汽油機(jī)用連續(xù)可變排量機(jī)油泵控制方法研究

朱曉峰

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司 上海 201201）

引言

隨著中國(guó)針對(duì)汽油車(chē)油耗要求的加嚴(yán)，各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中傳統(tǒng)定排量機(jī)油泵的供油量隨轉(zhuǎn)速線性增加，在滿足熱怠速潤(rùn)滑需求的同時(shí)中高轉(zhuǎn)速有較大浪費(fèi)，為解決這一問(wèn)題各類(lèi)機(jī)油泵新技術(shù)成為發(fā)展熱點(diǎn)之一，其中連續(xù)可變排量機(jī)油泵應(yīng)用最為廣泛。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)介

發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副的潤(rùn)滑冷卻及液壓驅(qū)動(dòng)的需求。機(jī)油泵作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部位，從油底殼吸取機(jī)油并加壓后通過(guò)油道向整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)摩擦部件提供潤(rùn)滑油。如果其本身無(wú)法提供足夠的供油量和油壓，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)將出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損問(wèn)題，此外VVT/VVL等液壓系統(tǒng)也會(huì)因?yàn)閴毫Σ蛔愣鵁o(wú)法正常工作。反之如果供油量過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致耗油量的增加和浪費(fèi)及壓力過(guò)高密封不足導(dǎo)致泄露等風(fēng)險(xiǎn)。目前機(jī)油泵根據(jù)工作原理分為定排量泵、兩段式變排量泵、連續(xù)可變排量泵、電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)油泵。

2 連續(xù)可變排量葉片泵工作原理

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，目前正在使用的可變排量機(jī)油泵是將泵所提供的機(jī)油壓力降至系統(tǒng)最低需求避免浪費(fèi)。在這種情況下，泵排量會(huì)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求和工作條件進(jìn)行主動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整。典型的葉片泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，這對(duì)于兩級(jí)和連續(xù)可變排量都是常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。

圖1 連續(xù)可變排量機(jī)油泵

連續(xù)可變排量機(jī)油泵的排量與其偏心率成正比，偏心率是滑塊內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子外徑之間的中心線距離。它也與輸入軸速度成正比。為了改變泵的排量，通過(guò)允許滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)改變泵的偏心率，從而改變泵的排量。通過(guò)選擇性地將來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)主油道的反饋機(jī)油壓力施加到滑座外部的油室，可以調(diào)整泵的偏心度，以產(chǎn)生足夠的輸出流量，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)所需壓力的機(jī)油流量需求。因此只需控制滑塊移動(dòng)即可完全調(diào)節(jié)泵的輸出流量和壓力。兩級(jí)泵為滑塊的硬件屬性定義低和高2個(gè)等級(jí)壓力調(diào)節(jié)特性并通過(guò)電磁閥選擇。連續(xù)可變排量泵則是通過(guò)電磁閥對(duì)控制室油壓進(jìn)行線性控制。泵內(nèi)部的彈簧力定義了可調(diào)節(jié)的最小和最大允許機(jī)油壓力。電磁閥不通電，調(diào)節(jié)彈簧處于行程最長(zhǎng)狀態(tài)，此時(shí)泵工作在默認(rèn)最大壓力輸出狀態(tài)。反之電磁閥電流到最大，將高壓側(cè)機(jī)油接入控制室壓縮彈簧到最短狀態(tài)，此時(shí)油泵工作在最小壓力輸出狀態(tài)。通過(guò)電磁閥控制彈簧行程在最長(zhǎng)與最短之間線性滑動(dòng)達(dá)到油泵排量連續(xù)可調(diào)，使輸出機(jī)油壓力在上限和下限之間的比例調(diào)節(jié)[1]。

整個(gè)過(guò)程是ECM根據(jù)系統(tǒng)需求壓力通過(guò)輸出PWM占空比控制電磁閥完成。本文重點(diǎn)探討如何控制電磁閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求油壓。圖2為3種油泵工作壓力曲線，只有連續(xù)可變機(jī)油泵可以實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，機(jī)油壓力快速上升，在中等轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持中等的機(jī)油壓力，在高轉(zhuǎn)速階段機(jī)油壓力保持高壓。

圖2 各類(lèi)機(jī)油泵工作壓力曲線

3 連續(xù)可變排量機(jī)油泵控制系統(tǒng)

圖3為連續(xù)可變機(jī)油泵子系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)子系統(tǒng)由連續(xù)可變排量機(jī)械泵，機(jī)油壓力傳感器，OCV電磁閥以及ECM控制器組成。

圖3 連續(xù)可變機(jī)油泵系統(tǒng)控制圖

ECM控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)信息綜合決策系統(tǒng)需求壓力目標(biāo)值，然后通過(guò)控制算法以及來(lái)自壓力傳感器的實(shí)際機(jī)油壓力反饋信號(hào)計(jì)算出能夠達(dá)到目標(biāo)壓力的特定PWM占空比值輸出給OCV電磁閥。電磁閥被此信號(hào)驅(qū)動(dòng)后滑移到指定滑閥位置，開(kāi)啟主油道通往控制室的機(jī)油通道，控制室充入特定量機(jī)油改變了油泵彈簧行程進(jìn)而改變壓力輸出，理論上此時(shí)機(jī)油泵所能提供的壓力正是此前系統(tǒng)需求目標(biāo)壓力，由于加工、制造、裝配、磨損等綜合原因，實(shí)際油壓表現(xiàn)會(huì)和目標(biāo)壓力有細(xì)微偏差，因此ECM需要根據(jù)實(shí)際壓力反饋信息進(jìn)行閉環(huán)控制以保證系統(tǒng)時(shí)刻達(dá)到目標(biāo)壓力值。

4 系統(tǒng)控制架構(gòu)與算法實(shí)現(xiàn)

本控制方案針對(duì)連續(xù)可變機(jī)油泵控制系統(tǒng)關(guān)系，設(shè)計(jì)了控制模型和算法，并生成了控制代碼，在LABCAR系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了功能的驗(yàn)證測(cè)試[2]。設(shè)計(jì)方案的控制系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包含以下幾個(gè)子功能：執(zhí)行器控制使能判斷、系統(tǒng)需求油壓決策、系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制、系統(tǒng)閉環(huán)控制、電磁閥輸出及線圈保護(hù)。

連續(xù)可變機(jī)油泵系統(tǒng)控制功能架構(gòu)如圖4所示。

4.1 執(zhí)行器控制使能判斷功能

圖4 控制架構(gòu)圖

執(zhí)行器控制使能判斷是基于當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息判斷是否滿足執(zhí)行器控制條件，主要包含無(wú)影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行及潤(rùn)滑系統(tǒng)工作的故障。如有與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器，以及油泵驅(qū)動(dòng)OCV電磁閥相關(guān)的故障，系統(tǒng)將不進(jìn)行主動(dòng)控制，油泵工作在默認(rèn)機(jī)械位置。此外系統(tǒng)還需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍、機(jī)油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、控制器系統(tǒng)電壓范圍等因素。

圖5為具體控制邏輯實(shí)現(xiàn)。當(dāng)滿足啟動(dòng)充油結(jié)束，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定速度之上，系統(tǒng)電壓與機(jī)油壓力在合理范圍之內(nèi)，沒(méi)有相關(guān)故障等條件都滿足后電磁閥則可以驅(qū)動(dòng)。

圖5 執(zhí)行器控制使能判斷功能

4.2 系統(tǒng)需求油壓決策功能

系統(tǒng)需求油壓是控制目標(biāo)。精確定義發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)用油需求是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段主要工作之一，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)硬件設(shè)計(jì)完成，系統(tǒng)的機(jī)油壓力需求曲線也就應(yīng)運(yùn)而生。通常系統(tǒng)壓力需求主要由各個(gè)軸頸潤(rùn)滑系統(tǒng)需求、正時(shí)鏈條潤(rùn)滑需求、氣門(mén)液壓挺柱需求、VVT/VVL液壓驅(qū)動(dòng)需求、活塞冷卻噴射系統(tǒng)需求，結(jié)合油路壓力損失得出在該轉(zhuǎn)速和油溫下主油道最低壓力需求曲線。需注意，各個(gè)子系統(tǒng)的需求可隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化而變化。如VVT的需求主要體現(xiàn)在怠速附近，而活塞冷卻需求主要體現(xiàn)在中高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷。此外即便在同一轉(zhuǎn)速下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大導(dǎo)致系統(tǒng)冷卻需求也會(huì)不斷增大，因此壓力需求曲線也會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增大進(jìn)行適度增加。圖6為具體控制邏輯實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷查表得到目標(biāo)油壓基礎(chǔ)值，然后根據(jù)油溫進(jìn)行修正獲得最終目標(biāo)油壓。最后經(jīng)過(guò)上下邊界限值保證目標(biāo)壓力在合理范圍之內(nèi)。

圖6 系統(tǒng)需求油壓功能

4.3 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制功能

系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制是基于當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，在沒(méi)有實(shí)際油壓信息反饋的前提下根據(jù)算法輸出能夠達(dá)到系統(tǒng)需求壓力的PWM占空比命令給電磁閥。

圖7 系統(tǒng)壓力與PWM占空比關(guān)系

通過(guò)分析圖7，在相同轉(zhuǎn)速和油溫的前提下，系統(tǒng)壓力和PWM占空比存在良好的反向線性關(guān)系，因此系統(tǒng)需求壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系表作為系統(tǒng)開(kāi)環(huán)預(yù)控制的PWM占空比參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)。此外機(jī)油溫度的不同，要達(dá)到相同的目標(biāo)壓力所需的電磁閥PWM占空比也稍有不同，因此此值還需要通過(guò)機(jī)油溫度的適當(dāng)修正以提高系統(tǒng)對(duì)機(jī)油溫度變化的適應(yīng)性。此外由于電磁閥工作特性和系統(tǒng)電壓密切相關(guān)，因此最終輸出需要考慮不同電壓的修正。圖8為具體邏輯實(shí)現(xiàn)。

依據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和目標(biāo)油壓的需求查表獲得基礎(chǔ)的占空比輸出，然后通過(guò)分別經(jīng)過(guò)油溫和系統(tǒng)電壓修正作為最終的開(kāi)環(huán)占空比輸出PWM。

4.4 系統(tǒng)閉環(huán)控制功能

系統(tǒng)閉環(huán)控制是通過(guò)目標(biāo)油壓與實(shí)際油壓的差值進(jìn)行閉環(huán)修正。修正的算法采用經(jīng)典的PI算法控制。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷查表分別獲得Proportional比例項(xiàng)系數(shù)及Integral積分項(xiàng)系數(shù)。此外同一組PI控制參數(shù)很難同時(shí)在不同機(jī)油溫度情況都表現(xiàn)良好，因此機(jī)油溫度需要對(duì)閉環(huán)PI參數(shù)進(jìn)行必要修正。

圖9為具體控制邏輯實(shí)現(xiàn)。

圖8 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制

圖9 系統(tǒng)閉環(huán)控制

4.5 電磁閥線圈保護(hù)及驅(qū)動(dòng)輸出功能[3]

部分電磁閥由于設(shè)計(jì)原理及工作環(huán)境問(wèn)題，如果長(zhǎng)時(shí)間在大占空比狀態(tài)下工作，容易出現(xiàn)由于電流過(guò)大導(dǎo)致過(guò)溫過(guò)載產(chǎn)生閥零件損壞問(wèn)題，因此通常電磁閥有相應(yīng)的保護(hù)需求。以本文所用電磁閥為例，保護(hù)需求為工作PWM占空比超過(guò)70%（電磁閥硬件特性）并且連續(xù)超過(guò)3 600 s（電磁閥硬件特性）后，OCV電磁閥需要進(jìn)入保護(hù)模式，將PWM降低到一定值持續(xù)一段時(shí)間進(jìn)行降溫，然后恢復(fù)到正常控制模式，從而滿足閥的保護(hù)需求。如圖10所示為具體信號(hào)變化關(guān)系，圖11為具體保護(hù)控制邏輯實(shí)現(xiàn)控制模型。

圖10 電磁閥保護(hù)信號(hào)關(guān)系

圖11 電磁閥保護(hù)

最終向電磁閥輸出的占空比驅(qū)動(dòng)信號(hào)是系統(tǒng)開(kāi)環(huán)預(yù)控輸出加閉環(huán)修正最后通過(guò)電磁閥保護(hù)修正。

5 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證[4-5]

系統(tǒng)測(cè)試是將此部分功能集成到原ECM軟件后，借助測(cè)試平臺(tái)測(cè)試實(shí)際控制器的輸出是否達(dá)到預(yù)期效果。圖12為在系統(tǒng)閉環(huán)控制情況下的表現(xiàn)，目標(biāo)油壓（紅色曲線）在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)都能很好地跟隨系統(tǒng)目標(biāo)壓力（黑色曲線），全過(guò)程系統(tǒng)實(shí)際壓力都能滿足需求壓力。

圖12 系統(tǒng)閉環(huán)控制響應(yīng)

6 結(jié)論

本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)，通過(guò)分析變排量葉片式機(jī)油泵工作原理，結(jié)合經(jīng)典的控制理論初步實(shí)現(xiàn)了其控制方案：

1）滿足發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的目標(biāo)需求壓力為系統(tǒng)控制目標(biāo)。

2）控制方法采用經(jīng)典的開(kāi)環(huán)預(yù)控結(jié)合閉環(huán)反饋PI控制方法，開(kāi)發(fā)了相關(guān)控制軟件，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試滿足需求。

3）下一步將進(jìn)行面對(duì)產(chǎn)品化要求的控制策略完善，尤其在系統(tǒng)控制穩(wěn)定型、魯棒性、系統(tǒng)故障診斷方面還需要不斷完善。