汽油發動機VVT 系統開發及標定策略應用的研究

黃圣錦 袁 根 劉 凱 王 政 王 博 張維杰

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

當下，可變氣門正時（Variable Valve Timing，VVT）技術已經成為汽油發動機的基本配置。VVT 系統主要由凸輪相位調節器（VCP）和機油控制閥（OCV）組成，VVT 技術實現了對配氣機構氣門正時的改變，有助于提升發動機的性能指標，同時有利于改善燃油經濟性，并降低碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NOx）排放。不同的工況，需要不同的配氣相位。汽油機電噴系統通過標定ECU 數據和VVT 系統的零部件配合，實現不同工況對VVT 相位的需求[1]。本文以某電噴發動機為例，結合VVT 系統結構及工作原理，闡述VVT 系統開發過程，論證標定策略的應用對VVT系統正常工作的重要性。

1 VVT 系統結構及工作原理

1.1 凸輪相位調節器（VCP）結構

進氣側VCP 主要由皮帶輪、擋油銷/葉片簧、轉子、定子（外殼）、彈簧座/鎖止銷/鎖止簧/鋼套/襯套、聯接頭、銷子、密封圈及蓋板等零部件組成，具體結構見圖1。

圖1 進氣側VCP 結構

1.2 機油控制閥（OCV）結構

OCV 主要由殼體、電磁螺絲管總成、電樞、閥芯、閥套及彈簧等零部件組成，具體結構見圖2。

圖2 OCV 結構

1.3 VVT 系統工作原理

進氣側VVT 系統向提前方向調節的工作原理為：車輛加速過程，發動機輸出轉矩需求增大，OCV通電開始動作，閥芯向下運動，機油從OCV 的P 口進，A 口出，通過VCP 提前腔油道進入VCP 提前腔，將鎖銷頂起，轉子轉動，進行相位調節。滯后腔機油從OCV 的B 口出，并通過T 口排出。當VVT 系統的實際相位達到目標時，OCV 保持中立點，VCP 中2 個腔油道油壓達到平衡，轉子穩定在某一個角度。

VVT 系統向提前方向調節的工作原理見圖3。

圖3 VVT 系統向提前方向調節的工作原理

進氣側VVT 系統向滯后方向調節的工作原理為：車輛減速過程，發動機輸出轉矩需求減小，OCV斷電，閥芯在彈簧作用下向上運動，機油從OCV 的P口進，B 口出，通過VCP 滯后腔油道進入VCP 滯后腔，轉子轉動，進行相位調節。提前腔機油從OCV 的A 口出，并通過T 口排出。當VVT 系統的實際相位達到目標值時，OCV 保持中立點，VCP 中2 個腔的油道油壓達到平衡，轉子穩定在某一個角度。

VVT 系統向滯后方向調節的工作原理見圖4。

圖4 VVT 系統向滯后方向調節的工作原理

1.4 VVT 系統設計關鍵參數

VVT 系統的響應速度為單位時間內VVT 系統所能調節凸輪軸轉過的角度，一般設計要求：

1）-10～20°CA，大于50°CA/s；

2）20°CA 以上，大于100°CA/s。

其中，VCP 本身的結構參數對VVT 系統的響應速度影響最大，使用轉矩壓力比參數來衡量，該參數僅與VCP 結構有關。另外，OCV 在油道中的安裝位置對VVT 系統的響應速度有較大影響。

OCV 的電流-流量（I-O）特性曲線示意圖見圖5，包括保持點、最大流量點及曲線特征。

圖5 OCV 的I-O 特性曲線示意圖

2 VVT 系統匹配標定

2.1 VVT 系統位置標定

各個工況下，不同的氣門重疊角，發動機性能表現差異大。根據整機性能開發的要求，篩選出各工況所對應的比較理想的VVT 系統工作位置。

常規的VVT 控制策略如下：

1）發動機在怠速、小負荷、停機或者起動時，盡可能推遲打開進氣門、提前關閉排氣門，采用小的甚至無氣門重疊角。在此種策略下，回流到進氣道的燃燒氣體減少，可改善怠速及小負荷的發動機燃燒穩定性及燃油經濟性。

怠速、小負荷等工況氣門重疊角示意圖見圖6。

圖6 怠速、小負荷等工況氣門重疊角示意圖

2）發動機在中等負荷時，不僅要考慮動力性，還要兼顧燃油經濟性，因此進氣門適當早開，排氣門適當晚關，氣門重疊角適當增加。在此種策略下，內部EGR 率增高，增加了稀釋效應，使NOx排放降低（缸內燃燒溫度降低）、HC 排放降低（未燃氣體再燃燒）、發動機磨損降低（泵氣損失減少）。

中等負荷工況氣門重疊角示意圖見圖7。

圖7 中等負荷工況氣門重疊角示意圖

3）發動機在中低轉速高負荷時，動力性和中等負荷時類似，需求明顯，但進氣門應更早開，排氣門應更晚關，以獲得最大的氣門重疊角。在此種策略下，充氣效率提高，從而提高了中低轉速段的轉矩。

中低轉速高負荷工況氣門重疊角示意圖見圖8。

圖8 中低轉速高負荷工況氣門重疊角示意圖

4）發動機在高轉速高負荷時，氣流速度高，為盡可能提高進氣效率，需盡可能推遲打開進氣門、適當推遲關閉排氣門。在此種策略下，充氣效率進一步提高，在高速高負荷獲得最大功率。

高轉速高負荷工況氣門重疊角示意圖見圖9。

圖9 高轉速高負荷工況氣門重疊角示意圖

2.2 VVT 系統位置標定目標

2.2.1 全負荷工況

全負荷工況，對于自然吸氣發動機，一般標定原則是以充氣量最大為最優原則；對于增壓發動機，主要標定原則為油耗最低。

自然吸氣發動機全負荷工況（轉速為1 200 r/min）標定目標示意圖見圖10。

圖10 自然吸氣發動機全負荷工況標定目標示意圖

2.2.2 怠速、小負荷工況

怠速、小負荷工況，隨著氣門重疊角加大，回流到進氣道的燃燒氣體增多，出現失火，導致HC 排放上升。一般發動機在怠速、小負荷工況，VVT 工作在參考位置。

怠速、小負荷工況標定目標示意圖見圖11。

圖11 怠速、小負荷工況標定目標示意圖

2.2.3 中速、中負荷工況

中速、中負荷工況，在轉速、進氣量不變的情況下，隨著氣門重疊角加大，內部EGR 率加大，NOx排放有較明顯的下降。VVT 位置標定以油耗最優為原則。

中速、中負荷工況標定目標示意圖見圖12。

圖12 中速、中負荷工況標定目標示意圖

2.3 VVT 系統位置標定

基于DOE 設計完成VVT 系統位置標定[2]，進氣VVT 位置標定結果、排氣VVT 位置標定結果分別如圖13、圖14 所示。

圖13 進氣VVT 位置標定結果

圖14 排氣VVT 位置標定結果

從圖13、圖14 可以看出，排氣VVT 曲面變化相對平滑，進氣VVT 曲面在中小負荷區域凹凸不平。這是因為發動機的性能、油耗、排放對進氣相位的變化更為敏感[3]。

2.4 VVT 系統匹配標定

通過標定PID 控制閥值，使進、排氣VVT 在各轉速、負荷的動態跟隨性偏差控制在±1°CA 以內，動態變化過程最大超調不超過3°CA。

需結合VVT 系統設計關健參數協同開發，VVT系統跟隨性允許輕微的超調，但不允許出現超調過大、過阻尼等情況。

VVT 系統跟隨性輕微的超調示意圖見圖15，VVT 系統跟隨性超調過大、過阻尼示意圖見圖16，VVT 系統跟隨性過阻尼、超調過大示意圖見圖17。

圖15 VVT 系統跟隨性輕微的超調示意圖

圖16 VVT 系統跟隨性超調過大、過阻尼示意圖

圖17 VVT 系統跟隨性過阻尼、超調過大示意圖

3 VVT 系統標定策略應用論證

在發動機運轉過程中，會因磨損和清潔度等不可避免的原因產生顆粒物。這些顆粒物跟隨機油進入VVT 系統，使OCV、VCP 開啟或關閉不暢，造成進、排氣VVT 動態跟隨性不良。因此，開發、應用有針對性的標定策略是必要的。標定策略主要有2 種：自清潔及UNLOCK。

3.1 自清潔功能應用

自清潔功能分為車輛上電自清潔、車輛滑行斷油自清潔及車輛下電自清潔3 種。

車輛上電自清潔是指車輛上電時，通過調節VVT，控制占空比大、小往復變化，進行OCV 內部自清潔操作。

車輛上電自清潔示意圖見圖18。

圖18 車輛上電自清潔示意圖

車輛滑行斷油自清潔是指車輛滑行斷油過程中，自清潔功能開啟，一種方式是通過調節VVT 目標值，使VVT 往復靠近、遠離參考值，進行OCV、VCP 內部自清潔操作，示意圖見圖19；另一種方式是通過調節VVT，控制占空比大、小往復變化，進行OCV、VCP 內部自清潔操作，示意圖見圖20。

圖19 車輛滑行斷油自清潔示意圖（調節VVT 目標值）

圖20 車輛滑行斷油自清潔示意圖（調節VVT）

車輛下電自清潔是指車輛下電時，通過調節VVT，控制占空比大、小往復變化，進行OCV 內部自清潔操作。

車輛下電自清潔示意圖見圖21。

圖21 車輛下電自清潔示意圖

3.2 UNLOCK 功能應用

UNLOCK 功能是指ECM 檢測到OCV 或VCP因卡滯導致進、排氣VVT 動態跟隨性偏差過大時，通過調節VVT，控制占空比大、小往復變化，進行OCV、VCP 內部自清潔，從而消除卡滯現象。

UNLOCK 功能示意圖見圖22。

圖22 UNLOCK 功能示意圖

3.3 標定策略應用說明

持續跟蹤、統計某品牌車型：

1）未集成自清潔及UNLOCK 標定策略，市場車輛保有量為187 563 臺，一年以內出現進、排氣VVT動態跟隨性不良相關故障16 例，維修車輛與已售車輛之比為85×10-6；

2）集成自清潔及UNLOCK 標定策略，市場車輛保有量為170 339 臺，一年以內出現進、排氣VVT 動態跟隨性不良相關故障0 例。

對比發現，自清潔及UNLOCK 標定策略的應用能夠有效降低進、排氣VVT 動態跟隨性不良故障率。因此，開發、應用有針對性的標定策略是必要且重要的。

4 結論

本文結合汽油發動機VVT 系統結構及工作原理，闡述了VVT 系統開發過程，論證了標定策略的應用對VVT 系統正常工作的重要性。結論如下：

1）VVT 系統開發過程中，標定必須與VVT 系統硬件設計關鍵參數關聯開發，如匹配不當，會造成VVT 運行過程中出現超調或過阻尼等情況，造成進、排氣VVT 動態跟隨性不良。

2）VVT 系統標定策略的應用能夠有效降低進、排氣VVT 動態跟隨性不良故障率，開發、應用有針對性的標定策略是必要且重要的。