張曉松，滕　勤，李　杰（.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥　30009；.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥　3060）

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可變氣門正時機(jī)構(gòu)特殊模式控制策略的仿真研究

張曉松1，滕勤1，李杰2
（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥230009；2.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230601）

摘要：針對發(fā)動機(jī)可變氣門正時（variable valve timing，VVT）控制系統(tǒng)凸輪軸調(diào)節(jié)過程中可能出現(xiàn)的特殊工作模式，文章建立了相應(yīng)的控制策略，并計(jì)算對應(yīng)的凸輪軸目標(biāo)相位。當(dāng)機(jī)油溫度過高、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降太快導(dǎo)致機(jī)油壓力降低時，為了防止凸輪軸調(diào)節(jié)速度明顯降低，提出停調(diào)排氣凸輪軸的控制策略；為了預(yù)防發(fā)動機(jī)工作中產(chǎn)生的碎屑阻塞相位器和機(jī)油控制閥，提出預(yù)防性清洗策略；根據(jù)這2種控制策略對凸輪軸調(diào)節(jié)效果的影響，對其進(jìn)行了優(yōu)先級劃分。在ASCET-MD環(huán)境中建立了控制模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制邏輯，結(jié)果表明，凸輪軸目標(biāo)位置完全適合相應(yīng)的控制策略。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；可變氣門；凸輪軸閉環(huán)控制；使能標(biāo)志位；凸輪軸目標(biāo)位置

滕勤（1962-），男，黑龍江佳木斯人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師.

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格以及環(huán)保要求的不斷提高，低能耗、低排放以及高輸出扭矩和高輸出功率成為發(fā)動機(jī)發(fā)展的主要目標(biāo)。在當(dāng)前各種發(fā)動機(jī)技術(shù)中，可變氣門正時（variable valve timing，VVT）技術(shù)是改善發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放以及提高發(fā)動機(jī)參數(shù)的有效途徑之一［1-2］。

為了實(shí)現(xiàn)對可變氣門正時機(jī)構(gòu)的精細(xì)控制，國內(nèi)外對VVT控制策略進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)［3］開發(fā)了一個以低響應(yīng)速度的VVT為主、高響應(yīng)速度的VVL（variable valve lift）為輔的主-輔控制方法，利用VVA（variable valve actuation）調(diào)節(jié)進(jìn)氣過程；為了確定當(dāng)前工況下發(fā)動機(jī)最佳凸輪正時，文獻(xiàn)［4］在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行了不同穩(wěn)定工況的VVT系統(tǒng)標(biāo)定和匹配研究；文獻(xiàn)［5］開發(fā)了全可變氣門機(jī)構(gòu)，采用分段PID算法控制氣門升程和正時；文獻(xiàn)［6］采用模糊PID控制算法，進(jìn)行了VVT控制系統(tǒng)的仿真研究；文獻(xiàn)［7］通過建立可變凸輪相位器的數(shù)學(xué)模型，研究了影響相位器響應(yīng)速度的因素。上述研究主要針對如何根據(jù)當(dāng)前發(fā)動機(jī)工況標(biāo)定最佳凸輪軸目標(biāo)位置以及通過合適的控制算法使凸輪軸相位達(dá)到目標(biāo)值，并未涉及VVT系統(tǒng)在一些特殊模式下的控制策略及其相應(yīng)的凸輪軸目標(biāo)位置。

本文針對凸輪軸機(jī)油油道清洗和排氣凸輪軸停調(diào)2種特殊調(diào)節(jié)模式，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略，針對2種特殊模式在同時使能的情況下，進(jìn)行了控制優(yōu)先級的劃分。

1　可變氣門正時原理

VVT系統(tǒng)主要由電控單元、相位器、機(jī)油控制閥（Oil Control Valve，OCV）以及機(jī)油油道組成，目前廣泛采用機(jī)油壓力控制的轉(zhuǎn)子式可變氣門凸輪相位機(jī)構(gòu)，通過高強(qiáng)度的螺栓將凸輪軸與轉(zhuǎn)子固定在一起，同步轉(zhuǎn)動。定子與正時鏈輪連成一體，通過正時鏈條與曲軸連接，達(dá)到定比傳動［8-9］。

發(fā)動機(jī)ECU計(jì)算當(dāng)前的凸輪軸目標(biāo)位置，根據(jù)測量的當(dāng)前凸輪軸實(shí)際位置，通過PID控制算法計(jì)算PWM占空比，控制電磁閥使閥芯處于不同位置，進(jìn)而控制液壓機(jī)油的流動方向和流動面積［10］。相位器通過機(jī)油流動的方向控制凸輪軸調(diào)節(jié)方向，利用機(jī)油流量控制凸輪軸調(diào)節(jié)速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)凸輪軸實(shí)際位置［11］。

凸輪軸目標(biāo)位置的計(jì)算是VVT控制邏輯中的重要組成部分。VVT控制原理如圖1所示，其中凸輪軸目標(biāo)位置包括正常模式下和特殊模式下2種。正常模式下的凸輪軸目標(biāo)位置是在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行時不同工況所要求的目標(biāo)位置，以保證發(fā)動機(jī)處于最佳工作狀態(tài)；特殊工作模式目標(biāo)位置是VVT系統(tǒng)處于特殊狀態(tài)時所要求的目標(biāo)位置。本文主要討論了凸輪軸機(jī)油油道清洗和排氣凸輪軸停調(diào)2種特殊模式。

圖1　可變氣門正時控制原理

2　機(jī)油油道預(yù)防性清洗

在發(fā)動機(jī)生產(chǎn)和使用過程中會形成一些碎屑，為預(yù)防這些碎屑阻塞VVT機(jī)構(gòu)的機(jī)油油道、機(jī)油控制閥，需要在每次發(fā)動機(jī)啟動至關(guān)閉的汽車駕駛過程中對機(jī)油油道進(jìn)行清洗，盡可能通過機(jī)油帶走碎屑，預(yù)防阻塞的發(fā)生，故稱之為預(yù)防性清洗。該功能以預(yù)防為主，考慮到清洗過程中凸輪軸位置的變化對發(fā)動機(jī)性能影響較大，因此在一次駕駛過程中清洗功能執(zhí)行的次數(shù)是有限的。預(yù)防性清洗旨在通過快速改變凸輪軸目標(biāo)位置的設(shè)定值，增加機(jī)油在短時間內(nèi)的壓力和流速，利用快速流動的機(jī)油把碎屑清理出油道。

2.1機(jī)油油道清洗的使能條件

機(jī)油油道清洗功能的使能時刻需要準(zhǔn)確限定。因?yàn)榍逑催^程中凸輪軸的調(diào)節(jié)幅度較大，氣門的開啟/關(guān)閉時刻發(fā)生較大的變化，從而導(dǎo)致缸內(nèi)進(jìn)氣量發(fā)生大幅度變化，這對發(fā)動機(jī)工作性能影響巨大。為了盡量減小這種影響，本文提出了2種不同的使能時刻方案。

（1）當(dāng)汽車鑰匙關(guān)閉發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)在隨后的后運(yùn)行階段使能此功能。利用發(fā)動機(jī)的剩余轉(zhuǎn)速提供機(jī)油壓力，此時已經(jīng)停止噴油，不會影響發(fā)動機(jī)排放、動力等性能。但清洗次數(shù)和清洗時間有限，機(jī)油壓力可能不足也會導(dǎo)致清洗效果欠佳。

（2）在超速斷油工況使能清洗功能，使能條件為：①對于有EGR的系統(tǒng)，必須完成EGR（exhaust gas recirculation）診斷；②未踩下制動踏板；③未踩下離合器踏板；④發(fā)動機(jī)處于超速狀態(tài)；⑤發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在標(biāo)定范圍之內(nèi)；⑥機(jī)油溫度在標(biāo)定范圍之內(nèi)。由于在超速狀態(tài)下機(jī)油壓力充足，調(diào)節(jié)效果較好，但是清洗時間受限。

2.2進(jìn)/排氣凸輪軸清洗的實(shí)現(xiàn)

進(jìn)/排氣凸輪軸的清洗函數(shù)是利用ASCETMD建立的一個狀態(tài)機(jī)，如圖2所示。其中，1和2分別表示凸輪軸接近最提前和最滯后機(jī)械止點(diǎn)處；3和4分別表示提前和滯后狀態(tài)持續(xù)時間結(jié)束；5和6表示目標(biāo)位置變換次數(shù)計(jì)數(shù)器達(dá)到相應(yīng)的閾值；7和8表示清洗過程中清洗使能標(biāo)志位為假；9表示一次清洗結(jié)束后清洗使能標(biāo)志位為假。狀態(tài)機(jī)包括等待、提前、延遲、停止4個狀態(tài)，每個狀態(tài)又包括進(jìn)入、停留、退出3個部分。

圖2　油道清洗狀態(tài)簡圖以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件說明

當(dāng)清洗的使能標(biāo)志位為真時，該狀態(tài)機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。在該狀態(tài)的進(jìn)入部分中，首先把目標(biāo)位置變化次數(shù)計(jì)數(shù)器設(shè)定為0，由于還沒有開始進(jìn)行清洗，所以需要設(shè)定清洗標(biāo)志位為假。在停留部分不需要執(zhí)行任何任務(wù)。當(dāng)狀態(tài)機(jī)離開等待狀態(tài)就意味著開始進(jìn)行清洗，所以在退出部分中設(shè)定清洗標(biāo)志位為真即可。

狀態(tài)機(jī)處于等待狀態(tài)時，會不停判斷當(dāng)前凸輪軸的實(shí)際位置。當(dāng)凸輪軸實(shí)際位置接近最滯后的機(jī)械止點(diǎn)附近時，狀態(tài)機(jī)從等待狀態(tài)進(jìn)入提前狀態(tài)。同理，當(dāng)實(shí)際位置接近最提前的機(jī)械止點(diǎn)附近時，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入延遲狀態(tài)。

在提前和等待2個狀態(tài)的進(jìn)入部分中都需要完成以下內(nèi)容：①目標(biāo)位置變化次數(shù)計(jì)數(shù)器加1；②維持于該狀態(tài)的計(jì)時器開始計(jì)時；③設(shè)定當(dāng)前狀態(tài)的凸輪軸目標(biāo)位置。在等待任務(wù)中只需要將維持于該狀態(tài)的計(jì)時器不斷計(jì)時即可。當(dāng)計(jì)時器達(dá)到標(biāo)定的閾值時，通過與其他狀態(tài)的轉(zhuǎn)換條件判斷狀態(tài)機(jī)需要進(jìn)入的下一個狀態(tài)。當(dāng)目標(biāo)位置變化次數(shù)計(jì)數(shù)器小于最大變化次數(shù)（設(shè)定為7）時，狀態(tài)機(jī)會進(jìn)入滯后或者提前狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)大幅度改變凸輪軸目標(biāo)位置的目的。當(dāng)該計(jì)數(shù)器大于等于最大變化次數(shù)時，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，完成一次清洗。

由于本函數(shù)中最大變化次數(shù)設(shè)定為7，因此，可以保證當(dāng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)前，凸輪的目標(biāo)位置為狀態(tài)機(jī)離開等待狀態(tài)時的機(jī)械止點(diǎn)位置。所以，當(dāng)完成清洗時凸輪軸可以很快地回到清洗前的位置，減小了清洗對發(fā)動機(jī)當(dāng)前工況VVT控制的影響。

狀態(tài)機(jī)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，該狀態(tài)的進(jìn)入任務(wù)包括：①設(shè)定清洗標(biāo)志位為假，表示結(jié)束該次清洗；②當(dāng)前駕駛循環(huán)清洗次數(shù)計(jì)數(shù)器加1，記錄當(dāng)前駕駛循環(huán)完成的清洗次數(shù)。

2.3仿真結(jié)果

剛開始執(zhí)行清洗函數(shù)，狀態(tài)機(jī)從等待狀態(tài)首先進(jìn)入滯后狀態(tài)的清洗過程如圖3所示。當(dāng)使能標(biāo)志位B_nwshken為真、進(jìn)氣凸輪軸實(shí)際位置接近機(jī)械止點(diǎn)附近時，清洗標(biāo)志位B_nwshke為真，凸輪軸目標(biāo)位置開始在2個機(jī)械止點(diǎn)附近來回?cái)[動，并在機(jī)械止點(diǎn)附近維持0.25 s。當(dāng)完成清洗時，清洗標(biāo)志位B_nwshke設(shè)定為假，并且用折線表示的凸輪軸目標(biāo)位置wnwshke恰好處于最滯后的位置，這樣有利于凸輪軸回到開始清洗時的實(shí)際位置。

狀態(tài)機(jī)從等待狀態(tài)首先進(jìn)入提前狀態(tài)的清洗過程如圖4所示。

圖3　在最滯后止點(diǎn)位置開始清洗

圖4　在最提前止點(diǎn)位置開始清洗

凸輪軸目標(biāo)位置變化次數(shù)、每次在機(jī)械止點(diǎn)維持的時間都和圖3中相同。不同之處在于開始進(jìn)行清洗的調(diào)節(jié)方向相反，目標(biāo)位置的選擇不同。

3　排氣凸輪軸停調(diào)

對于進(jìn)/排氣凸輪軸均可調(diào)的雙可變氣門正時系統(tǒng)，調(diào)節(jié)的過程中需要大量的機(jī)油。當(dāng)機(jī)油溫度較高、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時有可能出現(xiàn)機(jī)油壓力不足的現(xiàn)象，這樣會減小進(jìn)/排氣凸輪軸調(diào)節(jié)速度，影響發(fā)動機(jī)性能。而眾所周知，進(jìn)氣凸輪軸的調(diào)節(jié)對發(fā)動機(jī)性能的影響大于排氣凸輪軸調(diào)節(jié)對發(fā)動機(jī)的影響，所以可以通過暫時停止調(diào)節(jié)排氣凸輪軸的方法，減少機(jī)油的消耗，從而提高進(jìn)氣凸輪軸的調(diào)節(jié)速率。

3.1排氣凸輪軸停調(diào)使能條件

排氣凸輪軸停調(diào)功能使能條件為：

（1）VVT系統(tǒng)是進(jìn)/排氣凸輪軸均可調(diào)的雙VVT系統(tǒng)，因?yàn)樵摴δ艿脑O(shè)計(jì)目的是防止大量使用機(jī)油而導(dǎo)致的機(jī)油壓力不足。

（2）進(jìn)/排氣凸輪軸目標(biāo)位置與實(shí)際位置的差值均能夠在一定時間內(nèi)始終大于由當(dāng)前發(fā)動機(jī)狀態(tài)決定的一個標(biāo)定閾值，以此判定進(jìn)/排氣凸輪軸調(diào)節(jié)速度過慢。

3.2排氣凸輪軸停調(diào)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)滿足上述條件時，可以認(rèn)為進(jìn)氣凸輪軸的調(diào)節(jié)速率降低、機(jī)油不足，此時將停止調(diào)節(jié)排氣凸輪軸的標(biāo)志位設(shè)定為真。由于凸輪軸扭矩會將排氣凸輪軸向滯后方向推動，直接導(dǎo)致進(jìn)排氣重疊角增加。為了防止重疊角過大，必須把排氣凸輪軸向提前方向移動。再考慮到提高駕駛性能，應(yīng)允許排氣凸輪軸向提前方向移動，所以本文中的停止調(diào)節(jié)排氣凸輪軸是允許排氣凸輪軸向提前方向移動的，并不是完全不調(diào)節(jié)排氣凸輪軸。

由于在實(shí)際的排氣凸輪軸標(biāo)定過程中提前為負(fù)、滯后為正，所以目標(biāo)位置值越小表示越向前提前。當(dāng)停止調(diào)節(jié)排氣凸輪軸標(biāo)志位設(shè)定為真時，利用ASCET-MD中的“EdgeRising”捕捉該標(biāo)志位的上升沿作為取值的條件。然后將排氣軸當(dāng)前的目標(biāo)值與上一時刻的目標(biāo)值進(jìn)行比較，取較小值。這樣便完成了排氣凸輪軸的停調(diào)控制。

3.3仿真結(jié)果

在ASCET-MD中建立了停調(diào)子函數(shù)的模型，并在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中利用仿真數(shù)據(jù)對控制邏輯進(jìn)行判斷。排氣凸輪軸停調(diào)仿真如圖5所示。

當(dāng)表示目標(biāo)值和實(shí)際值差值大于標(biāo)定閾值的標(biāo)志位B_nwstp為真時，經(jīng)過標(biāo)定時間后停調(diào)標(biāo)志位B_nwstpx為真，表示進(jìn)/排氣軸調(diào)節(jié)速度均較慢，開始停調(diào)排氣軸。與此同時，停調(diào)函數(shù)的凸輪軸目標(biāo)位置wnwstpx_w的值立即開始減小，即凸輪軸目標(biāo)位置只會向提前方向移動。當(dāng)該工況目標(biāo)位置wnwsxx_w的值增加時，停調(diào)函數(shù)的目標(biāo)位置保持不變。當(dāng)排氣凸輪軸目標(biāo)位置再一次小于當(dāng)前值時，停調(diào)函數(shù)凸輪軸目標(biāo)位置wnwstpx _w的值再一次減小。仿真結(jié)果完全滿足停調(diào)函數(shù)的分析，驗(yàn)證了模型的正確性。

圖5　排氣凸輪軸停調(diào)仿真

4　特殊模式的優(yōu)先級劃分

凸輪軸特殊控制存在多種情況，本文只考慮凸輪軸機(jī)油油道的清洗和排氣凸輪軸停調(diào)2種情況。對于多缸機(jī)，在機(jī)油油道清洗過程中會消耗大量機(jī)油，從而可能出現(xiàn)機(jī)油壓力不足，這一方面會導(dǎo)致清洗效果不佳，另一方面導(dǎo)致凸輪軸調(diào)節(jié)速度降低。進(jìn)而可能出現(xiàn)某一時刻同時滿足2種控制的使能條件，同時使能2種控制策略。由于這2種控制策略具有完全不同的控制思路，因此為了防止在機(jī)油大量消耗、機(jī)油溫度過高時出現(xiàn)2種控制沖突的情況，需要對2種控制策略進(jìn)行優(yōu)先級的劃分。

當(dāng)排氣凸輪軸停調(diào)標(biāo)志位為真時，表示當(dāng)前機(jī)油不足，進(jìn)氣凸輪軸調(diào)節(jié)速率降低。由于進(jìn)氣門正時變化對發(fā)動機(jī)影響較大，會嚴(yán)重影響可變氣門正時的工作效果，降低發(fā)動機(jī)的性能，所以應(yīng)該盡量避免機(jī)油消耗，停調(diào)排氣軸。而進(jìn)行機(jī)油油道清洗需要同時連續(xù)改變進(jìn)/排氣凸輪軸位置，在清洗期間會大量消耗機(jī)油，進(jìn)一步降低了進(jìn)氣軸的調(diào)節(jié)速度，所以可以得出結(jié)論，當(dāng)機(jī)油油道清洗和排氣軸停調(diào)同時使能時，排氣凸輪軸停調(diào)的優(yōu)先級高于機(jī)油油道清洗。優(yōu)先級劃分的邏輯圖如圖6所示。

將上述2個特殊狀態(tài)的控制策略聯(lián)合仿真，在ASCET的環(huán)境中得到的仿真結(jié)果如圖7所示。當(dāng)清洗使能標(biāo)志位B_nwshkaa為真時，凸輪軸目標(biāo)位置wnwstpma_w選擇清洗目標(biāo)位置wnwshkaa _w，即目標(biāo)位置在最提前和最滯后間來回?cái)[動。當(dāng)排氣凸輪軸停調(diào)標(biāo)志位B_nwstpa為真時，雖然清洗標(biāo)志位仍然為真，但此時凸輪軸目標(biāo)位置wnwstpma_w選擇當(dāng)前工況的目標(biāo)值wnwstpa_w。當(dāng)排氣凸輪軸停調(diào)標(biāo)志位為真，表示退出2種控制要求時，特殊調(diào)節(jié)目標(biāo)位置復(fù)位。

圖6　特殊調(diào)節(jié)優(yōu)先級劃分邏輯

仿真結(jié)果不僅符合了2種特殊控制策略的仿真結(jié)果，而且在2種控制策略同時使能發(fā)生沖突時，成功地進(jìn)行了優(yōu)先級的劃分。

圖7　優(yōu)先級劃分仿真

5　結(jié)　論

（1）本文對可變氣門正時中凸輪軸機(jī)油油道清洗原理進(jìn)行了分析。利用在凸輪軸調(diào)節(jié)范圍內(nèi)快速改變凸輪軸位置來加速機(jī)油流動，用機(jī)油帶走碎屑的方法達(dá)到清洗相位器和機(jī)油控制閥的效果。通過仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的凸輪軸目標(biāo)位置，并驗(yàn)證了控制邏輯的正確性。

（2）本文給出了雙可變氣門正時系統(tǒng)在出現(xiàn)機(jī)油壓力不足時的一種控制策略。利用相對停調(diào)排氣凸輪軸的方法以提高進(jìn)氣凸輪軸的調(diào)節(jié)速度，獲得在該特殊狀態(tài)下凸輪軸的目標(biāo)位置。

（3）當(dāng)凸輪軸控制的特殊情況同時出現(xiàn)時，為了防止2種調(diào)節(jié)模式?jīng)_突，對其進(jìn)行了優(yōu)先級劃分。

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（責(zé)任編輯胡亞敏）

Simulative study of control strategy of special modes for the mechanism of variable valve timing

ZHANG Xiao-song1，TENG Qin1，LI Jie2

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Technology Center of Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

Abstract：For some special operating modes that may occur during the adjustment of camshaft in the engine with variable valve timing（VVT），the corresponding control systems are established and the corresponding target positions are calculated.Low oil pressure may occur when the oil temperature is too high and the engine speed drops too quickly，and in order to prevent the adjustment rate of camshaft dropping too significantly，the strategy of stopping the adjustment of exhaust camshaft is established；in order to prevent the dirt deposits generated in the engine blocking the camshaft phaser and oil control valve，the strategy of preventive cleaning is established；then the two control strategies are prioritized based on their effects on the adjustment of camshaft.Finally，the models of control systems are established and some simulation experiments are done in ASCETMD.The experimental results verify the control logic and indicate that the target positions of camshaft are completely fit for the corresponding control strategy.

Key words：engine；variable valve；closed-loop control of camshaft；enable flag；target position of camshaft

作者簡介：張曉松（1990-），男，安徽六安人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

基金項(xiàng)目：合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目（13-026K）

收稿日期：2014-11-18；修回日期：2015-01-19

Doi：10.3969/j.issn.1003-5060.2016.01.006

中圖分類號：TK412

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5060（2016）01-0030-05