發動機可變氣門正時機構的動態響應與速度自動化控制

焦賀彬，李富強

（1.河南工業和信息化職業學院，焦作 454000；2.河南農業大學，鄭州 450002）

0 引言

車用發動機[1]技術迅速興起，不斷追求“高效、低排放、低能耗”等，汽油發動機由機械式化油器穩步過渡至電子控制噴射、渦輪增壓技術等，以提升汽油發動機的燃油經濟性、降低排放。汽油機燃燒[2]技術也逐漸提升至快速燃燒技術、均質壓燃技術等?？勺儦忾T正時技術變頻調速技術是汽車工業節能、環保發展的必然趨勢，能提高發動機的功率和性能，減少燃油消耗和排放，能更好地滿足發動機不同轉速和負荷工況下對調速的各種要求，全面提高發動機的綜合性能。因此，該領域相關研究者對改變可變氣門正時技術進行了很多研究。

韓本忠等人[3]針對CVVL發動機在搭載車輛后出現的加速抖動、熄火與減速轉速上沖等現象，研究發動機動態工況控制與優化方法，根據CVVL、節氣門與可變氣門正時的不同動態控制特性，引入CVVL與可變氣門正時響應速度濾波時間，利用三者開度協同控制，完成CVVL與可變氣門正時在加減油門過程中的控制效果。該方法可有效提升可變氣門正時響應速度，但其速度協同控制效果欠佳。葉年業等人[4]根據電液驅動可變氣門機構提出一種負氣門重疊配氣方法，探討與汽油壓縮著火燃燒性能之間的關系，基于電磁閥輸入信號與氣門正時相關性，分析信號的線性變化。該方法可有效分析可變氣門正時工作原理，但實際對其運行的響應提升效果有待加強。

基于上述方法存在的不足，本文以車用發動機可變氣門正時機構的動態響應與速度作為研究目標，通過比例階段的控制量調節，減小信號偏差，同步改變輸入與輸出信號，消除慣性與時延，提升響應速度；利用積分控制階段，去除靜態誤差，提升正時結構無差度；微分控制階段通過縮減調節時間、消除慣性作用，大幅度加快發動機可變氣門正時結構的響應速度；通過調節基函數、參考軌跡與優化時域等，滿足可變氣門正時機構的實際速度控制精度、動態響應以及魯棒性等需求，實現車用發動機可變氣門正時機構的動態響應與速度控制。與傳統方法相比，該方法提升了可變氣門正時機構動態響應和速度控制的效果。

1 可變氣門正時機構的動態響應與速度控制

1.1 可變氣門正時機構工作原理

為有效分析車用發動機可變氣門正時機構的動態響應和速度控制，需要對該機構的工作原理進行分析，其工作原理如圖1所示。

圖1 可變氣門正時機構工作原理

該結構由變頻電機、脈沖電源以及驅動系統等構成。當該結構的止動銷和轉子咬合時，其凸輪軸鏈輪和輪子共同旋轉，油泵壓力提高到一定值時，調整凸輪軸運動角度；當OCV控制閥接收到PWM的消息時，油泵液壓注入到該機構的通道中，并抵達提前室凸輪軸和轉子旋轉方向一致時，氣門正時提前，反之則發生延遲[5]。因此，對發動機可變氣門正時機構進行有效控制，有助于提升發動機性能。

1.2 可變氣門正時機構動態響應

在上述可變氣門正時結構工作原理分析基礎上，分析正時機構的動態響應控制方法。本文主要通過比例階段、積分階段以及微分階段對其動態響應進行控制。

在比例控制階段，經過成比例放大正時結構的偏差信號e（t），令比例控制器在正時結構出現偏差時，通過調節控制量縮小偏差。該階段輸出up（t）與偏差信號e（t）間的關系為：

式中，該控制階段的唯一特性比例參數為Kp，可用于反映控制效果強度。

此時，可變氣門正時機構的單位階躍響應情況如圖2所示。

圖2 比例控制階段階躍響應示意圖

在此階段動態響應控制中，可使輸入與輸出信號同步改變，消除慣性與時延，響應速度較快。

在積分控制階段，可去除靜態誤差，提升可變氣門正時結構無差度性能。根據輸入與輸出信號的比例關系KI，構建下列關系，即：

式中，積分控制階段的時間常數為TI。

積分控制階段中可變氣門正時機構階躍響應如圖3所示。

圖3 積分控制階段階躍響應示意圖

該階段輸出情況與作用時間t、輸入偏差e（t）相關，當輸入偏差e（t）較小時，只要作用時間t足夠長，仍能夠得到較大的輸出信號。

微分控制階段主要體現控制偏差的變化速率，通過縮減調節時間提升正時結構響應速度。輸出與輸入偏差e（t）間的關系為：

式中，uD（t）為微分控制階段的輸出，TD為微分時間常數，KD表示微分控制階段輸入偏差與輸出信號的比例關系。

綜合上述各控制階段，將實際輸出值y（t）與給定值yd（t）間的偏差e（t）作為輸入信號，計算對應輸出信號u(t)為：

在單位階躍輸入下動態控制階段初期，微分控制階段生成較大預測控制量，完成快速響應，調節后，積分階段參與控制；在控制階段過程中，比例控制階段憑借無延時優勢貫穿始終，微分控制階段通過超前控制的優越性，令正時機構快速響應；而在控制階段后期中比例階段與積分階段的共同作用下，正時機構靜態誤差得到消除，控制精度得以提升。

1.3 可變氣門正時機構速度控制

在可變氣門正時機構速度控制中，本文為提升車用發動機可變氣門正時機構的速度控制，將該機構各時間點的控制輸入偏差當作基函數線性組合，分析可變氣門正時機構速度控制。

利用多個已知基函數Ubn（n=1，2，…，N）的線性組合獲取正時機構速度，即：

式中，i表示常數，取值范圍為i=0，1，…，H-1，基函數數量為N，線性組合系數為μn，t=k+i時刻的基函數值為Ubn（i），控制時域長度為H。

在速度控制過程中，采用自由響應yl（k+i）與受迫響應yf（k+1），獲取階躍動態響應輸出ym（k+i）表達式，即：

其中，u（k+i）=0（j≥0）的輸出值即為自由響應yl（k+1），受迫響應yf（k+i）相當于零狀態響應，即：

式中，Ubn（i）作用下的動態響應輸出是gn（i），可在離線狀態下獲取。

發動機可變氣門正時機構的閉環響應需求直接決定速度控制的參考軌跡，其一階指數形式的參考軌跡為：

式中，參考軌跡為yr，設定值為c，正時機構輸出為ym，系數，其中，采樣周期與參考軌跡響應時間分別是Ts與Tr。

在實際應用中，若正時機構速度為已知設定值，則可順利解得參考軌跡值；若為未知設定值，則可以假設設定值為一常數，與當前設定值相等，利用式(8)求解參考軌跡值yr（k+i）。

二次輸入、時變性、噪聲與非線性等因素極易影響速度控制效果，需要對其進行反饋誤差的校正。引入時域優化產生的誤差到前饋量參考軌跡中進行補償，校正后的誤差e（k+i）為：

式中，當前k時刻的動態響應輸出為yp(k)。

然后對動態響應輸出控制最小化，即：

在動態響應輸出控制最小化前提下，優化動態時域，完成其速度控制，即：

式中，優化時域上下限分別為H1與H2，控制階段的動態響應輸出為

綜上所述，可變氣門正時機構的控制通過調節基函數、參考軌跡與優化時域等，滿足可變氣門正時機構的實際速度控制精度、動態響應以及魯棒性等需求。

2 實驗分析

2.1 實驗設備

為驗證所提方法的有效性，在MATLAB平臺上進行實驗分析，選擇某一車輛內的可變氣門正時機構為實驗對象，對其動態響應及速度控制進行分析。

2.2 實驗參數

實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

2.3 實驗方案

分別從潤滑油溫度、速度跟蹤以及發動機能耗三個角度，分析所提方法、CVVL發動機動態工況優化控制方法以及電液驅動可變氣門機構性能試驗及應用方法的可變氣門正時機構動態響應及速度控制影響程度進行分析。

2.3.1 不同溫度動態響應速度分析

在實驗用發動機的初始轉速為2000r/min時，分析不同潤滑油溫度下所提方法、CVVL發動機動態工況優化控制方法以及電液驅動可變氣門正時機構性能試驗及應用方法的正時機構動態響應速度，實驗結果如圖4所示。

圖4 不同溫度下三種方法動態響應時速度分析

根據圖4中的曲線走勢可以看出，從整體趨勢上來講，由于機油運動粘度隨潤滑油溫度的不斷升高而降低，影響液壓系統的流動，在正時機構的動態響應速度較快，在潤滑油溫度不斷變化時，三種方法的響應速度存在一定差距。其中，所提方法的可變氣門正時機構的響應速度較快，且始終處于穩定狀態，約為0.2s，而其他兩種方法隨潤滑油溫度改變，其動態響應速度均存在一定程度的波動，且響應時間均高于本文方法。這是由于所提方法在可變氣門正時結構動態響應中通過比例控制、積分控制以及微分控制三個階段，調整了該機構的性能，改善了其響應效果。

2.3.2 可變氣門正時機構速度控制分析

假定發動機初始條件分別是溫度80 ℃、轉速2000r/min、壓力0.45MPa，分別采用所提方法、CVVL發動機動態工況優化控制方法以及電液驅動可變氣門正時機構性能試驗及應用方法，對可變氣門正時機構的速度控制進行分析，得到速度變化曲線與實際速度曲線的對比結果如圖5所示。

圖5 不同方法可變氣門正時機構速度控制分析

分析圖5 可以看出，采用三種方法對實驗用發動機的可變氣門正時機構進行速度跟蹤中，跟蹤的效果存在一定差別。其中，所提方法的速度跟蹤效果與理想效果較為吻合，運動軌跡較為一致，而其他方法的跟蹤效果與理想效果差距較大。這是由于本文方法基于階躍動態響應模型，將時域優化產生的誤差作為前饋量，并引入參考軌跡加以補償，抑制了可變氣門正時機構的較大慣性，更容易實現速度的有效控制。

2.3.3 不同方法發動機能量利用率分析

實驗中分析了三種方法改進發動機可變氣門正時結構后的能量利用率，實驗結果如圖6所示。

圖6 不同方法能量利用率對

分析圖6可知，采用三種方法對實驗發動機的可變氣門正時機構改進后，三種方法的能量利用率存在顯著差異。其中，所提方法的能量利用率最高可達約為90%，其他兩種方法的能量利用率最高分別約為65%和42%。相比之下所提方法的能量利用率更高，驗證了所提方法降低了發動機的運行能耗。

3 結語

本文提出車用發動機可變氣門正時機構的動態響應與速度控制方法。根據車用發動機可變氣門正時機構的工作原理，將其動態響應特性分為三個階段進行調整，并構建具有基函數、階躍動態響應、參考軌跡、反饋校正以及滾動優化等基本特征的可變氣門正時機構速度控制。與傳統方法相比具有一定優勢。盡管取得一定的研究成果，但因為研究條件存在局限性，需在今后的工作中對以下方面進行改進：

1）設計的實驗臺架只能檢測固定轉角范圍中的動態響應情況，無法實現任意相位轉角響應速度檢測，應探索更好的臺架設計模式與相位器動態響應檢測策略；

2）將進一步研究可變氣門正時機構的工作狀態、結構可靠性與響應特性要求，對比發動機安裝與未安裝該機構的性能區別。