发动机电磁驱动配气机构性能试验
陈慧涛 常思勤 范爱民
, ,２１００９４
南京理工大学机械工程学院 南京
: ( EMVT)摘要 为验证自行研制的动圈式电磁驱动配气机构 柔性化控制气门运动的能力及其运行
, ( DSP) .
稳定性 搭建了以数字信号处理器 为核心控制器的试验平台并进行了相关性能试验 提出了EMVT , dSPACE CAN实际应用于发动机进气系统的控制系统方案 搭建了基于 系统和 总线的半实物
. , ２．７ ms,仿真试验平台 试验结果表明 该电磁驱动配气机构的气门开启和关闭的最小过渡时间为 平均
０．０２８m/s, , ;
气门落座速度为 满足高速响应和缓落座的要求 且功耗较小 每个气门均可独立控制 可对
、 、 、 ; 、、配气定时 气门开启持续期 气门过渡时间 气门升程等参数实现柔性化调节 在低 中 高转速下都能长
. .时间稳定运行 半实物仿真试验也验证了所提控制系统方案的可行性: ; ;dSPACE ;关键词 电磁驱动配气机构 柔性控制 系统 半实物仿真
:TK４１３．４;U４６４．１３４中图分类号
DOI:１０．３９６９/j．issn．１００４ １３２X．２０１９．０１．００１
( ) ( OSID):
开放科学 资源服务 标识码
PerformanceTestsofEngineElectromagneticValvetrains
CHEN Huitao CHANGSiqin FAN Aimin SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing,２１００９４
Abstract: Totesttheflexiblecontrolandoperationstabilityofvalve motionsbytheselfＧdevelＧ oped movingcoilEMVT,atestplatform wasconstructedbasedondigitalsignalprocessor (DSP)as thecorecontrollerandtheperformancetestswerecarriedout．AndacontrolsystemschemewasproＧ posedforpracticalapplicationsofEMVT,ahardwareＧinＧtheＧloopsimulationplatform wasconstructed basedondSPACEplatform andcontrollerareanetwork (CAN)bus．Thetestresultsshowthatthe EMVT mayachieveaminimumtransitiontimeforvalueopeningandclosingisas２．７msandtheaverＧ agevalueseatingvelocityisas０．０２８ m/s,which meettherequirementsofrapidresponseandvalve softlanding,andtheEMVThasthecharacteristicsoflowpowers,eachvalvemaybecontrolledindiＧ vidually．TheEMVT mayrealizetheflexibleadjustmentofthevalvetiming,thevalveopeningduraＧ tion,thevalvetransitiontimeandthevalvelift,and mayensurestableoperationsforalongtimeat low,middleandhighenginespeeds．Thefeasibilityoftheproposedcontrolsystemschemeisvalidated bythehardwareＧinＧtheＧloopsimulation．
Keywords: electromagneticvalvetrain(EMVT);flexiblecontrol;dSPACEsystem;hardwareＧinＧ theＧloopsimulation
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[ １].能在部分工况下获得最佳性能 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[ ２].潜力
无凸轮可变配气机构按照其驱动原理可以分
(electromagneticvalvetrain,为电磁驱动配气机构
EMVT)、
电液驱动配气机构及电气驱动配气机收稿日期:２０１８ ０２ ２２ : (５１３０６０９０)基金项目 国家自然科学基金资助项目
, .
构 现有的研究主要集中于前两者 美国通用公
２０ ９０ 、
司在 世纪 年代提出了一种双电磁铁 双弹
EMVT [ ３], FEV [４]、 VaＧ簧的 方案 德国 公司 法国leo [１,５] [６Ｇ７]
公司 以及国内的清华大学 和浙江大
[８Ｇ９] EMVT .
学 都曾对这类双 展开过相关研究 福
２０ ９０
特公司则在 世纪 年代设计出了一种由液压[ １０],活塞驱动的电液驱动配气机构 吉林大
[１１Ｇ１２]、 [１３] [１４]
学 浙江大学 和北京理工大学 等单位
.也针对这类配气机构进行了相关研究 常思勤
[２,１５] ,等 基于动圈式电磁直线执行器的工作原理
EMVT EMＧ提出一种不同于双电磁铁型 的新型
VT , .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
EMVT基本性能参数将直接影响 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
EMVT, ,行研制的动圈式 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
EMVT
文提出了一种 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
, EMVT
案的可行性 证明了 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
, EMVT变配气机构相比 本文采用的动圈式 在动
、 、
态响应 气门落座速度控制 磁滞损耗和涡流损耗
. EMVT等方面有较大优势 动圈式 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
. １ .
上 执行器结构和硬件实物如图 所示
(digital试验平台主要由数字信号处理器signalprocessor,DSP)( TMS３２０F２８１２)、
型号 功、EMVT、 、率驱动电路 电流和位移传感器 信号调
,２ . DSP理电路以及上位机组成 如图 所示 其中
, 、作为核心处理器 主要作用包括运行控制算法 输
(pulse width modulation,出脉 冲 宽 度 调 制
PWM) 、
控制信号 采集传感器反馈信号以及与上
; DSP位机进行通信等 功率驱动电路根据 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
、 DSP
流 位移传感器和信号调理电路为 提供电流
, .和位移的反馈信号 从而形成控制闭环
DSP
通过对气门位移和执行器中电流的闭
.DSP环控制来实现对气门运动的精确控制 运
[１６]
行的是文献 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
EMVT
所研制的动圈式 设计的最大升程为８mm. ( ５％
气门开启或关闭过程 从 气门开度至９５％ [ １７])
气门开度的范围 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
,EMVT .就越快 能适用的发动机转速也越高 试
, ８ mm ,EMVT验中测得 当最大升程为 时 能达
２．７ms. ３到的最短过渡时间为 图 所示为当模拟
６０００r/min , ８ mm发动机转速为 时在 最大升程
２．７ ms ,
和 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
２４４．８°, , EMVT
转角为 试验结果表明 该 可以满
６０００r/min .
足转速为 时的响应要求
,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
０．１m/s ,
控制在 以下时 可以认为发动机实现了[ １８].气门缓落座 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
[１９] ,
究工作 中 设定实际应用时的最短过渡时间为３ms, ８mm ３ms
因此在 最大升程和 最短过渡时
,５
间的气门工况下 采集 个工作循环中落座过程
, ４. ４的气门速度 位移曲线 见图 从图 中可以看
,５
出 个循环的气门速度 位移曲线的一致性和重
, ０．０２８ m/s,复性较好 平均气门落座速度为 满足
.
气门缓落座的要求
３
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
, ８mm ３ms不变 在最大升程为 和过渡时间为 的
, EMVT气门工况下 试验测得的动圈式 的单个
５. ５气门每循环消耗的能量和功率见图 从图 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０．９２J; ,
功率随发动机转速的增大而增大 最大值４６．２０ W. , ２．０L、１６
为 作为对比 某 气门的四缸汽
６０００r/min ,
油机在 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
２．５J １４０ W[ ２０], EMVT
别为 和 因此动圈式 在能
.
耗方面有较大优势
, EMVT
此外 该 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
EMVT
可以实现对 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
６ ,
图 所示为气门开启持续期t不变 改变配
c
,
气定时的试验结果 试验中将气门的开启时刻相 ４
２ ms. ７较标称值分别提前和延后 图 所示为保
,
持气门开启时刻不变 将开启持续期t 依次增加
c
２ms .
的试验结果 上述试验中均设定气门最大８ mm, ３ ms. ６ ７升程为 过渡时间为 从图 和图
,
中可以看出 气门可以正确地按配气定时的指令
进行运动.
２．３ 过渡时间柔性调节试验
,EMVT当发动机转速较高时 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
８
图 所示为气门过渡时间柔性调节试验的结, ８mm,
果 试验中设定最大升程为 气门开启和关
,
闭的时刻保持不变目标过渡时间t分别为
t ３ms、４ms、５ ms ６ ms,
和 试验中测得的实际过
２．９ms、４．１ms、５．１ ms ６．２ ms.渡时间分别为 和
.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t可连续调节 并不
t
.
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
EMVT ,
有助于减小 的功耗 也有助于提高进气
、 .９
效率 改善工质运动 图 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t 为
t ３ms, ４ mm、６ mm ８ mm.最大升程分别为 和
,试验结果表明气门能正确按指令进行运动 不同
０．０４mm.曲线最大升程的绝对误差限为 在实际
, ０~８ mm ,应用中 气门升程可在 之间连续调节
.并不局限于试验中采用的方案
气门二次开启试验
(EGR) NO废气再循环 技术是降低发动机 x
,排放物和提高发动机经济性的有效手段 在排气
EGR,行程中开启进气门可以实现内部 通过改变
、 ,进气门二次开启的相位 持续期和升程等参数 可
EGR ,EMVT
以较方便地调节 率 为上述内部EGR .技术方案的实现提供了可行性
１０ ,
图 所示为气门二次开启试验的结果 试验
８ mm, ２００°中设定第一次开启升程为 曲轴转过
, ４ mm. １０后进行第二次开启 此时升程为 从图
, .中可以看出 气门能正确地按照指令进行运动
EMVT
该试验只为证明 能实现气门二次开启的
, EGR 、NO技术方案 并不对气门运动规律与 率 x
.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
１０００r/min、３０００r/min在模拟发动机转速为
６０００r/min ,EMVT
和 的工况下 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, EMVT .
据 以分析 运行的稳定性和一致性 试
８ mm,验中设定气门最大升程均为 过渡时间均
３ ms,１０００r/min ３０００r/min
为 和 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
,６０００r/min
续期相同 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. １１ ,
从图 中可以看出 各转速下气门升程曲线
, ６０００r/min的一致性和重复性较好 在高转速
, .
条件下 各曲线之间略有波动 稳定性试验证明
EMVT .
了该 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
(electroniccontrolunit,发动机电子控制单元
ECU) EMVT .
中需要集成 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
, CAN EWVT运动参数 并通过 总线传输给 的ECU( １ DSP
即第 节中以 为核心处理器的控制系), EMVT ECU ,
统由 的 控制气门运动 实现期望
.
的气门运动规律
[１９]
笔者在前期研究工作 中建立了面向控制
EMVT , EMVT的采用 的发动机模型 并设计了
, EMVT
的控制模块 发动机模型和 控制模块的
１２.
结构见图 发动机模型中的曲轴转角模块根
,据发动机转速实时计算曲轴转角α 气门运动模
,块实时模拟进气门的运动并输出气门升程L 进气量估算模块则根据进气门的运动估算进气量
, , ^m 再由喷油模块计算喷油量m 转矩输出模
c fuel块和曲轴动态模块根据进气量和喷油量分别计算发动机输出转矩的估算值^T 和曲轴转速^n
. e
EMVT
控制模块主要通过调节关闭相位V 来
IVC
, PID
控制进气量 由前馈模块和 反馈模块两部分
. ,
组成 在前馈控制中 根据目标转速n和转矩决
,策模块期望输出的有效转矩T 进气量解释
e
MAP ,
输出所需进气量m 然后气门控制参数
c
MAP O,
输出关闭相位的初始值VIVC,
同时气门基
,本控制策略模块输出其他的气门运动参数 由此
.PID确定进气门的运动模式 反馈模块根据发动
５
( ) n＝１０００ /
a r min ( ) n＝３０００ /
b r min ( c ) n＝６０００ / min
r
图１１ 稳定性运行试验结果
Fig．１１ Resultsofstabilitytest
图１２ 发动机模型和EMVT控制模块的结构
Fig．１２ Blockdiagramoftheenginemodelandthe
EMVTcontroller
３０ １ ２０１９ １中国机械工程 第 卷 第 期 年 月上半月机模型输出的曲轴转速^n和目标转速n之间的偏
, ,
差 对前馈模块的输出进行修正 输出关闭相位的
Δ
修正值 V
IVC
CAN EMVT为减少 总线传输的数据量和
ECU ,EMVT
的 的计算量 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
( １),相位时输出气门开启信号 即二进制的 在曲
(轴旋转到关闭相位时输出气门关闭信号 即二进
０).
制的
EMVT为验证上述控制系统方案以及 控制模
,１
块的可行性 在第 节所述试验平台的基础上建立
dSPACE CAN
了基于 系统和 总线的半实物仿真
, １３ . ,
平台 如图 所示 在试验过程中 发动机模型和EMVT dSPACE ,
控制模块实时运行在 系统中 并EMVT ECU CAN .
与 中的 通过 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 半实物仿真试验平台
１３
Fig．１３ TestplatformforhardwareＧinＧtheＧloopsimulation
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
, EMVT
输出的有效转矩T 使 控制模块输出不e
, ,同的气门运动参数 采集实际气门位移曲线 以检
EMVT .验其是否符合 控制模块的要求
１５００r/min ２５００r/min
分别在 和 转速条, ２０N m
件下 期望输出的有效转矩以 的步长从２０N m １４０N m. １５００r/min增加到 在 转,EMVT
速条件下 控制模块输出的气门最大升程
———发动机电磁驱动配气机构性能试验 陈慧涛 常思勤 范爱民
４mm, ３６０°,
均为 开启相位均为 过渡时间均为３ms, １,
关闭相位见表 相应采集到的气门实际位
１４; ２５００r/min ,EMＧ移曲线见图 在 转速条件下
VT ８mm,控制模块输出的气门最大升程均为 开
３６０°, ３ms,启相位均为 过渡时间均为 关闭相位见
２, １５.
表 相应采集到的气门实际位移曲线见图表１ １５００r/min转速时条件下气门控制参数
Tab．１ Valvemotionparametersatcondition of１５００r/ min
有效转矩
图１４ １５００r/min转速条件下的气门升程曲线
Fig．１４ Valveprofilesatconditionof１５００r/min表２ ２５００r/min转速条件下的气门控制参数
Tab．２ Valvemotionparametersatcondition of２５００r/
min
图１５ ２５００r/min转速条件下的气门升程曲线
Fig．１５ Valveprofilesatconditionof２５００r/min
１ １４ ２ １５
对比表 和图 以及表 和图 可以发, EMVT
现 气门实际的开启相位与 控制模块的
, １０°要求基本一致 而实际的关闭相位均滞后了
. DSP
左右 这主要是由 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
EMVT .
同时也符合 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
８ mm,
的最大升程为 此升程下气门开闭的最小
２．７ ms,
过渡时间为 满足发动机最高转速为６０００r/min ;
时的高速响应要求 平均气门落座速０．０２８ m/s, ;
度为 满足缓落座的要求 当转速为６０００r/min ,
时 单个进气门每循环消耗能量和功０．９２J ４６．２０ W,
率分别为 和 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
:
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编辑 胡佳慧