中置VVT 可變力電磁閥使用頻率方案研究

（柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司 廣西 柳州 545005）

引言

發(fā)動機可變氣門正時技術(shù)(VVT,Variable Valve Timing)是近些年來被逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代轎車上的一種新技術(shù)。發(fā)動機采用可變氣門正時技術(shù)可以提高進氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和功率可以得到進一步的提高[1]。通過電子液壓控制系統(tǒng)改變凸輪軸打開進氣門的時間早晚，從而控制所需的氣門重疊角的技術(shù)。這項技術(shù)根據(jù)發(fā)動機的工作狀況連續(xù)變化，適時控制氣門重疊角的大小，從而改變氣缸進氣量[2-5]。

中置式轉(zhuǎn)矩輔助結(jié)構(gòu)VVT 是近來年國內(nèi)外主機廠發(fā)動機正時機構(gòu)中較流行的設(shè)計類型，可廣泛用于不同的發(fā)動機平臺。用于取代帶OCV 閥的側(cè)置式油壓驅(qū)動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。電磁閥通過兩個螺栓安裝在前蓋上，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現(xiàn)電信號的傳輸。

它的簡要工作原理是ECU 提供給電磁閥不同的占空比，通過電磁閥工作到中置式的中心螺栓，從而實現(xiàn)中心螺栓里控制閥的不同位置，實現(xiàn)相位器的提前或滯后。當(dāng)電磁閥的工作不穩(wěn)定時，會導(dǎo)致中心螺栓運動波動，進而導(dǎo)致油壓不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致VVT 在目標(biāo)相位波動。本文對于VFS 的使用頻率進行研究，對出現(xiàn)的振動問題提出解決方案，確定最優(yōu)的頻率控制方案。

1 驗證方案

根據(jù)電磁閥VFS 的使用頻率高低分為兩個驗證方案（詳見表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，該頻率可以滿足使用要求。

表1 電磁閥VFS 使用頻率

該實驗搭載在柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司實驗臺架上進行測試，發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 發(fā)動機參數(shù)表

2 實驗部分

2.1 高頻：電磁閥VFS 使用頻率280 Hz

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

表3 高頻控制圖譜

根據(jù)表3 的電磁閥振動頻率，發(fā)動機全負荷、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，波動轉(zhuǎn)速＜±25 r/min，波動幅度＜±2°（設(shè)計要求＜±3°），其余工況基本＜±1°，詳見圖1 中1&2位置。

雖然出現(xiàn)的2 個波動點振動幅度滿足設(shè)計要求，根據(jù)經(jīng)驗仍然存在優(yōu)化的空間，因此對波動原因進一步分析。

2.1.1 VVT 波動分析

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

圖1 280 Hz-VVT 振動圖

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，計算公式如下：

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

1/2 階共振：（2*X/60）*1.5=280=＞X=5 600 r/min；（超出發(fā)動機最高轉(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發(fā)動機的影響，需搭載發(fā)動機耐久性能驗證。

2.1.2 發(fā)動機耐久性能驗證

根據(jù)計算結(jié)果，1/3、1/4 共振基本吻合，由于實際振動幅度在設(shè)計范圍內(nèi)，因此不影響發(fā)動機功率轉(zhuǎn)矩，基于高頻280 Hz 方案搭載2 臺發(fā)動機耐久性試驗（模擬整車使用10 年25×104km）。試驗后VFS測試磁質(zhì)，并和實驗前對比，磁質(zhì)要求＜0.8 mm，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 280 Hz-GED 試驗后VFS 磁質(zhì)檢測

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

2.2 低頻100～150 Hz 驗證方案

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；（無共振）

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

表4 110 Hz 控制圖譜

VVT 實際運行抖動情況如表5 和圖3 所示。

表5 110 Hz-VVT 振動工況

圖3 110 Hz-VVT 振動圖

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

定義3 ε-差分隱私.給定值域為Range(A)的隨機算法A:Rn×m→Rn×m，當(dāng)輸入兩個相鄰的評分矩陣R、R′和非負實數(shù)ε，若對于任意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，避開共振點。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，將頻率降低為110 Hz，然后在4 400 r/min 調(diào)整為120Hz，通過此方法可以消除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 插值法實測

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

圖5 為插值法共振圖，插值法驗證結(jié)果如下：

1）1 階共振消除，見圖5 中1 階共振轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速無交交點。

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

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

插值法振動幅度和振動轉(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 階躍法實測

階躍法調(diào)頻：基于插值法的驗證經(jīng)驗，提出在共振轉(zhuǎn)速區(qū)間瞬時切換頻率，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振動圖。由于常規(guī)的標(biāo)定系統(tǒng)無此控制模塊，重新開發(fā)該模塊滿足驗證需求。驗證方案如下：

基礎(chǔ)頻率選用110 Hz，根據(jù)表5 測量結(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 時頻率換回110 Hz；

圖4 插值法-VVT 振動圖

圖5 插值法共振圖

圖6 階躍法-VVT 振動圖

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

實施情況：大部分小于±0.5°，個別工況在±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，需要升級電磁閥（VFS）閥芯材料，提升耐磨性來改善閥芯異常磨損導(dǎo)致磁質(zhì)變?nèi)醯那闆r，本文未對該方案做進一步研究。

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

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