中心螺栓式VCT動態響應與穩定特性的試驗與優化

石秀勇　黃天培

摘 要：采用臺架試驗的方法，研究了發動機中心螺栓式VCT的動態響應與穩定特性，得到了運行參數、控制參數、結構參數影響動態響應與穩定特性的規律。結果表明，調整各影響參數時，不能同時兼得中心螺栓式VCT的動態響應與穩定性。在試驗過程中發現了某一區間內發動機轉速會對VCT的穩定性產生影響，對其進行了原因分析并提出優化方案，穩定性從±4°CA優化至±1°CA。

關鍵詞：相位器;動態響應;穩定性;臺架試驗

1 引言

可變凸輪軸配氣機構（VCT）能使發動機在各種工況下滿足動力性、燃油經濟性和排放要求[1]。中心螺栓式VCT，屬于葉片式可變凸輪軸相位機構。它使發動機結構更加緊湊;縮短相位器與油路控制閥體的距離，使得響應更快更穩定;降低機油壓力驅動，減少發動機對機油泵做功，提高燃油經濟性，減少排放。越來越多的發動機開始漸漸使用這種結構的VCT。

20世紀80年代前，可變配氣正時機構制存在造成本高、結構設計不佳和控制相位器轉動角度小等問題[2]，直到20世界90年代后，這些問題逐步得到改善，開始取得了較多進步和發展[3]。均質壓燃發動機要利用VCT來調節氣缸內可燃混合氣與廢氣的含量[4];米勒循環與阿特金森循環也是靠VCT調整進排氣門開閉時間實現[5];對增壓缸內直噴發動機，在低轉速下通過增大氣門重疊角來掃氣，減小渦輪遲滯，提高扭矩響應[6]。

目前，對VCT的研究多數在動態響應，對穩定性的研究比較少。本文將通過臺架試驗，并采用閉環控制的方法研究中心螺栓式VCT的動態響應與穩定特性，為相位器的設計與使用提供更準確的指導。

2 中心螺栓式VCT的動態響應與穩定特性的評價指標

動態響應與穩定特性是VCT的兩個重要性能評價指標[7]。動態響應直接影響了相位器在作動時的死區時間（Dead Time）和執行速率;穩定性則體現了VCT的控制準確度。

對VCT的執行速率要求一般在100°CA/s 以上就算合格[8];對穩定性沒有特別規定，工作時一般在±2°CA內能接受。

動態響應以執行速率與死區時間為評價指標。相位器的執行速率是指，從某一角度到另一角度的速度，等于角度的絕對值除以執行時間，單位：°CA/s。死區時間是指，從控制器發出指令到相位器開始作動，所經歷的時間。

穩定性S是描述在相位器在某一角度上的波動情況，數值等于波動的最大值與最小值的絕對值除以2。

3 VCT試驗的臺架設備

試驗采用倒拖臺架，動力由電機發出并傳遞到正時鏈條，鏈條帶動相位器旋轉，相位器的內轉子與凸輪軸相連。發動機只保留缸蓋以上部分，提供的機油由外部伺服供給，中心螺栓式VCT測試系統。

控制軟件由Labview軟件搭配NI（National Instrument）板卡組成。Labview軟件編輯的控制界面，用于控制發動機轉速，機油供給壓力及溫度設定。實時測得相位器電磁閥電流電壓值、閥芯位移量等。CANape則通過CAN總線連接ECU，用于標定曲軸轉角與相位器的相對位置，控制中心螺栓式VCT的角度，設定PWM控制頻率等。

4 臺架試驗結果與分析

采用閉環控制，在研究各參數對VCT的影響時，固化各PID的設定值。以排氣相位器為研究對象，總行程50°CA，閉環控制相位器在10°CA到40°CA之間來回作動，每個采數點取5個循環的平均值。

4.1 運行參數試驗

（1）機油溫度對VCT動態響應與穩定特性影響的試驗。

試驗條件：發動機轉速選取常用的700r/min、1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min和5000r/min;回位彈簧2.6Nm，PWM控制頻率設定110Hz時，選取機油溫度40℃，90℃和120℃進行比較。

經過試驗，得到40℃、90℃和120℃機油溫度下，各轉速對應的執行速率圖：

機油溫度40℃時，相位器的執行速率往提前與滯后方向是最小的，而120℃機油溫度時相位器的執行速率最快。90℃機油溫度下相位器的執行速率介于40℃與120℃油溫之間。各個溫度下，隨著機油壓力的增加，相位器的執行速率有逐漸增加的趨勢。

相位器在往提前與滯后方向作動時，40℃時的死區時間最久，其次90℃，120℃的死區時間最短。

相位器在往提前與滯后方向作動時，40℃油溫時的穩定性最好，120℃油溫時的穩定性最差，90℃介于兩者之間。

主要由于機油溫度在40℃時，動力粘度較大，流動性較差，相位器的提前與滯后腔建立起壓力的時間較長，所以執行速率較慢;同時受到機油從油底殼到中心閥體螺栓的時間較慢，與機油從提前腔到滯后腔之間的流通變慢的雙重影響，死區時間增加。又因為低溫粘度大的關系，油分子之間產生的阻力大，能夠抵抗來自凸輪軸扭矩波動的能力也相應增強，所以相位器在低溫時能夠保持較好的穩定性。在高溫時，則相反。

可知：機油溫度越高，執行速率越高，死區時間越短，穩定性越差;相反，機油溫度越低，執行速率越低，死區時間越長，穩定性越好。

（2）機油壓力對VCT動態響應與穩定特性影響的試驗。

試驗條件：發動機轉速固定在2000r/min，機油溫度40℃，回位彈簧2.6Nm，PWM控制頻率設定110Hz時，比較主油道壓力0.5bar，1bar，2bar，3bar，4bar，5bar下的影響。

機油壓力從0.5bar至5bar之間，相位器往提前與滯后方向的執行速率逐漸增大，死區時間也隨之縮短。當機油壓力從0.5bar到4bar之間時，穩定性逐漸變好，但當油壓超過4bar之后，穩定性突然變差。

主要由于機油壓力增加，推動內轉子的油壓增加，使相位器的執行速率提高;提前與滯后腔內的油壓能快速建立起來，使死區時間縮短，動態響應變好。當機油過大，超過了PID的可控范圍時，相位器的穩定性會變差。

可知：機油壓力越大，動態響應越好。穩定性隨著機油壓力的增加而變好，但當油壓過大時，穩定性變差。發動機怠速時，由于機油泵供給的壓力較低，相位器的動態響應與穩定性較差，這是VCT在使用過程中遇到的普遍問題。

（3）發動機轉速對VCT動態響應與穩定特性影響的試驗。

試驗條件：主油道壓力3bar，機油溫度90℃，回位彈簧2.6Nm，PWM控制頻率設定110Hz時，比較發動機轉速700r/min，1000r/min，2000r/min，3000r/min，4000r/min，5000r/min下的影響。

動態響應上，發動機轉速對執行速率影響不大;隨著發動機轉速的提高，死區時間逐漸變短。穩定性上，怠速700r/min與高速5000r/min的抖動比較大，穩定性差。

將發動機轉速從700r/min提升至5000r/min，相位器通過閉環控制保持在30°CA，機油壓力恒定3bar，觀察相位器的抖動量。

可以發現發動機轉速3100r/min至3500r/min之間相位器出現異常劇烈地抖動，抖動量已經超過發動機怠速與高速時的抖動量，其中3300r/min時相位器的抖動量達到峰值，穩定性急劇下降。當發動機從3500r/min繼續增加轉速時，穩定性又再次變好。

4.2 控制參數試驗

PWM控制頻率對VCT動態響應與穩定特性影響的試驗。

試驗條件：發動機轉速選取常用的700r/min、1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min和5000r/min，機油溫度90℃，回位彈簧2.6Nm，比較PWM控制頻率在50Hz，110Hz和170Hz下的影響。

可知：PWM值越大，執行速率越低，死區時間越短穩定性越好;PWM值越小，執行速率越高，死區時間越長，穩定性越差。

為了進一步解釋，在VCT上安裝位移傳感器，目的是監控閥芯的運動情況，并且通過Labview設備采集控制電磁閥的電流，中心閥體的位移和相位器作動的關系。取2000r/min這個轉速點為研究對象，機油溫度90℃，主油道壓力3bar，回位彈簧2.6Nm。

當PWM控制頻率在50Hz時，電磁閥的閉環控制響應較慢。控制VFS的電流波動幅值較大，直接引起中心閥體的位移量過大，最終使相位器的抖動增大，穩定性變差。因為控制頻率低的原因，中心閥體與殼體的摩擦頻率也低，從某一位置到另一位置也更加順暢，所以執行速率高。又因為頻率低，從ECU發出指令到電磁閥接收指令開始作動的時間久，所以死區時間長。

當PWM控制頻率在110Hz時，控制VFS的電流幅值明顯減小，中心閥體的位移能夠隨著電流大小，更有規律的移動，改善相位器的穩定性。又因為頻率增加的緣故，中心閥體與殼體間的摩擦頻率增加，使閥芯的移動速度降低，導致相位器執行速率減小。頻率增加使控制周期減小，死區時間減少。

當PWM繼續增加到170Hz時，電流的幅值波動更小了，中心閥體的控制精度更高，相位器的穩定性也繼續提升，死區時間更短，但由于閥芯與閥體的摩擦頻率增加，導致閥芯移動緩慢，執行速率下降。

4.3 結構參數試驗

回位彈簧對VCT動態響應與穩定特性影響的試驗。

試驗條件：發動機轉速選取常用的700r/min、1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min和5000r/min，機油溫度90℃，PWM控制頻率110Hz，比較回位彈簧1.6Nm，2.6Nm和3.9Nm的影響。

回位彈簧扭矩越大，相位器往提前方向執行速率越大，往滯后方向執行速率越小;反之，回位彈簧扭矩越小，相位器往提前方向執行速率越小，往滯后方向執行速率越大。對死區時間與穩定性沒有影響。

這是因為，回位彈簧的作用是給相位器一個提前方向的扭矩，用于抵消凸輪軸摩擦力矩，平衡相位器的提前與滯后速率。并且在發動機停機后再次啟動時，輔助相位器都能回到各自的鎖止位置。

5 優化

5.1 原因分析

中心螺栓式VCT在發動機轉速3100r/min至3500r/min之間抖動異常劇烈，3300r/min時相位器抖動量達到峰值。為該款4缸發動機發動機在3300r/min下，將相位器使用閉環控制到30°CA時，機油溫度90℃，機油壓力3bar，PWM控制頻率設為110Hz?？梢园l現相位器的穩定性在±4°CA。

當發動機轉速在3300r/min時，根據凸輪軸扭矩頻率公式得到此時的凸輪軸扭矩頻率為110Hz。

當使用閉環控制將相位器保持在某一角度時，中心閥體受電磁閥控制會在中間位置。由于受到凸輪軸扭矩的影響，相位器的提前腔與滯后腔中的機油會有泄漏。這時閉環控制開始作用，控制電磁閥閥芯推動中心閥體來給提前腔或是滯后腔供給機油。當中心閥體的供給油路與提前腔或是滯后腔連通時，提前腔與滯后腔內的機油又會受凸輪軸扭矩影響倒流回中心閥體，這倒流回中心閥體的機油會對中心閥體有個作用力。

這個作用力的分力會給中心閥體一個軸向的分力，如果凸輪軸扭矩的頻率與電磁閥的PWM控制頻率相等時，就會使中心閥體產生較大的共振。當電磁閥給中心閥體的力與軸向分力一致時，則控制中心閥體的力就會過大，閥芯的位移量過大，那相位器抖動劇增;當電磁閥給中心閥體的力與軸向分力方向相反時，則閥芯收到的合力減小，到達目標位置的時間變長，相位器的響應能力下降。可見，凸輪軸扭矩頻率與電磁閥的PWM控制頻率息息相關。

5.2 優化方案

為了避免PWM控制頻率與凸輪軸頻率產生共振的問題，在給相位器做標定時，可避開凸輪軸扭矩的共振點。減小與增加PWM控制頻率同樣都能夠避開凸輪軸扭矩頻率。

當PWM控制頻率設為95Hz時，相位器的抖動減小，穩定在±2°CA。

同樣當PWM控制頻率增加到125Hz時，相位器的抖動量減小，穩定性在±1°CA。

PWM控制頻率設定越高，其相位器的穩定性越好，所以一般選擇提高PWM控制頻率。當PWM控制頻率提高15Hz到125Hz時，相位器控制在30°CA時穩定性在±1°CA，有明顯改善。

6 結語

a.在調整各影響參數時，對中心螺栓式VCT的動態響應的改善會導致穩定性下降;穩定性的改善會導致動態響應的下降。

b.改變發動機轉速能改變凸輪軸扭矩的頻率，當凸輪軸扭矩頻率與電磁閥PWM控制頻率相同時，相位器會產生共振，影響穩定性。

c.當凸輪軸扭矩對相位器產生共振影響時，此時改變PWM的設定值能改善相位器穩定性，并且增加PWM設定值比減少PWM設定值效果更好。

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