中間鎖止VVT故障研究

曲德鑫 王劍鋒 胡志剛 劉玉明 劉順平

摘 要：文章以某款采用中間鎖止VVT發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果、數(shù)據(jù)分析及理論研究，說(shuō)明了相應(yīng)故障的調(diào)查方法、過(guò)程及細(xì)節(jié)。同時(shí)通過(guò)對(duì)該故障的研究，實(shí)現(xiàn)了中間鎖止VVT技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用優(yōu)化，改進(jìn)了中間鎖止VVT在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的控制邏輯，為后續(xù)的產(chǎn)品應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：中間鎖止VVT;故障;控制邏輯

中圖分類(lèi)號(hào)：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）16-60-03

Abstract： In this paper， based on the engine with middle lock-up VVT， through the test results， data analysis and theore -tical research， the investigation method， process and details of corresponding faults are described. At the same time， through the study of the fault， the application optimization of middle lock-up VVT technology in engine is realized， the control logic of middle lock-up VVT in practical application is improved， lay the foundation for subsequent product application.

Keywords： Middle lock-up VVT; Fault; Control logic

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-60-03

1 引言

隨著節(jié)能減排政策的持續(xù)發(fā)展以及整車(chē)油耗、法規(guī)的相繼實(shí)施，為提高汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，許多國(guó)家和業(yè)內(nèi)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)投入了大量的人力、物力進(jìn)行新技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。目前國(guó)際主流乘用車(chē)制造企業(yè)多數(shù)已實(shí)現(xiàn)或正在研發(fā)40%以上熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)。為實(shí)現(xiàn)該熱效率目標(biāo)，多數(shù)采用阿特金森循環(huán)技術(shù)路線，而為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)汽油機(jī)奧托循環(huán)向阿特金森循環(huán)的切換，中間鎖止VVT是行之有效的技術(shù)方案。

傳統(tǒng)VVT現(xiàn)已成為發(fā)動(dòng)機(jī)主流技術(shù)配置，但由于結(jié)構(gòu)限值，傳統(tǒng)VVT無(wú)法滿(mǎn)足阿特金森循環(huán)對(duì)相位調(diào)節(jié)的要求，主要如下：

（1）阿特金森循環(huán)要求進(jìn)氣門(mén)大幅晚關(guān)，而進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)不利于發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)。傳統(tǒng)VVT為單邊鎖止，無(wú)法同時(shí)兼容冷啟動(dòng)與阿特金森循環(huán)對(duì)相位的要求;

（2）受限于油壓調(diào)節(jié)器的原理限制，傳統(tǒng)VVT從最提前位置調(diào)節(jié)至最滯后位置所需時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致瞬態(tài)精度較難保證。

而中間鎖止VVT避免了上述兩種情況。由于VVT在中間落鎖，可以兼顧冷啟動(dòng)時(shí)需要的相位提前，同時(shí)也可相對(duì)快速的達(dá)到阿特金森循環(huán)需要的滯后相位，從而可實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)在實(shí)際機(jī)型上的應(yīng)用。

2 應(yīng)用原理

目前中間落鎖VVT主要有兩種技術(shù)路線，一是采用電機(jī)控制，此種方案精度高響應(yīng)快，但成本相對(duì)較高，國(guó)內(nèi)目前也沒(méi)有成熟的配套體系;二是采用與傳統(tǒng)VVT相同的油壓控制，此種方案雖然控制精度較電控低，但國(guó)內(nèi)配套成熟，成本相對(duì)較低。本文討論的故障模式為基于油壓控制中鎖VVT。該VVT在故障解決前控制原理如下：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)，VVT未達(dá)到工作條件時(shí)采用鎖肖機(jī)械鎖止（發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、油溫未達(dá)到工作要求時(shí)），相位保持“0”位;

（2）VVT達(dá)到工作條件后，未對(duì)VVT進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，采用50%占空比，此時(shí)鎖肖打開(kāi)，相位通過(guò)油壓保持“0”位;

（3）前調(diào)：占空比30%～50%，調(diào)至目標(biāo)相位后，占空比恢復(fù)至50%，相位保持在目標(biāo)位置;

（4）后調(diào)：占空比50%～100%，調(diào)至目標(biāo)相位后，占空比恢復(fù)至50%，相位保持在目標(biāo)位置。

3 故障模式

采用如上控制邏輯中鎖VVT的一款發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行某特定試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生如下故障現(xiàn)象：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由怠速向額定轉(zhuǎn)速拉升過(guò)程中，扭矩突然降至0，發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈亮起并進(jìn)入故障模式;

（2）故障發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)間停機(jī)后重新啟動(dòng)，故障未消除;

（3）讀取發(fā)動(dòng)機(jī)故障信息，顯示VVT實(shí)際相位無(wú)法跟隨目標(biāo)相位，報(bào)出故障碼。

4 故障分析

4.1 交叉驗(yàn)證

為鎖定故障原因，首先進(jìn)行交叉驗(yàn)證試驗(yàn)，并檢查是否為單品不良導(dǎo)致。在進(jìn)行多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、多塊ECU、多個(gè)臺(tái)架、兩種不同工況（產(chǎn)生故障工況和其他工況）條件下進(jìn)行多種組合交叉驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該故障既有一致性又有隨機(jī)性，表現(xiàn)如下：

一致性：無(wú)論哪種組合，只要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行之前產(chǎn)生故障的工況，該故障均再現(xiàn)，運(yùn)行另一工況時(shí)故障未發(fā)生;

隨機(jī)性：同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、ECU、臺(tái)架在運(yùn)行故障工況時(shí)，故障發(fā)生時(shí)間沒(méi)有規(guī)律，即發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行短則十幾分鐘即發(fā)生故障，長(zhǎng)則一百多小時(shí)才發(fā)生一次。

此外對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)零件進(jìn)行了重新檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均合格，排除單品不良原因。故該故障的發(fā)生與試驗(yàn)工況相關(guān)。產(chǎn)生故障的試驗(yàn)工況的特點(diǎn)是，相對(duì)其他試驗(yàn)該工況需要發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停，平均每10分鐘左右即需要啟停一次。據(jù)此表明，該故障的發(fā)生與發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停有關(guān)，或者因發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停，放大了該故障的發(fā)生幾率。

4.2 數(shù)據(jù)分析

讀取發(fā)動(dòng)機(jī)故障碼，顯示該故障的產(chǎn)生為“發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際相位無(wú)法達(dá)到目標(biāo)相位”導(dǎo)致，即相位器無(wú)法將凸輪軸調(diào)節(jié)至目標(biāo)相位，具體數(shù)據(jù)為當(dāng)相位器目標(biāo)值為-20°時(shí)，VVT僅能調(diào)節(jié)至-15°?？僧a(chǎn)生該現(xiàn)象的原因有兩種：

（1）因硬件原因，相位器真的無(wú)法將凸輪軸調(diào)至目標(biāo)相位;

（2）ECU讀數(shù)錯(cuò)誤，即VVT應(yīng)是可以正常調(diào)節(jié)，但因讀數(shù)錯(cuò)誤導(dǎo)致報(bào)出故障碼。

針對(duì)第一種原因，在其他工況下數(shù)據(jù)表明VVT最大可順利前調(diào)至極限-30°，故該VVT硬件是可以進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)的;為驗(yàn)證是否為ECU讀數(shù)錯(cuò)誤，進(jìn)行示波器與ECU讀數(shù)對(duì)比。

該對(duì)比試驗(yàn)工況為怠速，該工況VVT目標(biāo)位置為“0”位。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后未對(duì)VVT進(jìn)行控制時(shí)，VVT采用機(jī)械鎖肖鎖止，在排除發(fā)動(dòng)機(jī)硬件質(zhì)量問(wèn)題及裝配錯(cuò)誤后，此時(shí)VVT硬件可確?！?”位。通過(guò)示波器顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后至未對(duì)VVT控制前，波形顯示VVT實(shí)際位置為“0”位，但ECU讀數(shù)為14～17°;在VVT達(dá)到控制條件后，此時(shí)鎖肖解鎖，VVT的“0”位通過(guò)占空比保證，此時(shí)ECU讀數(shù)為“0”，但示波器波形顯示VVT已調(diào)節(jié)至-15°左右。據(jù)此表明，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后至對(duì)VVT開(kāi)始控制前，VVT實(shí)際位置是正確的，但ECU錯(cuò)誤讀成15°左右;在VVT達(dá)到控制條件后，ECU為修正此15°“偏差”，主動(dòng)將VVT向前調(diào)節(jié)15°，使ECU讀數(shù)為“0”，但此時(shí)VVT卻發(fā)生實(shí)際錯(cuò)誤偏移，實(shí)際位置已為-15°。據(jù)此，該故障為ECU讀數(shù)錯(cuò)誤引起。

根據(jù)以上結(jié)果，再詳細(xì)分析故障機(jī)數(shù)據(jù)，推測(cè)整個(gè)故障過(guò)程及圖示如下：

（1）上一個(gè)循環(huán)停機(jī)過(guò)程中因①“錯(cuò)誤占空比信號(hào)”使VVT脫銷(xiāo)，停在-15°位置。此時(shí)不應(yīng)對(duì)VVT進(jìn)行控制，卻出現(xiàn)了占空比信號(hào);

（2）下一個(gè)循環(huán)②第一次啟動(dòng)不成功，但ECU自學(xué)習(xí)將-15°學(xué)成了0°;

（3）再次啟動(dòng)，ECU繼承上次自學(xué)習(xí)，將-15°認(rèn)為為0°，但VVT實(shí)際還處在-15°;

（4）③處因發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)，同時(shí)在VVT自身回位彈簧和油壓的作用下，VVT恢復(fù)回物理實(shí)際“0”位。但因自學(xué)習(xí)原因，ECU將該“0”位讀成15°（這也解釋了為什么③處沒(méi)有對(duì)VVT進(jìn)行控制，但ECU讀數(shù)VVT角度發(fā)生變化）;

（5）④處，因進(jìn)氣VVT向前最大調(diào)節(jié)范圍為-30°，而因自學(xué)習(xí)將-15認(rèn)為是0，導(dǎo)致進(jìn)氣VVT實(shí)際只能再向前調(diào)15°。同時(shí)該工況進(jìn)氣VVT目標(biāo)角度為-20°，也就導(dǎo)致無(wú)論占空比如何增大，都無(wú)法達(dá)到目標(biāo)角度，直至占空比達(dá)到100%，長(zhǎng)時(shí)間未達(dá)到目標(biāo)值，報(bào)出故障碼;

（6）出故障碼后，⑥處，不再對(duì)VVT進(jìn)行控制，VVT在自身回位彈簧作用下回到物理0位，但仍因?yàn)閱?dòng)時(shí)自學(xué)習(xí)錯(cuò)誤，ECU將其讀成15°。

對(duì)于c）、d）處的驗(yàn)證：怠速時(shí)通過(guò)示波器觀察波形，當(dāng)ECU未對(duì)VVT控制時(shí)，示波器顯示進(jìn)氣VVT為0位，但ECU讀數(shù)為15°;當(dāng)開(kāi)始對(duì)VVT進(jìn)行控制后，ECU讀數(shù)為0位，但示波器波形為-15°。

通過(guò)以上結(jié)論，需進(jìn)一步分析如下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）上一個(gè)循環(huán)停止過(guò)程中，錯(cuò)誤占空比是如何產(chǎn)生的;

（2）在下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始時(shí)，VVT自身回位彈簧可以保證VVT回到實(shí)際“0”位，但為何ECU無(wú)法正確學(xué)習(xí)。

關(guān)于第一個(gè)問(wèn)題，該占空比設(shè)置的初衷是“在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程中輔助VVT回到0位”，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，VVT在自身回位彈簧的作用下是可以回到“0”位的，輔助占空比反而有可能導(dǎo)致已回到“0”位的VVT脫銷(xiāo)竄位。第二個(gè)問(wèn)題，當(dāng)前VVT自學(xué)習(xí)邏輯是繼承傳統(tǒng)單邊鎖止VVT控制邏輯而來(lái)，是在對(duì)VVT開(kāi)始控制后，由占空比保證VVT“0”位時(shí)開(kāi)始自學(xué)習(xí)，由于中間鎖止VVT在由占空比控制“0”位時(shí)轉(zhuǎn)子兩側(cè)油腔均充油，通過(guò)兩側(cè)油壓保證轉(zhuǎn)子位置，因發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中油壓不可避免的會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致VVT轉(zhuǎn)子會(huì)因油壓的波動(dòng)而左右竄動(dòng)，相對(duì)于鎖肖鎖止，無(wú)法準(zhǔn)確保持在“0”位，每次自學(xué)習(xí)時(shí)均會(huì)產(chǎn)生一定誤差，再因?yàn)楣收瞎r發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁的啟停，自學(xué)習(xí)誤差不斷累加導(dǎo)致誤差越來(lái)越大從而發(fā)生故障。

5 解決方案

首先移除停機(jī)過(guò)程中輔助占空比控制邏輯，使VVT依靠自身回位彈簧回到“0”位，讓上一個(gè)循環(huán)結(jié)束后VVT能回到正確位置。其次，優(yōu)化VVT自學(xué)習(xí)邏輯，將自學(xué)習(xí)階段由開(kāi)始對(duì)VVT控制后改為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后至VVT控制前，保證VVT在由鎖肖鎖止階段完成VVT初始位置自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)正確的自學(xué)習(xí)。實(shí)施如上改進(jìn)方案后，由原故障機(jī)、ECU、臺(tái)架進(jìn)行相同試驗(yàn)工況，無(wú)故障發(fā)生。至此，故障解決。