低溫環(huán)境下節(jié)流閥體破冰功能控制策略

趙志國 邵軍

（北京汽車研究總院有限公司）

冬季嚴寒地區(qū)汽油發(fā)動機節(jié)流閥體結冰是一個常見的現(xiàn)象，但其結冰機理尚不清楚。多數(shù)技術人員認為，對節(jié)流閥體進行加熱保溫是避免節(jié)流閥體蝶閥因結冰不能隨發(fā)動機運行指令動作導致汽車運行故障的有效方法[1]。因此，國內外技術人員進行了各種節(jié)流閥體加熱保溫的工程方案研究，如：在節(jié)流閥體上布置加熱水道或加熱阻抗等，利用熱能或電能進行加熱保溫，以保證節(jié)流閥體蝶閥依發(fā)動機運行指令自如隨動。但以上工程方案都需對發(fā)動機整體布置做較大的結構與配置變動，除帶來不可避免的成本增加外，也因為加熱所需的熱能或電能支持，對汽車運行的可靠性帶來苛刻的要求。文章探索了汽油機節(jié)流閥體破冰（DVEIB）的控制策略，為進一步有針對性的研究采用ECU控制策略方案解決冬季嚴寒地區(qū)汽油發(fā)動機節(jié)流閥體結冰這一常見現(xiàn)象提供技術支持[2]。

1 DVEIB的作用

當整車在極低的環(huán)境溫度運行時，含有水蒸氣的高溫油氣通過部分負荷呼吸管進入進氣歧管內部。高溫油氣與由節(jié)流閥體進入的冷空氣進行交匯，水蒸氣冷凝形成較松散的霜凍附著在歧管內壁和節(jié)流閥體蝶閥上。停車后，這部分霜凍在經(jīng)歷一個融化再重新凝結的過程后，重新凝結的冰層基本集中在節(jié)流閥體蝶閥附近，這將直接導致下次啟動時節(jié)流閥體蝶閥凍住，無法完成啟動前的預定動作，最終造成啟動失敗的后果。DVEIB系統(tǒng)設計的目的就是在發(fā)動機啟動前判定當前節(jié)流閥體是否處在結冰狀態(tài)，在滿足破冰的條件下完成節(jié)流閥體破冰工作，保證發(fā)動機順利啟動。

2 DVEIB控制系統(tǒng)設計原理

DVEIB設計原理主要采用蝶閥撞擊結冰點的方式來實現(xiàn)破冰的功能。每次上電或下電時，如果破冰條件滿足，使節(jié)流閥體蝶閥向下止點附近的一個目標值運動，如果能在指定時間內到達目標位置，就認為節(jié)流閥體沒有結冰，從而退出破冰功能。如果未能到達目標位置，則使蝶閥在上下2個目標值之間來回運動，用以撞擊結冰點，直到蝶閥可以達到上下判斷位置，或者達到最大破冰次數(shù)，則退出破冰。可以通過改變目標位置來調節(jié)撞擊力度，2個目標位置相差越大，撞擊力度越大。考慮到破冰功能對節(jié)流閥體使用壽命的影響，根據(jù)廠家提供的安全參數(shù)，節(jié)流閥體電機堵轉電流為6 A，持續(xù)時間小于5 s，可耐受最大從100%占空比去撞擊結冰點，但建議撞擊3次仍達不到破冰目標位置即退出破冰模式，報出節(jié)流閥體故障，點亮故障燈，并寫入故障內存。

3 DVEIB系統(tǒng)控制流程

DVEIB系統(tǒng)設計主要包括4步，細分為6個階段，具體控制流程，如圖1所示。

圖1 節(jié)流閥體破冰（DVEIB）系統(tǒng)控制流程圖

3.1 破冰環(huán)境檢查階段

破冰環(huán)境檢查階段需要與復位彈簧的檢查集成在一起，只有當復位彈簧檢查完成時才能進行破冰環(huán)境的檢查，復位彈簧的檢查是破冰功能觸發(fā)的前提條件。DVEIB功能使能條件判斷控制流程，如圖2所示。

圖2 節(jié)流閥體破冰（DVEIB）功能使能條件判斷流程圖

3.2 破冰準備階段

破冰準備階段設定的目的主要是告知系統(tǒng)破冰模式已經(jīng)激活，賦予節(jié)流閥體蝶閥控制目標值，并對一些系統(tǒng)變量的初始值進行預設。破冰準備階段具體控制流程，如圖3所示。

圖3 節(jié)流閥體破冰（DVEIB）系統(tǒng)破冰準備階段控制流程圖

3.3 判斷是否有冰階段

判斷是否有冰階段設定的目的主要是判斷蝶閥是否可以達到預設的位置，此預設位置可以用來判斷下止點位置是否有冰，從而告知系統(tǒng)是否需要蝶閥進行下一步的破冰動作，具體控制流程，如圖4所示。

圖4 節(jié)流閥體破冰（DVEIB）系統(tǒng)判斷是否有冰階段控制流程圖

3.4 撞擊破冰階段

撞擊破冰階段系統(tǒng)控制蝶閥在2個目標位置反復運動若干次，通過設置較小的目標位置來撞擊結冰點達到破冰的目的，較小目標位置與結冰點的位置相關，需根據(jù)具體結冰位置進行標定。破冰過程中可以通過配置2個目標位置的差值達到改變撞擊結冰點力度的目的，2個目標位置相差的越大，撞擊結冰點的力度也越大，需根據(jù)破冰的力矩需求進行標定。考慮到節(jié)流閥體零部件壽命還需要限定破冰的次數(shù)及退出條件，其具體控制流程，如圖5所示。

圖5 節(jié)流閥體破冰（DVEIB）系統(tǒng)撞擊破冰階段控制流程圖

3.5 檢查冰是否破除階段

破冰動作的同時也在檢查冰是否被破除，如果破冰過程中蝶閥的實際測量值能夠達到系統(tǒng)設定的上下判斷閥值，則認為冰已經(jīng)被清除，臨時計時器清零，隨即退出破冰。反之，繼續(xù)執(zhí)行破冰模式直至破冰達到系統(tǒng)設定的破冰次數(shù)限值，同時系統(tǒng)需檢測出破冰過程失敗，點亮故障燈并寫入故障內存，報出節(jié)流閥體故障，其具體控制流程，如圖6所示。

圖6 節(jié)流閥體破冰（DVEIB）系統(tǒng)檢查冰是否破除階段控制流程圖

3.6 結束退出階段

破冰過程停止，蝶閥受控角度值賦0，蝶閥作動不再使用受控的角度值，破冰過程完成。破冰功能結束退出有4種方式：1）破冰環(huán)境檢查過程中，破冰條件不滿足，直接退出破冰；2）判斷是否有冰階段中，蝶閥可以達到預設位置，直接退出破冰；3）破冰階段中，蝶閥既能夠達到較大的目標位置，也能夠達到較小的目標位置，退出破冰；4）破冰階段中，破冰次數(shù)達到預設的最大次數(shù)限值，不管結冰是否被破除，直接退出破冰。

4 DVEIB控制策略的驗證

按文中所設計的控制邏輯寫入到ECU底層數(shù)據(jù)中，為了驗證控制策略的有效性，對ECU破冰功能進行測試。準備一個外接節(jié)流閥體，在環(huán)境倉模擬-30℃低溫環(huán)境，在蝶閥上均勻噴水用來模擬不同程度的結冰情況。節(jié)流閥體連接到整車后，采集數(shù)據(jù)并分析破冰情況，并通過INCA軟件采集數(shù)據(jù)。蝶閥結冰情況，如圖7所示。

圖7 -30℃低溫環(huán)境蝶閥噴水結冰情況

厚冰情況下，環(huán)境檢查通過并觸發(fā)破冰功能，由于蝶閥被凍住卡死，經(jīng)過3次破冰過程后檢查發(fā)現(xiàn)結冰沒有被清除，破冰失敗，隨即退出破冰模式，點亮故障燈。INCA軟件采集厚冰情況破冰過程顯示界面，如圖8所示。薄冰情況下，環(huán)境檢查通過并觸發(fā)破冰功能，第1次破冰就清除了結冰，破冰成功，隨后退出破冰功能。INCA軟件采集薄冰情況破冰過程顯示界面，如圖9所示。

圖8 INCA軟件采集厚冰情況破冰過程顯示界面

圖9 INCA軟件采集薄冰情況破冰過程顯示界面

經(jīng)過驗證，破冰功能在低溫環(huán)境下可以正常開啟，破冰過程中蝶閥角度目標值可以按照預設值進行控制，在完成一定破冰次數(shù)后，破冰功能正常退出，符合策略設計要求。

5 結論

針對低溫環(huán)境下發(fā)動機節(jié)流閥體結冰的特點，對蝶閥破冰功能進行分析，根據(jù)節(jié)流閥體系統(tǒng)控制原理，設計出DVEIB控制使能條件判斷模塊和控制算法模塊，并在低溫環(huán)境下進行實車驗證，對測試結果進行分析，得出以下結論：

1）設計DVEIB控制使能條件判斷模塊和控制算法模塊可以支持DVEIB系統(tǒng)正常工作；2）在低溫環(huán)境下對DVEIB系統(tǒng)控制策略進行實車應用測試，能夠按照既定目標完成破冰動作，所設計的控制策略有效，為發(fā)動機ECU控制策略的總體開發(fā)提供參考；3）考慮到DVEIB功能對節(jié)流閥體壽命等會造成負面影響，出于保護硬件的角度，對DVEIB破冰功能破冰能力做了一定限制，針對厚冰情況未能發(fā)揮清除結冰的作用。