關于VVT 超調影響因素的研究

羅秋萍 溫龍軒 劉勝強 郭 強 趙福成 王瑞平,2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

發動機作為汽車的心臟，為汽車提供動力。其燃油經濟性與動力性是車輛最受關注的性能。而傳統的發動機凸輪軸相位不能隨汽車的速度、負荷以及各種外部因素的變化而變化，發動機在絕大部分工況下無法獲得最佳配氣正時相位。可變氣門正時技術（Variable Valve Timing，VVT）的出現很好地解決了這個難題，這項技術可以調節發動機進排氣門的開啟與關閉時刻，保證了充氣系數，達到最優的配氣正時相位，可以降低油耗與排放，是發動機非常關鍵的技術[1]。

OCV（oil control valve）和相位器是VVT 系統的關鍵零件。OCV 是提供相位器機油，并接收ECU 命令改變油壓驅動相位器的液壓控制閥[2]。相位器是執行ECU 命令改變凸輪軸相位的執行器。VVT 的跟隨性對發動機的性能非常重要，而最大超調是評價VVT 響應性與跟隨性的重要指標之一。最大超調指實際相位器第一次達到目標角度后，實際角度相對目標角度的最大偏移量。若超調量過大，則偏離原標定開發的最優燃燒工況，將影響發動機的動力性與排放性能[3-4]。因此改善VVT 的超調量對發動機性能具有重要意義。

本文目的是研究VVT 超調量的影響因素，重點是通過優化OCV 零件參數減小VVT 的超調量，改善VVT 的響應性與跟隨性。

1 OCV 與相位器的構造和工作原理

OCV 主要是由線圈（閥體、閥芯、頂桿等）、閥套、換向桿、O 型圈、彈簧等零件組成。線圈接收控制信號后，產生相應的電磁力，推動閥芯移動，從而改變油路的油壓。相位器主要是由定子、轉子、前蓋、鎖銷機構、復位彈簧等零件組成[5]。排氣帶有復位彈簧，進氣根據發動機工況可選擇是否帶卷簧。相位器轉子兩側分別為提前腔與滯后腔，其油路與OCV 的AB油孔油路連通。其中一個腔進油時，推動轉子轉動，即實現了凸輪軸相位變化。

如圖1 所示，當相位器處于初始位置（最滯后位置）時，OCV 未接收到控制信號，換向桿處于初始位置，此時機油從OCV 的P 口進入，沿內部油道從B口出，最終進入VVT 提前腔。相位器滯后腔中機油從OCV 的A 口進入OCV，最終從OCV 的T 口排出，轉子逆時針轉動，則實現了凸輪軸相位滯后。同理，油從A 口進入滯后腔，機油從提前腔排出，轉子順時針轉動，則實現了凸輪軸相位提前。

圖1 相位器與OCV 工作原理

2 VVT 性能的臺架測試方法

VVT 最關鍵的功能是跟隨響應，其評價指標有響應時間、調節時間、最大超調量與穩態偏差，如圖2所示。

圖2 VVT 響應性與跟隨性評價指標

為了研究VVT 接收ECU 命令后，執行命令的速度和控制穩定性，同時也是給性能開發優化標定參數提供參考數據，我們利用發動機點火臺架閉環控制，測試VVT 跟隨響應性能。測試過程將發動機其他邊界參數固定，并外接機油恒溫裝置與冷卻液外循環，搭建臺架。

具體測試工況如下：

1）發動機熱機后，控制主油道油溫與出水溫度為90 ℃，轉矩為50 N·m，分別將轉速調節到1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min。

2）利用圖3 INCA 軟件調節進排氣VVT 走ECU的MAP，先手動控制進氣從初始位置按照15°CA 或5°CA 步長，調節至極限位置；再從極限位置按照15°CA 或5°CA 步長，調節至初始位置。如此定義為一個試驗循環，測試VVT 的最大超調量。

3）同樣地，再控制排氣VVT 進行一個試驗循環，測試VVT 的最大超調量。

3 VVT 超調的影響因素

3.1 標定參數

一般地發動機正向開發時，若VVT 的響應速度和控制穩定性滿足要求，可以通過修改標定PWM 參數，調整相位器的超調量。這種方法成本最低，效果最明顯。但目前國內很多主機廠并不具備修改標定參數的能力。同時，為了技術降本，開發二軌供應商時需覆蓋原有的標定數據。這時候必須通過修改相位器與OCV 零件本身來滿足最大超調要求。

圖3 VVT 性能測試INCA 軟件

3.2 相位器卷簧力

因發動機凸輪軸力矩作用于VVT 滯后方向，進氣相位器向提前方調節的響應速度要小于向滯后方調節的響應速度；而排氣正好相反。為了平均提前和滯后方向的調節速度，同時也是為了使排氣相位器更好地回位和落鎖，相位器會采用卷簧。若卷簧力設計不合理，卷簧力過大或過小，VVT 均會出現超調現象。

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因此，在設計時可以仿真計算相位器提前與滯后方向的受力情況，選擇合適的卷簧力，避免出現提前或滯后方向受力不均勻導致超調或欠調現象（欠調：響應時間過長）。

3.3 OCV 中位占空比與中心幅值對相位器超調的影響

OCV 是影響VVT 控制性能的重要零件。一般地，OCV 會采用流量-占空比或流量-電流圖表示OCV 的流量特性，如圖4 所示。本文發動機采用占空比控制信號，因此以流量-占空比描述OCV 性能。占空比從0%至100%，AB 油路所對應的開啟情況如圖5 所示。可以看出油路流量曲線左側斜線代表了相位器調節的下降沿，即相位器從小角度向大角度調節；曲線右側斜線代表了相位器調節的上升沿，即相位器從大角度向小角度調節。

3.3.1 OCV 中位占空比對相位器超調的影響

圖4 OCV 流量-占空比示意圖

當相位器轉子提前腔與滯后腔油壓相同，相位穩定時，此時的占空比稱為中位占空比，如圖4 中的③所示。標定在進行性能開發時，會預設某溫度下的中位占空比。相位器具有±5%左右的自學習能力，若實際OCV 的中位占空比與標定預設值相差在±5%以內時，相位器可以自學習彌補差值。若差值大于5%時，相位器調節角度過程，同一占空比下對應的流量相差較大，則容易產生超調或欠調（欠調時，應評估響應時間）。

如圖5 所示，假設曲線1 為標定預設占空比流量曲線，中位占空比為40%；曲線2、3 是實際OCV流量曲線，中位占空比分別為25%和55%。曲線左側，對應的B 腔油壓PB3＞PB1＞PB2。曲線右側，對應的A 腔油壓PA2＞PA1＞PA3。我們可以得到以下結論：

圖5 不同中位占空比流量曲線示意圖

1）曲線2 油壓不足，下降沿容易欠調；曲線3 油壓過大，下降沿容易超調。

2）曲線2 油壓過大，上升沿容易超調；曲線3 油壓不足；上升沿容易欠調。

圖6 中位占空比對最大超調量的影響

圖7 中位占空比40%，超調滿足要求

圖8 中位占空比25%，上升沿超調下降沿欠調

圖9 中位占空比45%，上升沿欠調下降沿超調

研究表明，OCV 中位占空比與標定和設計值相同或接近時，對VVT 的超調影響最小，當中位占空比遠小于標定預設值時，VVT 容易出現下降沿欠調上升沿超調，當中位占空比遠大于標定預設值時，VVT 容易出現下降沿超調上升沿欠調。

3.3.2 OCV 中心幅值對相位器超調的影響

如圖4 所示，流量曲線寬度為中心幅值。常用QN=1 L 或0.5 L 時的曲線寬度作為中心幅值。如圖10 所示，曲線1 中心幅值為13%，曲線2 中心幅值20%；可以看出曲線左側，PB1＞PB2，曲線右側，PA1＞PA2。我們可以得出結論：中心幅值小時，OCV 容易超調，中心幅值大時，容易欠調。

為了更好地研究這一規律，我們基于發動機做為研究對象，選取了不同中心幅值的OCV 樣件進行臺架限位器響應性與跟隨性試驗。每組樣本量2 個，樣件分組與測試結果如圖11 至13 所示。

圖10 不同中心幅值流量曲線示意圖

圖11 中心幅值13%，VVT 超調

圖12 中心幅值17%，VVT 超調滿足要求

圖13 中心幅值22%，VVT 欠調

如圖11 至13 所示，中心幅值13%時超調量＞17%時的超調量＞22%時的超調量，即中心幅值越大，超調量越小。因此，設計過程要選取合適的中心幅值，中心幅值過大容易造成欠調，響應時間過長；若中心幅值過小容易造成超調過大。

4 結論

1）優先通過修改標定PWM 參數調整超調量。

2）選擇合適的相位器卷簧力可改善超調量。

3）OCV 中位占空比與標定預設值接近時，對VVT 的超調影響很小，當中位占空比遠小于標定預設值時，VVT 容易出現下降沿欠調上升沿超調，當中位占空比遠大于標定預設值時，VVT 容易出現下降沿超調上升沿欠調。

4）中心幅值越大，超調量越小。