OCV 中位占空比與標(biāo)定和設(shè)計值相同或接近時，對VVT 的超調(diào)影響最小，當(dāng)中位占空比遠小于標(biāo)定預(yù)設(shè)值時，VVT 容易出現(xiàn)下降沿欠調(diào)上升沿超調(diào)，當(dāng)中位占空比遠大于標(biāo)定預(yù)設(shè)值時，VVT 容易出現(xiàn)下降沿超調(diào)上升沿欠調(diào)。

3.3.2 OCV 中心幅值對相位器超調(diào)的影響

如圖4 所示，流量曲線寬度為中心幅值。常用QN=1 L 或0.5 L 時的曲線寬度作為中心幅值。如圖10 所示，曲線1 中心幅值為13%，曲線2 中心幅值20%；可以看出曲線左側(cè)，PB1＞PB2，曲線右側(cè)，PA1＞PA2。我們可以得出結(jié)論：中心幅值小時，OCV 容易超調(diào)，中心幅值大時，容易欠調(diào)。

為了更好地研究這一規(guī)律，我們基于發(fā)動機做為研究對象，選取了不同中心幅值的OCV 樣件進行臺架限位器響應(yīng)性與跟隨性試驗。每組樣本量2 個，樣件分組與測試結(jié)果如圖11 至13 所示。

圖10 不同中心幅值流量曲線示意圖

圖11 中心幅值13%，VVT 超調(diào)

圖12 中心幅值17%，VVT 超調(diào)滿足要求

圖13 中心幅值22%，VVT 欠調(diào)

如圖11 至13 所示，中心幅值13%時超調(diào)量＞17%時的超調(diào)量＞22%時的超調(diào)量，即中心幅值越大，超調(diào)量越小。因此，設(shè)計過程要選取合適的中心幅值，中心幅值過大容易造成欠調(diào)，響應(yīng)時間過長；若中心幅值過小容易造成超調(diào)過大。

4 結(jié)論

1）優(yōu)先通過修改標(biāo)定PWM 參數(shù)調(diào)整超調(diào)量。

2）選擇合適的相位器卷簧力可改善超調(diào)量。

3）OCV 中位占空比與標(biāo)定預(yù)設(shè)值接近時，對VVT 的超調(diào)影響很小，當(dāng)中位占空比遠小于標(biāo)定預(yù)設(shè)值時，VVT 容易出現(xiàn)下降沿欠調(diào)上升沿超調(diào)，當(dāng)中位占空比遠大于標(biāo)定預(yù)設(shè)值時，VVT 容易出現(xiàn)下降沿超調(diào)上升沿欠調(diào)。

4）中心幅值越大，超調(diào)量越小。