低温环境下节流阀体破冰功能控制策略

赵志国 邵军

（北京汽车研究总院有限公司）

冬季严寒地区汽油发动机节流阀体结冰是一个常见的现象，但其结冰机理尚不清楚。多数技术人员认为，对节流阀体进行加热保温是避免节流阀体蝶阀因结冰不能随发动机运行指令动作导致汽车运行故障的有效方法[1]。因此，国内外技术人员进行了各种节流阀体加热保温的工程方案研究，如：在节流阀体上布置加热水道或加热阻抗等，利用热能或电能进行加热保温，以保证节流阀体蝶阀依发动机运行指令自如随动。但以上工程方案都需对发动机整体布置做较大的结构与配置变动，除带来不可避免的成本增加外，也因为加热所需的热能或电能支持，对汽车运行的可靠性带来苛刻的要求。文章探索了汽油机节流阀体破冰（DVEIB）的控制策略，为进一步有针对性的研究采用ECU控制策略方案解决冬季严寒地区汽油发动机节流阀体结冰这一常见现象提供技术支持[2]。

1 DVEIB的作用

当整车在极低的环境温度运行时，含有水蒸气的高温油气通过部分负荷呼吸管进入进气歧管内部。高温油气与由节流阀体进入的冷空气进行交汇，水蒸气冷凝形成较松散的霜冻附着在歧管内壁和节流阀体蝶阀上。停车后，这部分霜冻在经历一个融化再重新凝结的过程后，重新凝结的冰层基本集中在节流阀体蝶阀附近，这将直接导致下次启动时节流阀体蝶阀冻住，无法完成启动前的预定动作，最终造成启动失败的后果。DVEIB系统设计的目的就是在发动机启动前判定当前节流阀体是否处在结冰状态，在满足破冰的条件下完成节流阀体破冰工作，保证发动机顺利启动。

2 DVEIB控制系统设计原理

DVEIB设计原理主要采用蝶阀撞击结冰点的方式来实现破冰的功能。每次上电或下电时，如果破冰条件满足，使节流阀体蝶阀向下止点附近的一个目标值运动，如果能在指定时间内到达目标位置，就认为节流阀体没有结冰，从而退出破冰功能。如果未能到达目标位置，则使蝶阀在上下2个目标值之间来回运动，用以撞击结冰点，直到蝶阀可以达到上下判断位置，或者达到最大破冰次数，则退出破冰。可以通过改变目标位置来调节撞击力度，2个目标位置相差越大，撞击力度越大。考虑到破冰功能对节流阀体使用寿命的影响，根据厂家提供的安全参数，节流阀体电机堵转电流为6 A，持续时间小于5 s，可耐受最大从100%占空比去撞击结冰点，但建议撞击3次仍达不到破冰目标位置即退出破冰模式，报出节流阀体故障，点亮故障灯，并写入故障内存。

3 DVEIB系统控制流程

DVEIB系统设计主要包括4步，细分为6个阶段，具体控制流程，如图1所示。

图1 节流阀体破冰（DVEIB）系统控制流程图

3.1 破冰环境检查阶段

破冰环境检查阶段需要与复位弹簧的检查集成在一起，只有当复位弹簧检查完成时才能进行破冰环境的检查，复位弹簧的检查是破冰功能触发的前提条件。DVEIB功能使能条件判断控制流程，如图2所示。

图2 节流阀体破冰（DVEIB）功能使能条件判断流程图

3.2 破冰准备阶段

破冰准备阶段设定的目的主要是告知系统破冰模式已经激活，赋予节流阀体蝶阀控制目标值，并对一些系统变量的初始值进行预设。破冰准备阶段具体控制流程，如图3所示。

图3 节流阀体破冰（DVEIB）系统破冰准备阶段控制流程图

3.3 判断是否有冰阶段

判断是否有冰阶段设定的目的主要是判断蝶阀是否可以达到预设的位置，此预设位置可以用来判断下止点位置是否有冰，从而告知系统是否需要蝶阀进行下一步的破冰动作，具体控制流程，如图4所示。

图4 节流阀体破冰（DVEIB）系统判断是否有冰阶段控制流程图

3.4 撞击破冰阶段

撞击破冰阶段系统控制蝶阀在2个目标位置反复运动若干次，通过设置较小的目标位置来撞击结冰点达到破冰的目的，较小目标位置与结冰点的位置相关，需根据具体结冰位置进行标定。破冰过程中可以通过配置2个目标位置的差值达到改变撞击结冰点力度的目的，2个目标位置相差的越大，撞击结冰点的力度也越大，需根据破冰的力矩需求进行标定。考虑到节流阀体零部件寿命还需要限定破冰的次数及退出条件，其具体控制流程，如图5所示。

图5 节流阀体破冰（DVEIB）系统撞击破冰阶段控制流程图

3.5 检查冰是否破除阶段

破冰动作的同时也在检查冰是否被破除，如果破冰过程中蝶阀的实际测量值能够达到系统设定的上下判断阀值，则认为冰已经被清除，临时计时器清零，随即退出破冰。反之，继续执行破冰模式直至破冰达到系统设定的破冰次数限值，同时系统需检测出破冰过程失败，点亮故障灯并写入故障内存，报出节流阀体故障，其具体控制流程，如图6所示。

图6 节流阀体破冰（DVEIB）系统检查冰是否破除阶段控制流程图

3.6 结束退出阶段

破冰过程停止，蝶阀受控角度值赋0，蝶阀作动不再使用受控的角度值，破冰过程完成。破冰功能结束退出有4种方式：1）破冰环境检查过程中，破冰条件不满足，直接退出破冰；2）判断是否有冰阶段中，蝶阀可以达到预设位置，直接退出破冰；3）破冰阶段中，蝶阀既能够达到较大的目标位置，也能够达到较小的目标位置，退出破冰；4）破冰阶段中，破冰次数达到预设的最大次数限值，不管结冰是否被破除，直接退出破冰。

4 DVEIB控制策略的验证

按文中所设计的控制逻辑写入到ECU底层数据中，为了验证控制策略的有效性，对ECU破冰功能进行测试。准备一个外接节流阀体，在环境仓模拟-30℃低温环境，在蝶阀上均匀喷水用来模拟不同程度的结冰情况。节流阀体连接到整车后，采集数据并分析破冰情况，并通过INCA软件采集数据。蝶阀结冰情况，如图7所示。

图7 -30℃低温环境蝶阀喷水结冰情况

厚冰情况下，环境检查通过并触发破冰功能，由于蝶阀被冻住卡死，经过3次破冰过程后检查发现结冰没有被清除，破冰失败，随即退出破冰模式，点亮故障灯。INCA软件采集厚冰情况破冰过程显示界面，如图8所示。薄冰情况下，环境检查通过并触发破冰功能，第1次破冰就清除了结冰，破冰成功，随后退出破冰功能。INCA软件采集薄冰情况破冰过程显示界面，如图9所示。

图8 INCA软件采集厚冰情况破冰过程显示界面

图9 INCA软件采集薄冰情况破冰过程显示界面

经过验证，破冰功能在低温环境下可以正常开启，破冰过程中蝶阀角度目标值可以按照预设值进行控制，在完成一定破冰次数后，破冰功能正常退出，符合策略设计要求。

5 结论

针对低温环境下发动机节流阀体结冰的特点，对蝶阀破冰功能进行分析，根据节流阀体系统控制原理，设计出DVEIB控制使能条件判断模块和控制算法模块，并在低温环境下进行实车验证，对测试结果进行分析，得出以下结论：

1）设计DVEIB控制使能条件判断模块和控制算法模块可以支持DVEIB系统正常工作；2）在低温环境下对DVEIB系统控制策略进行实车应用测试，能够按照既定目标完成破冰动作，所设计的控制策略有效，为发动机ECU控制策略的总体开发提供参考；3）考虑到DVEIB功能对节流阀体寿命等会造成负面影响，出于保护硬件的角度，对DVEIB破冰功能破冰能力做了一定限制，针对厚冰情况未能发挥清除结冰的作用。