王沛，王字滿，張冬生，劉少飛

(1.北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

可變氣門正時系統(tǒng)在實現(xiàn)米勒循環(huán)、內部EGR等方面具有顯著優(yōu)勢，目前已成為發(fā)動機節(jié)能減排所必不可少的一項基礎技術，這同時也意味著當該執(zhí)行機構出現(xiàn)故障時，將對排放性能惡化帶來重要影響。

《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(以下簡稱國六法規(guī))J.4.12.1要求，如果車輛使用了VVT系統(tǒng)，OBD系統(tǒng)應監(jiān)測控制目標錯誤和響應遲緩故障。當前主流的診斷策略要求VVT從參考位置運行至較大開度位置，并在此期間實時監(jiān)控目標VVT角度與實際VVT角度偏差以確認其響應性故障表現(xiàn)?！豆?jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》已明確指出混合動力技術是未來發(fā)展方向之一，各大整車企業(yè)已開始布局混動技術作為中長期方案。由于混動發(fā)動機主要運行在燃油經(jīng)濟性區(qū)域且工況穩(wěn)定，VVT的動作范圍與變化波動程度均小于純發(fā)動機驅動形式，此時傳統(tǒng)的診斷策略可能會出現(xiàn)診斷完成困難以及極端狀態(tài)下的誤診斷現(xiàn)象。

綜上所述，為適應混動發(fā)動機診斷需求，需要對VVT診斷策略進行優(yōu)化，使之在不需要強實時性與大動作范圍診斷條件的同時，依然能夠在法規(guī)循環(huán)中實現(xiàn)故障模式判斷。

1 VVT診斷功能基礎

1.1 VVT工作原理

VVT系統(tǒng)主要由可變相位器(CVCP)以及機油控制閥(OCV)構成，ECU通過控制CVCP兩側腔室機油壓力變化，從而使得轉子(與凸輪軸相連)相對于正時鏈輪發(fā)生相對旋轉，實現(xiàn)相位調節(jié)的目的，其中CVCP兩側機油壓力變化通過控制OCV來實現(xiàn)，而OCV的位置調節(jié)則受控于目標與實際VVT位置的偏差。圖1示出VVT系統(tǒng)控制過程。

圖1 VVT系統(tǒng)控制過程

正常情況下，ECU根據(jù)各傳感器信號和發(fā)動機工況，計算當前最優(yōu)目標VVT位置，并向OCV發(fā)出控制指令，完成凸輪相位調節(jié)，期間ECU通過曲軸與凸輪軸傳感器信號獲得實際VVT位置，并計算目標與實際位置偏差實現(xiàn)閉環(huán)控制。當VVT系統(tǒng)發(fā)生故障時，發(fā)動機將無法運行在最佳進氣充量與配氣相位工況，由此帶來排放與經(jīng)濟性能惡化；同時VVT實際位置長時間無法響應目標位置，導致執(zhí)行機構負載過高，嚴重時將造成VVT驅動級系統(tǒng)損壞。因此無論是考慮排放角度還是出于零部件保護目的，都有必要對VVT系統(tǒng)故障狀態(tài)進行診斷。

1.2 VVT診斷基礎

VVT響應性故障包括卡滯性故障與慢響應故障兩種類型，其中卡滯性故障表示實際VVT卡滯在某個角度位置并與目標位置存在較大的差距，慢響應故障雖然也表現(xiàn)為實際與目標位置的偏差，但其實際位置是可以向目標位置移動的，只是所需時間更長。

當前VVT響應性故障診斷策略主要基于目標與實際VVT實時位置偏差：當VVT響應存在嚴重問題時，二者動作偏差值會大于疑似故障閾值err_thr，此時系統(tǒng)進入疑似故障判定過程，并記錄當前實際VVT位置err_act，同時等待一定時間err_t；如果等待期內偏差值始終大于err_thr，當延時結束后，系統(tǒng)會比較此時實際VVT位置err_act與位置err_act偏差絕對值err_d，若err_d大于響應性故障診斷閾值，則診斷為VVT慢響應故障，否則認為此時VVT出現(xiàn)卡滯性故障。這一故障診斷過程如圖2所示。

圖2 VVT響應性故障診斷過程(當前策略)

2 診斷功能策略開發(fā)

2.1 診斷算法設計

當前的VVT診斷策略主要針對傳統(tǒng)發(fā)動機驅動結構，診斷對象為VVT目標與實際角度的實時位置偏差，診斷閾值設置為基于此位置偏差的絕對角度值。在面對混合動力工況時，VVT的動作范圍與變化程度均小于純發(fā)動機驅動工況，由此帶來了兩方面問題：1)VVT動作范圍變窄導致閾值設置區(qū)間縮短，卡滯與慢響應故障狀態(tài)區(qū)分度不足；2)變化程度的降低使得疑似故障狀態(tài)確認次數(shù)減小，導致診斷無法完成。

為解決上述問題，設計了一種針對混動系統(tǒng)的VVT診斷策略：1)以固定計算周期內目標與實際VVT動作角度的偏差累計值替代VVT動作范圍；2)以固定的統(tǒng)計窗口輸出疑似診斷結果，取代基于VVT動作變化程度的故障事件確認方式。

統(tǒng)計窗口為一個固定時間窗口，在駕駛循環(huán)開始后進行計時，同時一個統(tǒng)計窗口包含有固定的個計算周期。對于第個統(tǒng)計窗口T_window_內第個計算周期cycle_，動作角度偏差計算過程如圖3所示。

圖3 動作角度偏差計算

假設計算周期cycle_起始1時刻VVT所在位置為Ang_cycle__1，在計算周期結束后的2時刻運動至位置Ang_cycle__2，則該計算周期內動作角度變化值表達為

delta_cycle_=Ang_cycle__1-Ang_cycle__2。

(1)

式中：delta_cycle_為第個統(tǒng)計窗口內第個計算周期VVT目標(實際)動作角度變化值，單位為(°)。對于統(tǒng)計窗口T_window_內包含的個計算周期，其動作角度變化值分別為delta_cycle_1，delta_cycle_2，…delta_cycle_，則該統(tǒng)計窗口的VVT動作角度累計值表達為

(2)

式中：delta_window_為第個統(tǒng)計窗口VVT動作角度變化累計值，單位為(°)。在相同計算周期與統(tǒng)計窗口內分別計算目標VVT偏差累計值delta_window_(target)與實際VVT偏差累計值delta_window_(actual)，對應的偏差累計值比例ratio_delta_window_為

(3)

式中，依據(jù)VVT狀態(tài)表現(xiàn)與故障程度的不同，ratio_delta_window的具體表現(xiàn)特征如表1所示。

表1 VVT不同響應性狀態(tài)特征表現(xiàn)

表1中，A%為卡滯故障診斷閾值，當位置偏差比例系數(shù)ratio_delta_window≤A%時系統(tǒng)判斷當前統(tǒng)計窗口為卡滯故障狀態(tài)；B%為慢響應邊界診斷閾值，當ratio_delta_window處于(A%，B%)范圍時系統(tǒng)判定為慢響應故障狀態(tài)；而ratio_delta_window≥B%的狀態(tài)為無故障狀態(tài)，同時隨著ratio_delta_window的增加，VVT響應性表現(xiàn)更好。A%與B%的確定需要通過實車試驗標定與相關統(tǒng)計學分析完成。

同時在診斷適用性方面，當前診斷策略需要目標VVT能夠達到較大動作范圍以保證足夠的等待延時，但在混合動力工況下由于VVT動作范圍縮小，將會導致等待時間縮短，這對于響應性較差的VVT(如初始油壓建立較慢)便會帶來誤判故障風險；而對于偏差累計診斷算法，雖然VVT動作初始過程響應性較差，但只要在統(tǒng)計窗口內位置偏差比例系數(shù)不小于B%，便不會誤判為慢響應故障，因此不再需要VVT具有較強的響應性，其適用性范圍也更加廣泛。

2.2 策略邏輯架構

VVT響應性故障診斷功能通過軟件應用層模塊實現(xiàn)，按照2.1節(jié)算法設計內容與診斷數(shù)據(jù)流邏輯分為診斷條件使能、統(tǒng)計窗口計算、故障狀態(tài)判斷、故障模式確認與診斷結果輸出五項子功能模塊。以進氣側VVT診斷為例進行策略邏輯架構說明(見圖4)，邏輯關系示意以True表示邏輯“真”，F(xiàn)alse表示邏輯“假”，“==”表示數(shù)據(jù)判斷，“=”表示數(shù)據(jù)賦值；虛線為狀態(tài)路徑，傳遞邏輯狀態(tài)數(shù)據(jù)，當其表征的狀態(tài)為True時，虛線目標位置內的功能才會執(zhí)行；實線為數(shù)據(jù)路徑，傳遞物理數(shù)據(jù)。

圖4 VVT診斷策略邏輯架構

2.2.1 診斷條件使能

診斷使能條件定義了車輛處于何種狀態(tài)時激活診斷功能，包括環(huán)境溫度及壓力、發(fā)動機水溫、機油溫度，以及VVT控制激活等條件，當這些信號條件滿足設定范圍后，診斷使能標志位寫為“True”，診斷功能隨之激活。

2.2.2 統(tǒng)計窗口計算

該子模塊的數(shù)據(jù)輸入為目標、實際VVT動作位置，主要進行計算周期內VVT動作偏差的計算，并在一個統(tǒng)計窗口內完成多個計算周期動作偏差絕對值累計。以目標VVT為例，其相應的邏輯功能如圖5所示。

圖5 VVT診斷統(tǒng)計窗口計算子模塊邏輯功能

計算過程為系統(tǒng)每100 ms完成一次實際VVT位置采樣，統(tǒng)計窗口開始時相應標志位置位并激活計算周期子模塊。每開始一個新的計算周期，系統(tǒng)會記錄當前時刻目標、實際VVT位置；當達到計算周期時間時，觸發(fā)計算當前時刻目標、實際VVT位置與計算周期起始時刻位置偏差，取絕對值后與對應偏差積分器循環(huán)相加，并在達到統(tǒng)計窗口時間后向故障狀態(tài)判斷模塊輸出積分計算值并重置偏差積分器。

2.2.3 故障狀態(tài)判斷

該子模塊通過計算統(tǒng)計窗口內的目標、實際VVT動作偏差比例結合閾值實現(xiàn)故障狀態(tài)判斷，并將當前的故障診斷狀態(tài)傳遞至故障模式確認子模塊。圖6示出了相應的邏輯功能。

圖6 VVT診斷故障狀態(tài)判斷子模塊邏輯功能

圖6中，B_sigerr，B_slowerr和B_noerr分別為VVT卡滯、慢響應以及無故障狀態(tài)標志位，當統(tǒng)計窗口結束時計算實際VVT與目標VVT偏差值比例，并進行故障狀態(tài)判斷；當不滿足卡滯故障閾值條件時，繼續(xù)進行慢響應故障判斷；如果不滿足慢響應故障閾值條件，則判定為該統(tǒng)計窗口內VVT無故障。

2.2.4 故障模式確認

故障狀態(tài)判斷針對當前統(tǒng)計窗口，為“疑似狀態(tài)”事件判定，而“疑似狀態(tài)”的確認需要經(jīng)過一定次數(shù)的事件重復，只有當重復次數(shù)達到設定閾值后，才會最終確認該狀態(tài)。圖7示出了相應的故障模式確認邏輯功能。

圖7 VVT診斷故障模式確認子模塊邏輯功能

如圖7所示，sigerr_cnt，slowerr_cnt和noerr_cnt分別為卡滯、慢響應以及無故障狀態(tài)計數(shù)器，診斷功能將此三項狀態(tài)計數(shù)器定義為互斥關系，即一項事件發(fā)生后對應計數(shù)器增加而另外兩項計數(shù)器減小。設置狀態(tài)確認閾值為5，同時限定狀態(tài)計數(shù)器增長最大值為9，最小值為0。

3 診斷功能試驗驗證

診斷功能驗證在一款搭載1.5T GDI發(fā)動機的插電式混合動力車(pPlug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)上進行，發(fā)動機配置有進/排氣VVT。試驗驗證以進氣VVT診斷為例，對其無故障、卡滯以及慢響應三種狀態(tài)的診斷情況進行分析說明。軟件策略中將統(tǒng)計窗口標定時間設置為100 s，計算周期標定時間設置為1 s。

3.1 無故障狀態(tài)診斷

VVT無故障狀態(tài)表現(xiàn)為實際VVT跟隨性良好，統(tǒng)計窗口時間內偏差累計值比例在1附近，并且整個診斷過程中不存在卡滯及慢響應故障計數(shù)器發(fā)生增長的情況。無故障狀態(tài)診斷主要驗證診斷算法的基礎功能實現(xiàn)情況，圖8示出WLTC循環(huán)下VVT響應性良好狀態(tài)下相應的診斷情況。

如圖8所示，無故障狀態(tài)WLTC循環(huán)中VVT響應性良好狀態(tài)下，在第900 s無故障計數(shù)器增長至5，并在第1 300 s達到計數(shù)器最大值。整個WLTC循環(huán)共進行了16次統(tǒng)計窗口計算，其中第3、第4次統(tǒng)計窗口目標VVT偏差累計值過小而不進行計數(shù)器統(tǒng)計計算。在14次有效統(tǒng)計窗口計算中，VVT偏差累計值比例均在95%以上，其中平均值為101%，標準差為0.034。診斷過程中無故障狀態(tài)計數(shù)器正確增加，同時兩項故障狀態(tài)計數(shù)器(卡滯&慢響應)并未出現(xiàn)誤診斷增長情況。

圖8 WLTC循環(huán)VVT響應性診斷驗證(良好狀態(tài))

3.2 卡滯故障診斷

VVT卡滯故障表現(xiàn)為實際VVT執(zhí)行機構卡滯在某一位置而無法響應目標位置請求，試驗過程分為實際城市道路功能驗證與排放循環(huán)閾值驗證兩部分，其中道路功能驗證主要驗證診斷功能的故障確認以及故障修復過程。圖9示出VVT卡滯故障診斷實際城市道路驗證過程。

圖9 VVT卡滯故障實際城市道路功能驗證

如圖9所示，為驗證故障報出與修復功能，試驗過程將統(tǒng)計窗口時間設定為15 s，試驗結果顯示，VVT無故障狀態(tài)下第110 s無故障計數(shù)器到達5次，完成無故障診斷；卡滯故障植入為第200 s，此后無故障計數(shù)器從6次逐漸減少，同時卡滯故障計數(shù)器逐漸增加，在第290 s完成5次故障狀態(tài)確認，報出VVT卡滯故障；第305 s移除卡滯故障狀態(tài)，卡滯故障計數(shù)器自350 s開始降低同時無故障計數(shù)器增加，在第410 s無故障計數(shù)器達到5次(此時卡滯故障計數(shù)器降低至0次)完成故障修復，最終在第470 s達到最大計數(shù)。

VVT卡滯狀態(tài)故障閾值設定通過WLTC循環(huán)來評估，植入VVT卡滯故障程度為-10°，試驗及診斷情況如圖10所示。

圖10 WLTC循環(huán)VVT響應性診斷驗證(卡滯狀態(tài))

如圖10所示，在16次統(tǒng)計窗口計算中，第3、第4次統(tǒng)計窗口目標VVT偏差累計值過小而不進行計數(shù)器統(tǒng)計計算。14次有效統(tǒng)計窗口VVT偏差累計值比例平均值為1.8%，最大值為5.1%，基于這一計算結果設置卡滯閾值為8%，同時整個試驗過程慢響應故障計數(shù)器未出現(xiàn)增長情況。

3.3 慢響應故障診斷

VVT慢響應故障表現(xiàn)為實際VVT執(zhí)行機構在響應目標VVT位置請求時出現(xiàn)一定時間的延遲，因此試驗主要基于WLTC循環(huán)進行功能驗證與閾值標定。設定慢響應故障植入程度為10 s。

如圖11所示，在11次有效統(tǒng)計窗口計算中，第1 100 s慢響應故障計數(shù)器為5次，完成故障模式確認，并在第1 600 s達到最大計數(shù)。所有有效統(tǒng)計窗口計算偏差累計值比例分布在10%～25%，大于卡滯故障判定閾值8%，不會出現(xiàn)誤判卡滯故障的情況。

圖11 WLTC循環(huán)VVT響應性診斷驗證(慢響應狀態(tài))

慢響應故障診斷閾值上限的確定取決于所能接受的響應延遲極限，雖然在這種狀態(tài)下由于其結構原因導致跟隨性出現(xiàn)一定延遲，但并不會對車輛性能帶來明顯影響，因此診斷過程不期望將這種狀態(tài)判定為慢響應。設定響應延遲極限狀態(tài)為2 s。

如圖12所示，診斷過程共進行了14次有效窗口計算，其中偏差累計值比例平均值為81.5%，標準差為0.08。由于慢響應診斷閾值上限的設置將影響無故障的診斷結果，因此將這一極限情況設為無故障狀態(tài)，而VVT 10s慢響應則定義為故障狀態(tài)，采用統(tǒng)計學分析，使慢響應故障診斷閾值設定符合±3標準。

圖12 WLTC循環(huán)VVT響應性診斷驗證(響應極限狀態(tài))

如圖13所示，VVT慢響應故障狀態(tài)+3邊界為26.6%，2 s響應極限狀態(tài)-3邊界為57.5%，考慮到存在2～10 s之間的慢響應情形，設置慢響應故障閾值為50%，相應的診斷有效概率大于99.995%，這意味著當VVT執(zhí)行機構為正常響應狀態(tài)時不會出現(xiàn)誤判故障的風險。

圖13 VVT響應延遲狀態(tài)統(tǒng)計學分析

4 結束語

混合動力發(fā)動機由于VVT動作范圍的縮短，使得原有的基于VVT實時位置監(jiān)控的診斷策略不再適用，故采用偏差累計值診斷策略，故障診斷過程不再需要VVT大范圍動作，診斷過程更加適用于混合動力工況，對于執(zhí)行機構響應性不足，但不影響發(fā)動機性能的情形具備良好的診斷裕度。

試驗結果表明，實際城市道路試驗下VVT卡滯故障報出與修復功能正常執(zhí)行；WLTC循環(huán)VVT卡滯故障狀態(tài)比例系數(shù)最大值為5.1%，故障判定閾值為8%，不會出現(xiàn)慢響應計數(shù)器增長情況；響應性良好狀態(tài)VVT偏差比例系數(shù)平均值為101%，標準偏差為0.034，診斷結果準確且計算穩(wěn)定。

VVT慢響應故障診斷過程未出現(xiàn)誤診斷為卡滯以及誤修復情況，2 s響應性延遲極限條件下VVT偏差比例系數(shù)平均值為81.5%，采用統(tǒng)計學分析得到慢響應閾值為50%，符合±3診斷標準，相應的診斷有效概率大于99.995%，對于VVT正常響應狀態(tài)不會出現(xiàn)誤判故障的風險。