過膨脹循環發動機配氣相位偏差對充氣模型精度的影響

【歡迎引用】 張文韜， 馮朋朋， 郝偉， 等. 過膨脹循環發動機配氣相位偏差對充氣模型精度的影響[J]. 汽車文摘，2024（XX）： X-XX.

【Cite this paper】 ZHANG W T， FENG P P， HAO W， et al. Effect of Over-expansion Cycle Engine Valve Phase Deviation on Air Charge Model Accuracy[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： X-XX.

【摘要】為提高過膨脹循環發動機充氣模型精度，改善發動機性能及提高整車動態工況混合氣控制，需精確控制發動機的進氣凸輪軸的相位。本文分析了進氣凸輪軸的開啟時刻與關閉時刻對充氣模型的影響原理，從理論上分析了相位偏差對充氣模型精度的影響，并通過試驗驗證不同相位偏差對充氣模型精度的影響情況，為滿足充氣模型的偏差不超過±5%的精度需求，進氣相位偏差需要控制在±1.5 °CA范圍內。提出了通過控制裝配機械相位精度及增加ECU相位偏差自學習模型的方式，修正進氣相位偏差對充氣模型的影響，經過試驗驗證了相位偏差控制的效果。

關鍵詞：過膨脹循環；相位偏差；模型精度；相位修正

中圖分類號：U464.12+3" "文獻標志碼：A" DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230300

【Abstract】 In order to improve the accuracy of the over-expansion cycle engine air charge model， improve engine performance and improve the dynamic condition mixture control of the vehicle， it is necessary to accurately control the phase of the engine’s intake valve. In this paper， the influence of the IVO timing and IVC timing on air charge model is analyzed， the influence of valve phase deviation on the accuracy of the air charge model is analyzed theoretically， and the influence of different valve phase deviations on the accuracy of the air charge model is verified by experiments， in order to meet the accuracy requirements of the air charge model deviation of no more than ±5%， the intake valve phase deviation needs to be controlled within the range of ±1.5 °CA. The influence of the intake phase deviation on the air charge model is corrected by controlling the phase accuracy of the assembly machinery and adding the ECU phase deviation adaptive model， and the effect of phase deviation control is verified by experiments.

Key words： Over-Expansion cycle， Phase deviation， Model accuracy， Phase correction

0 引言

隨著全球能源短缺和環境污染問題的日益嚴重，節能減排已成為汽車產業發展的重要趨勢?；旌蟿恿ζ囎鳛橐环N節能環保的新型汽車，具有廣泛的應用前景?；旌蟿恿囆透幼非蠼洕?，其專用發動機通常采用米勒循環（小包角進氣凸輪軸凸輪）或者阿特金森循環（大包角進氣凸輪軸凸輪），結合高壓縮比和液冷廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）提高發動機的理論熱效率[1-4]。傳統發動機采用奧拓循環，即等膨脹循環，其膨脹行程與壓縮行程相同。在奧拓循環基礎上進行氣門正時調整，進氣門早關（Early Intake Valve Closing，EIVC）為米勒循環，進氣門晚關（Late Intake Valve Closing，LIVC）為阿特金森循環。此2種循環均屬于過膨脹循環技術[5-6]，其膨脹行程大于壓縮行程。米勒循環由于進氣門早關，導致缸內滾流減弱，無法充分利用慣性進氣。而阿特金森循環由于氣門晚關，使得缸內較高溫混合氣可以回流至進氣道[7]。

過膨脹循環工作過程中，進氣門開啟、關閉時刻的偏差對缸內進氣流量具有較大影響，微小偏差也可能導致氣缸內進氣充量出現較大差異，嚴重偏差可能影響發動機性能一致性[8-9]。在實際生產中，發動機進、排氣凸輪軸的安裝存在偏差，且偏差方向及大小均不穩定，導致發動機進氣量出現偏差，降低了充氣模型精度，影響混動工況的充電策略，對整車動態性能產生負面影響。

本文通過分析充氣模型原理，研究了相位偏差對充氣模型精度的影響并通過試驗進行驗證，提出通過控制裝配機械相位精度及增加電子控制器單元（Engine Control Unit， ECU）相位偏差自學習模型的方式，修正進氣相位偏差對充氣模型的影響。

1 充氣模型原理

通過進氣門流入氣缸的瞬時空氣流量很難直接測量，多數現有方法利用進氣歧管上的傳感器收集的信息建立發動機充氣模型，充氣模型來源于對從進氣門開啟到進氣門關閉過程中進氣狀態的物理分析[10]。根據理想氣體方程，相對進氣量可表示為：

式中：[rl]為相對進氣量，[mi]為進氣門關閉時缸內進氣量，[m0]為標準狀態下缸內進氣量。缸內氣體成分主要包括新鮮空氣和殘余廢氣，其中殘余廢氣包括滯留廢氣與回流廢氣，則缸內新鮮氣體相對量[11]可以表示為：

式中：[rlfresh]為缸內新鮮氣體相對量，[rlinner]為缸內總氣體相對量，[rlresi]為缸內滯留廢氣相對量，[rlrecy]為缸內回流廢氣相對量。

缸內總氣體相對量可表示為：

式中：[Pim]為進氣歧管壓力，[fp2ch]為進氣歧管壓力到相對進氣量的轉化的系數，A為歧管壓力到缸內氣體壓力的修正，[P0]為標準狀態氣體壓力，[T0]為標準狀態氣體溫度，[V0]為標準狀態缸內氣體容積，[Va]為缸內氣體容積，[Ta]為缸內氣體溫度。缸內進氣量主要受進氣門關閉角影響[12]。根據膨脹循環的原理可知，進氣門關閉角度的提前或延遲將主要影響缸內氣體容積[Va]，進而作用于進氣歧管壓力與相對進氣量的轉化系數[fp2ch]，影響整體進氣效率。

缸內滯留廢氣量可表示為：

式中：B為對滯留廢氣體積的修正，Pr為缸內滯留廢氣壓力，Tr為缸內滯留廢氣溫度，Vr為表示排氣門關閉時缸內氣體體積。缸內的滯留廢氣主要受排氣門關閉時缸內氣體體積Vr影響，Vr主要受排氣門關閉角影響。

回流廢氣可表示為：

式中：C為對回流廢氣體積的修正，[Pe]為缸內回流廢氣壓力，[Te]為[缸內回流廢氣溫度]，Ve為回流氣體體積?；亓鳉怏w體積Ve除受進排氣壓比影響外，主要受進氣門開啟角與排氣門關閉角之間的重疊角影響[13]。

2 進氣相位偏差對充氣模型的影響原理

與等膨脹循環（奧托循環）發動機相比，過膨脹循環（米勒循環和阿特金森循環）發動機在進氣門提前關閉或延遲關閉時，活塞運動速度非?？臁＜幢氵M氣門關閉角存在較小偏差，也可能導致缸內相對充氣量出現較大的差異。進氣歧管壓力和相對進氣量的轉化系數與進氣門關閉角之間的關系如圖1所示，當進氣門關閉角[AIVC]存在偏差，ECU中進氣門關閉角[AIVCSW]可表示為：

式中：[AIVCact]為實際進氣門關閉角，[ΔAIVC]為進氣門關閉角相位偏差進氣門關閉角偏差[ΔAIVC]引起的歧管壓力和相對進氣量的轉化系數偏差可表示為：

式中：[fp2chSW]為ECU中歧管壓力和相對進氣量的轉化系數，[fp2chact]為實際歧管壓力和相對進氣量的轉化系數，[Δfp2ch]歧管壓力和相對進氣量的轉化系數偏差。由歧管壓力和相對進氣量的轉化系數偏差導致的缸內相對充氣量的偏差可表示為：

式中：[Δrl]為相對充氣量的偏差。

進氣相位偏差對回流廢氣量的影響與傳統發動機相同，本文不做具體分析。

3 氣相位偏差對充氣模型精度影響試驗分析

3.1 試驗方案

為充分驗證不同進氣相位偏差對發動機充氣模型的影響程度，在保持排氣門關閉時刻不變的情況下，機械調整不同進氣門相位偏差方案（相對原機進氣相位分別提前6°曲軸轉角（Crank Angle，CA）、3 °CA、1.5 °CA和滯后1.5 °CA、3 °CA、6 °CA），進行發動機充氣模型精度對比試驗。

3.2 試驗設備

試驗設備主要包括Horiba電力測功機、AVL主控系統、AVL 740瞬態油耗儀、Horiba MEXA－7500DEGR排放分析儀、ETAS-ES630空燃比測量儀、ETAS 592、深度米勒增壓直噴發動機及開發ECU。試驗中使用的設備及系統構成如圖2所示。

3.3 試驗對象

本次試驗采用某款2.0 L深度米勒增壓直噴發動機，發動機具體參數如表１所示。

3.4 試驗結果分析

不同進氣門相位偏差方案對發動機充氣模型精度的影響如圖3～圖9所示。相對進氣量偏差定義為ECU計算相對進氣量與實際相對進氣量的比值。圖3為標準相位（進氣相位偏差為0 °CA）時充氣模型精度，模型精度在±2%以內。圖4、圖5為進氣相位提前與延遲1.5 °CA的充氣模型精度，模型精度較標準相位時變差，模型精度在±5%以內。圖6、圖7為進氣相位提前與延遲3 °CA充氣模型精度，模型精度較標準相位時變差，模型精度在±10%以內。圖8、圖9為進氣相位提前與延遲6 °CA充氣模型精度，模型精度較標準相位時變差，模型精度在±20%以內。試驗結果表明，進氣相位偏差越大，模型精度越差。

4 相位偏差控制方法

4.1 相位偏差來源

發動機進氣相位設計值是指進氣門開啟時刻對應的曲軸轉角，通過控制單元中讀取到的凸輪軸相位傳感器測量值和曲軸位置傳感器測量值的相對關系計算可以獲得相位計算值，相位計算值和設計值的偏差稱作相位偏差。相位偏差的主要來源包括3個方面：（1）零部件尺寸偏差，包括曲軸、凸輪軸、信號齒以及缸蓋安裝孔等。（2）裝配過程導致的偏差，如鏈條狀態和擰緊力矩不一致產生的偏差、工裝輔具精度不同導致的偏差。（3）傳感器測量偏差，主要包括凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器測量偏差[14-16]。

4.2 相位偏差控制方法

為了降低進氣相位偏差對米勒循環發動機實際進氣的影響，一方面可以提高零部件的加工精度，但相位偏差的尺寸鏈影響因素眾多，并且過高的尺寸要求必然帶來零部件成本的上升。另一方面可以改善裝配工藝過程及工裝輔具，通過模擬發動機實際運轉的鏈條狀態等手段，配合精度更高的工裝輔具，將相位偏差控制在±3 °CA范圍內，但是無法達到米勒循環發動機的相位控制要求[17-18]。

在實際裝機條件下，由于進氣相位偏差控制無法進一步優化，部分汽車制造商和控制系統供應商提出了相應補償方案。例如大眾采用一機一數據的方式，將測量得到的機械相位偏差寫入控制單元[19]。大陸汽車電子通過開發軟件算法，對各氣門正時及其進氣歧管壓力所產生的影響之間的物理關系進行精確建模，并將其用于氣門關閉正時的計算過程，補償特定參考發動機和量產發動機之間的氣門正時偏差[20]。本文通過對多臺樣機的相位偏差和凸輪軸位置傳感器測量值進行分析，發現凸輪軸位置傳感器測量到的偏差和實測相位偏差的方向一致。如圖10所示，對其中3臺樣機進行機械相位調整，并記錄機械相位調整后的凸輪軸位置傳感器測量值。如圖11所示，調整機械相位時，凸輪軸位置傳感器的實測值和機械相位偏差在±1 °CA內，且具有較好一致性。

綜上所述，本研究探索了采用凸輪軸位置傳感器的測量值對相位進行修正的方法。在發動機運行過程中，凸輪軸相位傳感器負責讀取凸輪軸位置信號，得到凸輪軸位置實測值。通過將凸輪軸位置實測值和目標值進行對比得到凸輪軸位置實測值與標準值的偏差，并根據凸輪軸位置偏差值修正表得到偏差修正值。該修正值可以直接對控制單元中充氣計算表坐標進行修正，也可以直接修正實際相位。修正邏輯如圖12所示。

4.3 相位偏差控制效果

在不增加系統成本的情況下，通過相位偏差修正算法將±5 °CA以內的機械與電信號綜合偏差控制在±1 °CA以內，提高充氣模型計算精度。

5 結論

通過分析進氣門關閉角對充氣模型的影響原理，從理論上分析了相位偏差對充氣模型精度的影響，并通過試驗驗證不同相位偏差對充氣模型精度的影響情況。

（1）與等膨脹循環發動機相比，過膨脹循環發動機充氣模型精度對相位偏差更加敏感。

（2）發動機相位偏差來源于零件的制造偏差、發動機裝配過程產生的偏差和傳感器讀取偏差，為滿足模型偏差在±5%以內的需求，相位偏差需要控制在±1.5 °CA范圍內。

（3）通過機械相位控制與ECU相位偏差自適應算法，修正相位偏差對充氣模型的影響，通過試驗驗證了相位偏差控制的效果。

參 考 文 獻

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（責任編輯 梵玲）