凸輪驅(qū)動(dòng)式液壓可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)進(jìn)氣充量模型研究

段偉，牛貝妮，解方喜，洪偉

（1.071000 河北省 保定市 長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司；2.201807 上海市 菲亞特克萊斯勒動(dòng)力科技研發(fā)（上海）有限公司；3.201804 上海市 上海宏景智駕信息科技有限公司；4.130025 吉林省 長(zhǎng)春市 吉林大學(xué) 汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)直噴汽油機(jī)高效清潔的工作，需要更加靈活準(zhǔn)確的氣門(mén)控制機(jī)構(gòu)。液壓可變氣門(mén)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)，降低泵氣損失和提高燃燒效率。Li YuanPing 等[1]研究發(fā)現(xiàn)，基于高壓直噴汽油機(jī)采用米勒循環(huán)時(shí)油耗比原機(jī)降低了11%。目前，量產(chǎn)的可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)分為有凸輪式和無(wú)凸輪式，通常機(jī)械式可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)屬于有凸輪式。例如，三菱公司的CVVL（Continuous Variable Valve Lift，CVVL）氣門(mén)系統(tǒng)，利用電機(jī)和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)氣門(mén)在一定范圍內(nèi)升程可變；本田公司的VETC 氣門(mén)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高低凸輪切換，兩段式氣門(mén)升程。但是它們都存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜、靈活性不足的缺點(diǎn)。寶馬公司采用電機(jī)控制機(jī)械式可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)，但也存在怠速時(shí)燃燒不穩(wěn)定和控制軟件復(fù)雜的不足。無(wú)凸輪式分為液壓式和電磁式，液壓式易于控制的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)CA 公司的1.4T_Mair[2-3]和GSET4 發(fā)動(dòng)機(jī)屬于電液式可變氣門(mén)系統(tǒng)，在升功率和油耗方面有明顯優(yōu)勢(shì)[4]。完全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)（variable valve actuation，VVA）能夠?qū)崿F(xiàn)氣門(mén)相位和升程的連續(xù)可變，其具有以下優(yōu)勢(shì)[5-9]：（1）理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)節(jié)氣門(mén)控制，降低泵氣損失；（2）靈活的停缸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能；（3）內(nèi)部EGR（Exhaust Gas Recirculation，EGR），降低NOX排放，抑制爆震。

傳統(tǒng)的氣量預(yù)估采用速度密度法不能準(zhǔn)確描述完全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)在各種工作模式下的進(jìn)氣量，為了更好地實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，需要更加準(zhǔn)確和簡(jiǎn)化的氣量預(yù)估模型。本文介紹了一種凸輪驅(qū)動(dòng)式液壓可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)在不同工作模式下的進(jìn)氣量預(yù)估模型，并驗(yàn)證了此模型的精度與可靠性。

1 機(jī)構(gòu)介紹與工作模式

1.1 機(jī)構(gòu)介紹

本機(jī)構(gòu)是一種凸輪驅(qū)動(dòng)式電子控制液壓可變氣門(mén)執(zhí)行系統(tǒng)，如圖1 所示。主要由凸輪軸、活塞式機(jī)油泵、電磁閥、機(jī)油溫度傳感器等零部件組成。其基本原理是：依靠凸輪驅(qū)動(dòng)活塞式機(jī)油泵建立高壓機(jī)油，并通過(guò)電磁閥控制高壓油路的快速導(dǎo)通與切斷，來(lái)控制氣門(mén)的打開(kāi)與關(guān)閉。氣門(mén)的最大可變度取決于驅(qū)動(dòng)凸輪的幾何型線，并借助高壓腔內(nèi)的機(jī)油傳遞到氣門(mén)執(zhí)行器上，而電磁閥快速控制高壓腔內(nèi)的機(jī)油量。在沒(méi)有電的情況下，電磁閥處于打開(kāi)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)在彈簧預(yù)緊力作用下保持關(guān)閉狀態(tài)，機(jī)油從高壓蓄能器中被推出來(lái)，有助于儲(chǔ)存液壓能，并確保高壓腔內(nèi)機(jī)油的快速補(bǔ)充，從而提高氣門(mén)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖1 液壓可變氣門(mén)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic variable valve mechanism

1.2 核心零部件

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程具有循環(huán)性和瞬變性，因此液壓氣門(mén)系統(tǒng)應(yīng)具有較高的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性。本機(jī)構(gòu)匹配了高頻機(jī)油電磁閥，快速導(dǎo)通與切斷高壓機(jī)油，從而驅(qū)動(dòng)氣門(mén)快速打開(kāi)與關(guān)閉，其驅(qū)動(dòng)電流波形如圖2 所示。

圖2 電磁閥驅(qū)動(dòng)電流示意圖Fig.2 Schematic diagram of solenoid valve driving current

機(jī)油溫度會(huì)影響機(jī)油的運(yùn)動(dòng)粘度，進(jìn)而影響液壓氣門(mén)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此本機(jī)構(gòu)安裝了高響應(yīng)型機(jī)油溫度傳感器監(jiān)控機(jī)油溫度。為了降低氣門(mén)落座噪聲，在氣門(mén)獨(dú)立執(zhí)行機(jī)構(gòu)中安裝了阻尼減速器降低噪聲。

1.3 工作模式

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門(mén)晚開(kāi)模式（Late Intake Valve Open，LIVO）、進(jìn)氣門(mén)早關(guān)模式（Early Intake Valve Close，EIVC）、完全氣門(mén)升程（Full lift）和無(wú)氣門(mén)升程（No lift）4 種工作模式。LIVO模式通常應(yīng)用在怠速和低速小負(fù)荷工況下，中高轉(zhuǎn)速中高負(fù)荷采用EIVC 模式，在外特性區(qū)域用Full lift 模式。進(jìn)排氣門(mén)相位示意圖如圖3 所示，在不同工作模式下進(jìn)氣門(mén)升程示意圖如圖4 所示。

圖3 進(jìn)排氣門(mén)相位示意圖Fig.3 Schematic diagram of intake and exhaust valve phase

圖4 不同工作模式下氣門(mén)升程示意圖Fig.4 Schematic diagram of valve lift in different modes

2 進(jìn)氣充量模型

此進(jìn)氣充量預(yù)估模型主要基于熱力學(xué)和流體力學(xué)建立，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的瞬變性和循化性，因此要提高該模型的響應(yīng)性并降低復(fù)雜性。根據(jù)VVA 不同的工作模式，建立相應(yīng)的進(jìn)氣量預(yù)估模型，主要如下：（1）full lift mode 是一種典型的節(jié)氣門(mén)控制模式；（2）EIVC 是通過(guò)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻來(lái)控制氣量的多少；（3）LIVO 是由進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟角度控制進(jìn)氣量的模式；（4）No lift 是進(jìn)氣門(mén)保持關(guān)閉，沒(méi)有新鮮充量。

2.1 LIVO Mode

該工作模式下具有較高的泵氣損失，這是由于進(jìn)氣門(mén)晚開(kāi)（氣門(mén)升程較低），帶來(lái)較大的節(jié)流損失，和排氣門(mén)沒(méi)有疊開(kāi)角度，可忽略內(nèi)部EGR，若采用傳統(tǒng)的理想氣體狀態(tài)方程不能準(zhǔn)確表達(dá)此模式下的進(jìn)氣量，本文應(yīng)用Saint-Venant 公式[10]模擬計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)出口流量（如圖5 所示），相關(guān)公式推導(dǎo)如下：

圖5 流體通過(guò)噴孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of fluid through the orifice

（1）流過(guò)節(jié)流喉部的流量可用式（1）表示：

（2）假設(shè)流過(guò)節(jié)流喉部的氣體為理想氣體并為等熵流動(dòng)，則進(jìn)出口氣體壓力溫度可用式（2）表示：

式中：Pcyl——節(jié)氣門(mén)出口壓力；Tcyl——節(jié)氣門(mén)出口溫度。

（3）馬赫數(shù)M 用式（3）表示：

（4）在LIVO 模式下，由于氣門(mén)升程較小，可以看作氣體從穩(wěn)壓腔通過(guò)進(jìn)氣門(mén)到達(dá)氣缸內(nèi)的過(guò)程類(lèi)似于氣體流過(guò)某一噴孔，此模式下的進(jìn)氣流量用式（4）表示：

（5）在LIVO 模式下，進(jìn)氣量（mLIVO）用式（5）表示：

式中：φ2——進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角度；φ1——進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟角度。

（6）把式（6）代入式（5）可得LIVO 的進(jìn)氣量（mLIVO）：

2.2 EIVC Mode

該工作模式下，進(jìn)氣門(mén)早關(guān)可以降低泵氣損失，實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)，本文采用速度密度法預(yù)估實(shí)際進(jìn)氣量，并考慮了氣門(mén)疊開(kāi)時(shí)的內(nèi)部EGR 和缸內(nèi)死區(qū)EGR（由于燃燒后的廢氣不能充分排出缸內(nèi)）。

（1）充氣效率可用式（8）表示：

式中：mEIVC——該模式下的進(jìn)氣量；V——發(fā)動(dòng)機(jī)排量；n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

（2）該模式下進(jìn)氣質(zhì)量mEIVC可用式（9）表示：

2.3 Full Lift Mode

Full lift 即完全進(jìn)氣門(mén)升程模式，可以看作是一種特殊的EIVC 模式，因此文中也采用速度密度法來(lái)預(yù)估實(shí)際進(jìn)氣量，但要對(duì)穩(wěn)壓腔壓力Pman進(jìn)行修正。

式中：Pcorr——修正系數(shù)。

3 相位角對(duì)進(jìn)氣充量的影響

進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟角度保持在325 °CA 不變，不同轉(zhuǎn)速不同進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角度（Intake Valve Close，IVC）下的容積效率（Volume Efficiency，VE）如圖6 所示，VE 為計(jì)算容積效率。當(dāng)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角度約小于550 °CA 時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，充量系數(shù)降低，當(dāng)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角度約大于600 °CA 時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，充量系數(shù)增加。由于在相同進(jìn)氣關(guān)閉角時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)氣時(shí)間不充分，使進(jìn)氣充量降低。如圖7 所示，最大充量系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先增加再減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000～5 000 r/min時(shí)，充量系數(shù)達(dá)到最大值約為1.08。每個(gè)轉(zhuǎn)速下的最大充量系數(shù)對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，但在750 r/min 時(shí)，最大充量系數(shù)對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角度略大（約558 °CA），這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速升高時(shí)，進(jìn)氣氣流流速較快，慣性能量較大，進(jìn)氣沖程所占時(shí)間較短，進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)，可以提高進(jìn)氣量，從而提高充量系數(shù)。反之，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，進(jìn)氣動(dòng)能較低，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉過(guò)晚，很容易把新鮮充量從缸內(nèi)壓出，使進(jìn)氣充量降低。

圖6 不同進(jìn)氣關(guān)閉角下充量系數(shù)Fig.6 Volume efficiency at different IVC angles

圖7 不同轉(zhuǎn)速下最大VE 所對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣關(guān)閉角Fig.7 Relation between maximum VE and IVC at different engine speed

4 進(jìn)氣模型驗(yàn)證

在臺(tái)架上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃油經(jīng)濟(jì)性、燃燒穩(wěn)定性及爆震等開(kāi)發(fā)指標(biāo)，針對(duì)電液連續(xù)可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和不同工況下不同的工作模式，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)并以試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化進(jìn)氣相位角度，其策略為：在中高轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷下，利用VVA 靈活的氣門(mén)開(kāi)啟角度，充分利用回流廢氣，改善燃燒室內(nèi)的熱氛圍，提升火焰?zhèn)鞑?，降低爆震傾向，改善燃燒質(zhì)量，使汽油機(jī)獲得更大的EGR 容忍度[11]。在低速大負(fù)荷時(shí)，VVA 發(fā)動(dòng)機(jī)具有范圍更大的氣門(mén)疊開(kāi)角度，提升掃氣率，進(jìn)而提高增壓器效率產(chǎn)生較高的增壓壓力，來(lái)改善低速扭矩。在中高轉(zhuǎn)速中負(fù)荷下，進(jìn)氣門(mén)較早關(guān)閉，降低泵氣損失。在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下，進(jìn)氣門(mén)較晚關(guān)閉，提升充氣效率，獲得較大的扭矩，改善比油耗。如圖8 所示為優(yōu)化的進(jìn)氣相位角度，其作為VVA 及進(jìn)氣量的前饋控制的輸入Map。

圖8 優(yōu)化的進(jìn)氣相位角度Fig.8 Optimized intake phase map

4.1 穩(wěn)態(tài)工況

圖9 為在穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)估進(jìn)氣量與實(shí)際進(jìn)氣量偏差比較散點(diǎn)圖，其中關(guān)閉燃油自學(xué)習(xí)功能及后氧修正功能（由于臺(tái)架排氣系統(tǒng)不帶后氧傳感器），前氧信號(hào)閉環(huán)PID 控制為0.95～1.05 內(nèi)?？梢?jiàn)，在不同進(jìn)氣量下，約95%的預(yù)估氣量模型能滿足5%的偏差。實(shí)際進(jìn)氣量小于50 kg/h 時(shí)，預(yù)估氣量大于實(shí)際氣量；實(shí)際進(jìn)氣量大于300 kg/h 時(shí)，預(yù)估氣量小于實(shí)際進(jìn)氣量?？梢宰C明，進(jìn)氣充量模型能較準(zhǔn)確地描述發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下的進(jìn)氣流量特性。

圖9 穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)氣量預(yù)估偏差Fig.9 Deviation of estimated intake airflow at steady condition

4.2 瞬態(tài)工況

汽車(chē)運(yùn)行工況，發(fā)動(dòng)機(jī)基于扭矩模型（如圖10 所示）來(lái)預(yù)估所需進(jìn)氣量，再控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)節(jié)氣門(mén)控制氣量的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)位置大小反映當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量多少及負(fù)荷大??；電液可變連續(xù)氣門(mén)機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)期望的進(jìn)氣量，盡可能最大限度控制節(jié)氣門(mén)，通過(guò)VVA 角度來(lái)調(diào)整進(jìn)氣充量，盡可能降低泵氣損失，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。但在怠速工況，為了燃燒穩(wěn)定性，減少控制擾動(dòng)，降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)，提高怠速品質(zhì)，采用以節(jié)氣門(mén)控制為主，VVA 控制為輔的控制策略。

圖10 扭矩模型示意圖Fig.10 Schematic diagram of torque model

瞬態(tài)工況采用的測(cè)試循環(huán)如圖11 所示，其中BMEP 為平均有效壓力，WOT 為節(jié)氣門(mén)完全打開(kāi)，主要關(guān)注加速和減速工況，預(yù)估氣量與實(shí)際氣量的跟隨關(guān)系以及兩者的偏差，判斷進(jìn)氣充量模型在瞬態(tài)工況下的準(zhǔn)確性。圖12 是不同轉(zhuǎn)速下預(yù)估氣量和實(shí)際氣量的比較?？梢钥吹剑谛∝?fù)荷穩(wěn)態(tài)工況，在加速、大負(fù)荷和減速到穩(wěn)態(tài)工況，其中特別是大油門(mén)加速工況，預(yù)估進(jìn)氣量均可以跟隨實(shí)際氣量，并且兩者偏差均在6%之內(nèi)。1 600 r/min 時(shí)到達(dá)進(jìn)氣量最大值所用時(shí)間較多，是由于排氣流量和能量低，增壓器效率較低。在WOT 時(shí)，可以看到實(shí)際進(jìn)氣量小范圍持續(xù)波動(dòng)，這是由動(dòng)態(tài)掃氣造成的。

圖11 測(cè)試循環(huán)Fig.11 Test cycle

圖12 不同轉(zhuǎn)速預(yù)估氣量與實(shí)際氣量比較Fig.12 Comparison of estimated airflow and actual airflow at different engine speeds

5 結(jié)束語(yǔ)

為了使直噴汽油機(jī)高效清潔地工作，需要更加靈活準(zhǔn)確的氣門(mén)控制機(jī)構(gòu)。凸輪驅(qū)動(dòng)式電液連續(xù)可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)可以降低泵氣損失、實(shí)現(xiàn)米勒循序和提高燃燒效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。文中介紹了一種凸輪驅(qū)動(dòng)式電液可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)、工作特點(diǎn)及其進(jìn)氣流量特性，并建立了相應(yīng)的進(jìn)氣充量模型，在穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況驗(yàn)證了進(jìn)氣充量模型的準(zhǔn)確性，可以應(yīng)用于整車(chē)開(kāi)發(fā)。