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引言

發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)(VVT,Variable Valve Timing)是近些年來(lái)被逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代轎車上的一種新技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變氣門正時(shí)技術(shù)可以提高進(jìn)氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率可以得到進(jìn)一步的提高[1]。通過(guò)電子液壓控制系統(tǒng)改變凸輪軸打開(kāi)進(jìn)氣門的時(shí)間早晚，從而控制所需的氣門重疊角的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況連續(xù)變化，適時(shí)控制氣門重疊角的大小，從而改變氣缸進(jìn)氣量[2-5]。

中置式轉(zhuǎn)矩輔助結(jié)構(gòu)VVT 是近來(lái)年國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)機(jī)構(gòu)中較流行的設(shè)計(jì)類型，可廣泛用于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)。用于取代帶OCV 閥的側(cè)置式油壓驅(qū)動(dòng)VVT[6]。

一般VVT 系統(tǒng)包括相位器（Phaser）、中心螺栓（center bolt）及可變力電磁閥（VFS）。

通常的安裝方式是，中心螺栓通過(guò)與凸輪軸的螺紋連接把相位器和凸輪軸連接在一起。電磁閥通過(guò)兩個(gè)螺栓安裝在前蓋上，采用密封圈徑向或端面的密封方式。電磁閥上有接觸端子和線束連接實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸。

它的簡(jiǎn)要工作原理是ECU 提供給電磁閥不同的占空比，通過(guò)電磁閥工作到中置式的中心螺栓，從而實(shí)現(xiàn)中心螺栓里控制閥的不同位置，實(shí)現(xiàn)相位器的提前或滯后。當(dāng)電磁閥的工作不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)導(dǎo)致中心螺栓運(yùn)動(dòng)波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致油壓不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致VVT 在目標(biāo)相位波動(dòng)。本文對(duì)于VFS 的使用頻率進(jìn)行研究，對(duì)出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題提出解決方案，確定最優(yōu)的頻率控制方案。

1 驗(yàn)證方案

根據(jù)電磁閥VFS 的使用頻率高低分為兩個(gè)驗(yàn)證方案（詳見(jiàn)表1 所示），分別為高頻方案和低頻方案。其中高頻方案采用側(cè)置式常用的頻率280 Hz。低頻使用100～150 Hz，根據(jù)材料特性以及中置VVT 響應(yīng)快的特點(diǎn)，該頻率可以滿足使用要求。

表1 電磁閥VFS 使用頻率

該實(shí)驗(yàn)搭載在柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 高頻：電磁閥VFS 使用頻率280 Hz

電磁閥VFS 振動(dòng)頻率恒定為280 Hz，VVT 開(kāi)啟環(huán)境溫度范圍為（-15 ℃～130 ℃），頻率控制轉(zhuǎn)速點(diǎn)根據(jù)標(biāo)定軟件限制，只能挑選7 個(gè)，前6 組500 r/min遞增，第7 組選擇最大轉(zhuǎn)速5 300 r/min。詳細(xì)控制策略如表3 所示。

表3 高頻控制圖譜

根據(jù)表3 的電磁閥振動(dòng)頻率，發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷、全轉(zhuǎn)速工況檢查，發(fā)現(xiàn)在2 748 r/min 和3 700 r/min 處存在輕波動(dòng)，波動(dòng)轉(zhuǎn)速＜±25 r/min，波動(dòng)幅度＜±2°（設(shè)計(jì)要求＜±3°），其余工況基本＜±1°，詳見(jiàn)圖1 中1&2位置。

雖然出現(xiàn)的2 個(gè)波動(dòng)點(diǎn)振動(dòng)幅度滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)仍然存在優(yōu)化的空間，因此對(duì)波動(dòng)原因進(jìn)一步分析。

2.1.1 VVT 波動(dòng)分析

VVT 波動(dòng)主要是由于電磁閥VFS 的使用頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)共振，引起油壓不穩(wěn)定。根據(jù)該情況計(jì)算共振轉(zhuǎn)速，現(xiàn)搭載的是一臺(tái)1.2 L 增壓直噴3缸機(jī)，每個(gè)工作循環(huán)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)2 圈，每個(gè)工作循環(huán)3個(gè)缸點(diǎn)火做功一次，即發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)做功1.5 次即振動(dòng)1.5 次。

圖1 280 Hz-VVT 振動(dòng)圖

VFS 的工作頻率為280 Hz，那么轉(zhuǎn)換為共振的轉(zhuǎn)速設(shè)為X r/min，計(jì)算公式如下：

1 階共振：（X/60）*1.5=280=＞X=11 200 r/min；（超出發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速）

1/2 階共振：（2*X/60）*1.5=280=＞X=5 600 r/min；（超出發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速）

1/3 階共振：（3*X/60）*1.5=280=＞X=3 733 r/min；（共振）

1/4 階共振：（4*X/60）*1.5=280=＞X=2 800 r/min；（共振）

為確定該方案共振對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，需搭載發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性能驗(yàn)證。

2.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性能驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，1/3、1/4 共振基本吻合，由于實(shí)際振動(dòng)幅度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，因此不影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率轉(zhuǎn)矩，基于高頻280 Hz 方案搭載2 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)（模擬整車使用10 年25×104km）。試驗(yàn)后VFS測(cè)試磁質(zhì)，并和實(shí)驗(yàn)前對(duì)比，磁質(zhì)要求＜0.8 mm，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 280 Hz-GED 試驗(yàn)后VFS 磁質(zhì)檢測(cè)

試驗(yàn)后一臺(tái)電磁鐵閥磁質(zhì)變化1.2 mm，超出0.8 mm 許用極限，該情況會(huì)導(dǎo)致VVT 卡滯的情況出現(xiàn)。因此該方案量產(chǎn)實(shí)施存在一定的使用風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 低頻100～150 Hz 驗(yàn)證方案

1 階共振：（X/60）×1.5=110=＞X=4 400 r/min；（共振）

1/2 階共振：（2×X/60）×1.5=110=＞X=2 200 r/min；（共振）

1/3 階共振：（3×X/60）×1.5=110=＞X=1 500 r/min；（無(wú)共振）

1/4 階共振：（4×X/60）×1.5=110=＞X=1 100 r/min；（無(wú)共振）

表4 110 Hz 控制圖譜

VVT 實(shí)際運(yùn)行抖動(dòng)情況如表5 和圖3 所示。

表5 110 Hz-VVT 振動(dòng)工況

圖3 110 Hz-VVT 振動(dòng)圖

實(shí)際測(cè)量結(jié)果和共振情況分析基本吻合，通過(guò)110 Hz，280 Hz 振動(dòng)頻率測(cè)量結(jié)果可以分析出，恒定頻率運(yùn)行，始終會(huì)存在共振的情況。為了驗(yàn)證該分析，額外做了120 Hz、130 Hz，140 Hz，150 Hz 頻率運(yùn)行情況，基本吻合共振計(jì)算結(jié)果，本文不做展示。結(jié)論為隨著頻率的增加，共振轉(zhuǎn)速也會(huì)增加。

定義3 ε-差分隱私.給定值域?yàn)镽ange(A)的隨機(jī)算法A:Rn×m→Rn×m，當(dāng)輸入兩個(gè)相鄰的評(píng)分矩陣R、R′和非負(fù)實(shí)數(shù)ε，若對(duì)于任意S?Range(A)，都有

2.3 低頻控制方案調(diào)整

由于使用恒定頻率，不可避免地會(huì)出現(xiàn)共振情況，而且隨著頻率的增高，共振轉(zhuǎn)速也增高，因此提出變頻調(diào)整控制方案，避開(kāi)共振點(diǎn)。變頻控制主要分兩種思路：

1）插值法調(diào)頻。

2）階躍法調(diào)頻。

插值法調(diào)頻：根據(jù)共振轉(zhuǎn)速隨頻率升高而增大的規(guī)律，在2 600 r/min 以前，頻率由110 Hz 逐步增大至150 Hz，可以消除2 000～2 400 r/min 附近的共振，然后在2 650 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，將頻率降低為110 Hz，然后在4 400 r/min 調(diào)整為120Hz，通過(guò)此方法可以消除3 800～4 900 r/min 共振情況，頻率控制如表6 所示。

表6 插值法控制圖譜

2.3.1 插值法實(shí)測(cè)

實(shí)際測(cè)量，1 階共振完全消除，但是由于頻率由150 Hz 切換為110 Hz 時(shí)，存在50 r/min 的過(guò)度轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致產(chǎn)生新的振動(dòng)。新的共振轉(zhuǎn)速圖譜如圖4 所示。

圖5 為插值法共振圖，插值法驗(yàn)證結(jié)果如下：

1）1 階共振消除，見(jiàn)圖5 中1 階共振轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速無(wú)交交點(diǎn)。

2）產(chǎn)生了新的1/2 階共振，振動(dòng)幅度＜±2.5°，共振轉(zhuǎn)速2 616～2 627 r/min。見(jiàn)圖5 中2 階共振轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速相交點(diǎn)。

3）產(chǎn)生了新的1/3 階共振，振動(dòng)幅度＜±2°，共振轉(zhuǎn)速1 440～1 500 r/min。見(jiàn)圖5 中3 階共振轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速線相交點(diǎn)。

插值法振動(dòng)幅度和振動(dòng)轉(zhuǎn)速都有縮減，改善效果明顯，但是不能完全消除共振。

2.3.2 階躍法實(shí)測(cè)

階躍法調(diào)頻：基于插值法的驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，提出在共振轉(zhuǎn)速區(qū)間瞬時(shí)切換頻率，然后再切換為原頻率，該控制方式稱為階躍法調(diào)頻。圖6 所示為階躍法-VVT振動(dòng)圖。由于常規(guī)的標(biāo)定系統(tǒng)無(wú)此控制模塊，重新開(kāi)發(fā)該模塊滿足驗(yàn)證需求。驗(yàn)證方案如下：

基礎(chǔ)頻率選用110 Hz，根據(jù)表5 測(cè)量結(jié)果，共振區(qū)間為2 000～2 400 r/min，3 800～4 900 r/min；因此在共振轉(zhuǎn)速區(qū)間前后100 r/min 啟動(dòng)階躍調(diào)頻，策略如下：

1）位置跳頻策略：在1 900 r/min 頻率跳轉(zhuǎn)至135 Hz，在2 500 r/min 時(shí)頻率換回110 Hz；

圖4 插值法-VVT 振動(dòng)圖

圖5 插值法共振圖

圖6 階躍法-VVT 振動(dòng)圖

2）位置跳頻策略：在3 700 r/min 頻率切換至135 Hz，在5 000 r/min 時(shí)頻率換回110 Hz；

實(shí)施情況：大部分小于±0.5°，個(gè)別工況在±1.5°以內(nèi)。改善效果明顯。

3 結(jié)論

1）采用單一恒定頻率，高頻280 Hz 方案優(yōu)于低頻（110～150 Hz）方案，若需要使用高頻280 Hz 方案，需要升級(jí)電磁閥（VFS）閥芯材料，提升耐磨性來(lái)改善閥芯異常磨損導(dǎo)致磁質(zhì)變?nèi)醯那闆r，本文未對(duì)該方案做進(jìn)一步研究。

2）低頻方案研究：插值法和階躍法，均能有效改善共振問(wèn)題，階躍法優(yōu)于插值法。

3）總體對(duì)比，階躍法+低頻控制方案為最優(yōu)，可以有效控制VVT 的波動(dòng)使其處于穩(wěn)定狀態(tài)。