沙賓賓，李鑫，周維，王慧穎，薛向陽(yáng)

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一種電動(dòng)VVT的設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用

沙賓賓，李鑫，周維，王慧穎，薛向陽(yáng)

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成綜合技術(shù)處，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可變正時(shí)系統(tǒng)，文章介紹了一種電動(dòng)VVT的機(jī)構(gòu)及控制原理，以及針對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用過程中電動(dòng)VVT在整機(jī)狀態(tài)下控制穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)果。

發(fā)動(dòng)機(jī)；電動(dòng)VVT；控制穩(wěn)定性

前言

電動(dòng)VVT為電機(jī)驅(qū)動(dòng)型智能可變氣門正時(shí)系統(tǒng)。傳統(tǒng)液壓VVT在低溫或低轉(zhuǎn)速時(shí)由于低油壓和潤(rùn)滑不良而不工作, 所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)型VVT與液壓形式的VVT系統(tǒng)相比，由電機(jī)控制的VVT響應(yīng)速度更快、控制更精確，而且可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)使可變氣門正時(shí)系統(tǒng)的工作范圍擴(kuò)大了。電動(dòng)VVT可以在更大的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及更低的冷卻液溫度范圍下改變進(jìn)排氣門正時(shí)，提高進(jìn)排氣效率，從而改善怠速穩(wěn)定性和低速平穩(wěn)性、提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩、降低部分負(fù)荷燃油消耗率和改善廢氣排放。

1 電動(dòng)VVT布置及特點(diǎn)

本發(fā)動(dòng)機(jī)是采用的電動(dòng)VVT來自國(guó)內(nèi)某大型VVT供應(yīng)商，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有：相位器采用單級(jí)偏心減速機(jī)構(gòu)，可大大降低產(chǎn)品軸向尺寸；電機(jī)及電動(dòng)VVT控制器集成設(shè)計(jì)，采用高耐溫材料，-35℃~140℃下均可使用。如圖1電動(dòng)VVT示意圖、圖2電動(dòng)VVT的軸向布置所示：

圖2 電動(dòng)VVT的軸向布置

相比傳統(tǒng)的液壓VVT，采用電動(dòng)VVT后拓展更寬的溫度轉(zhuǎn)速應(yīng)用范圍，如圖3 溫度轉(zhuǎn)速應(yīng)用對(duì)比圖。

從圖3中可以看出：A點(diǎn)支持低轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，相位可根據(jù)不用溫度條件進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，降低該階段的油耗和排放；B點(diǎn)支持低溫起動(dòng)調(diào)節(jié)，起動(dòng)時(shí)相位處在最大滯后位置，降低壓縮比，減小起動(dòng)階段起動(dòng)電機(jī)負(fù)荷，改善起動(dòng)時(shí)NVH性能，起動(dòng)后，相位調(diào)節(jié)，提高暖機(jī)速度，提高排溫，是催化器快速達(dá)到起燃溫度；C點(diǎn)支持低溫調(diào)節(jié)，在水溫較低的發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，相位可調(diào)節(jié)，不同轉(zhuǎn)速下均可創(chuàng)造缸內(nèi)更合適的著火條件，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和油耗。

2 電動(dòng)VVT系統(tǒng)組成及控制

電動(dòng)VVT相當(dāng)于一個(gè)NN型行星齒輪減速器，結(jié)構(gòu)和原理如圖四 電動(dòng)VVT結(jié)構(gòu)圖，圖5電動(dòng)VVT工作原理簡(jiǎn)圖所示。

圖4 電動(dòng)VVT結(jié)構(gòu)圖

工作原理：VVT工作狀態(tài)由電機(jī)與1/2曲軸轉(zhuǎn)速差△n控制，△n＞0前調(diào)，△n＜0后調(diào)，△n＝0維持。

電動(dòng)VVT的系統(tǒng)構(gòu)成及邏輯控制方法如下，如圖6電動(dòng)VVT控制系統(tǒng)所示：

①相當(dāng)于傳統(tǒng)液壓傳動(dòng)式VVT的控制方式，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU輸出PWM信號(hào)，控制VVT前后調(diào)節(jié)也達(dá)到目標(biāo)相位；

②PWM直接輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號(hào)，開發(fā)初期直接標(biāo)定PWM信號(hào)與VVT角度的曲線；

③通過CAN總線通信，發(fā)送和接受目標(biāo)相位角和實(shí)際相位角。

圖6 電動(dòng)VVT控制系統(tǒng)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

電動(dòng)VVT在某款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行搭載裝機(jī)后，進(jìn)行了如下試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 調(diào)節(jié)速度測(cè)試

通過調(diào)節(jié)速度測(cè)試的確認(rèn)該電動(dòng)VVT在本發(fā)動(dòng)機(jī)上能夠滿足使用中響應(yīng)性要求。詳見圖7 調(diào)節(jié)速度測(cè)試結(jié)果。

圖7 調(diào)節(jié)速度測(cè)試結(jié)果

3.2 單體噪聲測(cè)試

通過測(cè)試對(duì)比，電動(dòng)VVT在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于1000rpm時(shí)，噪聲水平較傳統(tǒng)液壓VVT高；在大于1000rpm時(shí)，噪聲水平與傳統(tǒng)液壓VVT相當(dāng)。詳見圖8 噪聲測(cè)試結(jié)果。

圖8 噪聲測(cè)試結(jié)果

3.3 臺(tái)架穩(wěn)定性測(cè)試

通過臺(tái)架穩(wěn)定性測(cè)試，在測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)相位下控制穩(wěn)定維持在±1°CA范圍內(nèi)，20°CA相位階躍過程中，控制穩(wěn)定性＜3°CA，詳見圖九不同轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果；發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速變化，相位波動(dòng)＜2°CA，詳見圖10 不同負(fù)荷相位波動(dòng)。

圖9 不同轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果

3.4 電動(dòng)VVT功耗測(cè)試

為測(cè)得在整車不同工況下的電機(jī)平均功率消耗，本測(cè)試通過電流電壓采集計(jì)算電動(dòng)VVT系統(tǒng)瞬時(shí)耗電功率，積分平均得到測(cè)試時(shí)間內(nèi)的平均功率。測(cè)試原理如圖11 電動(dòng)VVT能耗評(píng)估，測(cè)試工況及結(jié)果如表1 實(shí)測(cè)實(shí)車功耗。

表1 實(shí)測(cè)實(shí)車功耗

4 結(jié)論

可變正時(shí)機(jī)構(gòu)可有效的改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，減少有害氣體排放，但是傳統(tǒng)的液壓VVT受機(jī)油溫度和壓力影響，在低轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初期不能介入工作。本文通過對(duì)電動(dòng)VVT的結(jié)構(gòu)和原理、測(cè)試結(jié)果等，說明電動(dòng)VVT在乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用可起到較好的效果。后續(xù)會(huì)陸續(xù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體排放的整車實(shí)測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性及整車可靠性的驗(yàn)證。以上是電動(dòng)VVT在某款發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，可有效的改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，減少有害氣體排放。

[1] 周龍保,等.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 馮仁華,發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)[D]:[碩士學(xué)位論文].湖南:湖南大學(xué)動(dòng)力工程與機(jī)械學(xué)院,2009.

[3] 盧莉.車用發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)可變配氣定時(shí)的研究[D]: [碩士論文].山東:山東大學(xué)車輛工程學(xué)院,2008.

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A design, development and application of electric VVT

Sha Binbin, Li Xin, Zhou Wei, Wang Huiying, Xue Xiangyang

( Brilliance Auto R＆D Center Power Train General Technique Section, Liaoning Shenyang 110141 )

This paper introduces the mechanism and control principle of an electric VVT and the test results of the control stability of an electric VVT under the condition of the whole machine during the design and development of an electric VVT.

Engine;Electric VVT;Control stability

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1671-7988(2019)03-146-03

U462

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1671-7988(2019)03-146-03

U462

沙賓賓，就職于華晨汽車工程研究院，工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)應(yīng)用工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.048