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混合動力汽車發(fā)動機起動過程阻力矩研究
2019-09-02 09:49:13· 來源：汽車技術(shù)研究所
概述功率分流式混合動力系統(tǒng)發(fā)動機、電機與驅(qū)動輪始終耦合在一起，任何一個輸入軸的轉(zhuǎn)矩波動都將影響輪邊轉(zhuǎn)矩輸出，大幅或不規(guī)則的轉(zhuǎn)矩波動還將導(dǎo)致起動平順性惡
概述
功率分流式混合動力系統(tǒng)發(fā)動機、電機與驅(qū)動輪始終耦合在一起，任何一個輸入軸的轉(zhuǎn)矩波動都將影響輪邊轉(zhuǎn)矩輸出，大幅或不規(guī)則的轉(zhuǎn)矩波動還將導(dǎo)致起動平順性惡化。為深入分析混合動力發(fā)動機起動平順性的影響因素，開展發(fā)動機起動過程阻力矩研究顯得尤為重要。
發(fā)動機起動過程中的倒拖轉(zhuǎn)阻力矩主要包括泵氣阻力矩、活塞組件往復(fù)慣性力矩、運動部件摩擦阻力矩和附件運行阻力矩。其中，往復(fù)慣性力矩和泵氣阻力矩由其他學(xué)者推導(dǎo)的公式表示，運動部件摩擦阻力矩通過經(jīng)驗公式近似，附件運行阻力矩通過試驗獲取。
本文采用理論結(jié)合試驗的方法對發(fā)動機起動過程阻力矩進行研究，測量了拖轉(zhuǎn)過程中不同轉(zhuǎn)速各曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)壓力，利用發(fā)動機參數(shù)、采集的數(shù)據(jù)和理論公式對泵氣阻力矩和往復(fù)慣性力矩進行了仿真計算；為測量靜摩擦與動摩擦阻力矩，還開展了摩擦阻力矩試驗。為研究節(jié)氣門開度、初始曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動機水溫對起動過程阻力矩的影響，分別開展了各轉(zhuǎn)速下不同節(jié)氣門開度的缸內(nèi)壓力試驗、不同初始曲軸轉(zhuǎn)角靜摩擦阻力矩試驗和不同發(fā)動機水溫動摩擦阻力矩試驗。本研究可為混合動力汽車發(fā)動機起動過程平順性控制研究提供參考。
1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與阻力矩理論建模
1.1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1為混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。該混合動力系統(tǒng)發(fā)動機起動方式不同于傳統(tǒng)發(fā)動機。發(fā)動機經(jīng)過扭轉(zhuǎn)減震器和變速箱固連，在駐車或者行駛兩種工況下，都可以通過電機1來使發(fā)動機起動。表1為混合動力汽車發(fā)動機起動與傳統(tǒng)汽車發(fā)動機起動的主要區(qū)別。整車控制器(HCU)會根據(jù)當前車速與加速踏板開度、電池荷電狀態(tài)(SOC)、發(fā)動機水溫、電池允許充放電功率等信號判斷起動條件。
1.2 阻力矩理論建模
圖2為發(fā)動機起動過程綜合阻力矩系統(tǒng)圖，主要組成包括：往復(fù)慣性力矩、泵氣阻力矩和摩擦阻力矩。各阻力矩主要影響因素分別為：曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機轉(zhuǎn)速；曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度；初始曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機水溫。
1.2.1 泵氣阻力矩
壓縮空氣作用在氣缸上的作用力Fp沿連桿方向
圖1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
表1混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車發(fā)動機起動主要區(qū)別
圖2 綜合阻力矩組成及主要影響因素系統(tǒng)圖
和氣缸壁方向分解為Fl和Fs，其中連桿上作用分力Fl再次沿曲柄徑向和法向分解為Fr和Fn。因此，壓縮空氣作用在曲柄上的泵氣阻力矩為：
(1)
式中，r為曲柄半徑；α為曲柄與中心線的夾角；β為壓縮空氣作用在氣缸上的作用力與連桿的夾角；l為連桿長度；Ap為活塞面積；p為壓縮空氣在氣缸中的作用壓力；p0為環(huán)境壓力。由式(1)可知：氣缸泵氣阻力矩與缸內(nèi)壓力、曲軸轉(zhuǎn)角、曲柄半徑及連桿長度有關(guān)。當發(fā)動機型號確定后，曲柄半徑和連桿長度即已知，只需通過試驗測取缸內(nèi)壓力隨發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系即可。
1.2.2 往復(fù)慣性力矩
混合動力發(fā)動機起動過程往復(fù)慣性力矩與活塞連桿組等效質(zhì)量、加速度和活塞位移成正比，根據(jù)曲柄連桿機構(gòu)動力學(xué)知識可以推導(dǎo)出起動過程往復(fù)慣性力矩為：
(2)
式中，m為活塞組等效質(zhì)量。本文的發(fā)動機運用在復(fù)合功率分流ECVT系統(tǒng)中，主要計算與技術(shù)參數(shù)如表2所示。
表2發(fā)動機主要計算與技術(shù)參數(shù)
根據(jù)公式(2)，結(jié)合表2參數(shù)，利用Matlab/Simulink仿真計算得到典型轉(zhuǎn)速下的單缸、4缸發(fā)動機往復(fù)慣性力矩。
圖3和圖4分別為發(fā)動機單缸和4缸發(fā)動機往復(fù)慣性力矩在不同轉(zhuǎn)速下隨曲軸角度變化的規(guī)律。發(fā)動機轉(zhuǎn)速100 r/min以下時，單缸及4缸發(fā)動機往復(fù)慣性力矩幅值均小于0.1 N·m，且隨曲軸轉(zhuǎn)角呈非規(guī)則周期性變化；而轉(zhuǎn)速大于100 r/min時，單缸及4缸發(fā)動機往復(fù)慣性力矩隨著轉(zhuǎn)速增大而增大，且隨曲軸角度變化呈規(guī)則周期性變化，4缸發(fā)動機往復(fù)慣性力轉(zhuǎn)矩幅值明顯大于單缸幅值。
圖3 單缸發(fā)動機往復(fù)慣性力矩
圖4 4缸發(fā)動機往復(fù)慣性力矩
2 缸內(nèi)壓力與摩擦阻力矩試驗
2.1 試驗設(shè)備與方法
圖5為傳感器數(shù)據(jù)采集實物與試驗現(xiàn)場圖，為精確獲取發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角和缸內(nèi)壓力信息，對現(xiàn)有發(fā)動機臺架進行改造，包括：在發(fā)動機皮帶輪側(cè)安裝光電編碼器；采用帶壓力探頭的火花塞替代某一缸原有火花塞。傳感器主要參數(shù)如表3所示。缸內(nèi)壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器均配有獨立的數(shù)采裝置和采集軟件，實際操作時各自記錄絕對時間，并在每一項試驗開始前校對絕對時間，最后在處理數(shù)據(jù)時進行離線同步。旋轉(zhuǎn)編碼器零度位置為一缸壓縮上止點位置，試驗均在30 ℃溫度環(huán)境下進行。
圖5 傳感器數(shù)采實物與試驗現(xiàn)場圖
表3傳感器參數(shù)
發(fā)動機靜摩擦和動摩擦阻力矩采用轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制模式測量。移除4缸發(fā)動機全部的火花塞，測量靜摩擦阻力矩時，驅(qū)動電機緩慢加載轉(zhuǎn)矩至發(fā)動機開始旋轉(zhuǎn)，記錄發(fā)動機曲軸從不同初始角度開始旋轉(zhuǎn)時的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩值；測量動摩擦阻力矩時，驅(qū)動電機以恒轉(zhuǎn)速拖轉(zhuǎn)發(fā)動機，記錄發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩值。
2.2 試驗結(jié)果分析
圖6為節(jié)氣門默認開度6%，不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下單缸發(fā)動機缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于100 r/min時，缸內(nèi)壓力先下降至負壓(最低為30 r/min時的-0.222 MPa)，然后隨著曲軸角度的增加緩慢上升，在-120°附近恢復(fù)至大氣壓；在發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于200 r/min時，缸內(nèi)壓力在曲軸角度90°～360°和-360°～-90°范圍內(nèi)變化平緩。在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)壓力均在壓縮上止點附近急劇上升并達到最大值，其中缸內(nèi)壓力峰值出現(xiàn)在400 r/min～600 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，達1.482 MPa。
圖6 單缸發(fā)動機缸內(nèi)壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線
節(jié)氣門開度與進氣壓力有關(guān)，節(jié)氣門開度越大，進氣壓力越大，而進氣壓力影響泵氣損失，進氣壓力越高泵氣損失越小，燃油經(jīng)濟性與熱效率越好。綜合考慮節(jié)氣門開度對燃油經(jīng)濟性、熱效率及發(fā)動機起動平順性的影響，將節(jié)氣門開度設(shè)置為1%、6%、50%和100%開展泵氣阻力矩研究。
圖7分別為單缸發(fā)動機轉(zhuǎn)速在100 r/min和600 r/min時，不同節(jié)氣門開度下缸內(nèi)壓力隨曲軸角度變化規(guī)律。同一轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)壓力在壓縮上止點附近達到峰值，并且缸內(nèi)壓力峰值隨節(jié)氣門開度增大而增大。對比發(fā)動機轉(zhuǎn)速100 r/min和600 r/min可知，泵氣壓力峰值與發(fā)動機轉(zhuǎn)速有關(guān)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速100 r/min時缸內(nèi)最大壓力峰值為1.053 MPa，而發(fā)動機轉(zhuǎn)速600 r/min時缸內(nèi)最大壓力峰值為1.68 MPa，大于發(fā)動機轉(zhuǎn)速100 r/min的缸內(nèi)最大壓力峰值。
圖7 不同節(jié)氣門開度下單缸發(fā)動機缸內(nèi)壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線
根據(jù)試驗測得缸內(nèi)壓力，結(jié)合公式(1)利用Matlab/Simulink仿真計算得各轉(zhuǎn)速下單缸、4缸發(fā)動機泵氣阻力矩。
圖8、圖9分別為單缸發(fā)動機與4缸發(fā)動機泵氣阻力矩在不同轉(zhuǎn)速下隨曲軸角度變化規(guī)律。單缸泵氣轉(zhuǎn)矩峰值與曲軸位置有關(guān)，在曲軸轉(zhuǎn)角20°和700°出現(xiàn)正、負峰值。發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于100 r/min時，在280°和420°處出現(xiàn)幅值略低的次波峰和波谷，其值分別達22.2 N·m和-13.7 N·m，且隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的下降，次波峰和波谷幅值下降。發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于100 r/min時，次波峰和波谷幅值明顯降低，但隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升，次波峰和波谷幅值仍會緩慢增加。
圖8 單缸發(fā)動機泵氣阻力矩與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系
圖9 4缸發(fā)動機泵氣阻力矩與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系
4缸發(fā)動機總泵氣阻力矩隨著曲軸角度的變化，在一個工作循環(huán)內(nèi)周期性、大幅值波動4次。不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速條件下，正向峰值均分別出現(xiàn)在曲軸位置20°、200°、380°和560°附近，負向峰值均出現(xiàn)在曲軸位置160°、340°、520°、700°附近，其兩兩相隔180°。正向峰值出現(xiàn)在發(fā)動機轉(zhuǎn)速600 r/min時，為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩107.5 N·m；負向峰值出現(xiàn)在發(fā)動機轉(zhuǎn)速800 r/min時，阻力矩為-103.8 N·m。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于100 r/min時，隨著轉(zhuǎn)速的降低，發(fā)動機泵氣阻力矩峰值下降。
圖10為4缸發(fā)動機靜摩擦阻力矩、動摩擦阻力矩隨初始曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。發(fā)動機靜摩擦阻力矩隨初始曲軸轉(zhuǎn)角位置呈非規(guī)則性變化，在0°至40°之間呈上升趨勢，在40°至60°之間達到峰值22.5 N·m，在60°至180°之間呈下降趨勢，其中在90°至160°之間維持在16 N·m。
圖10 4缸發(fā)動機摩擦阻力矩曲線
發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于100 r/min時，動摩擦阻力矩維持在15 N·m附近；發(fā)動機轉(zhuǎn)速從100 r/min到1 000 r/min 線性上升過程中，動摩擦阻力矩隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的線性升高，由11 N·m線性增加至19 N·m。
圖11為4缸發(fā)動機轉(zhuǎn)速為100 r/min、400 r/min和800 r/min時，動摩擦阻力矩隨發(fā)動機水溫變化規(guī)律。同一轉(zhuǎn)速下，隨著發(fā)動機水溫上升，動摩擦阻力矩大體呈下降趨勢；相同發(fā)動機水溫條件下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)動機動摩擦阻力矩逐漸增大。發(fā)動機水溫在30 ℃～60 ℃區(qū)間時動態(tài)摩擦阻力矩變化明顯，在60 ℃以上時發(fā)動機動態(tài)摩擦阻力矩變化很小。
圖11 4缸發(fā)動機動摩擦阻力矩與水溫的關(guān)系曲線
3 發(fā)動機阻力矩拖轉(zhuǎn)試驗驗證
將驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩設(shè)定為0.1 s內(nèi)由0 N·m線性加載至35 N·m，模擬發(fā)動機實際倒拖過程，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升至900 r/min后撤除轉(zhuǎn)矩。
圖12為4缸發(fā)動機不同初始曲軸轉(zhuǎn)角下起動時轉(zhuǎn)速隨時間變化規(guī)律。由圖12可知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在0～90 r/min上升過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化規(guī)律與初始曲軸轉(zhuǎn)角有關(guān)。當初始曲軸轉(zhuǎn)角小于90°時，發(fā)動機0～90 r/min變化過程中轉(zhuǎn)速先緩慢上升，隨后下降至零轉(zhuǎn)速，一段時間后再次上升，其中初始曲軸轉(zhuǎn)角越大，初始轉(zhuǎn)速上升幅值越小。當初始曲軸轉(zhuǎn)角大于90°時，發(fā)動機0～90 r/min變化過程中轉(zhuǎn)速先緩慢上升，隨后略微下降，后再次上升，其中初始曲軸轉(zhuǎn)角越大，轉(zhuǎn)速下降程度越大。發(fā)動機轉(zhuǎn)速在90 r/min至600 r/min上升過程和600 r/min至50 r/min 下降過程中均產(chǎn)生劇烈波動，變化規(guī)律與初始曲軸轉(zhuǎn)角變化無關(guān)。發(fā)動機轉(zhuǎn)速在50 r/min至0 r/min下降過程中波動較小且變化規(guī)律一致，也與初始曲軸轉(zhuǎn)角變化無關(guān)。
圖12 不同初始曲軸轉(zhuǎn)角-4缸發(fā)動機拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速曲線
圖13為4缸發(fā)動機在0°和135°初始曲軸轉(zhuǎn)角下，發(fā)動機起動過程中軸端實測轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和角度隨時間的變化規(guī)律。由圖13(a)可知，初始曲軸轉(zhuǎn)角0°拖轉(zhuǎn)時，隨著驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的梯度上升，轉(zhuǎn)速和軸端實測阻力轉(zhuǎn)矩開始緩慢增加，第3缸活塞逐漸接近壓縮上止點，泵氣阻力轉(zhuǎn)矩達到峰值。此時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不足以克服泵氣阻力轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機曲軸停在158°附近，轉(zhuǎn)速下降為零。曲軸靜止一段時間后，泵氣阻力轉(zhuǎn)矩因缸內(nèi)壓力降低而下降，曲軸在35 N·m驅(qū)動轉(zhuǎn)矩作用下再次開始旋轉(zhuǎn)。當曲軸轉(zhuǎn)角超過180°時，第3缸由壓縮行程轉(zhuǎn)入做功行程，泵氣轉(zhuǎn)矩由阻力轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，加速曲軸旋轉(zhuǎn)。直至曲軸旋轉(zhuǎn)至下一個180°時，因第4缸壓縮行程導(dǎo)致發(fā)動機旋轉(zhuǎn)阻力增加，轉(zhuǎn)速下降。
圖13 0°和135°初始曲軸轉(zhuǎn)角拖轉(zhuǎn)實測轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩
由圖13(b)可知，初始曲軸轉(zhuǎn)角135°拖轉(zhuǎn)時，隨著驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的梯度上升，第3缸活塞向壓縮上止點運行，轉(zhuǎn)速和軸端實測阻力轉(zhuǎn)矩開始緩慢增加，此時壓縮缸內(nèi)的泵氣阻力轉(zhuǎn)矩有限，曲軸較為平穩(wěn)地通過氣缸壓縮上止點。當活塞由壓縮行程轉(zhuǎn)入做功行程時，泵氣轉(zhuǎn)矩由阻力轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，加速曲軸旋轉(zhuǎn)。此時第4缸活塞逐漸接近壓縮上止點，導(dǎo)致發(fā)動機旋轉(zhuǎn)阻力增加，轉(zhuǎn)速下降。但由于飛輪慣性的作用，發(fā)動機快速通過第4缸壓縮上止點并進入下一個加速過程。
4 結(jié)論
(1) 混合動力發(fā)動機起動過程阻力矩組成中，泵氣阻力矩占比最大，且具有周期性，最大值達到107.5 N·m；摩擦阻力矩占比次之；往復(fù)慣性力矩影響相對較小。
(2) 混合動力發(fā)動機起動過程泵氣阻力矩主要受缸內(nèi)壓力影響，缸內(nèi)壓力越大則泵氣阻力矩越大。不同的發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度影響缸內(nèi)壓力峰值，進而影響泵氣阻力矩峰值，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，節(jié)氣門開度對泵氣阻力矩影響更明顯。
(3) 混合動力發(fā)動機起動過程中靜摩擦阻力矩主要與起動初始曲軸轉(zhuǎn)角有關(guān)，初始曲軸轉(zhuǎn)角在90°～160°范圍內(nèi)靜摩擦阻力矩較小并且穩(wěn)定，最利于起動；轉(zhuǎn)速與發(fā)動機水溫影響動摩擦阻力矩，起動過程中轉(zhuǎn)速升高可以增大起動力矩，且熱機狀態(tài)下動摩擦阻力矩較小，利于混合動力發(fā)動機起動。
(4) 混合動力發(fā)動機起動時，初始曲軸轉(zhuǎn)角的選擇對起動過程的平順性與快速響應(yīng)具有重要影響。
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