两级可变气门升程控制功能在发动机开发中的应用
时间：2023-11-04 17:05:03 来源：小苹果范文网 本文已影响 人 
虞金霞
(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)
随着国家对环境保护和能源安全的愈发重视，如何提高发动机的热效率已成为整车企业节能减排、提高产品竞争力的关键性技术。发动机可变气门升程(VVL)技术能够有效降低发动机燃油耗，是近年来汽车行业研究的热点。但长久以来，这些技术基本上都被外国公司的技术专利所垄断，国内企业开发VVL系统面临着巨大挑战。
VVL技术可分为两级VVL技术、多级VVL技术和连续VVL技术，其中多级VVL系统和连续VVL系统的结构比较复杂、应用成本较高，气门控制比较困难。上海汽车集团股份有限公司技术中心(以下简称“上汽技术中心”)基于进气侧两级VVL系统在结构和成本上的优势，开发了全新两级VVL系统，并设计了VVL控制策略。通过台架试验，对VVL系统的功能、可靠性和耐久性等进行了验证，达到了整车降低燃油耗和减少污染物排放的目标。
1.1 VVL节油原理
当发动机在中小负荷工况运行时，由于节气门开度很小，进气歧管的真空度很大，发动机在换气过程中的泵气功损失很大，在高速低负荷工况时尤为明显。通常，在发动机各项功损失中，泵气功损失所占比例为10%～20%。因此，为提高燃油经济性，减少发动机泵气功损失是一种有效的技术手段，而减少发动机泵气功损失最直接的方式就是采用米勒循环来减小气门升程和气门包角，提高进气速度和滚流强度，进一步提高燃烧效率，降低燃油耗。
常规的气门机构只有一种气门升程和气门包角，当发动机采用米勒循环时，由于气门升程和气门包角较小，最大进气量受限，因此发动机的动力输出也会受限，发动机性能指标较差。应用可变气门升程技术，可在中低负荷工况采用较小的气门升程，在较大负荷工况采用较大的气门升程，能够兼顾燃油耗指标和发动机动力性能指标。
1.2 VVL硬件
由上汽技术中心自主开发的两级VVL系统为滑移式凸轮套筒结构，采用由电动执行机构驱动的两级滑移凸轮式VVL技术方案。该VVL系统的主要设计特征是每气缸配置1个套筒和1个高精度双销电磁阀，由电磁阀销子深入套筒螺旋槽，驱动套筒定向移动。
高精度双销电磁阀采用电磁力驱动磁芯，驱动电磁阀销动作，引导套筒移动完成气门升程的切换，电磁阀结构如图1所示。其中，电磁阀的双销由A销和B销组成，电磁阀通过A销和B销磁环上各自独立的线性霍尔传感器来感应磁场强度，识别其工作状态，并将电压信号传递给发动机控制单元(ECU)。
图1 高精度双销电磁阀的结构
2.1 控制方式
VVL系统的控制过程较为复杂，需要设计有效和合适的控制策略来实现各项动作，满足整车燃油耗和发动机性能指标。通过对两级VVL系统的结构进行分析，综合考虑霍尔传感器信号、套筒运行规则、电磁阀双销的执行情况，设计了VVL系统的运行控制策略。该VVL系统的气门升程切换策略如图2所示。
图2 气门升程切换策略
2.2 策略控制
根据发动机运行原理及发动机凸轮轴型线的特点，为实现图2中的气门升程切换策略，满足VVL系统要求，针对VVL系统的功能控制策略应包括：① 根据发动机特性和凸轮轴型线，建立稳态工况下的控制模型，包括VVL系统的各种动作修正；
② 从进气、点火、诊断、扭矩等方面进行策略设计，控制气门升程从大到小或从小到大的动态切换过程；
③ 气路和火路之间的扭矩协调应具备平顺性和准确性；
④ 根据执行器和传感器的特性进行诊断功能的设定。
在稳态工况运行条件下，所建立的VVL系统控制策略计算模型可以有效保证进气、点火、扭矩、空燃比等发动机参数的恒定，使发动机处于稳定正常运行状态，满足整车排放、燃油耗、发动机性能等要求。针对VVL系统的稳态工况控制策略见表1。
表1 稳态工况控制策略
在发动机实际运行过程中，大小气门升程的切换是动态过程。针对气门升程切换的动态过程，需要设定专门的控制策略来满足VVL系统的稳定性和气门升程切换条件。为确保在VVL系统的控制过程中，燃油耗、排放、诊断保护等被准确的控制，在气门升程的切换过程中设置了一些禁止条件,保证发动机的运行不受影响，同时保证控制策略的有效运行。在气门升程的切换过程中的禁止条件包括：① 禁止混合气偏稀，确保排放不受影响；
② 禁止前氧传感器诊断，防止瞬态诊断失效；
③ 禁止汽油机颗粒捕集器(GPF)再生，确保排放和混合气的稳定；
④ 提高发动机爆燃的识别阙值，避免爆燃的误判和漏判。
2.3 扭矩协同
鉴于凸轮轴的升程特性，为了确保在气门升程切换过程中，保持气路的准确性，避免扭矩阶跃导致的动力输出冲击，在控制策略上，使用气路、火路协同原则，在气门升程切换过程中实现稳定的空燃比和扭矩输出。
在发动机实际工作过程中，因凸轮轴升程的突然变化，扭矩会发生阶跃，对发动机的动力输出造成冲击，导致发动机产生异响。扭矩阶跃的主要原因为：① 气门由大升程切换至小升程时，升程的变化会导致进气量突然降低；
② 气门由小升程切换至大升程时，发动机扭矩会发生瞬间阶跃，没有过渡过程，导致发动机的动力输出发生突变。
为有效解决扭矩协同的问题，对控制策略进行了研究和优化。从气路模型和火路模型的角度出发，设立软件策略。分别计算气门升程切换前后进气歧管压力变化对应的进气充量，保证气路需求的准确性。在气门升程切换过程中对负荷变化进行了预测，在气门升程切换过程中协调进气和点火，保持喷油、进气、点火过程的协同，确保空燃比和排放的稳定。
对气门升程切换过程进行精确控制，在小升程切换至大升程的过程中通过优化点火角的过渡梯度，修正对应的策略模型。在大升程切换至小升程的过程中，通过扭矩储备修正模型，对扭矩输出进行控制和优化。在发动机实际工作过程中，通过扭矩协同策略，可实现动态工况的优化和控制。这些策略的实施有效地避免了因为气门升程的改变导致的排放、燃油耗、扭矩阶跃问题，如图3所示。
图3 扭矩协同设计
2.4 气门升程切换控制
综合考虑整车动力性和燃油耗的要求，在两级VVL发动机运行过程中，根据标定的控制策略来执行升程切换动作，如表2所示。在实际的升程切换过程中，为保证切换过程顺利安全进行，设定了止回策略。
表2 气门升程控制策略
2.5 诊断策略和保护
如上所述，电磁阀是控制气门升程切换的执行器，分为A销和B销。当销子发生故障时，或者外部电路发生故障时，会导致双销同时伸出，此时如果发动机仍在运行，则会损坏凸轮轴和发动机。所以，对这种情况进行判断控制和诊断保护是非常有必要的。
根据电磁阀的特性，分析了ECU内部控制电路，将控制电路由续流电路硬件方式变更为钳位电路硬件方式，直接从硬件电路源头进行电磁阀和发动机的保护。
在软件控制策略方面，建立专门的诊断保护策略，判断双销在没有伸出的情况下，才能进行正常的气门切换和运行控制。双销策略诊断保护流程如图4所示。在软件控制策略的设计中，为保护发动机，在发动机启动前应设立诊断策略，检测疑似故障，触发测试脉冲，增加纠错时间，并进行专门的测试监控。
图4 双销策略诊断保护流程
根据VVL系统执行器的开发目标要求，在发动机台架耐久试验和整车耐久试验过程中，验证了两级VVL系统控制功能执行过程中的有效性。试验验证主要分为整车驾驶性验证、电磁阀的诊断保护验证和燃油耗和排放测试验证。
3.1 整车驾驶性验证
在气门升程动态切换过程中，因建立了扭矩协同策略，在工况测试和整车驾驶性评估中，有效减少了扭矩阶跃导致的动力输出冲击，如图5所示。从图5可知，应用扭矩协同策略后，在大小气门升程相互切换的过程中，消除了扭矩阶跃，扭矩输出表现较为平稳，整车的动力性和驾驶舒适性得到改善，满足整车耐久试验要求，同时也满足了排放和空燃比控制的一致性要求。
图5 扭矩协同策略下的扭矩输出
3.2 电磁阀的诊断保护验证
在电磁阀的诊断保护功能开发过程中，控制策略的检查测试场景是重要的过程开发验证内容之一。为确保电磁阀诊断开发的正确性，进行了8种测试场景的诊断保护验证，见表3。测试结果表明，开发的电磁阀诊断保护策略满足要求。
表3 8种测试场景及测试结果
3.3 燃油耗和排放测试验证
确保发动机的有效运行和降低整车燃油耗是两级VVL系统开发的主要目标之一。在VVL控制功能策略开发的过程中，整车与发动机的标定工作按照气门升
程控制策略进行开发和验证，包括VVL系统的模型标定、气门升程动态过程切换标定、驾驶舒适性标定、排放和燃油耗标定等。
全球统一轻型车辆测试循环(WLTC)工况是考核排放和燃油耗指标的重要方式之一。为验证燃油耗降低，测试了VVL系统始终保持在大升程情况下的WLTC工况排放和燃油耗表现，见表4。从表4可知，各项污染物排放指标均远低于法规要求限值。同时表征燃油耗指标的CO排放在大升程的情况下有所降低，实际能达到2%左右的节油率。
表4 燃油耗和排放测试结果
通过VVL系统硬件设计方案，进行工作原理和执行器分析，建立了功能控制策略，完成整车和发动机标定开发工作，两级VVL系统的各项功能得以有效执行。该控制功能体现了控制策略的有效性，达到了整车动力输出平顺性、具备诊断保护和降低燃油耗等关键性开发目标。验证结果表明，气门升程变化带来的动力输出冲击和驾驶平顺性问题已经得到解决，并实现了VVL硬件的诊断保护要求。
在应用两级VVL技术后，通过系统结构和控制策略的执行，实现了降低燃油耗与动力输出的平衡，在低速小负荷工况时采用小气门升程，减少泵气功损失，降低燃油耗；
在高速大负荷工况时使用大气门升程，增加了进气量，提高了整车的动力性能。在应用两级VVL技术后，发动机综合燃油耗降低了2%～3%，并提高了发动机的热效率。目前，该两级VVL系统已经投入了实际应用，并进行了量产。
