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混合动力汽车发动机起动过程阻力矩研究
2019-09-02 09:49:13· 来源：汽车技术研究所
概述功率分流式混合动力系统发动机、电机与驱动轮始终耦合在一起，任何一个输入轴的转矩波动都将影响轮边转矩输出，大幅或不规则的转矩波动还将导致起动平顺性恶
概述
功率分流式混合动力系统发动机、电机与驱动轮始终耦合在一起，任何一个输入轴的转矩波动都将影响轮边转矩输出，大幅或不规则的转矩波动还将导致起动平顺性恶化。为深入分析混合动力发动机起动平顺性的影响因素，开展发动机起动过程阻力矩研究显得尤为重要。
发动机起动过程中的倒拖转阻力矩主要包括泵气阻力矩、活塞组件往复惯性力矩、运动部件摩擦阻力矩和附件运行阻力矩。其中，往复惯性力矩和泵气阻力矩由其他学者推导的公式表示，运动部件摩擦阻力矩通过经验公式近似，附件运行阻力矩通过试验获取。
本文采用理论结合试验的方法对发动机起动过程阻力矩进行研究，测量了拖转过程中不同转速各曲轴转角下的缸内压力，利用发动机参数、采集的数据和理论公式对泵气阻力矩和往复惯性力矩进行了仿真计算；为测量静摩擦与动摩擦阻力矩，还开展了摩擦阻力矩试验。为研究节气门开度、初始曲轴转角和发动机水温对起动过程阻力矩的影响，分别开展了各转速下不同节气门开度的缸内压力试验、不同初始曲轴转角静摩擦阻力矩试验和不同发动机水温动摩擦阻力矩试验。本研究可为混合动力汽车发动机起动过程平顺性控制研究提供参考。
1 混合动力系统结构与阻力矩理论建模
1.1 混合动力系统结构
图1为混合动力系统结构简图。该混合动力系统发动机起动方式不同于传统发动机。发动机经过扭转减震器和变速箱固连，在驻车或者行驶两种工况下，都可以通过电机1来使发动机起动。表1为混合动力汽车发动机起动与传统汽车发动机起动的主要区别。整车控制器(HCU)会根据当前车速与加速踏板开度、电池荷电状态(SOC)、发动机水温、电池允许充放电功率等信号判断起动条件。
1.2 阻力矩理论建模
图2为发动机起动过程综合阻力矩系统图，主要组成包括：往复惯性力矩、泵气阻力矩和摩擦阻力矩。各阻力矩主要影响因素分别为：曲轴转角、发动机转速；曲轴转角、发动机转速和节气门开度；初始曲轴转角、发动机转速、发动机水温。
1.2.1 泵气阻力矩
压缩空气作用在气缸上的作用力Fp沿连杆方向
图1 混合动力系统结构简图
表1混合动力汽车与传统汽车发动机起动主要区别
图2 综合阻力矩组成及主要影响因素系统图
和气缸壁方向分解为Fl和Fs，其中连杆上作用分力Fl再次沿曲柄径向和法向分解为Fr和Fn。因此，压缩空气作用在曲柄上的泵气阻力矩为：
(1)
式中，r为曲柄半径；α为曲柄与中心线的夹角；β为压缩空气作用在气缸上的作用力与连杆的夹角；l为连杆长度；Ap为活塞面积；p为压缩空气在气缸中的作用压力；p0为环境压力。由式(1)可知：气缸泵气阻力矩与缸内压力、曲轴转角、曲柄半径及连杆长度有关。当发动机型号确定后，曲柄半径和连杆长度即已知，只需通过试验测取缸内压力随发动机曲轴转角的变化关系即可。
1.2.2 往复惯性力矩
混合动力发动机起动过程往复惯性力矩与活塞连杆组等效质量、加速度和活塞位移成正比，根据曲柄连杆机构动力学知识可以推导出起动过程往复惯性力矩为：
(2)
式中，m为活塞组等效质量。本文的发动机运用在复合功率分流ECVT系统中，主要计算与技术参数如表2所示。
表2发动机主要计算与技术参数
根据公式(2)，结合表2参数，利用Matlab/Simulink仿真计算得到典型转速下的单缸、4缸发动机往复惯性力矩。
图3和图4分别为发动机单缸和4缸发动机往复惯性力矩在不同转速下随曲轴角度变化的规律。发动机转速100 r/min以下时，单缸及4缸发动机往复惯性力矩幅值均小于0.1 N·m，且随曲轴转角呈非规则周期性变化；而转速大于100 r/min时，单缸及4缸发动机往复惯性力矩随着转速增大而增大，且随曲轴角度变化呈规则周期性变化，4缸发动机往复惯性力转矩幅值明显大于单缸幅值。
图3 单缸发动机往复惯性力矩
图4 4缸发动机往复惯性力矩
2 缸内压力与摩擦阻力矩试验
2.1 试验设备与方法
图5为传感器数据采集实物与试验现场图，为精确获取发动机曲轴转角和缸内压力信息，对现有发动机台架进行改造，包括：在发动机皮带轮侧安装光电编码器；采用带压力探头的火花塞替代某一缸原有火花塞。传感器主要参数如表3所示。缸内压力传感器、旋转编码器和转矩转速传感器均配有独立的数采装置和采集软件，实际操作时各自记录绝对时间，并在每一项试验开始前校对绝对时间，最后在处理数据时进行离线同步。旋转编码器零度位置为一缸压缩上止点位置，试验均在30 ℃温度环境下进行。
图5 传感器数采实物与试验现场图
表3传感器参数
发动机静摩擦和动摩擦阻力矩采用转矩和转速控制模式测量。移除4缸发动机全部的火花塞，测量静摩擦阻力矩时，驱动电机缓慢加载转矩至发动机开始旋转，记录发动机曲轴从不同初始角度开始旋转时的瞬态转矩值；测量动摩擦阻力矩时，驱动电机以恒转速拖转发动机，记录发动机不同转速下的稳态转矩值。
2.2 试验结果分析
图6为节气门默认开度6%，不同发动机转速下单缸发动机缸内压力随曲轴转角的变化规律。当发动机转速低于100 r/min时，缸内压力先下降至负压(最低为30 r/min时的-0.222 MPa)，然后随着曲轴角度的增加缓慢上升，在-120°附近恢复至大气压；在发动机转速高于200 r/min时，缸内压力在曲轴角度90°～360°和-360°～-90°范围内变化平缓。在不同发动机转速下，缸内压力均在压缩上止点附近急剧上升并达到最大值，其中缸内压力峰值出现在400 r/min～600 r/min转速范围内，达1.482 MPa。
图6 单缸发动机缸内压力与曲轴转角的关系曲线
节气门开度与进气压力有关，节气门开度越大，进气压力越大，而进气压力影响泵气损失，进气压力越高泵气损失越小，燃油经济性与热效率越好。综合考虑节气门开度对燃油经济性、热效率及发动机起动平顺性的影响，将节气门开度设置为1%、6%、50%和100%开展泵气阻力矩研究。
图7分别为单缸发动机转速在100 r/min和600 r/min时，不同节气门开度下缸内压力随曲轴角度变化规律。同一转速下，缸内压力在压缩上止点附近达到峰值，并且缸内压力峰值随节气门开度增大而增大。对比发动机转速100 r/min和600 r/min可知，泵气压力峰值与发动机转速有关，发动机转速100 r/min时缸内最大压力峰值为1.053 MPa，而发动机转速600 r/min时缸内最大压力峰值为1.68 MPa，大于发动机转速100 r/min的缸内最大压力峰值。
图7 不同节气门开度下单缸发动机缸内压力与曲轴转角的关系曲线
根据试验测得缸内压力，结合公式(1)利用Matlab/Simulink仿真计算得各转速下单缸、4缸发动机泵气阻力矩。
图8、图9分别为单缸发动机与4缸发动机泵气阻力矩在不同转速下随曲轴角度变化规律。单缸泵气转矩峰值与曲轴位置有关，在曲轴转角20°和700°出现正、负峰值。发动机转速小于100 r/min时，在280°和420°处出现幅值略低的次波峰和波谷，其值分别达22.2 N·m和-13.7 N·m，且随着发动机转速的下降，次波峰和波谷幅值下降。发动机转速高于100 r/min时，次波峰和波谷幅值明显降低，但随着发动机转速的上升，次波峰和波谷幅值仍会缓慢增加。
图8 单缸发动机泵气阻力矩与曲轴转角的关系
图9 4缸发动机泵气阻力矩与曲轴转角的关系
4缸发动机总泵气阻力矩随着曲轴角度的变化，在一个工作循环内周期性、大幅值波动4次。不同发动机转速条件下，正向峰值均分别出现在曲轴位置20°、200°、380°和560°附近，负向峰值均出现在曲轴位置160°、340°、520°、700°附近，其两两相隔180°。正向峰值出现在发动机转速600 r/min时，为驱动转矩107.5 N·m；负向峰值出现在发动机转速800 r/min时，阻力矩为-103.8 N·m。当发动机转速低于100 r/min时，随着转速的降低，发动机泵气阻力矩峰值下降。
图10为4缸发动机静摩擦阻力矩、动摩擦阻力矩随初始曲轴转角和发动机转速变化规律。发动机静摩擦阻力矩随初始曲轴转角位置呈非规则性变化，在0°至40°之间呈上升趋势，在40°至60°之间达到峰值22.5 N·m，在60°至180°之间呈下降趋势，其中在90°至160°之间维持在16 N·m。
图10 4缸发动机摩擦阻力矩曲线
发动机转速小于100 r/min时，动摩擦阻力矩维持在15 N·m附近；发动机转速从100 r/min到1 000 r/min 线性上升过程中，动摩擦阻力矩随着发动机转速的线性升高，由11 N·m线性增加至19 N·m。
图11为4缸发动机转速为100 r/min、400 r/min和800 r/min时，动摩擦阻力矩随发动机水温变化规律。同一转速下，随着发动机水温上升，动摩擦阻力矩大体呈下降趋势；相同发动机水温条件下，随着转速的升高，发动机动摩擦阻力矩逐渐增大。发动机水温在30 ℃～60 ℃区间时动态摩擦阻力矩变化明显，在60 ℃以上时发动机动态摩擦阻力矩变化很小。
图11 4缸发动机动摩擦阻力矩与水温的关系曲线
3 发动机阻力矩拖转试验验证
将驱动电机转矩设定为0.1 s内由0 N·m线性加载至35 N·m，模拟发动机实际倒拖过程，当发动机转速上升至900 r/min后撤除转矩。
图12为4缸发动机不同初始曲轴转角下起动时转速随时间变化规律。由图12可知，发动机转速在0～90 r/min上升过程中，发动机转速变化规律与初始曲轴转角有关。当初始曲轴转角小于90°时，发动机0～90 r/min变化过程中转速先缓慢上升，随后下降至零转速，一段时间后再次上升，其中初始曲轴转角越大，初始转速上升幅值越小。当初始曲轴转角大于90°时，发动机0～90 r/min变化过程中转速先缓慢上升，随后略微下降，后再次上升，其中初始曲轴转角越大，转速下降程度越大。发动机转速在90 r/min至600 r/min上升过程和600 r/min至50 r/min 下降过程中均产生剧烈波动，变化规律与初始曲轴转角变化无关。发动机转速在50 r/min至0 r/min下降过程中波动较小且变化规律一致，也与初始曲轴转角变化无关。
图12 不同初始曲轴转角-4缸发动机拖转转速曲线
图13为4缸发动机在0°和135°初始曲轴转角下，发动机起动过程中轴端实测转矩、转速和角度随时间的变化规律。由图13(a)可知，初始曲轴转角0°拖转时，随着驱动转矩的梯度上升，转速和轴端实测阻力转矩开始缓慢增加，第3缸活塞逐渐接近压缩上止点，泵气阻力转矩达到峰值。此时，驱动转矩不足以克服泵气阻力转矩，发动机曲轴停在158°附近，转速下降为零。曲轴静止一段时间后，泵气阻力转矩因缸内压力降低而下降，曲轴在35 N·m驱动转矩作用下再次开始旋转。当曲轴转角超过180°时，第3缸由压缩行程转入做功行程，泵气转矩由阻力转矩转为驱动转矩，加速曲轴旋转。直至曲轴旋转至下一个180°时，因第4缸压缩行程导致发动机旋转阻力增加，转速下降。
图13 0°和135°初始曲轴转角拖转实测转速、转矩
由图13(b)可知，初始曲轴转角135°拖转时，随着驱动转矩的梯度上升，第3缸活塞向压缩上止点运行，转速和轴端实测阻力转矩开始缓慢增加，此时压缩缸内的泵气阻力转矩有限，曲轴较为平稳地通过气缸压缩上止点。当活塞由压缩行程转入做功行程时，泵气转矩由阻力转矩转为驱动转矩，加速曲轴旋转。此时第4缸活塞逐渐接近压缩上止点，导致发动机旋转阻力增加，转速下降。但由于飞轮惯性的作用，发动机快速通过第4缸压缩上止点并进入下一个加速过程。
4 结论
(1) 混合动力发动机起动过程阻力矩组成中，泵气阻力矩占比最大，且具有周期性，最大值达到107.5 N·m；摩擦阻力矩占比次之；往复惯性力矩影响相对较小。
(2) 混合动力发动机起动过程泵气阻力矩主要受缸内压力影响，缸内压力越大则泵气阻力矩越大。不同的发动机起动转速与节气门开度影响缸内压力峰值，进而影响泵气阻力矩峰值，且随着转速的提高，节气门开度对泵气阻力矩影响更明显。
(3) 混合动力发动机起动过程中静摩擦阻力矩主要与起动初始曲轴转角有关，初始曲轴转角在90°～160°范围内静摩擦阻力矩较小并且稳定，最利于起动；转速与发动机水温影响动摩擦阻力矩，起动过程中转速升高可以增大起动力矩，且热机状态下动摩擦阻力矩较小，利于混合动力发动机起动。
(4) 混合动力发动机起动时，初始曲轴转角的选择对起动过程的平顺性与快速响应具有重要影响。
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