中心螺栓式VCT動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性的試驗與優(yōu)化

石秀勇 、黃天培

（1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院 201804；2.博格華納中國技術(shù)中心 200241）

1 引言

可變凸輪軸配氣機構(gòu)（VCT）能使發(fā)動機在各種工況下滿足動力性、燃油經(jīng)濟性和排放要求[1]。中心螺栓式VCT，屬于葉片式可變凸輪軸相位機構(gòu)。它使發(fā)動機結(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；降低機油壓力驅(qū)動，減少發(fā)動機對機油泵做功，提高燃油經(jīng)濟性，減少排放。越來越多的發(fā)動機開始漸漸使用這種結(jié)構(gòu)的VCT。

20世紀80年代前，可變配氣正時機構(gòu)制存在造成本高、結(jié)構(gòu)設(shè)計不佳和控制相位器轉(zhuǎn)動角度小等問題[2]，直到20世界90年代后，這些問題逐步得到改善，開始取得了較多進步和發(fā)展[3]。均質(zhì)壓燃發(fā)動機要利用VCT來調(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)整進排氣門開閉時間實現(xiàn)[5]；對增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機，在低轉(zhuǎn)速下通過增大氣門重疊角來掃氣，減小渦輪遲滯，提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)[6]。

目前，對VCT的研究多數(shù)在動態(tài)響應(yīng)，對穩(wěn)定性的研究比較少。本文將通過臺架試驗，并采用閉環(huán)控制的方法研究中心螺栓式VCT的動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性，為相位器的設(shè)計與使用提供更準確的指導(dǎo)。

2 中心螺栓式VCT的動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性的評價指標

動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性是VCT的兩個重要性能評價指標[7]。動態(tài)響應(yīng)直接影響了相位器在作動時的死區(qū)時間（Dead Time）和執(zhí)行速率；穩(wěn)定性則體現(xiàn)了VCT的控制準確度。

對VCT的執(zhí)行速率要求一般在100°CA/s 以上就算合格[8]；對穩(wěn)定性沒有特別規(guī)定，工作時一般在±2°CA內(nèi)能接受。

動態(tài)響應(yīng)以執(zhí)行速率與死區(qū)時間為評價指標。如圖1所示，相位器的執(zhí)行速率是指，從某一角度θ1到另一角度θ2的速度，等于角度的絕對值除以執(zhí)行時間t2（單位：°CA/s）。死區(qū)時間是指，從控制器發(fā)出指令到相位器開始作動，所經(jīng)歷的時間t1。執(zhí)行速率的計算公式如式1所示。

穩(wěn)定性S是描述在相位器在某一角度上的波動情況，數(shù)值等于波動的最大值φ1與最小值φ2的絕對值除以2（公式2）。

3 VCT試驗的臺架設(shè)備

試驗采用倒拖臺架，動力由電機發(fā)出并傳遞到正時鏈條，鏈條帶動相位器旋轉(zhuǎn)，相位器的內(nèi)轉(zhuǎn)子與凸輪軸相連。發(fā)動機只保留缸蓋以上部分，提供的機油由外部伺服供給（圖2），中心螺栓式VCT測試系統(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)動機轉(zhuǎn)速，機油供給壓力及溫度設(shè)定。實時測得相位器電磁閥電流電壓值、閥芯位移量等。CANape則通過CAN總線連接ECU，用于標定曲軸轉(zhuǎn)角與相位器的相對位置，控制中心螺栓式VCT的角度，設(shè)定PWM控制頻率等。

4 臺架試驗結(jié)果與分析

采用閉環(huán)控制，在研究各參數(shù)對VCT的影響時，固化各PID的設(shè)定值。以排氣相位器為研究對象，總行程50°CA，閉環(huán)控制相位器在10～40°CA之間來回作動，每個采數(shù)點取5個循環(huán)的平均值。

4.1 運行參數(shù)試驗

4.1.1 機油溫度對VCT動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗

試驗條件：發(fā)動機轉(zhuǎn)速選取常用的700 r/min、1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min和5 000 r/min；回位彈簧2.6 N·m，PWM控制頻率設(shè)定110 Hz時，選取機油溫度40℃，90℃和120℃進行比較。

經(jīng)過試驗，得到40℃、90℃和120℃機油溫度下，各轉(zhuǎn)速對應(yīng)的執(zhí)行速率如圖3所示。

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

當機油溫度為40℃、90℃和120℃時，相位器作動的死區(qū)時間如圖4所示。

可以看到，相位器在往提前與滯后方向作動時，40℃時的死區(qū)時間最久，其次90℃，120℃的死區(qū)時間最短。

機油溫度對VCT的穩(wěn)定性影響如圖5所示，相位器在往提前與滯后方向作動時，40℃油溫時的穩(wěn)定性最好，120℃油溫時的穩(wěn)定性最差，90℃介于兩者之間。

圖2 中心螺栓式VCT測試系統(tǒng)

圖3 機油溫度對VCT的執(zhí)行速率影響

圖4 機油溫度對VCT的死區(qū)時間影響

圖5 機油溫度對VCT的穩(wěn)定性影響

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

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

4.1.2 機油壓力對VCT動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗

試驗條件：發(fā)動機轉(zhuǎn)速固定在2 000 r/min，機油溫度40℃，回位彈簧2.6 N·m，PWM控制頻率設(shè)定110 Hz時，比較主油道壓力 50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa和500 kPa下的影響。

圖6 機油壓力對VCT的執(zhí)行速率影響

圖7 機油壓力對VCT的死區(qū)時間影響

圖8 機油壓力對VCT的穩(wěn)定性影響

如圖6～8所示，機油壓力從50 kPa增加到500 kPa的過程中，相位器往提前與滯后方向的執(zhí)行速率逐漸增大，死區(qū)時間也隨之縮短。當機油壓力從50 kPa增加到400 kPa的過程中，穩(wěn)定性逐漸變好。但是當油壓超過400 kPa之后，穩(wěn)定性突然變差。

主要由于機油壓力增加，推動內(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，使死區(qū)時間縮短，動態(tài)響應(yīng)變好。當機油過大，超過了PID的可控范圍時，相位器的穩(wěn)定性會變差。

可知：機油壓力越大，動態(tài)響應(yīng)越好。穩(wěn)定性隨著機油壓力的增加而變好，但當油壓過大時，穩(wěn)定性變差。發(fā)動機怠速時，由于機油泵供給的壓力較低，相位器的動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性較差，這是VCT在使用過程中遇到的普遍問題。

4.1.3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速對VCT動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗

試驗條件：主油道壓力300 kPa，機油溫度90℃，回位彈簧2.6 N·m，PWM控制頻率設(shè)定110 Hz時，比較發(fā)動機轉(zhuǎn) 速 700 r/min、1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min和5 000 r/min下的影響，如圖9～11所示。

動態(tài)響應(yīng)上，發(fā)動機轉(zhuǎn)速對執(zhí)行速率影響不大；隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，死區(qū)時間逐漸變短。穩(wěn)定性上，怠速700 r/min與高速5 000 r/min的抖動比較大，穩(wěn)定性差。

將發(fā)動機轉(zhuǎn)速從700 r/min提升至5 000 r/min，相位器通過閉環(huán)控制保持在30°CA，機油壓力恒定為300 kPA，觀察相位器的抖動量如圖12所示。

圖9 發(fā)動機轉(zhuǎn)速對VCT的執(zhí)行速率影響

圖10 發(fā)動機轉(zhuǎn)速對VCT的死區(qū)時間影響

圖11 發(fā)動機轉(zhuǎn)速對VCT的穩(wěn)定性影響_1

圖12 發(fā)動機轉(zhuǎn)速對VCT的穩(wěn)定性影響

圖13 PWM控制頻率對VCT的執(zhí)行速率影響

可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 100～3 500 r/min之間相位器出現(xiàn)異常劇烈地抖動，抖動量已經(jīng)超過發(fā)動機怠速與高速時的抖動量。其中，3 300 r/min時相位器的抖動量達到峰值，穩(wěn)定性急劇下降。當發(fā)動機從3 500 r/min繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速時，穩(wěn)定性又再次變好。

4.2 控制參數(shù)試驗

PWM控制頻率對VCT動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗。

試驗條件：發(fā)動機轉(zhuǎn)速選取常用的700 r/min、1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min 和 5 000 r/min，機油溫度90℃，回位彈簧2.6 N·m，比較PWM控制頻率在50 Hz，110 Hz和170 Hz下的影響，結(jié)果如圖13～15所示。

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

為了進一步解釋，在VCT上安裝位移傳感器，目的是監(jiān)控閥芯的運動情況，并且通過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的關(guān)系。取2 000 r/min這個轉(zhuǎn)速點為研究對象，機油溫度90℃，主油道壓力3 000 kPa，回位彈簧2.6 N·m。

圖14 PWM控制頻率對VCT的死區(qū)時間影響

圖15 PWM控制頻率對VCT的穩(wěn)定性影響

圖16 控制電流、閥芯位移和VCT作動的關(guān)系

如圖16所示，當PWM控制頻率在50 Hz時，電磁閥的閉環(huán)控制響應(yīng)較慢?？刂芕FS的電流波動幅值較大，直接引起中心閥體的位移量過大，最終使相位器的抖動增大，穩(wěn)定性變差。因為控制頻率低的原因，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。又因為頻率低，從ECU發(fā)出指令到電磁閥接收指令開始作動的時間久，所以死區(qū)時間長。

當PWM控制頻率在110 Hz時，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，改善相位器的穩(wěn)定性。又因為頻率增加的緣故，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)時間減少。

當PWM繼續(xù)增加到170 Hz時，電流的幅值波動更小了，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)致閥芯移動緩慢，執(zhí)行速率下降。

4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗

回位彈簧對VCT動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗。

圖17 回位彈簧對VCT的執(zhí)行速率影響

圖18 回位彈簧對VCT的死區(qū)時間影響

圖19 回位彈簧對VCT的穩(wěn)定性影響

試驗條件：發(fā)動機轉(zhuǎn)速選取常用的700 r/min、1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min和5 000 r/min，機油溫度90℃，PWM控制頻率110 Hz，比較回位彈簧1.6 N·m，2.6 N·m和3.9 N·m的影響，如圖17～19所示。

回位彈簧力矩越大，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，回位彈簧力矩越小，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。對死區(qū)時間與穩(wěn)定性沒有影響。

這是因為回位彈簧的作用是給相位器一個提前方向的力矩，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)動機停機后再次起動時，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)動機轉(zhuǎn)速3 100～3 500 r/min之間抖動異常劇烈，3 300 r/min時相位器抖動量達到峰值。如圖20所示，為該款4缸發(fā)動機發(fā)動機在3 300 r/min下，將相位器使用閉環(huán)控制到30°CA時，機油溫度90℃，機油壓力300 kPa，PWM控制頻率設(shè)為110 Hz。可以發(fā)現(xiàn)相位器的穩(wěn)定性在±4°CA。

當發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 300 r/min時，根據(jù)凸輪軸扭矩頻率公式得到此時的凸輪軸扭矩頻率為110 Hz（公式3）。

式中，f凸為凸輪軸扭矩頻率；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；m為凸輪軸軸階次。

當使用閉環(huán)控制將相位器保持在某一角度時，中心閥體受電磁閥控制會在中間位置。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油會有泄漏。這時閉環(huán)控制開始作用，控制電磁閥閥芯推動中心閥體來給提前腔或是滯后腔供給機油。當中心閥體的供給油路與提前腔或是滯后腔連通時，提前腔與滯后腔內(nèi)的機油又會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油會對中心閥體有個作用力（圖21）。

圖20 PWM控制頻率110 Hz穩(wěn)定性

圖21 中心閥體受力圖

這個作用力的分力會給中心閥體一個軸向的分力F2，如果凸輪軸轉(zhuǎn)矩的頻率與電磁閥的PWM控制頻率相等時，就會使中心閥體產(chǎn)生較大的共振。當電磁閥給中心閥體的力F1與軸向分力一致時，則控制中心閥體的力就會過大，閥芯的位移量過大，那相位器抖動劇增；當電磁閥給中心閥體的力與軸向分力方向相反時，則閥芯收到的合力減小，到達目標位置的時間變長，相位器的響應(yīng)能力下降?？梢姡馆嗇S轉(zhuǎn)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)生共振的問題，在給相位器做標定時，可避開凸輪軸扭矩的共振點。減小與增加PWM控制頻率同樣都能夠避開凸輪軸扭矩頻率。

當PWM控制頻率設(shè)為95 Hz時，相位器的抖動減小，穩(wěn)定在±2°CA（圖22）。

同樣，當PWM控制頻率增加到125 Hz時，相位器的抖動量減小，穩(wěn)定性在±1°CA（圖23）。

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PWM控制頻率提高15 Hz到125 Hz時，相位器控制在30°CA時穩(wěn)定性在±1°CA，有明顯改善。

6 結(jié)束語

（1）在調(diào)整各影響參數(shù)時，對中心螺栓式VCT的動態(tài)響應(yīng)的改善會導(dǎo)致穩(wěn)定性下降，穩(wěn)定性的改善會導(dǎo)致動態(tài)響應(yīng)的下降。

（2）改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速能改變凸輪軸扭矩的頻率，當凸輪軸扭矩頻率與電磁閥PWM控制頻率相同時，相位器會產(chǎn)生共振，影響穩(wěn)定性。

圖22 PWM控制頻率95 Hz穩(wěn)定性

圖23 PWM控制頻率125 Hz穩(wěn)定性

（3）當凸輪軸扭矩對相位器產(chǎn)生共振影響時，此時改變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。