中間鎖止VVT故障研究

曲德鑫 王劍鋒 胡志剛 劉玉明 劉順平

摘 要：文章以某款采用中間鎖止VVT發動機為基礎，通過試驗結果、數據分析及理論研究，說明了相應故障的調查方法、過程及細節。同時通過對該故障的研究，實現了中間鎖止VVT技術在發動機上的應用優化，改進了中間鎖止VVT在實際應用過程中的控制邏輯，為后續的產品應用奠定基礎。

關鍵詞：中間鎖止VVT;故障;控制邏輯

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-60-03

Abstract： In this paper， based on the engine with middle lock-up VVT， through the test results， data analysis and theore -tical research， the investigation method， process and details of corresponding faults are described. At the same time， through the study of the fault， the application optimization of middle lock-up VVT technology in engine is realized， the control logic of middle lock-up VVT in practical application is improved， lay the foundation for subsequent product application.

Keywords： Middle lock-up VVT; Fault; Control logic

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-60-03

1 引言

隨著節能減排政策的持續發展以及整車油耗、法規的相繼實施，為提高汽車發動機燃油經濟性，許多國家和業內企業、科研機構投入了大量的人力、物力進行新技術的研究與開發。目前國際主流乘用車制造企業多數已實現或正在研發40%以上熱效率發動機。為實現該熱效率目標，多數采用阿特金森循環技術路線，而為實現傳統汽油機奧托循環向阿特金森循環的切換，中間鎖止VVT是行之有效的技術方案。

傳統VVT現已成為發動機主流技術配置，但由于結構限值，傳統VVT無法滿足阿特金森循環對相位調節的要求，主要如下：

（1）阿特金森循環要求進氣門大幅晚關，而進氣門晚關不利于發動機冷啟動。傳統VVT為單邊鎖止，無法同時兼容冷啟動與阿特金森循環對相位的要求;

（2）受限于油壓調節器的原理限制，傳統VVT從最提前位置調節至最滯后位置所需時間較長，導致瞬態精度較難保證。

而中間鎖止VVT避免了上述兩種情況。由于VVT在中間落鎖，可以兼顧冷啟動時需要的相位提前，同時也可相對快速的達到阿特金森循環需要的滯后相位，從而可實現阿特金森循環在實際機型上的應用。

2 應用原理

目前中間落鎖VVT主要有兩種技術路線，一是采用電機控制，此種方案精度高響應快，但成本相對較高，國內目前也沒有成熟的配套體系;二是采用與傳統VVT相同的油壓控制，此種方案雖然控制精度較電控低，但國內配套成熟，成本相對較低。本文討論的故障模式為基于油壓控制中鎖VVT。該VVT在故障解決前控制原理如下：

（1）發動機冷啟動，VVT未達到工作條件時采用鎖肖機械鎖止（發動機水溫、油溫未達到工作要求時），相位保持“0”位;

（2）VVT達到工作條件后，未對VVT進行調節時，采用50%占空比，此時鎖肖打開，相位通過油壓保持“0”位;

（3）前調：占空比30%～50%，調至目標相位后，占空比恢復至50%，相位保持在目標位置;

（4）后調：占空比50%～100%，調至目標相位后，占空比恢復至50%，相位保持在目標位置。

3 故障模式

采用如上控制邏輯中鎖VVT的一款發動機在進行某特定試驗時產生如下故障現象：

（1）發動機轉速由怠速向額定轉速拉升過程中，扭矩突然降至0，發動機故障燈亮起并進入故障模式;

（2）故障發動機短時間停機后重新啟動，故障未消除;

（3）讀取發動機故障信息，顯示VVT實際相位無法跟隨目標相位，報出故障碼。

4 故障分析

4.1 交叉驗證

為鎖定故障原因，首先進行交叉驗證試驗，并檢查是否為單品不良導致。在進行多臺發動機、多塊ECU、多個臺架、兩種不同工況（產生故障工況和其他工況）條件下進行多種組合交叉驗證試驗，發現該故障既有一致性又有隨機性，表現如下：

一致性：無論哪種組合，只要發動機運行之前產生故障的工況，該故障均再現，運行另一工況時故障未發生;

隨機性：同一臺發動機、ECU、臺架在運行故障工況時，故障發生時間沒有規律，即發動機運行短則十幾分鐘即發生故障，長則一百多小時才發生一次。

此外對進行驗證發動機的相關零件進行了重新檢測，檢測結果均合格，排除單品不良原因。故該故障的發生與試驗工況相關。產生故障的試驗工況的特點是，相對其他試驗該工況需要發動機頻繁啟停，平均每10分鐘左右即需要啟停一次。據此表明，該故障的發生與發動機頻繁啟停有關，或者因發動機頻繁啟停，放大了該故障的發生幾率。

4.2 數據分析

讀取發動機故障碼，顯示該故障的產生為“發動機實際相位無法達到目標相位”導致，即相位器無法將凸輪軸調節至目標相位，具體數據為當相位器目標值為-20°時，VVT僅能調節至-15°。可產生該現象的原因有兩種：

（1）因硬件原因，相位器真的無法將凸輪軸調至目標相位;

（2）ECU讀數錯誤，即VVT應是可以正常調節，但因讀數錯誤導致報出故障碼。

針對第一種原因，在其他工況下數據表明VVT最大可順利前調至極限-30°，故該VVT硬件是可以進行相應調節的;為驗證是否為ECU讀數錯誤，進行示波器與ECU讀數對比。

該對比試驗工況為怠速，該工況VVT目標位置為“0”位。在發動機啟動后未對VVT進行控制時，VVT采用機械鎖肖鎖止，在排除發動機硬件質量問題及裝配錯誤后，此時VVT硬件可確保“0”位。通過示波器顯示，發動機啟動后至未對VVT控制前，波形顯示VVT實際位置為“0”位，但ECU讀數為14～17°;在VVT達到控制條件后，此時鎖肖解鎖，VVT的“0”位通過占空比保證，此時ECU讀數為“0”，但示波器波形顯示VVT已調節至-15°左右。據此表明，發動機啟動后至對VVT開始控制前，VVT實際位置是正確的，但ECU錯誤讀成15°左右;在VVT達到控制條件后，ECU為修正此15°“偏差”，主動將VVT向前調節15°，使ECU讀數為“0”，但此時VVT卻發生實際錯誤偏移，實際位置已為-15°。據此，該故障為ECU讀數錯誤引起。

根據以上結果，再詳細分析故障機數據，推測整個故障過程及圖示如下：

（1）上一個循環停機過程中因①“錯誤占空比信號”使VVT脫銷，停在-15°位置。此時不應對VVT進行控制，卻出現了占空比信號;

（2）下一個循環②第一次啟動不成功，但ECU自學習將-15°學成了0°;

（3）再次啟動，ECU繼承上次自學習，將-15°認為為0°，但VVT實際還處在-15°;

（4）③處因發動機再次啟動，同時在VVT自身回位彈簧和油壓的作用下，VVT恢復回物理實際“0”位。但因自學習原因，ECU將該“0”位讀成15°（這也解釋了為什么③處沒有對VVT進行控制，但ECU讀數VVT角度發生變化）;

（5）④處，因進氣VVT向前最大調節范圍為-30°，而因自學習將-15認為是0，導致進氣VVT實際只能再向前調15°。同時該工況進氣VVT目標角度為-20°，也就導致無論占空比如何增大，都無法達到目標角度，直至占空比達到100%，長時間未達到目標值，報出故障碼;

（6）出故障碼后，⑥處，不再對VVT進行控制，VVT在自身回位彈簧作用下回到物理0位，但仍因為啟動時自學習錯誤，ECU將其讀成15°。

對于c）、d）處的驗證：怠速時通過示波器觀察波形，當ECU未對VVT控制時，示波器顯示進氣VVT為0位，但ECU讀數為15°;當開始對VVT進行控制后，ECU讀數為0位，但示波器波形為-15°。

通過以上結論，需進一步分析如下兩個問題：

（1）上一個循環停止過程中，錯誤占空比是如何產生的;

（2）在下一個循環開始時，VVT自身回位彈簧可以保證VVT回到實際“0”位，但為何ECU無法正確學習。

關于第一個問題，該占空比設置的初衷是“在發動機停機過程中輔助VVT回到0位”，但在實際應用過程中，VVT在自身回位彈簧的作用下是可以回到“0”位的，輔助占空比反而有可能導致已回到“0”位的VVT脫銷竄位。第二個問題，當前VVT自學習邏輯是繼承傳統單邊鎖止VVT控制邏輯而來，是在對VVT開始控制后，由占空比保證VVT“0”位時開始自學習，由于中間鎖止VVT在由占空比控制“0”位時轉子兩側油腔均充油，通過兩側油壓保證轉子位置，因發動機運行過程中油壓不可避免的會產生波動，導致VVT轉子會因油壓的波動而左右竄動，相對于鎖肖鎖止，無法準確保持在“0”位，每次自學習時均會產生一定誤差，再因為故障工況發動機頻繁的啟停，自學習誤差不斷累加導致誤差越來越大從而發生故障。

5 解決方案

首先移除停機過程中輔助占空比控制邏輯，使VVT依靠自身回位彈簧回到“0”位，讓上一個循環結束后VVT能回到正確位置。其次，優化VVT自學習邏輯，將自學習階段由開始對VVT控制后改為發動機啟動后至VVT控制前，保證VVT在由鎖肖鎖止階段完成VVT初始位置自學習，實現正確的自學習。實施如上改進方案后，由原故障機、ECU、臺架進行相同試驗工況，無故障發生。至此，故障解決。