石秀勇 黃天培
摘 要:采用臺(tái)架試驗(yàn)的方法,研究了發(fā)動(dòng)機(jī)中心螺栓式VCT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性,得到了運(yùn)行參數(shù)、控制參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性的規(guī)律。結(jié)果表明,調(diào)整各影響參數(shù)時(shí),不能同時(shí)兼得中心螺栓式VCT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了某一區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)VCT的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,對(duì)其進(jìn)行了原因分析并提出優(yōu)化方案,穩(wěn)定性從±4°CA優(yōu)化至±1°CA。
關(guān)鍵詞:相位器;動(dòng)態(tài)響應(yīng);穩(wěn)定性;臺(tái)架試驗(yàn)
1 引言
可變凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)(VCT)能使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下滿(mǎn)足動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放要求[1]。中心螺栓式VCT,屬于葉片式可變凸輪軸相位機(jī)構(gòu)。它使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊;縮短相位器與油路控制閥體的距離,使得響應(yīng)更快更穩(wěn)定;降低機(jī)油壓力驅(qū)動(dòng),減少發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)油泵做功,提高燃油經(jīng)濟(jì)性,減少排放。越來(lái)越多的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始漸漸使用這種結(jié)構(gòu)的VCT。
20世紀(jì)80年代前,可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)制存在造成本高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不佳和控制相位器轉(zhuǎn)動(dòng)角度小等問(wèn)題[2],直到20世界90年代后,這些問(wèn)題逐步得到改善,開(kāi)始取得了較多進(jìn)步和發(fā)展[3]。均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)要利用VCT來(lái)調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)可燃混合氣與廢氣的含量[4];米勒循環(huán)與阿特金森循環(huán)也是靠VCT調(diào)整進(jìn)排氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)間實(shí)現(xiàn)[5];對(duì)增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī),在低轉(zhuǎn)速下通過(guò)增大氣門(mén)重疊角來(lái)掃氣,減小渦輪遲滯,提高扭矩響應(yīng)[6]。
目前,對(duì)VCT的研究多數(shù)在動(dòng)態(tài)響應(yīng),對(duì)穩(wěn)定性的研究比較少。本文將通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn),并采用閉環(huán)控制的方法研究中心螺栓式VCT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性,為相位器的設(shè)計(jì)與使用提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。
2 中心螺栓式VCT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)
動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性是VCT的兩個(gè)重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]。動(dòng)態(tài)響應(yīng)直接影響了相位器在作動(dòng)時(shí)的死區(qū)時(shí)間(Dead Time)和執(zhí)行速率;穩(wěn)定性則體現(xiàn)了VCT的控制準(zhǔn)確度。
對(duì)VCT的執(zhí)行速率要求一般在100°CA/s 以上就算合格[8];對(duì)穩(wěn)定性沒(méi)有特別規(guī)定,工作時(shí)一般在±2°CA內(nèi)能接受。
動(dòng)態(tài)響應(yīng)以執(zhí)行速率與死區(qū)時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)。相位器的執(zhí)行速率是指,從某一角度到另一角度的速度,等于角度的絕對(duì)值除以執(zhí)行時(shí)間,單位:°CA/s。死區(qū)時(shí)間是指,從控制器發(fā)出指令到相位器開(kāi)始作動(dòng),所經(jīng)歷的時(shí)間。
穩(wěn)定性S是描述在相位器在某一角度上的波動(dòng)情況,數(shù)值等于波動(dòng)的最大值與最小值的絕對(duì)值除以2。
3 VCT試驗(yàn)的臺(tái)架設(shè)備
試驗(yàn)采用倒拖臺(tái)架,動(dòng)力由電機(jī)發(fā)出并傳遞到正時(shí)鏈條,鏈條帶動(dòng)相位器旋轉(zhuǎn),相位器的內(nèi)轉(zhuǎn)子與凸輪軸相連。發(fā)動(dòng)機(jī)只保留缸蓋以上部分,提供的機(jī)油由外部伺服供給,中心螺栓式VCT測(cè)試系統(tǒng)。
控制軟件由Labview軟件搭配N(xiāo)I(National Instrument)板卡組成。Labview軟件編輯的控制界面,用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,機(jī)油供給壓力及溫度設(shè)定。實(shí)時(shí)測(cè)得相位器電磁閥電流電壓值、閥芯位移量等。CANape則通過(guò)CAN總線(xiàn)連接ECU,用于標(biāo)定曲軸轉(zhuǎn)角與相位器的相對(duì)位置,控制中心螺栓式VCT的角度,設(shè)定PWM控制頻率等。
4 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與分析
采用閉環(huán)控制,在研究各參數(shù)對(duì)VCT的影響時(shí),固化各PID的設(shè)定值。以排氣相位器為研究對(duì)象,總行程50°CA,閉環(huán)控制相位器在10°CA到40°CA之間來(lái)回作動(dòng),每個(gè)采數(shù)點(diǎn)取5個(gè)循環(huán)的平均值。
4.1 運(yùn)行參數(shù)試驗(yàn)
(1)機(jī)油溫度對(duì)VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗(yàn)。
試驗(yàn)條件:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選取常用的700r/min、1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min和5000r/min;回位彈簧2.6Nm,PWM控制頻率設(shè)定110Hz時(shí),選取機(jī)油溫度40℃,90℃和120℃進(jìn)行比較。
經(jīng)過(guò)試驗(yàn),得到40℃、90℃和120℃機(jī)油溫度下,各轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的執(zhí)行速率圖:
機(jī)油溫度40℃時(shí),相位器的執(zhí)行速率往提前與滯后方向是最小的,而120℃機(jī)油溫度時(shí)相位器的執(zhí)行速率最快。90℃機(jī)油溫度下相位器的執(zhí)行速率介于40℃與120℃油溫之間。各個(gè)溫度下,隨著機(jī)油壓力的增加,相位器的執(zhí)行速率有逐漸增加的趨勢(shì)。
相位器在往提前與滯后方向作動(dòng)時(shí),40℃時(shí)的死區(qū)時(shí)間最久,其次90℃,120℃的死區(qū)時(shí)間最短。
相位器在往提前與滯后方向作動(dòng)時(shí),40℃油溫時(shí)的穩(wěn)定性最好,120℃油溫時(shí)的穩(wěn)定性最差,90℃介于兩者之間。
主要由于機(jī)油溫度在40℃時(shí),動(dòng)力粘度較大,流動(dòng)性較差,相位器的提前與滯后腔建立起壓力的時(shí)間較長(zhǎng),所以執(zhí)行速率較慢;同時(shí)受到機(jī)油從油底殼到中心閥體螺栓的時(shí)間較慢,與機(jī)油從提前腔到滯后腔之間的流通變慢的雙重影響,死區(qū)時(shí)間增加。又因?yàn)榈蜏卣扯却蟮年P(guān)系,油分子之間產(chǎn)生的阻力大,能夠抵抗來(lái)自凸輪軸扭矩波動(dòng)的能力也相應(yīng)增強(qiáng),所以相位器在低溫時(shí)能夠保持較好的穩(wěn)定性。在高溫時(shí),則相反。
可知:機(jī)油溫度越高,執(zhí)行速率越高,死區(qū)時(shí)間越短,穩(wěn)定性越差;相反,機(jī)油溫度越低,執(zhí)行速率越低,死區(qū)時(shí)間越長(zhǎng),穩(wěn)定性越好。
(2)機(jī)油壓力對(duì)VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗(yàn)。
試驗(yàn)條件:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在2000r/min,機(jī)油溫度40℃,回位彈簧2.6Nm,PWM控制頻率設(shè)定110Hz時(shí),比較主油道壓力0.5bar,1bar,2bar,3bar,4bar,5bar下的影響。
機(jī)油壓力從0.5bar至5bar之間,相位器往提前與滯后方向的執(zhí)行速率逐漸增大,死區(qū)時(shí)間也隨之縮短。當(dāng)機(jī)油壓力從0.5bar到4bar之間時(shí),穩(wěn)定性逐漸變好,但當(dāng)油壓超過(guò)4bar之后,穩(wěn)定性突然變差。
主要由于機(jī)油壓力增加,推動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子的油壓增加,使相位器的執(zhí)行速率提高;提前與滯后腔內(nèi)的油壓能快速建立起來(lái),使死區(qū)時(shí)間縮短,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變好。當(dāng)機(jī)油過(guò)大,超過(guò)了PID的可控范圍時(shí),相位器的穩(wěn)定性會(huì)變差。
可知:機(jī)油壓力越大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)越好。穩(wěn)定性隨著機(jī)油壓力的增加而變好,但當(dāng)油壓過(guò)大時(shí),穩(wěn)定性變差。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí),由于機(jī)油泵供給的壓力較低,相位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性較差,這是VCT在使用過(guò)程中遇到的普遍問(wèn)題。
(3)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗(yàn)。
試驗(yàn)條件:主油道壓力3bar,機(jī)油溫度90℃,回位彈簧2.6Nm,PWM控制頻率設(shè)定110Hz時(shí),比較發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速700r/min,1000r/min,2000r/min,3000r/min,4000r/min,5000r/min下的影響。
動(dòng)態(tài)響應(yīng)上,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)執(zhí)行速率影響不大;隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,死區(qū)時(shí)間逐漸變短。穩(wěn)定性上,怠速700r/min與高速5000r/min的抖動(dòng)比較大,穩(wěn)定性差。
將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min提升至5000r/min,相位器通過(guò)閉環(huán)控制保持在30°CA,機(jī)油壓力恒定3bar,觀察相位器的抖動(dòng)量。
可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3100r/min至3500r/min之間相位器出現(xiàn)異常劇烈地抖動(dòng),抖動(dòng)量已經(jīng)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速與高速時(shí)的抖動(dòng)量,其中3300r/min時(shí)相位器的抖動(dòng)量達(dá)到峰值,穩(wěn)定性急劇下降。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從3500r/min繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速時(shí),穩(wěn)定性又再次變好。
4.2 控制參數(shù)試驗(yàn)
PWM控制頻率對(duì)VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗(yàn)。
試驗(yàn)條件:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選取常用的700r/min、1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min和5000r/min,機(jī)油溫度90℃,回位彈簧2.6Nm,比較PWM控制頻率在50Hz,110Hz和170Hz下的影響。
可知:PWM值越大,執(zhí)行速率越低,死區(qū)時(shí)間越短穩(wěn)定性越好;PWM值越小,執(zhí)行速率越高,死區(qū)時(shí)間越長(zhǎng),穩(wěn)定性越差。
為了進(jìn)一步解釋?zhuān)赩CT上安裝位移傳感器,目的是監(jiān)控閥芯的運(yùn)動(dòng)情況,并且通過(guò)Labview設(shè)備采集控制電磁閥的電流,中心閥體的位移和相位器作動(dòng)的關(guān)系。取2000r/min這個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)為研究對(duì)象,機(jī)油溫度90℃,主油道壓力3bar,回位彈簧2.6Nm。
當(dāng)PWM控制頻率在50Hz時(shí),電磁閥的閉環(huán)控制響應(yīng)較慢??刂芕FS的電流波動(dòng)幅值較大,直接引起中心閥體的位移量過(guò)大,最終使相位器的抖動(dòng)增大,穩(wěn)定性變差。因?yàn)榭刂祁l率低的原因,中心閥體與殼體的摩擦頻率也低,從某一位置到另一位置也更加順暢,所以執(zhí)行速率高。又因?yàn)轭l率低,從ECU發(fā)出指令到電磁閥接收指令開(kāi)始作動(dòng)的時(shí)間久,所以死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)。
當(dāng)PWM控制頻率在110Hz時(shí),控制VFS的電流幅值明顯減小,中心閥體的位移能夠隨著電流大小,更有規(guī)律的移動(dòng),改善相位器的穩(wěn)定性。又因?yàn)轭l率增加的緣故,中心閥體與殼體間的摩擦頻率增加,使閥芯的移動(dòng)速度降低,導(dǎo)致相位器執(zhí)行速率減小。頻率增加使控制周期減小,死區(qū)時(shí)間減少。
當(dāng)PWM繼續(xù)增加到170Hz時(shí),電流的幅值波動(dòng)更小了,中心閥體的控制精度更高,相位器的穩(wěn)定性也繼續(xù)提升,死區(qū)時(shí)間更短,但由于閥芯與閥體的摩擦頻率增加,導(dǎo)致閥芯移動(dòng)緩慢,執(zhí)行速率下降。
4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)
回位彈簧對(duì)VCT動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定特性影響的試驗(yàn)。
試驗(yàn)條件:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選取常用的700r/min、1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min和5000r/min,機(jī)油溫度90℃,PWM控制頻率110Hz,比較回位彈簧1.6Nm,2.6Nm和3.9Nm的影響。
回位彈簧扭矩越大,相位器往提前方向執(zhí)行速率越大,往滯后方向執(zhí)行速率越小;反之,回位彈簧扭矩越小,相位器往提前方向執(zhí)行速率越小,往滯后方向執(zhí)行速率越大。對(duì)死區(qū)時(shí)間與穩(wěn)定性沒(méi)有影響。
這是因?yàn)椋匚粡椈傻淖饔檬墙o相位器一個(gè)提前方向的扭矩,用于抵消凸輪軸摩擦力矩,平衡相位器的提前與滯后速率。并且在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后再次啟動(dòng)時(shí),輔助相位器都能回到各自的鎖止位置。
5 優(yōu)化
5.1 原因分析
中心螺栓式VCT在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3100r/min至3500r/min之間抖動(dòng)異常劇烈,3300r/min時(shí)相位器抖動(dòng)量達(dá)到峰值。為該款4缸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在3300r/min下,將相位器使用閉環(huán)控制到30°CA時(shí),機(jī)油溫度90℃,機(jī)油壓力3bar,PWM控制頻率設(shè)為110Hz??梢园l(fā)現(xiàn)相位器的穩(wěn)定性在±4°CA。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3300r/min時(shí),根據(jù)凸輪軸扭矩頻率公式得到此時(shí)的凸輪軸扭矩頻率為110Hz。
當(dāng)使用閉環(huán)控制將相位器保持在某一角度時(shí),中心閥體受電磁閥控制會(huì)在中間位置。由于受到凸輪軸扭矩的影響,相位器的提前腔與滯后腔中的機(jī)油會(huì)有泄漏。這時(shí)閉環(huán)控制開(kāi)始作用,控制電磁閥閥芯推動(dòng)中心閥體來(lái)給提前腔或是滯后腔供給機(jī)油。當(dāng)中心閥體的供給油路與提前腔或是滯后腔連通時(shí),提前腔與滯后腔內(nèi)的機(jī)油又會(huì)受凸輪軸扭矩影響倒流回中心閥體,這倒流回中心閥體的機(jī)油會(huì)對(duì)中心閥體有個(gè)作用力。
這個(gè)作用力的分力會(huì)給中心閥體一個(gè)軸向的分力,如果凸輪軸扭矩的頻率與電磁閥的PWM控制頻率相等時(shí),就會(huì)使中心閥體產(chǎn)生較大的共振。當(dāng)電磁閥給中心閥體的力與軸向分力一致時(shí),則控制中心閥體的力就會(huì)過(guò)大,閥芯的位移量過(guò)大,那相位器抖動(dòng)劇增;當(dāng)電磁閥給中心閥體的力與軸向分力方向相反時(shí),則閥芯收到的合力減小,到達(dá)目標(biāo)位置的時(shí)間變長(zhǎng),相位器的響應(yīng)能力下降。可見(jiàn),凸輪軸扭矩頻率與電磁閥的PWM控制頻率息息相關(guān)。
5.2 優(yōu)化方案
為了避免PWM控制頻率與凸輪軸頻率產(chǎn)生共振的問(wèn)題,在給相位器做標(biāo)定時(shí),可避開(kāi)凸輪軸扭矩的共振點(diǎn)。減小與增加PWM控制頻率同樣都能夠避開(kāi)凸輪軸扭矩頻率。
當(dāng)PWM控制頻率設(shè)為95Hz時(shí),相位器的抖動(dòng)減小,穩(wěn)定在±2°CA。
同樣當(dāng)PWM控制頻率增加到125Hz時(shí),相位器的抖動(dòng)量減小,穩(wěn)定性在±1°CA。
PWM控制頻率設(shè)定越高,其相位器的穩(wěn)定性越好,所以一般選擇提高PWM控制頻率。當(dāng)PWM控制頻率提高15Hz到125Hz時(shí),相位器控制在30°CA時(shí)穩(wěn)定性在±1°CA,有明顯改善。
6 結(jié)語(yǔ)
a.在調(diào)整各影響參數(shù)時(shí),對(duì)中心螺栓式VCT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的改善會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性下降;穩(wěn)定性的改善會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)的下降。
b.改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能改變凸輪軸扭矩的頻率,當(dāng)凸輪軸扭矩頻率與電磁閥PWM控制頻率相同時(shí),相位器會(huì)產(chǎn)生共振,影響穩(wěn)定性。
c.當(dāng)凸輪軸扭矩對(duì)相位器產(chǎn)生共振影響時(shí),此時(shí)改變PWM的設(shè)定值能改善相位器穩(wěn)定性,并且增加PWM設(shè)定值比減少PWM設(shè)定值效果更好。
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