中置VVT 可变力电磁阀使用频率方案研究

（柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司 广西 柳州 545005）

引言

发动机可变气门正时技术(VVT,Variable Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的一种新技术。发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的转矩和功率可以得到进一步的提高[1]。通过电子液压控制系统改变凸轮轴打开进气门的时间早晚，从而控制所需的气门重叠角的技术。这项技术根据发动机的工作状况连续变化，适时控制气门重叠角的大小，从而改变气缸进气量[2-5]。

中置式转矩辅助结构VVT 是近来年国内外主机厂发动机正时机构中较流行的设计类型，可广泛用于不同的发动机平台。用于取代带OCV 阀的侧置式油压驱动VVT[6]。

一般VVT 系统包括相位器（Phaser）、中心螺栓（center bolt）及可变力电磁阀（VFS）。

通常的安装方式是，中心螺栓通过与凸轮轴的螺纹连接把相位器和凸轮轴连接在一起。电磁阀通过两个螺栓安装在前盖上，采用密封圈径向或端面的密封方式。电磁阀上有接触端子和线束连接实现电信号的传输。

它的简要工作原理是ECU 提供给电磁阀不同的占空比，通过电磁阀工作到中置式的中心螺栓，从而实现中心螺栓里控制阀的不同位置，实现相位器的提前或滞后。当电磁阀的工作不稳定时，会导致中心螺栓运动波动，进而导致油压不稳定，最终导致VVT 在目标相位波动。本文对于VFS 的使用频率进行研究，对出现的振动问题提出解决方案，确定最优的频率控制方案。

1 验证方案

根据电磁阀VFS 的使用频率高低分为两个验证方案（详见表1 所示），分别为高频方案和低频方案。其中高频方案采用侧置式常用的频率280 Hz。低频使用100～150 Hz，根据材料特性以及中置VVT 响应快的特点，该频率可以满足使用要求。

表1 电磁阀VFS 使用频率

该实验搭载在柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司实验台架上进行测试，发动机的主要技术参数如表2 所示。

表2 发动机参数表

2 实验部分

2.1 高频：电磁阀VFS 使用频率280 Hz

电磁阀VFS 振动频率恒定为280 Hz，VVT 开启环境温度范围为（-15 ℃～130 ℃），频率控制转速点根据标定软件限制，只能挑选7 个，前6 组500 r/min递增，第7 组选择最大转速5 300 r/min。详细控制策略如表3 所示。

表3 高频控制图谱

根据表3 的电磁阀振动频率，发动机全负荷、全转速工况检查，发现在2 748 r/min 和3 700 r/min 处存在轻波动，波动转速＜±25 r/min，波动幅度＜±2°（设计要求＜±3°），其余工况基本＜±1°，详见图1 中1&2位置。

虽然出现的2 个波动点振动幅度满足设计要求，根据经验仍然存在优化的空间，因此对波动原因进一步分析。

2.1.1 VVT 波动分析

VVT 波动主要是由于电磁阀VFS 的使用频率和发动机点火激励共振，引起油压不稳定。根据该情况计算共振转速，现搭载的是一台1.2 L 增压直喷3缸机，每个工作循环曲轴转动2 圈，每个工作循环3个缸点火做功一次，即发动机每转做功1.5 次即振动1.5 次。

图1 280 Hz-VVT 振动图

VFS 的工作频率为280 Hz，那么转换为共振的转速设为X r/min，计算公式如下：

1 阶共振：（X/60）*1.5=280=＞X=11 200 r/min；（超出发动机最高转速）

1/2 阶共振：（2*X/60）*1.5=280=＞X=5 600 r/min；（超出发动机最高转速）

1/3 阶共振：（3*X/60）*1.5=280=＞X=3 733 r/min；（共振）

1/4 阶共振：（4*X/60）*1.5=280=＞X=2 800 r/min；（共振）

为确定该方案共振对发动机的影响，需搭载发动机耐久性能验证。

2.1.2 发动机耐久性能验证

根据计算结果，1/3、1/4 共振基本吻合，由于实际振动幅度在设计范围内，因此不影响发动机功率转矩，基于高频280 Hz 方案搭载2 台发动机耐久性试验（模拟整车使用10 年25×104km）。试验后VFS测试磁质，并和实验前对比，磁质要求＜0.8 mm，结果如图2 所示。

图2 280 Hz-GED 试验后VFS 磁质检测

试验后一台电磁铁阀磁质变化1.2 mm，超出0.8 mm 许用极限，该情况会导致VVT 卡滞的情况出现。因此该方案量产实施存在一定的使用风险。

2.2 低频100～150 Hz 验证方案

1 阶共振：（X/60）×1.5=110=＞X=4 400 r/min；（共振）

1/2 阶共振：（2×X/60）×1.5=110=＞X=2 200 r/min；（共振）

1/3 阶共振：（3×X/60）×1.5=110=＞X=1 500 r/min；（无共振）

1/4 阶共振：（4×X/60）×1.5=110=＞X=1 100 r/min；（无共振）

表4 110 Hz 控制图谱

VVT 实际运行抖动情况如表5 和图3 所示。

表5 110 Hz-VVT 振动工况

图3 110 Hz-VVT 振动图

实际测量结果和共振情况分析基本吻合，通过110 Hz，280 Hz 振动频率测量结果可以分析出，恒定频率运行，始终会存在共振的情况。为了验证该分析，额外做了120 Hz、130 Hz，140 Hz，150 Hz 频率运行情况，基本吻合共振计算结果，本文不做展示。结论为随着频率的增加，共振转速也会增加。

定义3 ε-差分隐私.给定值域为Range(A)的随机算法A:Rn×m→Rn×m，当输入两个相邻的评分矩阵R、R′和非负实数ε，若对于任意S⊂Range(A)，都有

2.3 低频控制方案调整

由于使用恒定频率，不可避免地会出现共振情况，而且随着频率的增高，共振转速也增高，因此提出变频调整控制方案，避开共振点。变频控制主要分两种思路：

1）插值法调频。

2）阶跃法调频。

插值法调频：根据共振转速随频率升高而增大的规律，在2 600 r/min 以前，频率由110 Hz 逐步增大至150 Hz，可以消除2 000～2 400 r/min 附近的共振，然后在2 650 r/min 转速时，将频率降低为110 Hz，然后在4 400 r/min 调整为120Hz，通过此方法可以消除3 800～4 900 r/min 共振情况，频率控制如表6 所示。

表6 插值法控制图谱

2.3.1 插值法实测

实际测量，1 阶共振完全消除，但是由于频率由150 Hz 切换为110 Hz 时，存在50 r/min 的过度转速，导致产生新的振动。新的共振转速图谱如图4 所示。

图5 为插值法共振图，插值法验证结果如下：

1）1 阶共振消除，见图5 中1 阶共振转速与转速无交交点。

2）产生了新的1/2 阶共振，振动幅度＜±2.5°，共振转速2 616～2 627 r/min。见图5 中2 阶共振转速与转速相交点。

3）产生了新的1/3 阶共振，振动幅度＜±2°，共振转速1 440～1 500 r/min。见图5 中3 阶共振转速与转速线相交点。

插值法振动幅度和振动转速都有缩减，改善效果明显，但是不能完全消除共振。

2.3.2 阶跃法实测

阶跃法调频：基于插值法的验证经验，提出在共振转速区间瞬时切换频率，然后再切换为原频率，该控制方式称为阶跃法调频。图6 所示为阶跃法-VVT振动图。由于常规的标定系统无此控制模块，重新开发该模块满足验证需求。验证方案如下：

基础频率选用110 Hz，根据表5 测量结果，共振区间为2 000～2 400 r/min，3 800～4 900 r/min；因此在共振转速区间前后100 r/min 启动阶跃调频，策略如下：

1）位置跳频策略：在1 900 r/min 频率跳转至135 Hz，在2 500 r/min 时频率换回110 Hz；

图4 插值法-VVT 振动图

图5 插值法共振图

图6 阶跃法-VVT 振动图

2）位置跳频策略：在3 700 r/min 频率切换至135 Hz，在5 000 r/min 时频率换回110 Hz；

实施情况：大部分小于±0.5°，个别工况在±1.5°以内。改善效果明显。

3 结论

1）采用单一恒定频率，高频280 Hz 方案优于低频（110～150 Hz）方案，若需要使用高频280 Hz 方案，需要升级电磁阀（VFS）阀芯材料，提升耐磨性来改善阀芯异常磨损导致磁质变弱的情况，本文未对该方案做进一步研究。

2）低频方案研究：插值法和阶跃法，均能有效改善共振问题，阶跃法优于插值法。

3）总体对比，阶跃法+低频控制方案为最优，可以有效控制VVT 的波动使其处于稳定状态。