机油控制阀的仿真设计研究

    可变气门正时技术（Variable　Valve　Timing，即VVT）逐渐成为现代汽车的一种标准配置。其原理是根据发动机的运行工况来调整进排气门的大小和开启关闭时间，从而使气缸中的空燃比始终保持最佳，提高燃料的燃烧效率，实现节能减排。目前拥有较成熟的VVT生产技术的公司有丰田公司的VVT－i，本田公司的VTEC，宝马公司的VANOS和福特公司的VCT等。机油控制阀（Oil　Control　Valve，即OCV）作为VVT系统的关键组成部分，控制着机油到相位器的分配，直接影响着可变气门正时控制的好坏。由于OCV阀的集成度较高，加工精密度要求高，提高了对OCV阀的控制要求。本文根据OCV阀的结构和基本原理，对OCV阀进行了数学建模，并借助Matlab/Simulink软件对模型进行仿真，对不同占空比信号控制OCV阀阀芯位置进行了验证。

    1 OCV阀结构和基本原理

    1.1 OCV阀结构

    如图1、图2，OCV阀是由接线端子、线圈、支架、O型线圈、绕线架、衔铁、轴阀、内置滤清器、罩壳和回位弹簧等组成。

图1 OCV阀实物

图2 OCV阀结构

    1.2 OCV阀基本原理

    OCV阀是一个可双向移动的四通路脉宽调制电磁阀，可以通过柱塞阀的轴向移动实现对机油流量和流向的控制。发动机的ECU提供给OCV阀脉宽调节占空比信号，改变通至转子叶片两侧的机油流量，由此控制凸轮相对于曲轴的正时和相位。

    在断电的工况下，由于回位弹簧的预紧力作用，OCV阀的阀芯处于图2所示的最左边。此时A口和B口截面积均最大，A口与进油道接通，B口与回油道接通，使相位器处于最滞后的位置。假定我们规定占空比信号为45%～55%时，相位器处于保持位置，即OCV阀的两个出油口都关闭。随着占空比的增大，OCV阀阀芯沿着图2所示X的方向进行运动。

    下面我们对不同占空比的OCV工作情况进行分析。占空比从0%～45%逐渐增大，A口和B口的截面均逐渐减小。直到占空比刚好达到45%，此时A口和B口均完全关闭，处于相位器的保持状态。占空比从45%～55%继续增大，相位器保持不变，相位器仍处于保持状态。占空比从55%～100%逐渐增大，A口和B口均打开，且截面积均逐渐增大，但此时的A口与回油道接通，B口与进油道接通，相位器逐渐向提前方向转动。图2为所示的X方向运动过程，同理可进行分析。

    2 OCV阀Simulink建模

    OCV阀模型的建立可以分为两部分：阀芯的力平衡方程（1）和电磁力方程。

    2.1 阀芯的力平衡方程

    首先对阀芯进行受力分析，将阀芯上的作用力简化为电枢部分产生的电磁力和作用在阀芯上的回位弹簧的预紧力．根据上述分析可建立OCV阀阀芯的力平衡方程：

        （1）

    其中，m—阀芯总成的质量/kg；b—机油的黏性阻尼系数/（N•S/m）；k—回位弹簧刚度/（N/m）；x—阀芯位移/m；f—回位弹簧的预紧力/N；Fem—电磁力/N。

        （2）

    其中，m₁—磁场部分的阀芯质量/kg；m₂—轴阀部分质量/kg。

        （3）

    其中，k—回位弹簧刚度，/（N/m）；Δx—初始位置时的回位弹簧预压缩量/m。

    2.2 电磁力方程

    根据麦克斯韦电磁力公式可知，电磁力与磁感应强度，作用的截面积和介质的磁导率有关．有如下的电磁力方程：

        （4）

    其中，Fem—电磁力/T；B—磁感应强度/T；A—磁场中空气气隙的截面积/m；μ₀—空气的磁导率/NA²。

        （5）

    其中，Φ是磁通量。

        （6）

    其中，N是电枢部分线圈的匝数；U_duty是电枢的供电电压/V；L是线圈的电感/H；R_T是线圈的电阻/Ω；I是电流/A；电阻阻值是随温度变化的，故R_T＝R₂₀（1+0.00393（T－20）），R₂₀是20摄氏度时的线圈电阻值/Ω；T是线圈工作过程中的实际温度/℃。

        （7）

    其中，E是总的磁动势/GL；E_air是空气气隙的磁动势/GL；E_steel是磁场中阀芯的磁动势/GL。

    磁感应强度B与空气气隙磁场强度H和阀芯磁场强度H的关系如下：

        （8）

    其中，H_air是空气气隙的磁场强度/（A/m）；μ是磁场中阀芯的导磁率/（N/A²）；H_steel是磁场中阀芯的磁场强度/（A/m）³；M（r）磁化强度/emu；Xm是磁化系数。

        （9）

        （10）

    其中：L_steel是磁场中阀芯的轴向长度/m。

    2.3 OCV阀Simulink建模

    根据上述对阀芯的受力分析和电磁力分析，运用Matlab中集成的Simulink模块进行数学建模。图3是对阀芯力平衡方程和电磁力方程封装之后的结果，通过封装可以使模型看上去更简洁直观。图4为阀芯力平衡方程，通过双积分器可以得到阀芯的位移。图5为电磁力方程的具体模型，通过占空比信号和实际温度可以获得作用在阀芯上的电磁力。

图3 OCV阀整体模型

图4 阀芯力平衡方程

图5 电磁力方程模型

    3 仿真及结果分析

    从理论上可以认为当占空比为0时，阀芯位置保持在默认位置，即x为0；随着占空比值的增大，阀芯向右移动，实际中可移动距离在10mm左右，所以近似认为50%占空比时阀芯移动到5mm，80%占空比阀芯移动到8mm处（如图6至图8所示）。

图6 20%占空比时阀芯位置

图7 50%占空比阀芯位置　

图8 80%占空比阀芯位置

    根据上面的曲线图可知，在给定某个具体的占空比下，可以将OCV阀的位置控制到目标位置。但问题在于整体响应的速度非常缓慢，与真实的OCV阀响应速度有一定的差距。

    究其原因，可归纳为如下几点原因：

    （1）由于OCV阀属于精密仪器，拆开的难度较大，许多机械参数我们并不能准确设定，而是通过查阅资料和根据实际情况进行估算的；

    （2）阀芯的磁场强度H和磁感应强度B的关系，通过一个类线性的方程表示出来，即磁化系数设为定值；真实中的磁化强度M（r）和H，B之间的关系是极其复杂的非线性关系。

    （3）占空比调节信号是通过一个固定占空比的方波信号模块模拟的，与真实中的发动机ECU发送的控制信号有一定差距。

    4　结束语

    OCV阀仿真模型的开发为进一步提高OCV阀的性能提供了方法．在设计OCV阀时，只需改变模型的一些基本参数就能利用模型来进行OCV阀有关工作性能的预测，确定OCV阀对工作响应过程的影响规律，这样大大缩短了设计开发周期，一定程度上减少了试验调整的工作量。但目前为止，研究过程中，遇到的问题仍无法完全解决，导致最后的仿真结果不够理想，希望以后的研究中能够不断完善。