張 力，江 亮，謝博強(qiáng)，王 孟，傅秋波，黃志敏

(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院車輛工程系，重慶 400044;2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400060)

前言

葉片式連續(xù)可變凸輪相位調(diào)節(jié)器(continuously variable cam phaser，CVCP)是可變配氣技術(shù)中實際應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)型式，國內(nèi)外多種汽車品牌的多款發(fā)動機(jī)均采用了該類結(jié)構(gòu)形式。CVCP的成功應(yīng)用主要面臨兩方面的問題，一是相位器的動態(tài)響應(yīng)速度，二是其相位保持能力［1］。

國外研究更多關(guān)注于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和建模方法的改進(jìn)以及相位調(diào)節(jié)控制策略的研究。文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］中分別通過Simulink建模和Simulink與Saber聯(lián)合仿真，對CVCP系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［4］中通過實驗測試，對相位系統(tǒng)的高階振動進(jìn)行了研究，提出了在仿真模型中反映高階振動的方法。文獻(xiàn)［5］中提出了一種新的CVCP結(jié)構(gòu)形式:中間鎖止式相位器，并對控制方法和優(yōu)越性進(jìn)行了細(xì)致的研究分析。

國內(nèi)對該類相位器的研究較少。文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］中通過Simulink建模和實驗測試對全可變氣門機(jī)構(gòu)的性能影響因素及設(shè)計方法進(jìn)行了較為深入的研究;文獻(xiàn)［8］中對CVCP系統(tǒng)性能測試裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

本文中針對現(xiàn)有相位器系統(tǒng)，完成了實驗測試平臺的搭建，并建立了基于AMESim的相位器系統(tǒng)仿真模型。結(jié)合測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對發(fā)動機(jī)運行參數(shù)的影響進(jìn)行了深入的討論，并在此基礎(chǔ)上，利用仿真模型對可變配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響進(jìn)行了研究，揭示了發(fā)動機(jī)運行參數(shù)和CVCP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對相位器動態(tài)響應(yīng)速度的影響機(jī)理和規(guī)律，為相位器響應(yīng)速度的提高提供了方向。

1 系統(tǒng)組成、測試裝置和系統(tǒng)建模

1.1 D20發(fā)動機(jī)可變配氣系統(tǒng)組成

D20發(fā)動機(jī)采用雙頂置直接驅(qū)動式配氣機(jī)構(gòu)，只在進(jìn)氣凸輪軸上安裝了CVCP系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、對原機(jī)改動較小的特點，應(yīng)用廣泛，主要由機(jī)油控制閥、進(jìn)氣CVCP、供油油路和凸輪軸位置傳感器與曲軸位置傳感器組成。圖1為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

1.2 CVCP動態(tài)響應(yīng)測試裝置

圖2為測試裝置示意圖，主要由供油系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。供油系統(tǒng)可對供油壓力和溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，機(jī)油壓力調(diào)節(jié)范圍為0.11～0.45MPa，溫度可在40～120℃之間調(diào)節(jié);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由變頻器和變頻電機(jī)組成;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由凸輪軸位置傳感器、角標(biāo)儀和數(shù)據(jù)采集儀組成，可測得對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的相位，主要設(shè)備見表1。

表1 實驗裝置主要設(shè)備

1.3 基于AMESim的系統(tǒng)建模

葉片式進(jìn)氣CVCP系統(tǒng)是機(jī)電液一體的非線性系統(tǒng)，其動態(tài)響應(yīng)受發(fā)動機(jī)運行參數(shù)和系統(tǒng)主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響較大。因此，所建模型不僅能對相位器和機(jī)油控制閥進(jìn)行仿真，而且能反映潤滑油的黏溫特性、系統(tǒng)泄漏和相位器附加轉(zhuǎn)矩的變化。圖3為基于AMESim的數(shù)值計算模型，主要由機(jī)油性能、供油系統(tǒng)、機(jī)油控制閥、CVCP和凸輪軸與氣門機(jī)構(gòu)5個主要模塊組成。其中機(jī)油性能模塊可以反映機(jī)油黏度、密度和體積模量等參數(shù)隨溫度和壓力的變化;凸輪軸與氣門機(jī)構(gòu)模塊可較為準(zhǔn)確地模擬相位器的實際負(fù)載隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

為了能對這些參數(shù)進(jìn)行獨立研究和探討，系統(tǒng)建模和實驗臺架的搭建均采用獨立的潤滑油供給系統(tǒng)，可方便地對供油壓力、溫度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行獨立的控制。

2 發(fā)動機(jī)運行參數(shù)的影響

CVCP動態(tài)響應(yīng)特性是指發(fā)動機(jī)在各種工況下，進(jìn)氣相位實際變化與目標(biāo)變化速度的差異。這一特性不僅受到系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的影響，還與發(fā)動機(jī)運行參數(shù)有關(guān)。本文中按相位向提前方向調(diào)節(jié)(0→30°CA)和相位向滯后方向調(diào)節(jié)(30→0°CA)兩種工況，對各參數(shù)的影響機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行了細(xì)致的分析。

2.1 供油壓力和溫度的影響

供油壓力和溫度對相位器響應(yīng)速度的影響顯著，如圖4所示。

油壓的影響主要體現(xiàn)在其對相位器輸出轉(zhuǎn)矩的影響。提高供油壓力，相位器輸出轉(zhuǎn)矩增加，則相位調(diào)節(jié)速度也相應(yīng)增加。發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速階段油壓較低，是影響相位器響應(yīng)速度的主要因素。因此，通過合理布置相位器供油油道或采用專用供油油道提高低速階段供油壓力是提高低轉(zhuǎn)速階段相位器響應(yīng)速度的基本途徑。

由圖4可見:相位提前調(diào)節(jié)時，40～80℃范圍內(nèi)，溫度增加，響應(yīng)速度隨之增加，當(dāng)溫度大于80℃以后，響應(yīng)速度變化很小;相位滯后調(diào)節(jié)時，測試溫度范圍內(nèi)，相位調(diào)節(jié)速度隨溫度的升高而增加，溫度大于80℃以后增加速度變緩。

溫度主要通過影響機(jī)油黏度、供油阻力、系統(tǒng)各處泄漏和相位器轉(zhuǎn)動黏性阻尼來影響相位調(diào)節(jié)速度，且當(dāng)溫度增大到一定程度后，黏度的變化很小。由于相位提前調(diào)節(jié)較之滯后調(diào)節(jié)要困難，高溫時相位器內(nèi)泄漏增加，從而導(dǎo)致溫度對提前調(diào)節(jié)速度的影響在80℃之后趨于平穩(wěn)，且有輕微的下降趨勢。

2.2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

轉(zhuǎn)速對相位器響應(yīng)特性的影響主要基于轉(zhuǎn)速變化對相位器附加轉(zhuǎn)矩的影響。轉(zhuǎn)速增加，相位器附加轉(zhuǎn)矩的變化頻率增加，轉(zhuǎn)矩幅值也稍有增加，該轉(zhuǎn)矩是進(jìn)行相位器結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。相位器在某一固定機(jī)油壓力作用下的輸出轉(zhuǎn)矩T應(yīng)滿足:

式中:TL為凸輪軸所受轉(zhuǎn)矩，N·m;ω為相位器目標(biāo)角速度，rad/s;I是相位器轉(zhuǎn)子及凸輪軸轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。若TL為定值，則相位器的輸出轉(zhuǎn)矩只要滿足略大于式(1)所得轉(zhuǎn)矩即可［9］。

但對于負(fù)載為交變轉(zhuǎn)矩，且作用頻率隨轉(zhuǎn)速變化的情況，轉(zhuǎn)矩TL的選取則與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。圖5為相位器在0.1和0.3MPa兩種油壓作用下，相位提前調(diào)節(jié)響應(yīng)特性受轉(zhuǎn)速變化的影響。該相位器在0.1MPa供油壓力作用下，其輸出轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩幅值。由圖可見:供油壓力為 0.1MPa、轉(zhuǎn)速為50r/min工況(起動過程)，相位調(diào)節(jié)過程不穩(wěn)定，實際相位受負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動的影響顯著;隨著轉(zhuǎn)速的增加，波動幅度降低，響應(yīng)速度也相應(yīng)增加，轉(zhuǎn)速為800r/min時，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn);當(dāng)壓力為0.3MPa時，50r/min和200r/min工況調(diào)節(jié)過程較之0.1MPa時波動大為減小，且各轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)時間也相差不大。

圖6為機(jī)油壓力=0.3MPa時，實驗測試所得較高轉(zhuǎn)速階段相位調(diào)節(jié)速度隨轉(zhuǎn)速的變化情況。由圖可見:高速階段調(diào)節(jié)速度隨轉(zhuǎn)速的變化很小，轉(zhuǎn)速大于3 000r/min以上時，調(diào)節(jié)速度基本不變?？梢?，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增大到一定值以后，可以認(rèn)為相位器只是響應(yīng)負(fù)載交變轉(zhuǎn)矩的平均值。因此，應(yīng)以相位器負(fù)載轉(zhuǎn)矩的平均值作為TL來計算相位器所需輸出轉(zhuǎn)矩T，并綜合考慮系統(tǒng)泄漏、黏性阻力對實際供油壓力的影響、摩擦對相位器實際負(fù)載的影響、相位器調(diào)節(jié)速度要求和布置空間的限制等因素，合理設(shè)計相位器尺寸。

3 CVCP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括供油油路、機(jī)油控制閥(oil control valve，OCV)和相位器等部件的結(jié)構(gòu)尺寸。在供油壓力一定的情況下，油路的尺寸與布置和OCV的出口流量特性影響供給到相位器的實際油壓和相位器的回油背壓，而相位器本身的結(jié)構(gòu)尺寸更決定著相位器的輸出轉(zhuǎn)矩和理論排量。

3.1 OCV流量特性和系統(tǒng)油路的影響

OCV是整個相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，ECU通過輸出PWM信號控制OCV進(jìn)而控制相位器的動作。相位器進(jìn)行提前、滯后調(diào)節(jié)時，OCV工作在A或B出口最大開度位置，因此OCV流量特性對相位器響應(yīng)速度的影響主要指其各出口開度最大時的流量。在AMESim模型中，OCV和供油油路都是液阻原件，圖7為模型中OCV出口結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。

圖中:x為閥口開度;ds、dr為閥芯和閥桿直徑;rc為圓角半徑;dc/2為閥桿與閥體之間的間隙。OCV出口的流通截面積A和流量Q的計算公式為

式中:Cq為流量系數(shù);ρ為機(jī)油密度;Δp為OCV供油口和出油口壓差;ρ(0)為壓力為0時的機(jī)油密度。由式(3)可知，OCV出口結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，出口開度越大，則供油流量越大。

圖8為溫度 70℃，供油壓力 0.3MPa，轉(zhuǎn)速2 000r/min工況，相位向提前方向調(diào)節(jié)，OCV閥A、B口不同開度時，相位器回油背壓(滯后腔油壓)、提前與滯后油腔壓差和最大角度調(diào)節(jié)響應(yīng)時間。比較1、2和3、4兩組數(shù)據(jù)可以看出，OCV回油口B開度一定時，隨著進(jìn)油口開度增加，回油背壓增加，但相位器提前、滯后腔壓差也增加，故相位調(diào)節(jié)響應(yīng)速度增加;比較1、3和2、4兩組數(shù)據(jù)可以看出，供油口A開度一定時，隨著回油口B開度增加，回油背壓降低，提前、滯后腔壓差增加，相位器響應(yīng)時間相應(yīng)減少;分別將第2、3兩組數(shù)據(jù)與1組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，提前方向調(diào)節(jié)，增加進(jìn)油口開度比增加出油口開度對響應(yīng)速度的提高效果更明顯。此外，OCV出口開度對響應(yīng)速度的提高還受到機(jī)油溫度和壓力的雙重影響。

圖9為系統(tǒng)安裝3種不同型號OCV的測試結(jié)果，表2為各型號OCV的流量特性，其中0號為原機(jī)OCV閥。由圖可見:系統(tǒng)安裝1、2號OCV時，響應(yīng)速度較之安裝原OCV時都有提高，且提高效果受機(jī)油壓力和溫度的影響，尤以低壓、低溫時效果最為明顯;A口(提前方向)流量增加對響應(yīng)速度的提高受油壓的影響明顯，而B口幾乎不隨油壓變化。油道的影響與OCV相似，其流量方程與式(3)相同，只是在流通截面積A的計算上稍有差別，鑒于OCV的出口都是通過相應(yīng)油道與相位器相連，這里對OCV的討論同樣適用于油道。

表2 不同型號OCV出口最大流量

3.2 CVCP結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

相位器的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括定子半徑R、轉(zhuǎn)子半徑r、葉片高度h和葉片數(shù)N(本系統(tǒng)N=4)。相位器排量V由這些參數(shù)計算而得，并影響相位器輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而影響相位調(diào)節(jié)速度。它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系［9］為

式中:pt和pz分別為提前腔和滯后腔油壓;ηm為相位器機(jī)械效率，一般取0.8～0.95。本系統(tǒng)相位器h=2.2cm，R=3.75cm，r=2.05cm，V=272mL/r。受相位器布置空間的限制，R和r不易改變，h則可在一定范圍內(nèi)變化。因此，可通過變化h值來改變相位器理論排量。表3為不同葉片高度對應(yīng)的理論排量，圖10為供油壓力0.3MPa，溫度70℃，轉(zhuǎn)速2 000r/min工況下，不同排量相位器的響應(yīng)曲線:相位器排量從2 48到297mL/r變化時，響應(yīng)時間逐漸減少，而進(jìn)一步增大理論排量，響應(yīng)速度反而降低，但總體來說，差別甚微。圖11為不同排量相位器輸出轉(zhuǎn)矩的波動。由圖可見，隨著相位器理論排量的增加，輸出轉(zhuǎn)矩的波動幅度逐漸加大。圖12為響應(yīng)時間和輸出轉(zhuǎn)矩平均值隨葉片高度的變化關(guān)系。由圖可見，相位器響應(yīng)速度的變化實際上是與其輸出轉(zhuǎn)矩的平均值對應(yīng)的。

表3 相位器不同葉片高度時的理論排量

這是因為，在現(xiàn)有供油條件下，相位器排量增加，相位器轉(zhuǎn)動相同角度所需的機(jī)油流量也會增加，由前文關(guān)于OCV和油路的討論可知，相位器的實際供油壓力將降低，而回油背壓則會增加，導(dǎo)致相位器有效供油壓力降低。當(dāng)排量大到一定程度時，受到供油流量的限制和實際供油壓力的降低影響，排量增加產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩增量被抵消，實際輸出轉(zhuǎn)矩反而降低，導(dǎo)致大排量時響應(yīng)速度下降。也就是說，要想提高現(xiàn)有相位器系統(tǒng)的響應(yīng)速度，必須對供油系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，即在特定的供油系統(tǒng)情況下，存在一個最佳的相位器排量，供油系統(tǒng)和相位器必須合理匹配，才能發(fā)揮各自的最大效用。

4 結(jié)論

(1)機(jī)油壓力和溫度對相位器響應(yīng)速度的影響顯著，通過OCV閥各出口參數(shù)的合理設(shè)計可提高相位器實際供油壓力，對調(diào)節(jié)速度的改進(jìn)效果明顯。

(2)相位器負(fù)載的變化主要基于轉(zhuǎn)速的影響，在相位器實際工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可以認(rèn)為相位器實際負(fù)載就是作用轉(zhuǎn)矩的平均值，這也是相位器設(shè)計時的目標(biāo)載荷。

(3)OCV和油道通過影響相位器的供油壓力和回油背壓影響相位器有效供油壓力，OCV各出口流量特性應(yīng)盡量一致才能發(fā)揮增加出口最大開度對提高響應(yīng)速度的效果。

(4)由于受現(xiàn)有供油流量的限制，相位器排量的增加對提高響應(yīng)速度的整體影響不大。

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