汽油发动机VVT 系统开发及标定策略应用的研究

黄圣锦 袁 根 刘 凯 王 政 王 博 张维杰

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

当下，可变气门正时（Variable Valve Timing，VVT）技术已经成为汽油发动机的基本配置。VVT 系统主要由凸轮相位调节器（VCP）和机油控制阀（OCV）组成，VVT 技术实现了对配气机构气门正时的改变，有助于提升发动机的性能指标，同时有利于改善燃油经济性，并降低碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）排放。不同的工况，需要不同的配气相位。汽油机电喷系统通过标定ECU 数据和VVT 系统的零部件配合，实现不同工况对VVT 相位的需求[1]。本文以某电喷发动机为例，结合VVT 系统结构及工作原理，阐述VVT 系统开发过程，论证标定策略的应用对VVT系统正常工作的重要性。

1 VVT 系统结构及工作原理

1.1 凸轮相位调节器（VCP）结构

进气侧VCP 主要由皮带轮、挡油销/叶片簧、转子、定子（外壳）、弹簧座/锁止销/锁止簧/钢套/衬套、联接头、销子、密封圈及盖板等零部件组成，具体结构见图1。

图1 进气侧VCP 结构

1.2 机油控制阀（OCV）结构

OCV 主要由壳体、电磁螺丝管总成、电枢、阀芯、阀套及弹簧等零部件组成，具体结构见图2。

图2 OCV 结构

1.3 VVT 系统工作原理

进气侧VVT 系统向提前方向调节的工作原理为：车辆加速过程，发动机输出转矩需求增大，OCV通电开始动作，阀芯向下运动，机油从OCV 的P 口进，A 口出，通过VCP 提前腔油道进入VCP 提前腔，将锁销顶起，转子转动，进行相位调节。滞后腔机油从OCV 的B 口出，并通过T 口排出。当VVT 系统的实际相位达到目标时，OCV 保持中立点，VCP 中2 个腔油道油压达到平衡，转子稳定在某一个角度。

VVT 系统向提前方向调节的工作原理见图3。

图3 VVT 系统向提前方向调节的工作原理

进气侧VVT 系统向滞后方向调节的工作原理为：车辆减速过程，发动机输出转矩需求减小，OCV断电，阀芯在弹簧作用下向上运动，机油从OCV 的P口进，B 口出，通过VCP 滞后腔油道进入VCP 滞后腔，转子转动，进行相位调节。提前腔机油从OCV 的A 口出，并通过T 口排出。当VVT 系统的实际相位达到目标值时，OCV 保持中立点，VCP 中2 个腔的油道油压达到平衡，转子稳定在某一个角度。

VVT 系统向滞后方向调节的工作原理见图4。

图4 VVT 系统向滞后方向调节的工作原理

1.4 VVT 系统设计关键参数

VVT 系统的响应速度为单位时间内VVT 系统所能调节凸轮轴转过的角度，一般设计要求：

1）-10～20°CA，大于50°CA/s；

2）20°CA 以上，大于100°CA/s。

其中，VCP 本身的结构参数对VVT 系统的响应速度影响最大，使用转矩压力比参数来衡量，该参数仅与VCP 结构有关。另外，OCV 在油道中的安装位置对VVT 系统的响应速度有较大影响。

OCV 的电流-流量（I-O）特性曲线示意图见图5，包括保持点、最大流量点及曲线特征。

图5 OCV 的I-O 特性曲线示意图

2 VVT 系统匹配标定

2.1 VVT 系统位置标定

各个工况下，不同的气门重叠角，发动机性能表现差异大。根据整机性能开发的要求，筛选出各工况所对应的比较理想的VVT 系统工作位置。

常规的VVT 控制策略如下：

1）发动机在怠速、小负荷、停机或者起动时，尽可能推迟打开进气门、提前关闭排气门，采用小的甚至无气门重叠角。在此种策略下，回流到进气道的燃烧气体减少，可改善怠速及小负荷的发动机燃烧稳定性及燃油经济性。

怠速、小负荷等工况气门重叠角示意图见图6。

图6 怠速、小负荷等工况气门重叠角示意图

2）发动机在中等负荷时，不仅要考虑动力性，还要兼顾燃油经济性，因此进气门适当早开，排气门适当晚关，气门重叠角适当增加。在此种策略下，内部EGR 率增高，增加了稀释效应，使NOx排放降低（缸内燃烧温度降低）、HC 排放降低（未燃气体再燃烧）、发动机磨损降低（泵气损失减少）。

中等负荷工况气门重叠角示意图见图7。

图7 中等负荷工况气门重叠角示意图

3）发动机在中低转速高负荷时，动力性和中等负荷时类似，需求明显，但进气门应更早开，排气门应更晚关，以获得最大的气门重叠角。在此种策略下，充气效率提高，从而提高了中低转速段的转矩。

中低转速高负荷工况气门重叠角示意图见图8。

图8 中低转速高负荷工况气门重叠角示意图

4）发动机在高转速高负荷时，气流速度高，为尽可能提高进气效率，需尽可能推迟打开进气门、适当推迟关闭排气门。在此种策略下，充气效率进一步提高，在高速高负荷获得最大功率。

高转速高负荷工况气门重叠角示意图见图9。

图9 高转速高负荷工况气门重叠角示意图

2.2 VVT 系统位置标定目标

2.2.1 全负荷工况

全负荷工况，对于自然吸气发动机，一般标定原则是以充气量最大为最优原则；对于增压发动机，主要标定原则为油耗最低。

自然吸气发动机全负荷工况（转速为1 200 r/min）标定目标示意图见图10。

图10 自然吸气发动机全负荷工况标定目标示意图

2.2.2 怠速、小负荷工况

怠速、小负荷工况，随着气门重叠角加大，回流到进气道的燃烧气体增多，出现失火，导致HC 排放上升。一般发动机在怠速、小负荷工况，VVT 工作在参考位置。

怠速、小负荷工况标定目标示意图见图11。

图11 怠速、小负荷工况标定目标示意图

2.2.3 中速、中负荷工况

中速、中负荷工况，在转速、进气量不变的情况下，随着气门重叠角加大，内部EGR 率加大，NOx排放有较明显的下降。VVT 位置标定以油耗最优为原则。

中速、中负荷工况标定目标示意图见图12。

图12 中速、中负荷工况标定目标示意图

2.3 VVT 系统位置标定

基于DOE 设计完成VVT 系统位置标定[2]，进气VVT 位置标定结果、排气VVT 位置标定结果分别如图13、图14 所示。

图13 进气VVT 位置标定结果

图14 排气VVT 位置标定结果

从图13、图14 可以看出，排气VVT 曲面变化相对平滑，进气VVT 曲面在中小负荷区域凹凸不平。这是因为发动机的性能、油耗、排放对进气相位的变化更为敏感[3]。

2.4 VVT 系统匹配标定

通过标定PID 控制阀值，使进、排气VVT 在各转速、负荷的动态跟随性偏差控制在±1°CA 以内，动态变化过程最大超调不超过3°CA。

需结合VVT 系统设计关健参数协同开发，VVT系统跟随性允许轻微的超调，但不允许出现超调过大、过阻尼等情况。

VVT 系统跟随性轻微的超调示意图见图15，VVT 系统跟随性超调过大、过阻尼示意图见图16，VVT 系统跟随性过阻尼、超调过大示意图见图17。

图15 VVT 系统跟随性轻微的超调示意图

图16 VVT 系统跟随性超调过大、过阻尼示意图

图17 VVT 系统跟随性过阻尼、超调过大示意图

3 VVT 系统标定策略应用论证

在发动机运转过程中，会因磨损和清洁度等不可避免的原因产生颗粒物。这些颗粒物跟随机油进入VVT 系统，使OCV、VCP 开启或关闭不畅，造成进、排气VVT 动态跟随性不良。因此，开发、应用有针对性的标定策略是必要的。标定策略主要有2 种：自清洁及UNLOCK。

3.1 自清洁功能应用

自清洁功能分为车辆上电自清洁、车辆滑行断油自清洁及车辆下电自清洁3 种。

车辆上电自清洁是指车辆上电时，通过调节VVT，控制占空比大、小往复变化，进行OCV 内部自清洁操作。

车辆上电自清洁示意图见图18。

图18 车辆上电自清洁示意图

车辆滑行断油自清洁是指车辆滑行断油过程中，自清洁功能开启，一种方式是通过调节VVT 目标值，使VVT 往复靠近、远离参考值，进行OCV、VCP 内部自清洁操作，示意图见图19；另一种方式是通过调节VVT，控制占空比大、小往复变化，进行OCV、VCP 内部自清洁操作，示意图见图20。

图19 车辆滑行断油自清洁示意图（调节VVT 目标值）

图20 车辆滑行断油自清洁示意图（调节VVT）

车辆下电自清洁是指车辆下电时，通过调节VVT，控制占空比大、小往复变化，进行OCV 内部自清洁操作。

车辆下电自清洁示意图见图21。

图21 车辆下电自清洁示意图

3.2 UNLOCK 功能应用

UNLOCK 功能是指ECM 检测到OCV 或VCP因卡滞导致进、排气VVT 动态跟随性偏差过大时，通过调节VVT，控制占空比大、小往复变化，进行OCV、VCP 内部自清洁，从而消除卡滞现象。

UNLOCK 功能示意图见图22。

图22 UNLOCK 功能示意图

3.3 标定策略应用说明

持续跟踪、统计某品牌车型：

1）未集成自清洁及UNLOCK 标定策略，市场车辆保有量为187 563 台，一年以内出现进、排气VVT动态跟随性不良相关故障16 例，维修车辆与已售车辆之比为85×10-6；

2）集成自清洁及UNLOCK 标定策略，市场车辆保有量为170 339 台，一年以内出现进、排气VVT 动态跟随性不良相关故障0 例。

对比发现，自清洁及UNLOCK 标定策略的应用能够有效降低进、排气VVT 动态跟随性不良故障率。因此，开发、应用有针对性的标定策略是必要且重要的。

4 结论

本文结合汽油发动机VVT 系统结构及工作原理，阐述了VVT 系统开发过程，论证了标定策略的应用对VVT 系统正常工作的重要性。结论如下：

1）VVT 系统开发过程中，标定必须与VVT 系统硬件设计关键参数关联开发，如匹配不当，会造成VVT 运行过程中出现超调或过阻尼等情况，造成进、排气VVT 动态跟随性不良。

2）VVT 系统标定策略的应用能够有效降低进、排气VVT 动态跟随性不良故障率，开发、应用有针对性的标定策略是必要且重要的。