叶片式进气CVCP动态响应特性的测试与数值分析*

张 力，江 亮，谢博强，王 孟，傅秋波，黄志敏

(1.重庆大学机械工程学院车辆工程系，重庆 400044;2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400060)

前言

叶片式连续可变凸轮相位调节器(continuously variable cam phaser，CVCP)是可变配气技术中实际应用最为广泛的一种结构型式，国内外多种汽车品牌的多款发动机均采用了该类结构形式。CVCP的成功应用主要面临两方面的问题，一是相位器的动态响应速度，二是其相位保持能力［1］。

国外研究更多关注于系统结构形式和建模方法的改进以及相位调节控制策略的研究。文献［2］和文献［3］中分别通过Simulink建模和Simulink与Saber联合仿真，对CVCP系统的控制策略进行了研究;文献［4］中通过实验测试，对相位系统的高阶振动进行了研究，提出了在仿真模型中反映高阶振动的方法。文献［5］中提出了一种新的CVCP结构形式:中间锁止式相位器，并对控制方法和优越性进行了细致的研究分析。

国内对该类相位器的研究较少。文献［6］和文献［7］中通过Simulink建模和实验测试对全可变气门机构的性能影响因素及设计方法进行了较为深入的研究;文献［8］中对CVCP系统性能测试装置的控制系统进行了研究。

本文中针对现有相位器系统，完成了实验测试平台的搭建，并建立了基于AMESim的相位器系统仿真模型。结合测试数据和仿真结果对发动机运行参数的影响进行了深入的讨论，并在此基础上，利用仿真模型对可变配气系统结构参数的影响进行了研究，揭示了发动机运行参数和CVCP系统结构参数对相位器动态响应速度的影响机理和规律，为相位器响应速度的提高提供了方向。

1 系统组成、测试装置和系统建模

1.1 D20发动机可变配气系统组成

D20发动机采用双顶置直接驱动式配气机构，只在进气凸轮轴上安装了CVCP系统。该系统具有结构简单、对原机改动较小的特点，应用广泛，主要由机油控制阀、进气CVCP、供油油路和凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器组成。图1为该系统的结构组成示意图。

1.2 CVCP动态响应测试装置

图2为测试装置示意图，主要由供油系统、转速调节系统和数据采集系统组成。供油系统可对供油压力和温度进行调节，机油压力调节范围为0.11～0.45MPa，温度可在40～120℃之间调节;转速调节系统主要由变频器和变频电机组成;数据采集系统由凸轮轴位置传感器、角标仪和数据采集仪组成，可测得对应曲轴转角的相位，主要设备见表1。

表1 实验装置主要设备

1.3 基于AMESim的系统建模

叶片式进气CVCP系统是机电液一体的非线性系统，其动态响应受发动机运行参数和系统主要部件结构参数的影响较大。因此，所建模型不仅能对相位器和机油控制阀进行仿真，而且能反映润滑油的黏温特性、系统泄漏和相位器附加转矩的变化。图3为基于AMESim的数值计算模型，主要由机油性能、供油系统、机油控制阀、CVCP和凸轮轴与气门机构5个主要模块组成。其中机油性能模块可以反映机油黏度、密度和体积模量等参数随温度和压力的变化;凸轮轴与气门机构模块可较为准确地模拟相位器的实际负载随转速的变化规律。

为了能对这些参数进行独立研究和探讨，系统建模和实验台架的搭建均采用独立的润滑油供给系统，可方便地对供油压力、温度和发动机转速进行独立的控制。

2 发动机运行参数的影响

CVCP动态响应特性是指发动机在各种工况下，进气相位实际变化与目标变化速度的差异。这一特性不仅受到系统设计参数的影响，还与发动机运行参数有关。本文中按相位向提前方向调节(0→30°CA)和相位向滞后方向调节(30→0°CA)两种工况，对各参数的影响机理和规律进行了细致的分析。

2.1 供油压力和温度的影响

供油压力和温度对相位器响应速度的影响显著，如图4所示。

油压的影响主要体现在其对相位器输出转矩的影响。提高供油压力，相位器输出转矩增加，则相位调节速度也相应增加。发动机低转速阶段油压较低，是影响相位器响应速度的主要因素。因此，通过合理布置相位器供油油道或采用专用供油油道提高低速阶段供油压力是提高低转速阶段相位器响应速度的基本途径。

由图4可见:相位提前调节时，40～80℃范围内，温度增加，响应速度随之增加，当温度大于80℃以后，响应速度变化很小;相位滞后调节时，测试温度范围内，相位调节速度随温度的升高而增加，温度大于80℃以后增加速度变缓。

温度主要通过影响机油黏度、供油阻力、系统各处泄漏和相位器转动黏性阻尼来影响相位调节速度，且当温度增大到一定程度后，黏度的变化很小。由于相位提前调节较之滞后调节要困难，高温时相位器内泄漏增加，从而导致温度对提前调节速度的影响在80℃之后趋于平稳，且有轻微的下降趋势。

2.2 发动机转速的影响

转速对相位器响应特性的影响主要基于转速变化对相位器附加转矩的影响。转速增加，相位器附加转矩的变化频率增加，转矩幅值也稍有增加，该转矩是进行相位器结构设计的关键参数。相位器在某一固定机油压力作用下的输出转矩T应满足:

式中:TL为凸轮轴所受转矩，N·m;ω为相位器目标角速度，rad/s;I是相位器转子及凸轮轴转动惯量，kg·m2。若TL为定值，则相位器的输出转矩只要满足略大于式(1)所得转矩即可［9］。

但对于负载为交变转矩，且作用频率随转速变化的情况，转矩TL的选取则与发动机转速有关。图5为相位器在0.1和0.3MPa两种油压作用下，相位提前调节响应特性受转速变化的影响。该相位器在0.1MPa供油压力作用下，其输出转矩小于负载转矩幅值。由图可见:供油压力为 0.1MPa、转速为50r/min工况(起动过程)，相位调节过程不稳定，实际相位受负载转矩波动的影响显著;随着转速的增加，波动幅度降低，响应速度也相应增加，转速为800r/min时，调节过程平稳;当压力为0.3MPa时，50r/min和200r/min工况调节过程较之0.1MPa时波动大为减小，且各转速下调节时间也相差不大。

图6为机油压力=0.3MPa时，实验测试所得较高转速阶段相位调节速度随转速的变化情况。由图可见:高速阶段调节速度随转速的变化很小，转速大于3 000r/min以上时，调节速度基本不变。可见，当发动机转速增大到一定值以后，可以认为相位器只是响应负载交变转矩的平均值。因此，应以相位器负载转矩的平均值作为TL来计算相位器所需输出转矩T，并综合考虑系统泄漏、黏性阻力对实际供油压力的影响、摩擦对相位器实际负载的影响、相位器调节速度要求和布置空间的限制等因素，合理设计相位器尺寸。

3 CVCP系统结构参数的影响

系统的结构参数主要包括供油油路、机油控制阀(oil control valve，OCV)和相位器等部件的结构尺寸。在供油压力一定的情况下，油路的尺寸与布置和OCV的出口流量特性影响供给到相位器的实际油压和相位器的回油背压，而相位器本身的结构尺寸更决定着相位器的输出转矩和理论排量。

3.1 OCV流量特性和系统油路的影响

OCV是整个相位调节系统的执行机构，ECU通过输出PWM信号控制OCV进而控制相位器的动作。相位器进行提前、滞后调节时，OCV工作在A或B出口最大开度位置，因此OCV流量特性对相位器响应速度的影响主要指其各出口开度最大时的流量。在AMESim模型中，OCV和供油油路都是液阻原件，图7为模型中OCV出口结构参数示意图。

图中:x为阀口开度;ds、dr为阀芯和阀杆直径;rc为圆角半径;dc/2为阀杆与阀体之间的间隙。OCV出口的流通截面积A和流量Q的计算公式为

式中:Cq为流量系数;ρ为机油密度;Δp为OCV供油口和出油口压差;ρ(0)为压力为0时的机油密度。由式(3)可知，OCV出口结构参数一定时，出口开度越大，则供油流量越大。

图8为温度 70℃，供油压力 0.3MPa，转速2 000r/min工况，相位向提前方向调节，OCV阀A、B口不同开度时，相位器回油背压(滞后腔油压)、提前与滞后油腔压差和最大角度调节响应时间。比较1、2和3、4两组数据可以看出，OCV回油口B开度一定时，随着进油口开度增加，回油背压增加，但相位器提前、滞后腔压差也增加，故相位调节响应速度增加;比较1、3和2、4两组数据可以看出，供油口A开度一定时，随着回油口B开度增加，回油背压降低，提前、滞后腔压差增加，相位器响应时间相应减少;分别将第2、3两组数据与1组数据进行比较可以发现，提前方向调节，增加进油口开度比增加出油口开度对响应速度的提高效果更明显。此外，OCV出口开度对响应速度的提高还受到机油温度和压力的双重影响。

图9为系统安装3种不同型号OCV的测试结果，表2为各型号OCV的流量特性，其中0号为原机OCV阀。由图可见:系统安装1、2号OCV时，响应速度较之安装原OCV时都有提高，且提高效果受机油压力和温度的影响，尤以低压、低温时效果最为明显;A口(提前方向)流量增加对响应速度的提高受油压的影响明显，而B口几乎不随油压变化。油道的影响与OCV相似，其流量方程与式(3)相同，只是在流通截面积A的计算上稍有差别，鉴于OCV的出口都是通过相应油道与相位器相连，这里对OCV的讨论同样适用于油道。

表2 不同型号OCV出口最大流量

3.2 CVCP结构参数的影响

相位器的结构参数主要包括定子半径R、转子半径r、叶片高度h和叶片数N(本系统N=4)。相位器排量V由这些参数计算而得，并影响相位器输出转矩，进而影响相位调节速度。它们之间的数学关系［9］为

式中:pt和pz分别为提前腔和滞后腔油压;ηm为相位器机械效率，一般取0.8～0.95。本系统相位器h=2.2cm，R=3.75cm，r=2.05cm，V=272mL/r。受相位器布置空间的限制，R和r不易改变，h则可在一定范围内变化。因此，可通过变化h值来改变相位器理论排量。表3为不同叶片高度对应的理论排量，图10为供油压力0.3MPa，温度70℃，转速2 000r/min工况下，不同排量相位器的响应曲线:相位器排量从2 48到297mL/r变化时，响应时间逐渐减少，而进一步增大理论排量，响应速度反而降低，但总体来说，差别甚微。图11为不同排量相位器输出转矩的波动。由图可见，随着相位器理论排量的增加，输出转矩的波动幅度逐渐加大。图12为响应时间和输出转矩平均值随叶片高度的变化关系。由图可见，相位器响应速度的变化实际上是与其输出转矩的平均值对应的。

表3 相位器不同叶片高度时的理论排量

这是因为，在现有供油条件下，相位器排量增加，相位器转动相同角度所需的机油流量也会增加，由前文关于OCV和油路的讨论可知，相位器的实际供油压力将降低，而回油背压则会增加，导致相位器有效供油压力降低。当排量大到一定程度时，受到供油流量的限制和实际供油压力的降低影响，排量增加产生的转矩增量被抵消，实际输出转矩反而降低，导致大排量时响应速度下降。也就是说，要想提高现有相位器系统的响应速度，必须对供油系统进行调整，即在特定的供油系统情况下，存在一个最佳的相位器排量，供油系统和相位器必须合理匹配，才能发挥各自的最大效用。

4 结论

(1)机油压力和温度对相位器响应速度的影响显著，通过OCV阀各出口参数的合理设计可提高相位器实际供油压力，对调节速度的改进效果明显。

(2)相位器负载的变化主要基于转速的影响，在相位器实际工作转速范围内，可以认为相位器实际负载就是作用转矩的平均值，这也是相位器设计时的目标载荷。

(3)OCV和油道通过影响相位器的供油压力和回油背压影响相位器有效供油压力，OCV各出口流量特性应尽量一致才能发挥增加出口最大开度对提高响应速度的效果。

(4)由于受现有供油流量的限制，相位器排量的增加对提高响应速度的整体影响不大。

［1］ Zheng Liyun，Plenzler Jeremy.Characterization of Engine Variable Cam Phaser Fluid Dynamics and Phaser's Ability to Reject System Disturbances［C］.SAE Paper 2004-01-1389.

［2］ Astarita M，Caraceni A.Virtual Testing and Design of Experiments for Functional Validation of Cam Phaser Control［C］.SAE Paper 2004-01-0785.

［3］ Dale Witt，Bryan Kelly.Robust Design of a Valve Train Cam Phasing Controller Using Virtual Prototyping Techniques［C］.SAE Paper 2007-01-1640.

［4］ Markus Schneider，Karin Krueger.Experiments and Simulation of Hydraulic Cam Phasing Systems［C］.SAE Paper 2008-01-1357.

［5］ Fischer Thomas H，Sellnau Mark.Development and Optimization of Intermediate Lock Position Camshaft Phaser System［C］.SAE Paper 2010-01-1192.

［6］ 姚春德，刘小平，黄钰.连续可变凸轮相位器系统的仿真设计研究［J］.系统仿真学报，2007，19(15):3550-3553.

［7］ 姚春德，杨建军.连续可变配气相位器性能检测装置的控制研究［J］.中国机械工程，2009，20(9):1092-1096.

［8］ 周建荣，秦文虎，李诚.连续可变凸轮相位台架试验控制系统［J］.测控技术，2011，30(7):37-45.

［9］ 雷天觉.新编液压工程手册(下册)［M］.北京:北京理工大学出版社，1998.