关于VVT 超调影响因素的研究

罗秋萍 温龙轩 刘胜强 郭 强 赵福成 王瑞平,2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

发动机作为汽车的心脏，为汽车提供动力。其燃油经济性与动力性是车辆最受关注的性能。而传统的发动机凸轮轴相位不能随汽车的速度、负荷以及各种外部因素的变化而变化，发动机在绝大部分工况下无法获得最佳配气正时相位。可变气门正时技术（Variable Valve Timing，VVT）的出现很好地解决了这个难题，这项技术可以调节发动机进排气门的开启与关闭时刻，保证了充气系数，达到最优的配气正时相位，可以降低油耗与排放，是发动机非常关键的技术[1]。

OCV（oil control valve）和相位器是VVT 系统的关键零件。OCV 是提供相位器机油，并接收ECU 命令改变油压驱动相位器的液压控制阀[2]。相位器是执行ECU 命令改变凸轮轴相位的执行器。VVT 的跟随性对发动机的性能非常重要，而最大超调是评价VVT 响应性与跟随性的重要指标之一。最大超调指实际相位器第一次达到目标角度后，实际角度相对目标角度的最大偏移量。若超调量过大，则偏离原标定开发的最优燃烧工况，将影响发动机的动力性与排放性能[3-4]。因此改善VVT 的超调量对发动机性能具有重要意义。

本文目的是研究VVT 超调量的影响因素，重点是通过优化OCV 零件参数减小VVT 的超调量，改善VVT 的响应性与跟随性。

1 OCV 与相位器的构造和工作原理

OCV 主要是由线圈（阀体、阀芯、顶杆等）、阀套、换向杆、O 型圈、弹簧等零件组成。线圈接收控制信号后，产生相应的电磁力，推动阀芯移动，从而改变油路的油压。相位器主要是由定子、转子、前盖、锁销机构、复位弹簧等零件组成[5]。排气带有复位弹簧，进气根据发动机工况可选择是否带卷簧。相位器转子两侧分别为提前腔与滞后腔，其油路与OCV 的AB油孔油路连通。其中一个腔进油时，推动转子转动，即实现了凸轮轴相位变化。

如图1 所示，当相位器处于初始位置（最滞后位置）时，OCV 未接收到控制信号，换向杆处于初始位置，此时机油从OCV 的P 口进入，沿内部油道从B口出，最终进入VVT 提前腔。相位器滞后腔中机油从OCV 的A 口进入OCV，最终从OCV 的T 口排出，转子逆时针转动，则实现了凸轮轴相位滞后。同理，油从A 口进入滞后腔，机油从提前腔排出，转子顺时针转动，则实现了凸轮轴相位提前。

图1 相位器与OCV 工作原理

2 VVT 性能的台架测试方法

VVT 最关键的功能是跟随响应，其评价指标有响应时间、调节时间、最大超调量与稳态偏差，如图2所示。

图2 VVT 响应性与跟随性评价指标

为了研究VVT 接收ECU 命令后，执行命令的速度和控制稳定性，同时也是给性能开发优化标定参数提供参考数据，我们利用发动机点火台架闭环控制，测试VVT 跟随响应性能。测试过程将发动机其他边界参数固定，并外接机油恒温装置与冷却液外循环，搭建台架。

具体测试工况如下：

1）发动机热机后，控制主油道油温与出水温度为90 ℃，转矩为50 N·m，分别将转速调节到1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min。

2）利用图3 INCA 软件调节进排气VVT 走ECU的MAP，先手动控制进气从初始位置按照15°CA 或5°CA 步长，调节至极限位置；再从极限位置按照15°CA 或5°CA 步长，调节至初始位置。如此定义为一个试验循环，测试VVT 的最大超调量。

3）同样地，再控制排气VVT 进行一个试验循环，测试VVT 的最大超调量。

3 VVT 超调的影响因素

3.1 标定参数

一般地发动机正向开发时，若VVT 的响应速度和控制稳定性满足要求，可以通过修改标定PWM 参数，调整相位器的超调量。这种方法成本最低，效果最明显。但目前国内很多主机厂并不具备修改标定参数的能力。同时，为了技术降本，开发二轨供应商时需覆盖原有的标定数据。这时候必须通过修改相位器与OCV 零件本身来满足最大超调要求。

图3 VVT 性能测试INCA 软件

3.2 相位器卷簧力

因发动机凸轮轴力矩作用于VVT 滞后方向，进气相位器向提前方调节的响应速度要小于向滞后方调节的响应速度；而排气正好相反。为了平均提前和滞后方向的调节速度，同时也是为了使排气相位器更好地回位和落锁，相位器会采用卷簧。若卷簧力设计不合理，卷簧力过大或过小，VVT 均会出现超调现象。

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因此，在设计时可以仿真计算相位器提前与滞后方向的受力情况，选择合适的卷簧力，避免出现提前或滞后方向受力不均匀导致超调或欠调现象（欠调：响应时间过长）。

3.3 OCV 中位占空比与中心幅值对相位器超调的影响

OCV 是影响VVT 控制性能的重要零件。一般地，OCV 会采用流量-占空比或流量-电流图表示OCV 的流量特性，如图4 所示。本文发动机采用占空比控制信号，因此以流量-占空比描述OCV 性能。占空比从0%至100%，AB 油路所对应的开启情况如图5 所示。可以看出油路流量曲线左侧斜线代表了相位器调节的下降沿，即相位器从小角度向大角度调节；曲线右侧斜线代表了相位器调节的上升沿，即相位器从大角度向小角度调节。

3.3.1 OCV 中位占空比对相位器超调的影响

图4 OCV 流量-占空比示意图

当相位器转子提前腔与滞后腔油压相同，相位稳定时，此时的占空比称为中位占空比，如图4 中的③所示。标定在进行性能开发时，会预设某温度下的中位占空比。相位器具有±5%左右的自学习能力，若实际OCV 的中位占空比与标定预设值相差在±5%以内时，相位器可以自学习弥补差值。若差值大于5%时，相位器调节角度过程，同一占空比下对应的流量相差较大，则容易产生超调或欠调（欠调时，应评估响应时间）。

如图5 所示，假设曲线1 为标定预设占空比流量曲线，中位占空比为40%；曲线2、3 是实际OCV流量曲线，中位占空比分别为25%和55%。曲线左侧，对应的B 腔油压PB3＞PB1＞PB2。曲线右侧，对应的A 腔油压PA2＞PA1＞PA3。我们可以得到以下结论：

图5 不同中位占空比流量曲线示意图

1）曲线2 油压不足，下降沿容易欠调；曲线3 油压过大，下降沿容易超调。

2）曲线2 油压过大，上升沿容易超调；曲线3 油压不足；上升沿容易欠调。

图6 中位占空比对最大超调量的影响

图7 中位占空比40%，超调满足要求

图8 中位占空比25%，上升沿超调下降沿欠调

图9 中位占空比45%，上升沿欠调下降沿超调

研究表明，OCV 中位占空比与标定和设计值相同或接近时，对VVT 的超调影响最小，当中位占空比远小于标定预设值时，VVT 容易出现下降沿欠调上升沿超调，当中位占空比远大于标定预设值时，VVT 容易出现下降沿超调上升沿欠调。

3.3.2 OCV 中心幅值对相位器超调的影响

如图4 所示，流量曲线宽度为中心幅值。常用QN=1 L 或0.5 L 时的曲线宽度作为中心幅值。如图10 所示，曲线1 中心幅值为13%，曲线2 中心幅值20%；可以看出曲线左侧，PB1＞PB2，曲线右侧，PA1＞PA2。我们可以得出结论：中心幅值小时，OCV 容易超调，中心幅值大时，容易欠调。

为了更好地研究这一规律，我们基于发动机做为研究对象，选取了不同中心幅值的OCV 样件进行台架限位器响应性与跟随性试验。每组样本量2 个，样件分组与测试结果如图11 至13 所示。

图10 不同中心幅值流量曲线示意图

图11 中心幅值13%，VVT 超调

图12 中心幅值17%，VVT 超调满足要求

图13 中心幅值22%，VVT 欠调

如图11 至13 所示，中心幅值13%时超调量＞17%时的超调量＞22%时的超调量，即中心幅值越大，超调量越小。因此，设计过程要选取合适的中心幅值，中心幅值过大容易造成欠调，响应时间过长；若中心幅值过小容易造成超调过大。

4 结论

1）优先通过修改标定PWM 参数调整超调量。

2）选择合适的相位器卷簧力可改善超调量。

3）OCV 中位占空比与标定预设值接近时，对VVT 的超调影响很小，当中位占空比远小于标定预设值时，VVT 容易出现下降沿欠调上升沿超调，当中位占空比远大于标定预设值时，VVT 容易出现下降沿超调上升沿欠调。

4）中心幅值越大，超调量越小。