可变气门正时机构特殊模式控制策略的仿真研究

张晓松，滕　勤，李　杰（.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥　30009；.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥　3060）



可变气门正时机构特殊模式控制策略的仿真研究

张晓松1，滕勤1，李杰2
（1.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009；2.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230601）

摘要：针对发动机可变气门正时（variable valve timing，VVT）控制系统凸轮轴调节过程中可能出现的特殊工作模式，文章建立了相应的控制策略，并计算对应的凸轮轴目标相位。当机油温度过高、发动机转速下降太快导致机油压力降低时，为了防止凸轮轴调节速度明显降低，提出停调排气凸轮轴的控制策略；为了预防发动机工作中产生的碎屑阻塞相位器和机油控制阀，提出预防性清洗策略；根据这2种控制策略对凸轮轴调节效果的影响，对其进行了优先级划分。在ASCET-MD环境中建立了控制模型，通过仿真实验验证了控制逻辑，结果表明，凸轮轴目标位置完全适合相应的控制策略。

关键词：发动机；可变气门；凸轮轴闭环控制；使能标志位；凸轮轴目标位置

滕勤（1962-），男，黑龙江佳木斯人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师.

随着排放法规的日益严格以及环保要求的不断提高，低能耗、低排放以及高输出扭矩和高输出功率成为发动机发展的主要目标。在当前各种发动机技术中，可变气门正时（variable valve timing，VVT）技术是改善发动机燃油经济性、降低排放以及提高发动机参数的有效途径之一［1-2］。

为了实现对可变气门正时机构的精细控制，国内外对VVT控制策略进行了大量的研究。文献［3］开发了一个以低响应速度的VVT为主、高响应速度的VVL（variable valve lift）为辅的主-辅控制方法，利用VVA（variable valve actuation）调节进气过程；为了确定当前工况下发动机最佳凸轮正时，文献［4］在发动机台架上进行了不同稳定工况的VVT系统标定和匹配研究；文献［5］开发了全可变气门机构，采用分段PID算法控制气门升程和正时；文献［6］采用模糊PID控制算法，进行了VVT控制系统的仿真研究；文献［7］通过建立可变凸轮相位器的数学模型，研究了影响相位器响应速度的因素。上述研究主要针对如何根据当前发动机工况标定最佳凸轮轴目标位置以及通过合适的控制算法使凸轮轴相位达到目标值，并未涉及VVT系统在一些特殊模式下的控制策略及其相应的凸轮轴目标位置。

本文针对凸轮轴机油油道清洗和排气凸轮轴停调2种特殊调节模式，分别设计了相应的控制策略，针对2种特殊模式在同时使能的情况下，进行了控制优先级的划分。

1　可变气门正时原理

VVT系统主要由电控单元、相位器、机油控制阀（Oil Control Valve，OCV）以及机油油道组成，目前广泛采用机油压力控制的转子式可变气门凸轮相位机构，通过高强度的螺栓将凸轮轴与转子固定在一起，同步转动。定子与正时链轮连成一体，通过正时链条与曲轴连接，达到定比传动［8-9］。

发动机ECU计算当前的凸轮轴目标位置，根据测量的当前凸轮轴实际位置，通过PID控制算法计算PWM占空比，控制电磁阀使阀芯处于不同位置，进而控制液压机油的流动方向和流动面积［10］。相位器通过机油流动的方向控制凸轮轴调节方向，利用机油流量控制凸轮轴调节速度，进而调节凸轮轴实际位置［11］。

凸轮轴目标位置的计算是VVT控制逻辑中的重要组成部分。VVT控制原理如图1所示，其中凸轮轴目标位置包括正常模式下和特殊模式下2种。正常模式下的凸轮轴目标位置是在发动机正常运行时不同工况所要求的目标位置，以保证发动机处于最佳工作状态；特殊工作模式目标位置是VVT系统处于特殊状态时所要求的目标位置。本文主要讨论了凸轮轴机油油道清洗和排气凸轮轴停调2种特殊模式。

图1　可变气门正时控制原理

2　机油油道预防性清洗

在发动机生产和使用过程中会形成一些碎屑，为预防这些碎屑阻塞VVT机构的机油油道、机油控制阀，需要在每次发动机启动至关闭的汽车驾驶过程中对机油油道进行清洗，尽可能通过机油带走碎屑，预防阻塞的发生，故称之为预防性清洗。该功能以预防为主，考虑到清洗过程中凸轮轴位置的变化对发动机性能影响较大，因此在一次驾驶过程中清洗功能执行的次数是有限的。预防性清洗旨在通过快速改变凸轮轴目标位置的设定值，增加机油在短时间内的压力和流速，利用快速流动的机油把碎屑清理出油道。

2.1机油油道清洗的使能条件

机油油道清洗功能的使能时刻需要准确限定。因为清洗过程中凸轮轴的调节幅度较大，气门的开启/关闭时刻发生较大的变化，从而导致缸内进气量发生大幅度变化，这对发动机工作性能影响巨大。为了尽量减小这种影响，本文提出了2种不同的使能时刻方案。

（1）当汽车钥匙关闭发动机，发动机在随后的后运行阶段使能此功能。利用发动机的剩余转速提供机油压力，此时已经停止喷油，不会影响发动机排放、动力等性能。但清洗次数和清洗时间有限，机油压力可能不足也会导致清洗效果欠佳。

（2）在超速断油工况使能清洗功能，使能条件为：①对于有EGR的系统，必须完成EGR（exhaust gas recirculation）诊断；②未踩下制动踏板；③未踩下离合器踏板；④发动机处于超速状态；⑤发动机转速在标定范围之内；⑥机油温度在标定范围之内。由于在超速状态下机油压力充足，调节效果较好，但是清洗时间受限。

2.2进/排气凸轮轴清洗的实现

进/排气凸轮轴的清洗函数是利用ASCETMD建立的一个状态机，如图2所示。其中，1和2分别表示凸轮轴接近最提前和最滞后机械止点处；3和4分别表示提前和滞后状态持续时间结束；5和6表示目标位置变换次数计数器达到相应的阈值；7和8表示清洗过程中清洗使能标志位为假；9表示一次清洗结束后清洗使能标志位为假。状态机包括等待、提前、延迟、停止4个状态，每个状态又包括进入、停留、退出3个部分。

图2　油道清洗状态简图以及状态转换条件说明

当清洗的使能标志位为真时，该状态机进入等待状态。在该状态的进入部分中，首先把目标位置变化次数计数器设定为0，由于还没有开始进行清洗，所以需要设定清洗标志位为假。在停留部分不需要执行任何任务。当状态机离开等待状态就意味着开始进行清洗，所以在退出部分中设定清洗标志位为真即可。

状态机处于等待状态时，会不停判断当前凸轮轴的实际位置。当凸轮轴实际位置接近最滞后的机械止点附近时，状态机从等待状态进入提前状态。同理，当实际位置接近最提前的机械止点附近时，状态机进入延迟状态。

在提前和等待2个状态的进入部分中都需要完成以下内容：①目标位置变化次数计数器加1；②维持于该状态的计时器开始计时；③设定当前状态的凸轮轴目标位置。在等待任务中只需要将维持于该状态的计时器不断计时即可。当计时器达到标定的阈值时，通过与其他状态的转换条件判断状态机需要进入的下一个状态。当目标位置变化次数计数器小于最大变化次数（设定为7）时，状态机会进入滞后或者提前状态，实现大幅度改变凸轮轴目标位置的目的。当该计数器大于等于最大变化次数时，状态机进入停止状态，完成一次清洗。

由于本函数中最大变化次数设定为7，因此，可以保证当状态机进入停止状态前，凸轮的目标位置为状态机离开等待状态时的机械止点位置。所以，当完成清洗时凸轮轴可以很快地回到清洗前的位置，减小了清洗对发动机当前工况VVT控制的影响。

状态机进入停止状态，该状态的进入任务包括：①设定清洗标志位为假，表示结束该次清洗；②当前驾驶循环清洗次数计数器加1，记录当前驾驶循环完成的清洗次数。

2.3仿真结果

刚开始执行清洗函数，状态机从等待状态首先进入滞后状态的清洗过程如图3所示。当使能标志位B_nwshken为真、进气凸轮轴实际位置接近机械止点附近时，清洗标志位B_nwshke为真，凸轮轴目标位置开始在2个机械止点附近来回摆动，并在机械止点附近维持0.25 s。当完成清洗时，清洗标志位B_nwshke设定为假，并且用折线表示的凸轮轴目标位置wnwshke恰好处于最滞后的位置，这样有利于凸轮轴回到开始清洗时的实际位置。

状态机从等待状态首先进入提前状态的清洗过程如图4所示。

图3　在最滞后止点位置开始清洗

图4　在最提前止点位置开始清洗

凸轮轴目标位置变化次数、每次在机械止点维持的时间都和图3中相同。不同之处在于开始进行清洗的调节方向相反，目标位置的选择不同。

3　排气凸轮轴停调

对于进/排气凸轮轴均可调的双可变气门正时系统，调节的过程中需要大量的机油。当机油温度较高、发动机转速较低时有可能出现机油压力不足的现象，这样会减小进/排气凸轮轴调节速度，影响发动机性能。而众所周知，进气凸轮轴的调节对发动机性能的影响大于排气凸轮轴调节对发动机的影响，所以可以通过暂时停止调节排气凸轮轴的方法，减少机油的消耗，从而提高进气凸轮轴的调节速率。

3.1排气凸轮轴停调使能条件

排气凸轮轴停调功能使能条件为：

（1）VVT系统是进/排气凸轮轴均可调的双VVT系统，因为该功能的设计目的是防止大量使用机油而导致的机油压力不足。

（2）进/排气凸轮轴目标位置与实际位置的差值均能够在一定时间内始终大于由当前发动机状态决定的一个标定阈值，以此判定进/排气凸轮轴调节速度过慢。

3.2排气凸轮轴停调的实现

当满足上述条件时，可以认为进气凸轮轴的调节速率降低、机油不足，此时将停止调节排气凸轮轴的标志位设定为真。由于凸轮轴扭矩会将排气凸轮轴向滞后方向推动，直接导致进排气重叠角增加。为了防止重叠角过大，必须把排气凸轮轴向提前方向移动。再考虑到提高驾驶性能，应允许排气凸轮轴向提前方向移动，所以本文中的停止调节排气凸轮轴是允许排气凸轮轴向提前方向移动的，并不是完全不调节排气凸轮轴。

由于在实际的排气凸轮轴标定过程中提前为负、滞后为正，所以目标位置值越小表示越向前提前。当停止调节排气凸轮轴标志位设定为真时，利用ASCET-MD中的“EdgeRising”捕捉该标志位的上升沿作为取值的条件。然后将排气轴当前的目标值与上一时刻的目标值进行比较，取较小值。这样便完成了排气凸轮轴的停调控制。

3.3仿真结果

在ASCET-MD中建立了停调子函数的模型，并在实验环境中利用仿真数据对控制逻辑进行判断。排气凸轮轴停调仿真如图5所示。

当表示目标值和实际值差值大于标定阈值的标志位B_nwstp为真时，经过标定时间后停调标志位B_nwstpx为真，表示进/排气轴调节速度均较慢，开始停调排气轴。与此同时，停调函数的凸轮轴目标位置wnwstpx_w的值立即开始减小，即凸轮轴目标位置只会向提前方向移动。当该工况目标位置wnwsxx_w的值增加时，停调函数的目标位置保持不变。当排气凸轮轴目标位置再一次小于当前值时，停调函数凸轮轴目标位置wnwstpx _w的值再一次减小。仿真结果完全满足停调函数的分析，验证了模型的正确性。

图5　排气凸轮轴停调仿真

4　特殊模式的优先级划分

凸轮轴特殊控制存在多种情况，本文只考虑凸轮轴机油油道的清洗和排气凸轮轴停调2种情况。对于多缸机，在机油油道清洗过程中会消耗大量机油，从而可能出现机油压力不足，这一方面会导致清洗效果不佳，另一方面导致凸轮轴调节速度降低。进而可能出现某一时刻同时满足2种控制的使能条件，同时使能2种控制策略。由于这2种控制策略具有完全不同的控制思路，因此为了防止在机油大量消耗、机油温度过高时出现2种控制冲突的情况，需要对2种控制策略进行优先级的划分。

当排气凸轮轴停调标志位为真时，表示当前机油不足，进气凸轮轴调节速率降低。由于进气门正时变化对发动机影响较大，会严重影响可变气门正时的工作效果，降低发动机的性能，所以应该尽量避免机油消耗，停调排气轴。而进行机油油道清洗需要同时连续改变进/排气凸轮轴位置，在清洗期间会大量消耗机油，进一步降低了进气轴的调节速度，所以可以得出结论，当机油油道清洗和排气轴停调同时使能时，排气凸轮轴停调的优先级高于机油油道清洗。优先级划分的逻辑图如图6所示。

将上述2个特殊状态的控制策略联合仿真，在ASCET的环境中得到的仿真结果如图7所示。当清洗使能标志位B_nwshkaa为真时，凸轮轴目标位置wnwstpma_w选择清洗目标位置wnwshkaa _w，即目标位置在最提前和最滞后间来回摆动。当排气凸轮轴停调标志位B_nwstpa为真时，虽然清洗标志位仍然为真，但此时凸轮轴目标位置wnwstpma_w选择当前工况的目标值wnwstpa_w。当排气凸轮轴停调标志位为真，表示退出2种控制要求时，特殊调节目标位置复位。

图6　特殊调节优先级划分逻辑

仿真结果不仅符合了2种特殊控制策略的仿真结果，而且在2种控制策略同时使能发生冲突时，成功地进行了优先级的划分。

图7　优先级划分仿真

5　结　论

（1）本文对可变气门正时中凸轮轴机油油道清洗原理进行了分析。利用在凸轮轴调节范围内快速改变凸轮轴位置来加速机油流动，用机油带走碎屑的方法达到清洗相位器和机油控制阀的效果。通过仿真实验实现了相应的凸轮轴目标位置，并验证了控制逻辑的正确性。

（2）本文给出了双可变气门正时系统在出现机油压力不足时的一种控制策略。利用相对停调排气凸轮轴的方法以提高进气凸轮轴的调节速度，获得在该特殊状态下凸轮轴的目标位置。

（3）当凸轮轴控制的特殊情况同时出现时，为了防止2种调节模式冲突，对其进行了优先级划分。

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（责任编辑胡亚敏）

Simulative study of control strategy of special modes for the mechanism of variable valve timing

ZHANG Xiao-song1，TENG Qin1，LI Jie2

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Technology Center of Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

Abstract：For some special operating modes that may occur during the adjustment of camshaft in the engine with variable valve timing（VVT），the corresponding control systems are established and the corresponding target positions are calculated.Low oil pressure may occur when the oil temperature is too high and the engine speed drops too quickly，and in order to prevent the adjustment rate of camshaft dropping too significantly，the strategy of stopping the adjustment of exhaust camshaft is established；in order to prevent the dirt deposits generated in the engine blocking the camshaft phaser and oil control valve，the strategy of preventive cleaning is established；then the two control strategies are prioritized based on their effects on the adjustment of camshaft.Finally，the models of control systems are established and some simulation experiments are done in ASCETMD.The experimental results verify the control logic and indicate that the target positions of camshaft are completely fit for the corresponding control strategy.

Key words：engine；variable valve；closed-loop control of camshaft；enable flag；target position of camshaft

作者简介：张晓松（1990-），男，安徽六安人，合肥工业大学硕士生；

基金项目：合肥工业大学产学研校企合作资助项目（13-026K）

收稿日期：2014-11-18；修回日期：2015-01-19

Doi：10.3969/j.issn.1003-5060.2016.01.006

中图分类号：TK412

文献标识码：A

文章编号：1003-5060（2016）01-0030-05