采用电磁驱动配气机构的汽油机换挡过程控制

陈慧涛 常思勤 范爱民

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南京理工大学机械工程学院,南京, 210094

摘要:针对采用电磁驱动配气机构( EMVT)的汽油机,建立了面向控制的无凸轮发动机平均值模型。设计了EMVT的控制模块,实现了直接通过控制进气门运动来调节进气量,进而控制发动机转速和转矩输出。在此基础上,针对电控机械式自动变速器( AMT)的换挡过程,提出了一种基于离合器传递转矩的发动机转速和转矩控制策略,以缩短换挡时间和提高换挡品质。在MATLAB/Simulink环境中进行了仿真,验证了EMVT控制模块和发动机换挡过程控制策略的有效性。

关键词:电磁驱动配气机构;平均值模型;电控机械式自动变速器;换挡过程

中图分类号: TP273;U464.1

DOI:10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.17.001 开放科学(资源服务)标识码(OSID) :

Control of Engines Equipped with Electromagnetic Valvetrains in Shifting Processes

CHEN Huitao CHANG Siqin FAN Aimin

School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094

Abstract: To realize the applications of EMVT,a control ⁃ oriented mean value model of engines with EMVTs was established. A controller of EMVT was designed,which realized that the air flow was regulated by controlling the intake valve motions directly for controlling the rotational speeds and torques of engines. Then,for improving shift quality and shortening shift time of AMT in shifting processes , a control strategy was proposed for engine torques and rotational speeds based on clutch transmitted torques. The effectivenesses of the EMVT controllers and the control strategy in shifting processes were verified by simulations carried out in MATLAB/Simulink.

Key words: electromagnetic valvetrain(EMVT);mean value model;automated mechanical trans⁃ mission(AMT);shifting process

0 引言传统凸轮轴汽油机采用节气门来控制进气量,进气系统的响应时间较长,在诸如电控机械式自动变速器( automated mechanical transmission, AMT)换挡等需要发动机输出转矩和转速快速变化的情况下,无法通过调节进气量对转矩的动态需求作出快速响应。在进气侧装配电磁驱动配气机构( electromagnetic valvetrain,EMVT)后,进气门的运动可实现柔性化调节 ,继而可取消节气

[] 1⁃2门,由进气门直接控制进气量,缩短进气系统的响应时间,以满足快速变化的转矩需求 。

[] 3传统汽油机的平均值模型用进气歧管压力来描述进气过程动态特性,用速度-密度公式来估算进气量 ,体现的是节气门角度与空气质量流量之

[] 4

收稿日期: 2017-11-17

基金项目:国家自然科学基金资助项目( 51306090) 间的关系 。本文针对由进气门直接控制进气量

[] 5⁃7的无节流进气过程,对传统平均值模型中的进气部分进行改进,建立了面向控制的无凸轮发动机平均值模型(简称发动机模型)。并设计了EMVT控制方案以控制进气门的运动。

为了提高AMT的换挡品质,加快换挡过程和缩短动力中断时间,需要在换挡过程中调节发动机转矩输出,对发动机转速进行干预控制 。现有

[] 8研究中,一般都是通过采用控制电子节气门开度、调节点火提前角和控制喷油量(包括断油)中的一种或几种手段相结合的方法来实现对换挡过程中发动机转矩和转速的调节和控制 。但控制电

[] 9⁃15子节气门开度的响应时间较长;改变点火提前角的调节范围很有限;对于汽油机而言,控制喷油量会导致空燃比变化,不利于三元催化的尾气后处理。采用EMVT之后,由进气门直接调节进气量,响应快速变化的转速和转矩需求,可以规避以

上弊端,因此,针对采用EMVT的汽油机,本文提出一种基于换挡过程中离合器传递转矩的发动机转矩和转速控制策略,以减小离合器接合过程中主从动部分的转速差,缩短换挡时间,改善换挡品质。

1 发动机模型的建立

取消节气门后,将进入气缸的空气视为一维可压缩流体,并将该过程视为等熵膨胀过程,此处的空气质量流量ṁ 主要与进气门处的有效截面积

c

Aeff以及上游压力pup和下游压力p (即进气过程中的缸内压力)有关,采用理想喷嘴处的可压缩流体方程 ,可得

[] 4

式中, cd为进气门处的流量系数,是进气门升程L的函数,由实验数据获得; Tup为上游温度; R为理想气体常数; ψ为上下游压力比值的函数。

进气过程中缸内压力pc可由理想气体状态方程求得:

式中, Tc为缸内气体温度;为时间; t Vc为气缸容积,可表示为曲轴转角θ的函数。

在笔者前期研究工作[] 16 基础上建立的发动机

模型的结构见图1,气门运动模块根据EMVT控制模块输出的参数实时模拟进气门的运动,并由式( 1)和式( 2)所描述的进气量估算模块来计算进气量,喷油、转矩输出和曲轴动态等模块采用传统平均值模型的表达形式。 图1 发动机模型和EMVT控制模块结构图

Fig.1 Block diagram of the engine model and the

EMVT controller

2 EMVT控制模块的设计在笔者前期研究工作 基础上建立的EMVT

[] 16控制模块主要由前馈控制部分和PID转速反馈控 制部分组成,见图1。其作用是根据期望转速和转矩,输出合适的进气门运动参数,包括进气门升程L、开启相位VIVO( intake valve opening, IVO)、关闭相位VIVC(或开启持续期, intake valve closing, IVC)、开启和关闭的过渡时间及开启气门数等,以使进气量满足需求。

EMVT控制模块主要通过调节关闭相位VIVC来控制进气量,其他参数在不同的发动机工况下设为不同的定值。在前馈控制中,根据目标转速n和转矩决策模块输出的期望转矩Te ,进气量解释MAP输出所需进气量,然后气门控制参数MAP输出关闭相位的初始值V IVC, 0,同时气门基本控制策略模块输出其他参数,由此确定进气门的运动模式。

PID反馈控制模块则根据发动机模型输出的曲轴转速n̂和目标转速n之间的偏差,对前馈模块的输出进行修正,输出关闭相位的修正值ΔVIVC。图1中, m̂ 为发动机模型对进气量的估算值, mfuel

c

为喷油量, T̂ 为发动机输出转矩的估算值。

e

3 换挡过程分析

3.1 升挡过程

在升挡过程中忽略车速的变化,为使发动机转速尽快下降,在升挡的开始阶段就关闭进气门并停止喷油。图2中, AB段离合器快速分离,至B点时,离合器所能传递的转矩刚好等于换挡前的发动机输出转矩,此时使发动机停止做功。自B点后,离合器进入慢分离阶段,主从动部分之间存在静摩擦,传递转矩等于发动机的摩擦转矩,发动机在离合器从动部分的带动下保持转速不变。自M点后,离合器传递转矩开始小于摩擦转矩,至C点时,离合器传递转矩为零并进入快分离阶段。自M点后,发动机在摩擦阻力矩的作用下,转速开始下降。至F点时,变速器已完成换挡且离合器完成 图2 升挡过程中发动机输出与离合器的关系(情况1) Fig.2 Relationship between engine output and clutch

for upshift( situation one)

快速接合过程,开始传递转矩,此时发动机转速仍大于目标转速,随着离合器传递转矩的增大,发动机转速在滑摩作用下继续下降。至N点时,发动机转速达到目标转速,此时发动机应迅速恢复做功,并使输出转矩等于离合器传递的转矩。NG段,离合器传递转矩继续增大至下个挡位的目标转矩,在此期间发动机的控制目标是在负载转矩不断增大的情况下稳定转速不变。GH段,离合器快速接合并完成升挡过程。

当离合器接合过快时,会出现传递转矩增大至换挡后的目标转矩时,转速还未下降到目标转速的情况。此时,发动机转矩、转速和离合器位置的关系见图3。图中,至G点时,离合器传递转矩已达到换挡后的目标转矩,但转速仍大于目标转速。传递转矩随离合器的接合继续增大,转速也在从动部分的作用下继续下降。至P点时,发动机转速等于目标转速,离合器主从动部分之间无转速差,此时发动机应迅速恢复做功使输出转矩等于换挡后的目标转矩(即负载转矩),控制目标是稳定转速不变,离合器主从动部分之间由滑动摩擦转变为静摩擦,传递转矩也减小为换挡后的目标转矩。 图3 升挡过程中发动机输出与离合器的关系(情况2) Fig.3 Relationship between engine output and clutch

for upshift( situation two)所建发动机模型在仿真过程设定的升挡工况中,当FG段时间大于0.24 s时,对应的是图2中的情况;当FG段时间等于0.24 s时,图3中的G点与P点重合,即离合器传递转矩增大至换挡后目标转矩的同时转速也下降至目标转速;当FG段时间小于0.24 s时,对应的是图3中的情况。

3.2 降挡过程

在降挡过程中忽略车速的变化,发动机应通过控制输出转矩,使转速在离合器开始接合前上升至下一个挡位的目标转速。图4中, AB段离合器快速分离,在B点后离合器传递的转矩开始减小,至C点时离合器传递的转矩减小为零,在此期 间发动机保持转矩输出不变,转速因负载的减小开始上升。CF段,离合器不传递转矩,发动机负载为零,发动机的控制目标是调节输出转矩,使转速快速上升至下一个挡位的目标转速。FG段,离合器传递转矩随着接合过程的进行而逐渐增大,至G点时传递转矩达到换挡后的目标转矩,在此期间发动机的控制目标是在负载转矩不断增大的情况下,保持转速稳定不变。GH段,离合器快速接合并完成降挡过程。

图4 降挡过程中发动机输出与离合器的关系

Fig.4 Relationship between engine output and clutch

for downshift为确定降挡过程中合适的离合器接合时间(即图4中FG段时间),在仿真中设定的降挡工况下,分别取FG段时间为0.10 s、0.15 s、0.20 s、0.25 s和0.30 s,验证发动机在负载不断增大时转速稳定控制的效果,转速波动曲线和结果分别见图5和表

1。笔者希望转速的波动幅度小于50 r/min,因此从仿真结果来看, FG段时间应取0.20 s。

图5 离合器接合过程中转速波动曲线

Fig.5 Curves of engine speed in process of engagement

表1 转速稳定控制结果

Tab.1 Results of stable speed control

4 仿真结果及分析

在 MATLAB/Simulink环境中搭建图1中的发动机模型和EMVT控制模块,针对换挡过程进

行仿真研究。

4.1 升挡过程仿真

在仿真中设定AMT从2挡切换至3挡,传动比分别为i2 = 1.952 和 i3 = 1.323 ,换挡前后保持车速不变。设定换挡前发动机转速 n2 = 2 500 r/min,负载转矩T2 = 50 N · m,则换挡后的目标转速 n3 = n2 i 3 / i 2 = 1 694 r/min ,负载转矩T3 = T2 i2 / i3 = 73.77 N · m(即换挡后的目标转 表2 不同离合器接合时间的升挡过程仿真结果Tab.2 Simulation results of upshift with different speeds of clutch engagement 矩)。设定图2和图3中BC段和FG段的时间相等。另外,根据文献[ 17⁃18 ]中一类应用电磁执行器直接驱动AMT的选换挡时间,设定图2和图3中CF段时间为0.20 s。分别对离合器接合时间(即FG段)为0.20 s、0.24 s和0.30 s的情况进行仿真。在仿真中根据离合器主从动部分的转速差和传递转矩,计算了接合过程中的滑摩功。升挡过程的仿真结果见图6和表2。

图6 不同离合器接合时间的升挡过程转矩和转速曲线

Fig.6 Curves of engine torque and speed for upshift with different speeds of clutch engagement

图6中离合器传递转矩为负的含义是从动部分带动主动部分转动。表2中, t1为完成升挡过程

的时间(忽略图2 中AB段和GH段,以及图3 中

AB段和PH段), t2为发动机转速下降到目标转速所需的时间, t3为转速下降到目标转速且稳定下来所需的时间。t1、t2 和 t3均随离合器接合时间的增加而增加,为更好地比较换挡时间,引入参数α

( α = t3 / t2),α越小,则说明转速下降至目标值且稳

定下来所耗的时间相对更少。

从仿真结果中可以看出,不同离合器接合时间下的滑磨功、发动机转速和转矩波动幅度均控制在较小的范围内。离合器传递转矩增大至下一挡位的负载转矩时,转速也刚好下降至目标转速的情况(即FG段为0.24 s)是最理想的,此时升挡所需时间约为0.68 s, α值以及转速和转矩的波动幅度均最小,滑摩功也较小。离合器接合速度过快,则α值以及转速和转矩的波动幅度均会增大,且较快的接合速度对离合器本身的控制有较高的要求;离合器接合速度过慢,则会直接延长升挡过程所需时间。

4.2 降挡过程仿真

在仿真中设定变速器从3挡切换至2挡,换挡前后保持车速不变,传动比分别为 i3 = 1.323 , i2 = 1.952 。设定换挡前发动机转速 n3 = 1 500 r/min,负载转矩T3 = 50 N · m,则换挡后的目标转速n2 = n3 i 2 / i 3 = 2 213 r/min,负载转矩为T2 = T3 i3 / i2 = 33.89 N · m(即换挡后的目标转矩)。设定图4中BC段和FG段的时间相等。同时,如 3.2节所述FG段设为0.20 s,如 4.1节所述CF段设为0.20 s。降挡过程的仿真结果见图7和表。3 图7 降挡过程中的转矩和转速曲线

Fig.7 Curves of engine torque and speed for downshift表3中, t 为完成降挡过程的时间(忽略图′ 4中

1

AB段和GH段), 为发动机转速上升至目标转速t′

2

表3 降挡过程仿真结果

Tab.3 Simulation results of downshift

的所需时间,的所需时间, α= t 为转速上升至目标转速且稳定下来t / t 。动机转速已上升至目标转速,主从动部分之间几从仿真结果可以看出,离合器开始接合时,发乎无转速差,接合过程中转速和转矩波动幅度均

5较小,降挡所需时间约为结论 0.60 s。

( 1)仿真结果表明:设计的EMVT控制模块可通过控制进气门运动准确调节进气量,以控制发动机转速和转矩输出;提出的换挡过程中基于离合器传递转矩的发动机控制策略,可有效缩短换挡时间并提高换挡品质。

( 2)升挡过程中,离合器采用不同的接合速度时,发动机输出转矩和转速都能较好地响应快速变化的需求,其波动幅度均较小。最理想的情况是,在离合器传递转矩增大至换挡后发动机负载转矩的同时,发动机转速也刚好下降至目标转速,该情况下升挡过程所需时间约为0.68 s。

( 3)降挡过程中,能使发动机转速在离合器开始接合前上升至目标转速,使离合器主从动部分之间几乎无转速差,接合过程中转矩和转速的波动均能控制在较小的范围内,降挡过程所需时间约为0.60 s。

EMVT的应用使原本只能通过调节点火提前角和喷油量来实现的快速响应需求,也可通过进气量的调节来实现。这为AMT、双离合变速器( DCT)和液力自动变速器( AT)等有级变速器换挡品质的进一步提升提供了更多的可能性。

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作者简介:陈慧涛,男, 1988年生,博士研究生。研究方向为发动机建模、仿真与控制。E⁃mail:[email protected]。常思勤(通信作者),男, 1954年生,教授、博士研究生导师。研究方向为车辆电子控制及机电液一体化技术。E⁃mail:[email protected]

( c)接合时间为0.30 s时

( b)接合时间为0.24 s时

( a)接合时间为0.20 s时

( b)转速曲线

( a)转矩曲线

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