中心螺栓式VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性的試驗(yàn)與優(yōu)化

石秀勇　黃天培

摘 要：采用臺(tái)架試驗(yàn)的方法，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)中心螺栓式VCT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性，得到了運(yùn)行參數(shù)、控制參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性的規(guī)律。結(jié)果表明，調(diào)整各影響參數(shù)時(shí)，不能同時(shí)兼得中心螺栓式VCT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了某一區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)VCT的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，對(duì)其進(jìn)行了原因分析并提出優(yōu)化方案，穩(wěn)定性從±4°CA優(yōu)化至±1°CA。

關(guān)鍵詞：相位器;動(dòng)態(tài)響應(yīng);穩(wěn)定性;臺(tái)架試驗(yàn)

1 引言

可變凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)（VCT）能使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下滿足動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放要求[1]。中心螺栓式VCT，屬于葉片式可變凸輪軸相位機(jī)構(gòu)。它使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊;縮短相位器與油路控制閥體的距離，使得響應(yīng)更快更穩(wěn)定;降低機(jī)油壓力驅(qū)動(dòng)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)油泵做功，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放。越來(lái)越多的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始漸漸使用這種結(jié)構(gòu)的VCT。

20世紀(jì)80年代前，可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)制存在造成本高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不佳和控制相位器轉(zhuǎn)動(dòng)角度小等問(wèn)題[2]，直到20世界90年代后，這些問(wèn)題逐步得到改善，開(kāi)始取得了較多進(jìn)步和發(fā)展[3]。均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)要利用VCT來(lái)調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)可燃混合氣與廢氣的含量[4];米勒循環(huán)與阿特金森循環(huán)也是靠VCT調(diào)整進(jìn)排氣門開(kāi)閉時(shí)間實(shí)現(xiàn)[5];對(duì)增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，在低轉(zhuǎn)速下通過(guò)增大氣門重疊角來(lái)掃氣，減小渦輪遲滯，提高扭矩響應(yīng)[6]。

目前，對(duì)VCT的研究多數(shù)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)穩(wěn)定性的研究比較少。本文將通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，并采用閉環(huán)控制的方法研究中心螺栓式VCT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性，為相位器的設(shè)計(jì)與使用提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

2 中心螺栓式VCT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)

動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性是VCT的兩個(gè)重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]。動(dòng)態(tài)響應(yīng)直接影響了相位器在作動(dòng)時(shí)的死區(qū)時(shí)間（Dead Time）和執(zhí)行速率;穩(wěn)定性則體現(xiàn)了VCT的控制準(zhǔn)確度。

對(duì)VCT的執(zhí)行速率要求一般在100°CA/s 以上就算合格[8];對(duì)穩(wěn)定性沒(méi)有特別規(guī)定，工作時(shí)一般在±2°CA內(nèi)能接受。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)以執(zhí)行速率與死區(qū)時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)。相位器的執(zhí)行速率是指，從某一角度到另一角度的速度，等于角度的絕對(duì)值除以執(zhí)行時(shí)間，單位：°CA/s。死區(qū)時(shí)間是指，從控制器發(fā)出指令到相位器開(kāi)始作動(dòng)，所經(jīng)歷的時(shí)間。

穩(wěn)定性S是描述在相位器在某一角度上的波動(dòng)情況，數(shù)值等于波動(dòng)的最大值與最小值的絕對(duì)值除以2。

3 VCT試驗(yàn)的臺(tái)架設(shè)備

試驗(yàn)采用倒拖臺(tái)架，動(dòng)力由電機(jī)發(fā)出并傳遞到正時(shí)鏈條，鏈條帶動(dòng)相位器旋轉(zhuǎn)，相位器的內(nèi)轉(zhuǎn)子與凸輪軸相連。發(fā)動(dòng)機(jī)只保留缸蓋以上部分，提供的機(jī)油由外部伺服供給，中心螺栓式VCT測(cè)試系統(tǒng)。

控制軟件由Labview軟件搭配NI（National Instrument）板卡組成。Labview軟件編輯的控制界面，用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，機(jī)油供給壓力及溫度設(shè)定。實(shí)時(shí)測(cè)得相位器電磁閥電流電壓值、閥芯位移量等。CANape則通過(guò)CAN總線連接ECU，用于標(biāo)定曲軸轉(zhuǎn)角與相位器的相對(duì)位置，控制中心螺栓式VCT的角度，設(shè)定PWM控制頻率等。

4 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用閉環(huán)控制，在研究各參數(shù)對(duì)VCT的影響時(shí)，固化各PID的設(shè)定值。以排氣相位器為研究對(duì)象，總行程50°CA，閉環(huán)控制相位器在10°CA到40°CA之間來(lái)回作動(dòng)，每個(gè)采數(shù)點(diǎn)取5個(gè)循環(huán)的平均值。

4.1 運(yùn)行參數(shù)試驗(yàn)

（1）機(jī)油溫度對(duì)VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選取常用的700r/min、1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min和5000r/min;回位彈簧2.6Nm，PWM控制頻率設(shè)定110Hz時(shí)，選取機(jī)油溫度40℃，90℃和120℃進(jìn)行比較。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，得到40℃、90℃和120℃機(jī)油溫度下，各轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的執(zhí)行速率圖：

機(jī)油溫度40℃時(shí)，相位器的執(zhí)行速率往提前與滯后方向是最小的，而120℃機(jī)油溫度時(shí)相位器的執(zhí)行速率最快。90℃機(jī)油溫度下相位器的執(zhí)行速率介于40℃與120℃油溫之間。各個(gè)溫度下，隨著機(jī)油壓力的增加，相位器的執(zhí)行速率有逐漸增加的趨勢(shì)。

相位器在往提前與滯后方向作動(dòng)時(shí)，40℃時(shí)的死區(qū)時(shí)間最久，其次90℃，120℃的死區(qū)時(shí)間最短。

相位器在往提前與滯后方向作動(dòng)時(shí)，40℃油溫時(shí)的穩(wěn)定性最好，120℃油溫時(shí)的穩(wěn)定性最差，90℃介于兩者之間。

主要由于機(jī)油溫度在40℃時(shí)，動(dòng)力粘度較大，流動(dòng)性較差，相位器的提前與滯后腔建立起壓力的時(shí)間較長(zhǎng)，所以執(zhí)行速率較慢;同時(shí)受到機(jī)油從油底殼到中心閥體螺栓的時(shí)間較慢，與機(jī)油從提前腔到滯后腔之間的流通變慢的雙重影響，死區(qū)時(shí)間增加。又因?yàn)榈蜏卣扯却蟮年P(guān)系，油分子之間產(chǎn)生的阻力大，能夠抵抗來(lái)自凸輪軸扭矩波動(dòng)的能力也相應(yīng)增強(qiáng)，所以相位器在低溫時(shí)能夠保持較好的穩(wěn)定性。在高溫時(shí)，則相反。

可知：機(jī)油溫度越高，執(zhí)行速率越高，死區(qū)時(shí)間越短，穩(wěn)定性越差;相反，機(jī)油溫度越低，執(zhí)行速率越低，死區(qū)時(shí)間越長(zhǎng)，穩(wěn)定性越好。

（2）機(jī)油壓力對(duì)VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在2000r/min，機(jī)油溫度40℃，回位彈簧2.6Nm，PWM控制頻率設(shè)定110Hz時(shí)，比較主油道壓力0.5bar，1bar，2bar，3bar，4bar，5bar下的影響。

機(jī)油壓力從0.5bar至5bar之間，相位器往提前與滯后方向的執(zhí)行速率逐漸增大，死區(qū)時(shí)間也隨之縮短。當(dāng)機(jī)油壓力從0.5bar到4bar之間時(shí)，穩(wěn)定性逐漸變好，但當(dāng)油壓超過(guò)4bar之后，穩(wěn)定性突然變差。

主要由于機(jī)油壓力增加，推動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子的油壓增加，使相位器的執(zhí)行速率提高;提前與滯后腔內(nèi)的油壓能快速建立起來(lái)，使死區(qū)時(shí)間縮短，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變好。當(dāng)機(jī)油過(guò)大，超過(guò)了PID的可控范圍時(shí)，相位器的穩(wěn)定性會(huì)變差。

可知：機(jī)油壓力越大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越好。穩(wěn)定性隨著機(jī)油壓力的增加而變好，但當(dāng)油壓過(guò)大時(shí)，穩(wěn)定性變差。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，由于機(jī)油泵供給的壓力較低，相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性較差，這是VCT在使用過(guò)程中遇到的普遍問(wèn)題。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：主油道壓力3bar，機(jī)油溫度90℃，回位彈簧2.6Nm，PWM控制頻率設(shè)定110Hz時(shí)，比較發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速700r/min，1000r/min，2000r/min，3000r/min，4000r/min，5000r/min下的影響。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)上，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)執(zhí)行速率影響不大;隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，死區(qū)時(shí)間逐漸變短。穩(wěn)定性上，怠速700r/min與高速5000r/min的抖動(dòng)比較大，穩(wěn)定性差。

將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min提升至5000r/min，相位器通過(guò)閉環(huán)控制保持在30°CA，機(jī)油壓力恒定3bar，觀察相位器的抖動(dòng)量。

可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3100r/min至3500r/min之間相位器出現(xiàn)異常劇烈地抖動(dòng)，抖動(dòng)量已經(jīng)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速與高速時(shí)的抖動(dòng)量，其中3300r/min時(shí)相位器的抖動(dòng)量達(dá)到峰值，穩(wěn)定性急劇下降。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從3500r/min繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速時(shí)，穩(wěn)定性又再次變好。

4.2 控制參數(shù)試驗(yàn)

PWM控制頻率對(duì)VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選取常用的700r/min、1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min和5000r/min，機(jī)油溫度90℃，回位彈簧2.6Nm，比較PWM控制頻率在50Hz，110Hz和170Hz下的影響。

可知：PWM值越大，執(zhí)行速率越低，死區(qū)時(shí)間越短穩(wěn)定性越好;PWM值越小，執(zhí)行速率越高，死區(qū)時(shí)間越長(zhǎng)，穩(wěn)定性越差。

為了進(jìn)一步解釋，在VCT上安裝位移傳感器，目的是監(jiān)控閥芯的運(yùn)動(dòng)情況，并且通過(guò)Labview設(shè)備采集控制電磁閥的電流，中心閥體的位移和相位器作動(dòng)的關(guān)系。取2000r/min這個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)為研究對(duì)象，機(jī)油溫度90℃，主油道壓力3bar，回位彈簧2.6Nm。

當(dāng)PWM控制頻率在50Hz時(shí)，電磁閥的閉環(huán)控制響應(yīng)較慢?？刂芕FS的電流波動(dòng)幅值較大，直接引起中心閥體的位移量過(guò)大，最終使相位器的抖動(dòng)增大，穩(wěn)定性變差。因?yàn)榭刂祁l率低的原因，中心閥體與殼體的摩擦頻率也低，從某一位置到另一位置也更加順暢，所以執(zhí)行速率高。又因?yàn)轭l率低，從ECU發(fā)出指令到電磁閥接收指令開(kāi)始作動(dòng)的時(shí)間久，所以死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)。

當(dāng)PWM控制頻率在110Hz時(shí)，控制VFS的電流幅值明顯減小，中心閥體的位移能夠隨著電流大小，更有規(guī)律的移動(dòng)，改善相位器的穩(wěn)定性。又因?yàn)轭l率增加的緣故，中心閥體與殼體間的摩擦頻率增加，使閥芯的移動(dòng)速度降低，導(dǎo)致相位器執(zhí)行速率減小。頻率增加使控制周期減小，死區(qū)時(shí)間減少。

當(dāng)PWM繼續(xù)增加到170Hz時(shí)，電流的幅值波動(dòng)更小了，中心閥體的控制精度更高，相位器的穩(wěn)定性也繼續(xù)提升，死區(qū)時(shí)間更短，但由于閥芯與閥體的摩擦頻率增加，導(dǎo)致閥芯移動(dòng)緩慢，執(zhí)行速率下降。

4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)

回位彈簧對(duì)VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選取常用的700r/min、1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min和5000r/min，機(jī)油溫度90℃，PWM控制頻率110Hz，比較回位彈簧1.6Nm，2.6Nm和3.9Nm的影響。

回位彈簧扭矩越大，相位器往提前方向執(zhí)行速率越大，往滯后方向執(zhí)行速率越小;反之，回位彈簧扭矩越小，相位器往提前方向執(zhí)行速率越小，往滯后方向執(zhí)行速率越大。對(duì)死區(qū)時(shí)間與穩(wěn)定性沒(méi)有影響。

這是因?yàn)?，回位彈簧的作用是給相位器一個(gè)提前方向的扭矩，用于抵消凸輪軸摩擦力矩，平衡相位器的提前與滯后速率。并且在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后再次啟動(dòng)時(shí)，輔助相位器都能回到各自的鎖止位置。

5 優(yōu)化

5.1 原因分析

中心螺栓式VCT在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3100r/min至3500r/min之間抖動(dòng)異常劇烈，3300r/min時(shí)相位器抖動(dòng)量達(dá)到峰值。為該款4缸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在3300r/min下，將相位器使用閉環(huán)控制到30°CA時(shí)，機(jī)油溫度90℃，機(jī)油壓力3bar，PWM控制頻率設(shè)為110Hz?？梢园l(fā)現(xiàn)相位器的穩(wěn)定性在±4°CA。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3300r/min時(shí)，根據(jù)凸輪軸扭矩頻率公式得到此時(shí)的凸輪軸扭矩頻率為110Hz。

當(dāng)使用閉環(huán)控制將相位器保持在某一角度時(shí)，中心閥體受電磁閥控制會(huì)在中間位置。由于受到凸輪軸扭矩的影響，相位器的提前腔與滯后腔中的機(jī)油會(huì)有泄漏。這時(shí)閉環(huán)控制開(kāi)始作用，控制電磁閥閥芯推動(dòng)中心閥體來(lái)給提前腔或是滯后腔供給機(jī)油。當(dāng)中心閥體的供給油路與提前腔或是滯后腔連通時(shí)，提前腔與滯后腔內(nèi)的機(jī)油又會(huì)受凸輪軸扭矩影響倒流回中心閥體，這倒流回中心閥體的機(jī)油會(huì)對(duì)中心閥體有個(gè)作用力。

這個(gè)作用力的分力會(huì)給中心閥體一個(gè)軸向的分力，如果凸輪軸扭矩的頻率與電磁閥的PWM控制頻率相等時(shí)，就會(huì)使中心閥體產(chǎn)生較大的共振。當(dāng)電磁閥給中心閥體的力與軸向分力一致時(shí)，則控制中心閥體的力就會(huì)過(guò)大，閥芯的位移量過(guò)大，那相位器抖動(dòng)劇增;當(dāng)電磁閥給中心閥體的力與軸向分力方向相反時(shí)，則閥芯收到的合力減小，到達(dá)目標(biāo)位置的時(shí)間變長(zhǎng)，相位器的響應(yīng)能力下降?？梢?jiàn)，凸輪軸扭矩頻率與電磁閥的PWM控制頻率息息相關(guān)。

5.2 優(yōu)化方案

為了避免PWM控制頻率與凸輪軸頻率產(chǎn)生共振的問(wèn)題，在給相位器做標(biāo)定時(shí)，可避開(kāi)凸輪軸扭矩的共振點(diǎn)。減小與增加PWM控制頻率同樣都能夠避開(kāi)凸輪軸扭矩頻率。

當(dāng)PWM控制頻率設(shè)為95Hz時(shí)，相位器的抖動(dòng)減小，穩(wěn)定在±2°CA。

同樣當(dāng)PWM控制頻率增加到125Hz時(shí)，相位器的抖動(dòng)量減小，穩(wěn)定性在±1°CA。

PWM控制頻率設(shè)定越高，其相位器的穩(wěn)定性越好，所以一般選擇提高PWM控制頻率。當(dāng)PWM控制頻率提高15Hz到125Hz時(shí)，相位器控制在30°CA時(shí)穩(wěn)定性在±1°CA，有明顯改善。

6 結(jié)語(yǔ)

a.在調(diào)整各影響參數(shù)時(shí)，對(duì)中心螺栓式VCT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的改善會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性下降;穩(wěn)定性的改善會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)的下降。

b.改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能改變凸輪軸扭矩的頻率，當(dāng)凸輪軸扭矩頻率與電磁閥PWM控制頻率相同時(shí)，相位器會(huì)產(chǎn)生共振，影響穩(wěn)定性。

c.當(dāng)凸輪軸扭矩對(duì)相位器產(chǎn)生共振影響時(shí)，此時(shí)改變PWM的設(shè)定值能改善相位器穩(wěn)定性，并且增加PWM設(shè)定值比減少PWM設(shè)定值效果更好。

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