朱曉峰

（泛亞汽車技術中心有限公司 上海 201201）

引言

隨著中國針對汽油車油耗要求的加嚴，各類發(fā)動機的節(jié)能技術越來越受到關注。在發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中傳統(tǒng)定排量機油泵的供油量隨轉速線性增加，在滿足熱怠速潤滑需求的同時中高轉速有較大浪費，為解決這一問題各類機油泵新技術成為發(fā)展熱點之一，其中連續(xù)可變排量機油泵應用最為廣泛。

1 發(fā)動機潤滑系統(tǒng)簡介

發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)要滿足發(fā)動機各摩擦副的潤滑冷卻及液壓驅(qū)動的需求。機油泵作為整個系統(tǒng)的核心部位，從油底殼吸取機油并加壓后通過油道向整個發(fā)動機每個摩擦部件提供潤滑油。如果其本身無法提供足夠的供油量和油壓，整個發(fā)動機將出現(xiàn)嚴重的磨損問題，此外VVT/VVL等液壓系統(tǒng)也會因為壓力不足而無法正常工作。反之如果供油量過高，則會導致耗油量的增加和浪費及壓力過高密封不足導致泄露等風險。目前機油泵根據(jù)工作原理分為定排量泵、兩段式變排量泵、連續(xù)可變排量泵、電機驅(qū)動機油泵。

2 連續(xù)可變排量葉片泵工作原理

為了提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，目前正在使用的可變排量機油泵是將泵所提供的機油壓力降至系統(tǒng)最低需求避免浪費。在這種情況下，泵排量會根據(jù)系統(tǒng)實際需求和工作條件進行主動實時調(diào)整。典型的葉片泵結構如圖1所示，這對于兩級和連續(xù)可變排量都是常見的結構。

圖1 連續(xù)可變排量機油泵

連續(xù)可變排量機油泵的排量與其偏心率成正比，偏心率是滑塊內(nèi)徑與轉子外徑之間的中心線距離。它也與輸入軸速度成正比。為了改變泵的排量，通過允許滑塊轉動改變泵的偏心率，從而改變泵的排量。通過選擇性地將來自發(fā)動機主油道的反饋機油壓力施加到滑座外部的油室，可以調(diào)整泵的偏心度，以產(chǎn)生足夠的輸出流量，以滿足發(fā)動機對所需壓力的機油流量需求。因此只需控制滑塊移動即可完全調(diào)節(jié)泵的輸出流量和壓力。兩級泵為滑塊的硬件屬性定義低和高2個等級壓力調(diào)節(jié)特性并通過電磁閥選擇。連續(xù)可變排量泵則是通過電磁閥對控制室油壓進行線性控制。泵內(nèi)部的彈簧力定義了可調(diào)節(jié)的最小和最大允許機油壓力。電磁閥不通電，調(diào)節(jié)彈簧處于行程最長狀態(tài)，此時泵工作在默認最大壓力輸出狀態(tài)。反之電磁閥電流到最大，將高壓側機油接入控制室壓縮彈簧到最短狀態(tài)，此時油泵工作在最小壓力輸出狀態(tài)。通過電磁閥控制彈簧行程在最長與最短之間線性滑動達到油泵排量連續(xù)可調(diào)，使輸出機油壓力在上限和下限之間的比例調(diào)節(jié)[1]。

整個過程是ECM根據(jù)系統(tǒng)需求壓力通過輸出PWM占空比控制電磁閥完成。本文重點探討如何控制電磁閥實現(xiàn)系統(tǒng)需求油壓。圖2為3種油泵工作壓力曲線，只有連續(xù)可變機油泵可以實現(xiàn)在發(fā)動機低轉速范圍內(nèi)，機油壓力快速上升，在中等轉速范圍內(nèi)保持中等的機油壓力，在高轉速階段機油壓力保持高壓。

圖2 各類機油泵工作壓力曲線

3 連續(xù)可變排量機油泵控制系統(tǒng)

圖3為連續(xù)可變機油泵子系統(tǒng)控制結構圖，整個子系統(tǒng)由連續(xù)可變排量機械泵，機油壓力傳感器，OCV電磁閥以及ECM控制器組成。

圖3 連續(xù)可變機油泵系統(tǒng)控制圖

ECM控制器作為整個控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)當前發(fā)動機實際運行狀態(tài)信息綜合決策系統(tǒng)需求壓力目標值，然后通過控制算法以及來自壓力傳感器的實際機油壓力反饋信號計算出能夠達到目標壓力的特定PWM占空比值輸出給OCV電磁閥。電磁閥被此信號驅(qū)動后滑移到指定滑閥位置，開啟主油道通往控制室的機油通道，控制室充入特定量機油改變了油泵彈簧行程進而改變壓力輸出，理論上此時機油泵所能提供的壓力正是此前系統(tǒng)需求目標壓力，由于加工、制造、裝配、磨損等綜合原因，實際油壓表現(xiàn)會和目標壓力有細微偏差，因此ECM需要根據(jù)實際壓力反饋信息進行閉環(huán)控制以保證系統(tǒng)時刻達到目標壓力值。

4 系統(tǒng)控制架構與算法實現(xiàn)

本控制方案針對連續(xù)可變機油泵控制系統(tǒng)關系，設計了控制模型和算法，并生成了控制代碼，在LABCAR系統(tǒng)上實現(xiàn)了功能的驗證測試[2]。設計方案的控制系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包含以下幾個子功能：執(zhí)行器控制使能判斷、系統(tǒng)需求油壓決策、系統(tǒng)開環(huán)控制、系統(tǒng)閉環(huán)控制、電磁閥輸出及線圈保護。

連續(xù)可變機油泵系統(tǒng)控制功能架構如圖4所示。

4.1 執(zhí)行器控制使能判斷功能

圖4 控制架構圖

執(zhí)行器控制使能判斷是基于當前發(fā)動機狀態(tài)信息判斷是否滿足執(zhí)行器控制條件，主要包含無影響發(fā)動機運行及潤滑系統(tǒng)工作的故障。如有與發(fā)動機轉速傳感器、發(fā)動機機油溫度傳感器、發(fā)動機機油壓力傳感器，以及油泵驅(qū)動OCV電磁閥相關的故障，系統(tǒng)將不進行主動控制，油泵工作在默認機械位置。此外系統(tǒng)還需要考慮發(fā)動機的轉速范圍、機油溫度、發(fā)動機運行時間、控制器系統(tǒng)電壓范圍等因素。

圖5為具體控制邏輯實現(xiàn)。當滿足啟動充油結束，發(fā)動機轉速達到一定速度之上，系統(tǒng)電壓與機油壓力在合理范圍之內(nèi)，沒有相關故障等條件都滿足后電磁閥則可以驅(qū)動。

圖5 執(zhí)行器控制使能判斷功能

4.2 系統(tǒng)需求油壓決策功能

系統(tǒng)需求油壓是控制目標。精確定義發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)用油需求是發(fā)動機設計階段主要工作之一，一旦發(fā)動機硬件設計完成，系統(tǒng)的機油壓力需求曲線也就應運而生。通常系統(tǒng)壓力需求主要由各個軸頸潤滑系統(tǒng)需求、正時鏈條潤滑需求、氣門液壓挺柱需求、VVT/VVL液壓驅(qū)動需求、活塞冷卻噴射系統(tǒng)需求，結合油路壓力損失得出在該轉速和油溫下主油道最低壓力需求曲線。需注意，各個子系統(tǒng)的需求可隨發(fā)動機工況的變化而變化。如VVT的需求主要體現(xiàn)在怠速附近，而活塞冷卻需求主要體現(xiàn)在中高轉速大負荷。此外即便在同一轉速下，由于發(fā)動機負荷增大導致系統(tǒng)冷卻需求也會不斷增大，因此壓力需求曲線也會隨著發(fā)動機的負荷增大進行適度增加。圖6為具體控制邏輯實現(xiàn)。

根據(jù)轉速和負荷查表得到目標油壓基礎值，然后根據(jù)油溫進行修正獲得最終目標油壓。最后經(jīng)過上下邊界限值保證目標壓力在合理范圍之內(nèi)。

圖6 系統(tǒng)需求油壓功能

4.3 系統(tǒng)開環(huán)控制功能

系統(tǒng)開環(huán)控制是基于當前發(fā)動機運行狀態(tài)信息，在沒有實際油壓信息反饋的前提下根據(jù)算法輸出能夠達到系統(tǒng)需求壓力的PWM占空比命令給電磁閥。

圖7 系統(tǒng)壓力與PWM占空比關系

通過分析圖7，在相同轉速和油溫的前提下，系統(tǒng)壓力和PWM占空比存在良好的反向線性關系，因此系統(tǒng)需求壓力與發(fā)動機轉速的關系表作為系統(tǒng)開環(huán)預控制的PWM占空比參數(shù)設定的基礎。此外機油溫度的不同，要達到相同的目標壓力所需的電磁閥PWM占空比也稍有不同，因此此值還需要通過機油溫度的適當修正以提高系統(tǒng)對機油溫度變化的適應性。此外由于電磁閥工作特性和系統(tǒng)電壓密切相關，因此最終輸出需要考慮不同電壓的修正。圖8為具體邏輯實現(xiàn)。

依據(jù)當前發(fā)動機轉速和目標油壓的需求查表獲得基礎的占空比輸出，然后通過分別經(jīng)過油溫和系統(tǒng)電壓修正作為最終的開環(huán)占空比輸出PWM。

4.4 系統(tǒng)閉環(huán)控制功能

系統(tǒng)閉環(huán)控制是通過目標油壓與實際油壓的差值進行閉環(huán)修正。修正的算法采用經(jīng)典的PI算法控制。通過發(fā)動機轉速負荷查表分別獲得Proportional比例項系數(shù)及Integral積分項系數(shù)。此外同一組PI控制參數(shù)很難同時在不同機油溫度情況都表現(xiàn)良好，因此機油溫度需要對閉環(huán)PI參數(shù)進行必要修正。

圖9為具體控制邏輯實現(xiàn)。

圖8 系統(tǒng)開環(huán)控制

圖9 系統(tǒng)閉環(huán)控制

4.5 電磁閥線圈保護及驅(qū)動輸出功能[3]

部分電磁閥由于設計原理及工作環(huán)境問題，如果長時間在大占空比狀態(tài)下工作，容易出現(xiàn)由于電流過大導致過溫過載產(chǎn)生閥零件損壞問題，因此通常電磁閥有相應的保護需求。以本文所用電磁閥為例，保護需求為工作PWM占空比超過70%（電磁閥硬件特性）并且連續(xù)超過3 600 s（電磁閥硬件特性）后，OCV電磁閥需要進入保護模式，將PWM降低到一定值持續(xù)一段時間進行降溫，然后恢復到正?？刂颇Ｊ剑瑥亩鴿M足閥的保護需求。如圖10所示為具體信號變化關系，圖11為具體保護控制邏輯實現(xiàn)控制模型。

圖10 電磁閥保護信號關系

圖11 電磁閥保護

最終向電磁閥輸出的占空比驅(qū)動信號是系統(tǒng)開環(huán)預控輸出加閉環(huán)修正最后通過電磁閥保護修正。

5 系統(tǒng)測試與驗證[4-5]

系統(tǒng)測試是將此部分功能集成到原ECM軟件后，借助測試平臺測試實際控制器的輸出是否達到預期效果。圖12為在系統(tǒng)閉環(huán)控制情況下的表現(xiàn)，目標油壓（紅色曲線）在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)都能很好地跟隨系統(tǒng)目標壓力（黑色曲線），全過程系統(tǒng)實際壓力都能滿足需求壓力。

圖12 系統(tǒng)閉環(huán)控制響應

6 結論

本文針對發(fā)動機潤滑系統(tǒng)，通過分析變排量葉片式機油泵工作原理，結合經(jīng)典的控制理論初步實現(xiàn)了其控制方案：

1）滿足發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的目標需求壓力為系統(tǒng)控制目標。

2）控制方法采用經(jīng)典的開環(huán)預控結合閉環(huán)反饋PI控制方法，開發(fā)了相關控制軟件，經(jīng)過實驗測試滿足需求。

3）下一步將進行面對產(chǎn)品化要求的控制策略完善，尤其在系統(tǒng)控制穩(wěn)定型、魯棒性、系統(tǒng)故障診斷方面還需要不斷完善。