兩級(jí)可變氣門(mén)升程控制功能在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

虞金霞

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

0 前言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源安全的愈發(fā)重視，如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率已成為整車企業(yè)節(jié)能減排、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵性技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門(mén)升程(VVL)技術(shù)能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗，是近年來(lái)汽車行業(yè)研究的熱點(diǎn)。但長(zhǎng)久以來(lái)，這些技術(shù)基本上都被外國(guó)公司的技術(shù)專利所壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)發(fā)VVL系統(tǒng)面臨著巨大挑戰(zhàn)。

VVL技術(shù)可分為兩級(jí)VVL技術(shù)、多級(jí)VVL技術(shù)和連續(xù)VVL技術(shù)，其中多級(jí)VVL系統(tǒng)和連續(xù)VVL系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、應(yīng)用成本較高，氣門(mén)控制比較困難。上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心(以下簡(jiǎn)稱“上汽技術(shù)中心”)基于進(jìn)氣側(cè)兩級(jí)VVL系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和成本上的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了全新兩級(jí)VVL系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了VVL控制策略。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)VVL系統(tǒng)的功能、可靠性和耐久性等進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到了整車降低燃油耗和減少污染物排放的目標(biāo)。

1 VVL技術(shù)

1.1 VVL節(jié)油原理

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在中小負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，由于節(jié)氣門(mén)開(kāi)度很小，進(jìn)氣歧管的真空度很大，發(fā)動(dòng)機(jī)在換氣過(guò)程中的泵氣功損失很大，在高速低負(fù)荷工況時(shí)尤為明顯。通常，在發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)功損失中，泵氣功損失所占比例為10%～20%。因此，為提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣功損失是一種有效的技術(shù)手段，而減少發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣功損失最直接的方式就是采用米勒循環(huán)來(lái)減小氣門(mén)升程和氣門(mén)包角，提高進(jìn)氣速度和滾流強(qiáng)度，進(jìn)一步提高燃燒效率，降低燃油耗。

常規(guī)的氣門(mén)機(jī)構(gòu)只有一種氣門(mén)升程和氣門(mén)包角，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用米勒循環(huán)時(shí)，由于氣門(mén)升程和氣門(mén)包角較小，最大進(jìn)氣量受限，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出也會(huì)受限，發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)較差。應(yīng)用可變氣門(mén)升程技術(shù)，可在中低負(fù)荷工況采用較小的氣門(mén)升程，在較大負(fù)荷工況采用較大的氣門(mén)升程，能夠兼顧燃油耗指標(biāo)和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能指標(biāo)。

1.2 VVL硬件

由上汽技術(shù)中心自主開(kāi)發(fā)的兩級(jí)VVL系統(tǒng)為滑移式凸輪套筒結(jié)構(gòu)，采用由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)滑移凸輪式VVL技術(shù)方案。該VVL系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)特征是每氣缸配置1個(gè)套筒和1個(gè)高精度雙銷電磁閥，由電磁閥銷子深入套筒螺旋槽，驅(qū)動(dòng)套筒定向移動(dòng)。

高精度雙銷電磁閥采用電磁力驅(qū)動(dòng)磁芯，驅(qū)動(dòng)電磁閥銷動(dòng)作，引導(dǎo)套筒移動(dòng)完成氣門(mén)升程的切換，電磁閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，電磁閥的雙銷由A銷和B銷組成，電磁閥通過(guò)A銷和B銷磁環(huán)上各自獨(dú)立的線性霍爾傳感器來(lái)感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，識(shí)別其工作狀態(tài)，并將電壓信號(hào)傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)。

圖1 高精度雙銷電磁閥的結(jié)構(gòu)

2 功能控制策略

2.1 控制方式

VVL系統(tǒng)的控制過(guò)程較為復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)有效和合適的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)動(dòng)作，滿足整車燃油耗和發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)。通過(guò)對(duì)兩級(jí)VVL系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，綜合考慮霍爾傳感器信號(hào)、套筒運(yùn)行規(guī)則、電磁閥雙銷的執(zhí)行情況，設(shè)計(jì)了VVL系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略。該VVL系統(tǒng)的氣門(mén)升程切換策略如圖2所示。

圖2 氣門(mén)升程切換策略

2.2 策略控制

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理及發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸型線的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)圖2中的氣門(mén)升程切換策略，滿足VVL系統(tǒng)要求，針對(duì)VVL系統(tǒng)的功能控制策略應(yīng)包括：① 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性和凸輪軸型線，建立穩(wěn)態(tài)工況下的控制模型，包括VVL系統(tǒng)的各種動(dòng)作修正；② 從進(jìn)氣、點(diǎn)火、診斷、扭矩等方面進(jìn)行策略設(shè)計(jì)，控制氣門(mén)升程從大到小或從小到大的動(dòng)態(tài)切換過(guò)程；③ 氣路和火路之間的扭矩協(xié)調(diào)應(yīng)具備平順性和準(zhǔn)確性；④ 根據(jù)執(zhí)行器和傳感器的特性進(jìn)行診斷功能的設(shè)定。

在穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行條件下，所建立的VVL系統(tǒng)控制策略計(jì)算模型可以有效保證進(jìn)氣、點(diǎn)火、扭矩、空燃比等發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的恒定，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定正常運(yùn)行狀態(tài)，滿足整車排放、燃油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)性能等要求。針對(duì)VVL系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工況控制策略見(jiàn)表1。

表1 穩(wěn)態(tài)工況控制策略

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，大小氣門(mén)升程的切換是動(dòng)態(tài)過(guò)程。針對(duì)氣門(mén)升程切換的動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要設(shè)定專門(mén)的控制策略來(lái)滿足VVL系統(tǒng)的穩(wěn)定性和氣門(mén)升程切換條件。為確保在VVL系統(tǒng)的控制過(guò)程中，燃油耗、排放、診斷保護(hù)等被準(zhǔn)確的控制，在氣門(mén)升程的切換過(guò)程中設(shè)置了一些禁止條件,保證發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行不受影響，同時(shí)保證控制策略的有效運(yùn)行。在氣門(mén)升程的切換過(guò)程中的禁止條件包括：① 禁止混合氣偏稀，確保排放不受影響；② 禁止前氧傳感器診斷，防止瞬態(tài)診斷失效；③ 禁止汽油機(jī)顆粒捕集器(GPF)再生，確保排放和混合氣的穩(wěn)定；④ 提高發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃的識(shí)別闕值，避免爆燃的誤判和漏判。

2.3 扭矩協(xié)同

鑒于凸輪軸的升程特性，為了確保在氣門(mén)升程切換過(guò)程中，保持氣路的準(zhǔn)確性，避免扭矩階躍導(dǎo)致的動(dòng)力輸出沖擊，在控制策略上，使用氣路、火路協(xié)同原則，在氣門(mén)升程切換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的空燃比和扭矩輸出。

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，因凸輪軸升程的突然變化，扭矩會(huì)發(fā)生階躍，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出造成沖擊，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生異響。扭矩階躍的主要原因?yàn)椋孩?氣門(mén)由大升程切換至小升程時(shí)，升程的變化會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣量突然降低；② 氣門(mén)由小升程切換至大升程時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩會(huì)發(fā)生瞬間階躍，沒(méi)有過(guò)渡過(guò)程，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出發(fā)生突變。

為有效解決扭矩協(xié)同的問(wèn)題，對(duì)控制策略進(jìn)行了研究和優(yōu)化。從氣路模型和火路模型的角度出發(fā)，設(shè)立軟件策略。分別計(jì)算氣門(mén)升程切換前后進(jìn)氣歧管壓力變化對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣充量，保證氣路需求的準(zhǔn)確性。在氣門(mén)升程切換過(guò)程中對(duì)負(fù)荷變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，在氣門(mén)升程切換過(guò)程中協(xié)調(diào)進(jìn)氣和點(diǎn)火，保持噴油、進(jìn)氣、點(diǎn)火過(guò)程的協(xié)同，確保空燃比和排放的穩(wěn)定。

對(duì)氣門(mén)升程切換過(guò)程進(jìn)行精確控制，在小升程切換至大升程的過(guò)程中通過(guò)優(yōu)化點(diǎn)火角的過(guò)渡梯度，修正對(duì)應(yīng)的策略模型。在大升程切換至小升程的過(guò)程中，通過(guò)扭矩儲(chǔ)備修正模型，對(duì)扭矩輸出進(jìn)行控制和優(yōu)化。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，通過(guò)扭矩協(xié)同策略，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工況的優(yōu)化和控制。這些策略的實(shí)施有效地避免了因?yàn)闅忾T(mén)升程的改變導(dǎo)致的排放、燃油耗、扭矩階躍問(wèn)題，如圖3所示。

圖3 扭矩協(xié)同設(shè)計(jì)

2.4 氣門(mén)升程切換控制

綜合考慮整車動(dòng)力性和燃油耗的要求，在兩級(jí)VVL發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)標(biāo)定的控制策略來(lái)執(zhí)行升程切換動(dòng)作，如表2所示。在實(shí)際的升程切換過(guò)程中，為保證切換過(guò)程順利安全進(jìn)行，設(shè)定了止回策略。

表2 氣門(mén)升程控制策略

2.5 診斷策略和保護(hù)

如上所述，電磁閥是控制氣門(mén)升程切換的執(zhí)行器，分為A銷和B銷。當(dāng)銷子發(fā)生故障時(shí)，或者外部電路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致雙銷同時(shí)伸出，此時(shí)如果發(fā)動(dòng)機(jī)仍在運(yùn)行，則會(huì)損壞凸輪軸和發(fā)動(dòng)機(jī)。所以，對(duì)這種情況進(jìn)行判斷控制和診斷保護(hù)是非常有必要的。

根據(jù)電磁閥的特性，分析了ECU內(nèi)部控制電路，將控制電路由續(xù)流電路硬件方式變更為鉗位電路硬件方式，直接從硬件電路源頭進(jìn)行電磁閥和發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)。

在軟件控制策略方面，建立專門(mén)的診斷保護(hù)策略，判斷雙銷在沒(méi)有伸出的情況下，才能進(jìn)行正常的氣門(mén)切換和運(yùn)行控制。雙銷策略診斷保護(hù)流程如圖4所示。在軟件控制策略的設(shè)計(jì)中，為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前應(yīng)設(shè)立診斷策略，檢測(cè)疑似故障，觸發(fā)測(cè)試脈沖，增加糾錯(cuò)時(shí)間，并進(jìn)行專門(mén)的測(cè)試監(jiān)控。

圖4 雙銷策略診斷保護(hù)流程

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)VVL系統(tǒng)執(zhí)行器的開(kāi)發(fā)目標(biāo)要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)和整車耐久試驗(yàn)過(guò)程中，驗(yàn)證了兩級(jí)VVL系統(tǒng)控制功能執(zhí)行過(guò)程中的有效性。試驗(yàn)驗(yàn)證主要分為整車駕駛性驗(yàn)證、電磁閥的診斷保護(hù)驗(yàn)證和燃油耗和排放測(cè)試驗(yàn)證。

3.1 整車駕駛性驗(yàn)證

在氣門(mén)升程動(dòng)態(tài)切換過(guò)程中，因建立了扭矩協(xié)同策略，在工況測(cè)試和整車駕駛性評(píng)估中，有效減少了扭矩階躍導(dǎo)致的動(dòng)力輸出沖擊，如圖5所示。從圖5可知，應(yīng)用扭矩協(xié)同策略后，在大小氣門(mén)升程相互切換的過(guò)程中，消除了扭矩階躍，扭矩輸出表現(xiàn)較為平穩(wěn)，整車的動(dòng)力性和駕駛舒適性得到改善，滿足整車耐久試驗(yàn)要求，同時(shí)也滿足了排放和空燃比控制的一致性要求。

圖5 扭矩協(xié)同策略下的扭矩輸出

3.2 電磁閥的診斷保護(hù)驗(yàn)證

在電磁閥的診斷保護(hù)功能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，控制策略的檢查測(cè)試場(chǎng)景是重要的過(guò)程開(kāi)發(fā)驗(yàn)證內(nèi)容之一。為確保電磁閥診斷開(kāi)發(fā)的正確性，進(jìn)行了8種測(cè)試場(chǎng)景的診斷保護(hù)驗(yàn)證，見(jiàn)表3。測(cè)試結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的電磁閥診斷保護(hù)策略滿足要求。

表3 8種測(cè)試場(chǎng)景及測(cè)試結(jié)果

3.3 燃油耗和排放測(cè)試驗(yàn)證

確保發(fā)動(dòng)機(jī)的有效運(yùn)行和降低整車燃油耗是兩級(jí)VVL系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)之一。在VVL控制功能策略開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，整車與發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定工作按照氣門(mén)升

程控制策略進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，包括VVL系統(tǒng)的模型標(biāo)定、氣門(mén)升程動(dòng)態(tài)過(guò)程切換標(biāo)定、駕駛舒適性標(biāo)定、排放和燃油耗標(biāo)定等。

全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)(WLTC)工況是考核排放和燃油耗指標(biāo)的重要方式之一。為驗(yàn)證燃油耗降低，測(cè)試了VVL系統(tǒng)始終保持在大升程情況下的WLTC工況排放和燃油耗表現(xiàn)，見(jiàn)表4。從表4可知，各項(xiàng)污染物排放指標(biāo)均遠(yuǎn)低于法規(guī)要求限值。同時(shí)表征燃油耗指標(biāo)的CO排放在大升程的情況下有所降低，實(shí)際能達(dá)到2%左右的節(jié)油率。

表4 燃油耗和排放測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)VVL系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行工作原理和執(zhí)行器分析，建立了功能控制策略，完成整車和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定開(kāi)發(fā)工作，兩級(jí)VVL系統(tǒng)的各項(xiàng)功能得以有效執(zhí)行。該控制功能體現(xiàn)了控制策略的有效性，達(dá)到了整車動(dòng)力輸出平順性、具備診斷保護(hù)和降低燃油耗等關(guān)鍵性開(kāi)發(fā)目標(biāo)。驗(yàn)證結(jié)果表明，氣門(mén)升程變化帶來(lái)的動(dòng)力輸出沖擊和駕駛平順性問(wèn)題已經(jīng)得到解決，并實(shí)現(xiàn)了VVL硬件的診斷保護(hù)要求。

在應(yīng)用兩級(jí)VVL技術(shù)后，通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了降低燃油耗與動(dòng)力輸出的平衡，在低速小負(fù)荷工況時(shí)采用小氣門(mén)升程，減少泵氣功損失，降低燃油耗；在高速大負(fù)荷工況時(shí)使用大氣門(mén)升程，增加了進(jìn)氣量，提高了整車的動(dòng)力性能。在應(yīng)用兩級(jí)VVL技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)綜合燃油耗降低了2%～3%，并提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。目前，該兩級(jí)VVL系統(tǒng)已經(jīng)投入了實(shí)際應(yīng)用，并進(jìn)行了量產(chǎn)。