兩級可變氣門升程控制功能在發動機開發中的應用

虞金霞

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

0 前言

隨著國家對環境保護和能源安全的愈發重視，如何提高發動機的熱效率已成為整車企業節能減排、提高產品競爭力的關鍵性技術。發動機可變氣門升程(VVL)技術能夠有效降低發動機燃油耗，是近年來汽車行業研究的熱點。但長久以來，這些技術基本上都被外國公司的技術專利所壟斷，國內企業開發VVL系統面臨著巨大挑戰。

VVL技術可分為兩級VVL技術、多級VVL技術和連續VVL技術，其中多級VVL系統和連續VVL系統的結構比較復雜、應用成本較高，氣門控制比較困難。上海汽車集團股份有限公司技術中心(以下簡稱“上汽技術中心”)基于進氣側兩級VVL系統在結構和成本上的優勢，開發了全新兩級VVL系統，并設計了VVL控制策略。通過臺架試驗，對VVL系統的功能、可靠性和耐久性等進行了驗證，達到了整車降低燃油耗和減少污染物排放的目標。

1 VVL技術

1.1 VVL節油原理

當發動機在中小負荷工況運行時，由于節氣門開度很小，進氣歧管的真空度很大，發動機在換氣過程中的泵氣功損失很大，在高速低負荷工況時尤為明顯。通常，在發動機各項功損失中，泵氣功損失所占比例為10%～20%。因此，為提高燃油經濟性，減少發動機泵氣功損失是一種有效的技術手段，而減少發動機泵氣功損失最直接的方式就是采用米勒循環來減小氣門升程和氣門包角，提高進氣速度和滾流強度，進一步提高燃燒效率，降低燃油耗。

常規的氣門機構只有一種氣門升程和氣門包角，當發動機采用米勒循環時，由于氣門升程和氣門包角較小，最大進氣量受限，因此發動機的動力輸出也會受限，發動機性能指標較差。應用可變氣門升程技術，可在中低負荷工況采用較小的氣門升程，在較大負荷工況采用較大的氣門升程，能夠兼顧燃油耗指標和發動機動力性能指標。

1.2 VVL硬件

由上汽技術中心自主開發的兩級VVL系統為滑移式凸輪套筒結構，采用由電動執行機構驅動的兩級滑移凸輪式VVL技術方案。該VVL系統的主要設計特征是每氣缸配置1個套筒和1個高精度雙銷電磁閥，由電磁閥銷子深入套筒螺旋槽，驅動套筒定向移動。

高精度雙銷電磁閥采用電磁力驅動磁芯，驅動電磁閥銷動作，引導套筒移動完成氣門升程的切換，電磁閥結構如圖1所示。其中，電磁閥的雙銷由A銷和B銷組成，電磁閥通過A銷和B銷磁環上各自獨立的線性霍爾傳感器來感應磁場強度，識別其工作狀態，并將電壓信號傳遞給發動機控制單元(ECU)。

圖1 高精度雙銷電磁閥的結構

2 功能控制策略

2.1 控制方式

VVL系統的控制過程較為復雜，需要設計有效和合適的控制策略來實現各項動作，滿足整車燃油耗和發動機性能指標。通過對兩級VVL系統的結構進行分析，綜合考慮霍爾傳感器信號、套筒運行規則、電磁閥雙銷的執行情況，設計了VVL系統的運行控制策略。該VVL系統的氣門升程切換策略如圖2所示。

圖2 氣門升程切換策略

2.2 策略控制

根據發動機運行原理及發動機凸輪軸型線的特點，為實現圖2中的氣門升程切換策略，滿足VVL系統要求，針對VVL系統的功能控制策略應包括：① 根據發動機特性和凸輪軸型線，建立穩態工況下的控制模型，包括VVL系統的各種動作修正；② 從進氣、點火、診斷、扭矩等方面進行策略設計，控制氣門升程從大到小或從小到大的動態切換過程；③ 氣路和火路之間的扭矩協調應具備平順性和準確性；④ 根據執行器和傳感器的特性進行診斷功能的設定。

在穩態工況運行條件下，所建立的VVL系統控制策略計算模型可以有效保證進氣、點火、扭矩、空燃比等發動機參數的恒定，使發動機處于穩定正常運行狀態，滿足整車排放、燃油耗、發動機性能等要求。針對VVL系統的穩態工況控制策略見表1。

表1 穩態工況控制策略

在發動機實際運行過程中，大小氣門升程的切換是動態過程。針對氣門升程切換的動態過程，需要設定專門的控制策略來滿足VVL系統的穩定性和氣門升程切換條件。為確保在VVL系統的控制過程中，燃油耗、排放、診斷保護等被準確的控制，在氣門升程的切換過程中設置了一些禁止條件,保證發動機的運行不受影響，同時保證控制策略的有效運行。在氣門升程的切換過程中的禁止條件包括：① 禁止混合氣偏稀，確保排放不受影響；② 禁止前氧傳感器診斷，防止瞬態診斷失效；③ 禁止汽油機顆粒捕集器(GPF)再生，確保排放和混合氣的穩定；④ 提高發動機爆燃的識別闕值，避免爆燃的誤判和漏判。

2.3 扭矩協同

鑒于凸輪軸的升程特性，為了確保在氣門升程切換過程中，保持氣路的準確性，避免扭矩階躍導致的動力輸出沖擊，在控制策略上，使用氣路、火路協同原則，在氣門升程切換過程中實現穩定的空燃比和扭矩輸出。

在發動機實際工作過程中，因凸輪軸升程的突然變化，扭矩會發生階躍，對發動機的動力輸出造成沖擊，導致發動機產生異響。扭矩階躍的主要原因為：① 氣門由大升程切換至小升程時，升程的變化會導致進氣量突然降低；② 氣門由小升程切換至大升程時，發動機扭矩會發生瞬間階躍，沒有過渡過程，導致發動機的動力輸出發生突變。

為有效解決扭矩協同的問題，對控制策略進行了研究和優化。從氣路模型和火路模型的角度出發，設立軟件策略。分別計算氣門升程切換前后進氣歧管壓力變化對應的進氣充量，保證氣路需求的準確性。在氣門升程切換過程中對負荷變化進行了預測，在氣門升程切換過程中協調進氣和點火，保持噴油、進氣、點火過程的協同，確保空燃比和排放的穩定。

對氣門升程切換過程進行精確控制，在小升程切換至大升程的過程中通過優化點火角的過渡梯度，修正對應的策略模型。在大升程切換至小升程的過程中，通過扭矩儲備修正模型，對扭矩輸出進行控制和優化。在發動機實際工作過程中，通過扭矩協同策略，可實現動態工況的優化和控制。這些策略的實施有效地避免了因為氣門升程的改變導致的排放、燃油耗、扭矩階躍問題，如圖3所示。

圖3 扭矩協同設計

2.4 氣門升程切換控制

綜合考慮整車動力性和燃油耗的要求，在兩級VVL發動機運行過程中，根據標定的控制策略來執行升程切換動作，如表2所示。在實際的升程切換過程中，為保證切換過程順利安全進行，設定了止回策略。

表2 氣門升程控制策略

2.5 診斷策略和保護

如上所述，電磁閥是控制氣門升程切換的執行器，分為A銷和B銷。當銷子發生故障時，或者外部電路發生故障時，會導致雙銷同時伸出，此時如果發動機仍在運行，則會損壞凸輪軸和發動機。所以，對這種情況進行判斷控制和診斷保護是非常有必要的。

根據電磁閥的特性，分析了ECU內部控制電路，將控制電路由續流電路硬件方式變更為鉗位電路硬件方式，直接從硬件電路源頭進行電磁閥和發動機的保護。

在軟件控制策略方面，建立專門的診斷保護策略，判斷雙銷在沒有伸出的情況下，才能進行正常的氣門切換和運行控制。雙銷策略診斷保護流程如圖4所示。在軟件控制策略的設計中，為保護發動機，在發動機啟動前應設立診斷策略，檢測疑似故障，觸發測試脈沖，增加糾錯時間，并進行專門的測試監控。

圖4 雙銷策略診斷保護流程

3 試驗驗證

根據VVL系統執行器的開發目標要求，在發動機臺架耐久試驗和整車耐久試驗過程中，驗證了兩級VVL系統控制功能執行過程中的有效性。試驗驗證主要分為整車駕駛性驗證、電磁閥的診斷保護驗證和燃油耗和排放測試驗證。

3.1 整車駕駛性驗證

在氣門升程動態切換過程中，因建立了扭矩協同策略，在工況測試和整車駕駛性評估中，有效減少了扭矩階躍導致的動力輸出沖擊，如圖5所示。從圖5可知，應用扭矩協同策略后，在大小氣門升程相互切換的過程中，消除了扭矩階躍，扭矩輸出表現較為平穩，整車的動力性和駕駛舒適性得到改善，滿足整車耐久試驗要求，同時也滿足了排放和空燃比控制的一致性要求。

圖5 扭矩協同策略下的扭矩輸出

3.2 電磁閥的診斷保護驗證

在電磁閥的診斷保護功能開發過程中，控制策略的檢查測試場景是重要的過程開發驗證內容之一。為確保電磁閥診斷開發的正確性，進行了8種測試場景的診斷保護驗證，見表3。測試結果表明，開發的電磁閥診斷保護策略滿足要求。

表3 8種測試場景及測試結果

3.3 燃油耗和排放測試驗證

確保發動機的有效運行和降低整車燃油耗是兩級VVL系統開發的主要目標之一。在VVL控制功能策略開發的過程中，整車與發動機的標定工作按照氣門升

程控制策略進行開發和驗證，包括VVL系統的模型標定、氣門升程動態過程切換標定、駕駛舒適性標定、排放和燃油耗標定等。

全球統一輕型車輛測試循環(WLTC)工況是考核排放和燃油耗指標的重要方式之一。為驗證燃油耗降低，測試了VVL系統始終保持在大升程情況下的WLTC工況排放和燃油耗表現，見表4。從表4可知，各項污染物排放指標均遠低于法規要求限值。同時表征燃油耗指標的CO排放在大升程的情況下有所降低，實際能達到2%左右的節油率。

表4 燃油耗和排放測試結果

4 結語

通過VVL系統硬件設計方案，進行工作原理和執行器分析，建立了功能控制策略，完成整車和發動機標定開發工作，兩級VVL系統的各項功能得以有效執行。該控制功能體現了控制策略的有效性，達到了整車動力輸出平順性、具備診斷保護和降低燃油耗等關鍵性開發目標。驗證結果表明，氣門升程變化帶來的動力輸出沖擊和駕駛平順性問題已經得到解決，并實現了VVL硬件的診斷保護要求。

在應用兩級VVL技術后，通過系統結構和控制策略的執行，實現了降低燃油耗與動力輸出的平衡，在低速小負荷工況時采用小氣門升程，減少泵氣功損失，降低燃油耗；在高速大負荷工況時使用大氣門升程，增加了進氣量，提高了整車的動力性能。在應用兩級VVL技術后，發動機綜合燃油耗降低了2%～3%，并提高了發動機的熱效率。目前，該兩級VVL系統已經投入了實際應用，并進行了量產。