发动机电磁驱动配气机构性能试验

陈慧涛 常思勤 范爱民

南京理工大学机械工程学院，南京，210094

0 引言

常规发动机采用凸轮机构驱动气门运动，其配气定时和气门升程都受到凸轮线性的限制，只能在部分工况下获得最佳性能[1]。无凸轮发动机中的配气机构可使进/排气门开启和关闭相位、升程及其运动规律随发动机工况实时地进行柔性化调节，具备显著提升发动机(特别是由节气门调节负荷的发动机)动力性和经济性以及改善排放的潜力[2]。

无凸轮可变配气机构按照其驱动原理可以分为电磁驱动配气机构(electromagnetic valvetrain, EMVT)、电液驱动配气机构及电气驱动配气机构，现有的研究主要集中于前两者。美国通用公司在20世纪90年代提出了一种双电磁铁、双弹簧的EMVT方案[3]，德国FEV公司[4]、法国Valeo公司[1,5]以及国内的清华大学[6-7]和浙江大学[8-9]都曾对这类双EMVT展开过相关研究。福特公司则在20世纪90年代设计出了一种由液压活塞驱动的电液驱动配气机构[10]，吉林大学[11-12]、浙江大学[13]和北京理工大学[14]等单位也针对这类配气机构进行了相关研究。常思勤等[2,15]基于动圈式电磁直线执行器的工作原理，提出一种不同于双电磁铁型EMVT的新型EMVT的技术方案，并已完成了多轮样机的试制。

EMVT的最大升程、响应速度和落座速度等基本性能参数将直接影响EMVT是否具备实际应用的可行性，且实现对气门运动模式的柔性化调节是提升发动机性能的基础，因此本文针对自行研制的动圈式EMVT，搭建了试验平台，并对EMVT的基本性能、气门运动的柔性调节能力以及运行稳定性进行了试验研究。在此基础上，本文提出了一种EMVT应用于发动机进气系统的控制系统方案，并通过半实物仿真验证了所提方案的可行性，证明了EMVT的气门可以正确地按控制指令进行运动，以及实现期望的运动规律。

1 试验平台的搭建

与目前展开研究较多的双电磁铁、双弹簧型可变配气机构相比，本文采用的动圈式EMVT在动态响应、气门落座速度控制、磁滞损耗和涡流损耗等方面有较大优势。动圈式EMVT的执行器主要由外磁轭、内磁轭、电磁线圈和永磁体等部分组成。对一直列四缸、每缸四气门的汽油机缸盖进行加工改装，再将执行器安装于其中一缸的两个进气门上。执行器结构和硬件实物如图1所示。

图1 执行器结构和硬件实物Fig.1 Structure and hardware of the actuator

试验平台主要由数字信号处理器(digital signal processor，DSP)(型号TMS320F2812)、功率驱动电路、EMVT、电流和位移传感器、信号调理电路以及上位机组成，如图2所示。其中DSP作为核心处理器，主要作用包括运行控制算法、输出脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)控制信号、采集传感器反馈信号以及与上位机进行通信等；功率驱动电路根据DSP输出的PWM信号来调节执行器两端电压，以控制电磁线圈中的电流，从而实现特定的气门运动规律；电流、位移传感器和信号调理电路为DSP提供电流和位移的反馈信号，从而形成控制闭环。

图2 试验平台结构Fig.2 Structure of the test platform

DSP通过对气门位移和执行器中电流的闭环控制来实现对气门运动的精确控制。DSP运行的是文献[16]提出的一种基于反演滑模控制方法的气门运动控制算法。

2 柔性控制试验结果与分析

2.1 EMVT的基本性能

所研制的动圈式EMVT设计的最大升程为8 mm。气门开启或关闭过程(从5%气门开度至95%气门开度的范围[17])的所需时间定义为气门过渡时间，过渡时间越短，气门开启和关闭的速度就越快，EMVT能适用的发动机转速也越高。试验中测得，当最大升程为8 mm时，EMVT能达到的最短过渡时间为2.7 ms。图3所示为当模拟发动机转速为6 000 r/min时，在8 mm最大升程和2.7 ms过渡时间的气门工况下，测得的气门实际位移与曲轴转角的关系。试验中气门达到最大升程后立即开始关闭，整个开闭过程对应的曲轴转角为244.8°，试验结果表明，该EMVT可以满足转速为6 000 r/min时的响应要求。

图3 6 000 r/min转速时的气门升程曲线Fig.3 Valve lift curve at engine speed of 6 000 r/min

过大的气门落座速度会引起振动噪声，同时影响气门密封性和发动机寿命。当气门落座速度控制在0.1 m/s以下时，可以认为发动机实现了气门缓落座[18]。影响落座速度控制难度的主要因素是气门最大升程和过渡时间，最大升程越大、过渡时间越短，则落座速度越难控制。在前期研究工作[19]中，设定实际应用时的最短过渡时间为3 ms,因此在8 mm最大升程和3 ms最短过渡时间的气门工况下，采集5个工作循环中落座过程的气门速度-位移曲线，见图4。从图4中可以看出，5个循环的气门速度-位移曲线的一致性和重复性较好，平均气门落座速度为0.028 m/s，满足气门缓落座的要求。

图4 落座过程气门速度-位移曲线Fig.4 Valve velocity-displacement curves in the seating process

EMVT的能量主要消耗在气门开启和关闭的过程中，而在保持开启和关闭的过程中所消耗的能量较少。增大气门最大升程和缩短过渡时间，均会增大消耗的能量。保持开启和关闭相位不变，在最大升程为8 mm和过渡时间为3 ms的气门工况下，试验测得的动圈式EMVT的单个气门每循环消耗的能量和功率见图5。从图5中可以看出，在最大升程和过渡时间不变的情况下，不同转速下每循环消耗能量变化不大，最大值为0.92 J；功率随发动机转速的增大而增大，最大值为46.20 W。作为对比，某2.0 L、16气门的四缸汽油机在6 000 r/min转速条件下，其凸轮驱动配气机构的单个进气门每循环消耗的能量和功率分别为2.5 J和140 W[20]，因此动圈式EMVT在能耗方面有较大优势。

图5 不同转速下的EMVT能耗Fig.5 Power consumption of EMVT at different engine speeds

此外，该EMVT中每个气门均由独立的电磁直线执行器驱动，因此每个气门的运动均可独立控制，可以实现诸如每个气缸的两个进气门先后开启或关闭以及一开一关等运动规律。

2.2 配气定时柔性调节试验

通过改变控制气门开启和关闭相位的指令，可以实现对EMVT的配气定时以及开启持续期的柔性调节。这也是在取消节气门的无凸轮发动机中，实现发动机负荷控制的主要方式。

图6所示为气门开启持续期tc不变，改变配气定时的试验结果，试验中将气门的开启时刻相较标称值分别提前和延后2 ms。图7所示为保持气门开启时刻不变，将开启持续期tc依次增加2 ms的试验结果。上述试验中均设定气门最大升程为8 mm，过渡时间为3 ms。从图6和图7中可以看出，气门可以正确地按配气定时的指令进行运动。

图6 配气定时柔性调节试验曲线Fig.6 Curves of the flexible adjustment test of the valve timing

图7 开启持续期柔性调节试验曲线Fig.7 Curves of the flexible adjustment test of the opening duration

2.3 过渡时间柔性调节试验

当发动机转速较高时，EMVT需要采用较短的过渡时间，以满足高速响应的要求，而这会消耗更多能量，同时会增大缓落座控制的难度，因此在不同发动机工况下，需采用不同的气门过渡时间。

图8 过渡时间柔性调节试验曲线Fig.8 Curves of the flexible adjustment test of the transition time

图8所示为气门过渡时间柔性调节试验的结果，试验中设定最大升程为8 mm，气门开启和关闭的时刻保持不变，目标过渡时间tt分别为3 ms、4 ms、5 ms和6 ms，试验中测得的实际过渡时间分别为2.9 ms、4.1 ms、5.1 ms和6.2 ms。试验结果表明气门能正确地按指令进行运动。在实际应用中，气门过渡时间tt可连续调节，并不局限于试验中的几个方案。

2.4 升程柔性调节试验

不同发动机工况下采用不同的气门升程，既有助于减小EMVT的功耗，也有助于提高进气效率、改善工质运动。图9所示为气门升程柔性调节试验的结果，试验中设定过渡时间tt为3 ms，最大升程分别为4 mm、6 mm和8 mm。试验结果表明气门能正确按指令进行运动，不同曲线最大升程的绝对误差限为0.04 mm。在实际应用中，气门升程可在0～8 mm之间连续调节，并不局限于试验中采用的方案。

图9 升程柔性调节试验曲线Fig.9 Curves of the flexible adjustment test of the lifts

2.5 气门二次开启试验

废气再循环(EGR)技术是降低发动机NOx排放物和提高发动机经济性的有效手段，在排气行程中开启进气门可以实现内部EGR，通过改变进气门二次开启的相位、持续期和升程等参数,可以较方便地调节EGR率，EMVT为上述内部EGR技术方案的实现提供了可行性。

图10 气门二次开启试验曲线Fig.10 Curve of the valve secondary opening test

图10所示为气门二次开启试验的结果，试验中设定第一次开启升程为8 mm，曲轴转过200°后进行第二次开启，此时升程为4 mm。从图10中可以看出，气门能正确地按照指令进行运动。该试验只为证明EMVT能实现气门二次开启的技术方案，并不对气门运动规律与EGR率、NOx生成量及发动机性能之间的关系进行研究。

3 稳定性运行试验结果与分析

在模拟发动机转速为1 000 r/min、3 000 r/min和6 000 r/min的工况下，EMVT分别连续运行60 min，每分钟采集一次气门开闭过程的位移数据，以分析EMVT运行的稳定性和一致性。试验中设定气门最大升程均为8 mm，过渡时间均为3 ms，1 000 r/min和3 000 r/min转速下的气门保持开启一段时间，且时间域内的气门开启持续期相同，6 000 r/min转速下的气门达到最大升程后立即开始关闭，无保持开启阶段，结果见图11。从图11中可以看出，各转速下气门升程曲线的一致性和重复性较好，在高转速6 000 r/min条件下，各曲线之间略有波动。稳定性试验证明了该EMVT能长时间稳定运行。

4 半实物仿真试验结果与分析

4.1 试验平台的建立

在实际应用中，与点火控制和喷油控制类似，发动机电子控制单元(electronic control unit，ECU)中需要集成EMVT的控制模块。该控制模块的作用是根据发动机工况输出合适的进气门运动参数，并通过CAN总线传输给EWVT的ECU(即第1节中以DSP为核心处理器的控制系统)，由EMVT的ECU控制气门运动，实现期望的气门运动规律。

(a)n=1 000 r/min

(b)n=3 000 r/min

(c)n=6 000 r/min图11 稳定性运行试验结果Fig.11 Results of stability test

图12 发动机模型和EMVT控制模块的结构Fig.12 Block diagram of the engine model and theEMVT controller

为减少CAN总线传输的数据量和EMVT的ECU的计算量，EMVT控制模块并不直接输出开启和关闭相位的值，而是在曲轴旋转到开启相位时输出气门开启信号(即二进制的1)，在曲轴旋转到关闭相位时输出气门关闭信号(即二进制的0)。

为验证上述控制系统方案以及EMVT控制模块的可行性，在第1节所述试验平台的基础上建立了基于dSPACE系统和CAN总线的半实物仿真平台，如图13所示。在试验过程中，发动机模型和EMVT控制模块实时运行在dSPACE系统中，并与EMVT中的ECU通过CAN总线进行通信。

(a)半实物仿真试验平台实物

(b)半实物仿真试验平台结构图13 半实物仿真试验平台Fig.13 Test platform for hardware-in-the-loop simulation

4.2 试验结果与分析

试验中，通过改变发动机目标转速n和期望输出的有效转矩Te，使EMVT控制模块输出不同的气门运动参数，采集实际气门位移曲线，以检验其是否符合EMVT控制模块的要求。

分别在1 500 r/min和2 500 r/min转速条件下，期望输出的有效转矩以20 N·m的步长从20 N·m增加到140 N·m。在1 500 r/min转速条件下，EMVT控制模块输出的气门最大升程均为4 mm，开启相位均为360°，过渡时间均为3 ms，关闭相位见表1，相应采集到的气门实际位移曲线见图14；在2 500 r/min转速条件下,EMVT控制模块输出的气门最大升程均为8 mm，开启相位均为360°，过渡时间均为3ms，关闭相位见表2，相应采集到的气门实际位移曲线见图15。

表1 1 500 r/min转速时条件下气门控制参数

图14 1 500 r/min转速条件下的气门升程曲线Fig.14 Valve profiles at condition of 1 500 r/min

表2 2 500 r/min转速条件下的气门控制参数

图15 2 500 r/min转速条件下的气门升程曲线Fig.15 Valve profiles at condition of 2 500 r/min

对比表1和图14以及表2和图15可以发现，气门实际的开启相位与EMVT控制模块的要求基本一致，而实际的关闭相位均滞后了10°左右。这主要是由DSP中运行的控制算法为满足气门缓落座的要求，在关闭阶段后期降低气门运动速度引起的。在今后研究中会对相关控制算法进行改进，使气门实际运动既满足缓落座要求，同时也符合EMVT控制模块的要求。

5 结论

(1)所研制的动圈式电磁驱动配气机构设计的最大升程为8 mm，此升程下气门开闭的最小过渡时间为2.7 ms，满足发动机最高转速为6 000 r/min时的高速响应要求；平均气门落座速度为0.028 m/s，满足缓落座的要求；当转速为6 000 r/min时，单个进气门每循环消耗能量和功率分别为0.92 J和46.20 W，与传统凸轮驱动配气机构的单个进气门每循环消耗能量和功率相比，有明显降低；每个气门的运动均可独立控制。结果表明动圈式电磁驱动配气机构满足了实际应用的基本要求。

(2)该动圈式电磁驱动配气机构可对配气定时、气门开启持续期、气门开启和关闭的过渡时间、气门升程等参数进行柔性调节，且可在一个发动机工作循环内实现气门的多次开启，为实现内部EGR提供了技术可行性。结果表明该电磁驱动配气机构具备改善发动机动力性和经济性的潜力。

(3)该动圈式电磁驱动配气机构有较高的工作可靠性，在低、中、高转速下均能长时间稳定运行，气门运动的重复性和一致性较好。

(4)半实物仿真试验模拟了动圈式电磁驱动配气机构在发动机进气系统中实际应用时的情况，仿真结果验证了所提控制系统方案的可行性，结果表明进气门能按电磁驱动配气机构控制模块的要求进行运动。