發(fā)動機模型的研究

手術驅動的結構模型在車輛的自動自動駕駛過程中，車輛可以形成一個沒有“孔”的理想指導崗位，從而確保車輛在理想的駕駛過程中行駛，并改善車輛的動態(tài)和經濟性，減少污染。因此,無級變速傳動系統(tǒng)匹配及控制技術是實現車輛性能的關鍵技術之一。目前,世界上廣泛使用的是金屬帶式無級變速器,它具有功率傳遞容量大、傳動效率高、使用壽命長等特點。當前,世界上大約有100多萬輛轎車裝備了此種變速器。本文在試驗測試數據的基礎上采用擬合的方法得到了發(fā)動機模型。討論了傳動系統(tǒng)的速比和速比范圍對車輛性能的影響。在給定的系統(tǒng)模型基礎上,針對不同要求仿真研究了無級變速傳動系統(tǒng)的匹配策略,為無級變速系統(tǒng)的開發(fā)提供理論依據。1發(fā)動機工作點的控制利用無級變速傳動系統(tǒng)可以實現對發(fā)動機轉速的控制,進而可以控制發(fā)動機工作點。因此,對系統(tǒng)中發(fā)動機模型的建立及其特性的了解是研究無級變速系統(tǒng)匹配策略與控制規(guī)律的重要環(huán)節(jié)。1.1發(fā)動機轉速關系的描述發(fā)動機是一個較為復雜的系統(tǒng),不易用簡單的數學公式來描述。最常用的方法是利用發(fā)動機試驗數據,采用多項式擬合的方法構造發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出轉矩與油門開度和發(fā)動機轉速的關系或利用數表的方式來表示。在實際運行過程中,當發(fā)動機油門從一個位置變到另一個位置時,它的輸出轉矩并不能隨著油門的變化瞬時完成,而要經歷一個動態(tài)響應過程。一般將其動態(tài)特性簡化為具有滯后的一階慣性環(huán)節(jié),表達為Te=e?τs1kτs+1Ts(1)Τe=e-τs1kτs+1Τs(1)式中kτ——動態(tài)特性的擬合系數τ——滯后時間s——拉氏變換因子Te——發(fā)動機動態(tài)輸出轉矩Ts——發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)輸出轉矩,它是油門開度和發(fā)動機轉速的函數1.2發(fā)動機燃油消耗率的計算將發(fā)動機每個轉速下的負荷特性曲線由ge=ge(ne,Pe)轉化為ge=ge(ne,Te)的關系,利用3次樣條插值擬合出如圖1b所示的關于發(fā)動機有效燃油消耗率與發(fā)動機轉速和轉矩的關系曲面,即發(fā)動機油耗的數值模型。由于發(fā)動機動態(tài)特性對發(fā)動機的燃油消耗率影響不大,因此,可以用發(fā)動機穩(wěn)態(tài)的油耗量近似代替其動態(tài)油耗量。利用發(fā)動機油耗的數值模型可得圖2所示的發(fā)動機萬有特性圖。萬有特性圖上的最小燃油消耗線是發(fā)動機燃油消耗率最低的理想的經濟工作線。為防止發(fā)動機轉速過低引起輸出轉矩波動,給發(fā)動機設置了一個實用的最小使用轉速限值neL,這樣發(fā)動機理想經濟工作線包括兩個部分,一部分是真正的經濟工作線,其功率水平在額定功率的20%以上,另一部分是最小轉速限值部分。1.3轉速調節(jié)系統(tǒng)所謂轉速調節(jié)特性是指需求特性的功率值在需求特性場上變化時,獨立地調節(jié)車輛傳動裝置的速比,使發(fā)動機維持在其供應特性場上任何一個相當功率值下所要求的特定點的轉速調節(jié)。如果要求將發(fā)動機供應特性場上每一個相應的功率都保持在最低油耗的轉速下工作,則發(fā)動機油門開度與轉速的關系即為最佳燃油經濟性轉速調節(jié)特性。如果在每一個油門開度下發(fā)動機均能在發(fā)出最大功率的轉速下工作,那么油門開度與轉速的關系則為最佳動力性轉速調節(jié)特性。圖3中曲線E和S分別表示發(fā)動機最佳燃油經濟性和動力性的轉速調節(jié)特性曲線。2傳動最小速比的確定研究對象選用配備無級變速傳動系統(tǒng)的小紅旗CA7220轎車,無級變速傳動系統(tǒng)模型采用傳統(tǒng)的雙質量模型,在車輛運行過程中,假設離合器油缸中的壓力可以按理想情況施加。無級變速傳動系統(tǒng)的最大和最小速比是其最主要參數。它的設定影響著車輛的燃油經濟性、動力性和金屬傳動帶的使用壽命。因此在選擇傳動系統(tǒng)參數時,要對這三者進行綜合考慮。為保證車輛具有原車的動力性能,取無級變速系統(tǒng)的最大速比與原車有級變速器Ⅰ擋速比相當。由于最小速比影響車輛的燃油經濟性,因此,傳動系統(tǒng)的最小速比按照實現發(fā)動機最小燃油經濟性的要求來選擇,經計算系統(tǒng)最小速比imin=2.0841,具體計算過程見文獻。研究表明,車輛在一定的道路循環(huán)工況下,傳動系統(tǒng)最小速比小到一定程度后對車輛平均百公里油耗的進一步降低幾乎不起作用。同時,最小速比越小就意味著金屬帶的工作半徑越小,這會產生很大的彎曲應力和張力,降低其使用壽命。當系統(tǒng)的最大速比相當原車Ⅰ擋速比,金屬帶的最大速比取2.6,則主傳動器速比為:i0=5.6922。當傳動系統(tǒng)最小速比取計算值imin=2.0841時,帶傳動的最小速比為0.3661,這超出了金屬帶最小工作半徑的結構限制條件,金屬帶的最小速比限值為0.445。因此,無級變速傳動系統(tǒng)總速比取為2.533～14.7996。圖4a是無級變速傳動系統(tǒng)的速比工作范圍圖,圖中曲線C表示車輛在水平道路上勻速行駛時,發(fā)動機沿最佳燃油經濟工作線運行的速比變化曲線。由于線B和曲線C不存在交點,在線A和B的范圍內,發(fā)動機可以完全實現最佳燃油經濟運行。線D表示由于結構限制后,傳動系統(tǒng)最小速比選為2.533,D和C越接近,表明系統(tǒng)的經濟性越好。圖4a中斜剖線部分為系統(tǒng)速比調節(jié)范圍。圖4b比較了最小速比分別取2.0841和2.533時與原車Ⅳ擋和Ⅴ擋等速行駛時的百公里油耗,由圖可見,兩個不同最小速比的CVT系統(tǒng)的油耗差別不大,但均低于原有的有級變速器車輛。3匹配策略和模擬3.1發(fā)動機最佳轉速的計算傳動系統(tǒng)的匹配策略以實現發(fā)動機最佳燃油經濟性為例來討論。在圖2所示的發(fā)動機最佳燃油經濟性曲線上,發(fā)動機油門開度、轉速及輸出功率之間具有一一對應的關系,對應CVT的每個速比,將發(fā)動機最佳燃油經濟曲線轉化到車輛的驅動特性圖上,可以得到一個最經濟工作區(qū)(圖5中陰影部分)。由車速、速比和發(fā)動機轉速之間的計算關系:iCVT=Ane/v(A為轉換系數)及最佳燃油經濟性曲線上轉速與油門開度α的對應關系:ne=f1(α),可得出實現發(fā)動機最經濟運轉的CVT目標速比iCVTd,它是油門開度和車速的函數:iCVTd=f2(α,v)。將圖5車輛驅動特性圖的陰影區(qū)轉化到發(fā)動機圖上,在每一個車速下,對應不同的功率級(油門開度)和相應的目標速比,計算可得實現發(fā)動機最佳燃油經濟性運行的目標發(fā)動機轉速,它是油門開度和車速的函數ned=f(α,v)。同樣可得到實現車輛最佳動力性的目標發(fā)動機轉速。將目標發(fā)動機轉速作為控制器的目標量來調節(jié)CVT速比,進而可達到控制發(fā)動機工作點的目的。3.2模擬分析分別對車輛的起車、加速以及按一定的速度循環(huán)工況運行等幾種不同情況討論了系統(tǒng)的動態(tài)特性和實現發(fā)動機的最佳燃油經濟性的系統(tǒng)匹配情況。(1)最佳燃油經濟點及轉速試驗結果對油門全開和30%油門開度的起車過程進行了比較,仿真結果如圖6所示。圖6a和圖6b分別給出了無級變速車輛的速比特性圖和發(fā)動機工作特性圖。如圖6a所示,在不同大小油門起車的情況下離合器的接合轉速是不同的,油門開度越大,則離合器接合轉速越高。當發(fā)動機轉速達到油門開度所對應的目標轉速后,速比開始連續(xù)調節(jié),車輛在恒定的發(fā)動機轉速下加速,直到與外界阻力平衡。此時在圖6b上發(fā)動機按最佳燃油經濟點運行,如圖所示的穩(wěn)態(tài)工作點。松開油門后,如圖6a所示,幾乎在恒定的車速下速比向最小方向變化,然后沿最小速比減速直到最小控制轉速,速比由小向大的方向變化。由于系統(tǒng)模型中沒有制動器模型,無級變速系統(tǒng)的速比變化率較小,使發(fā)動機在減速過程中幾乎不能按最佳燃油經濟點運行,如圖6b所示。圖6c表示在油門全開的情況下,車速、速比以及速比變化率在離合器接合過程、定油門加速過程、松油門減速過程以及離合器松開過程中隨時間的變化情況。圖6d則表示在30%油門開度下車速、速比和速比變化率隨時間的變化情況。(2)發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作點在一定車速下行駛時突然增大油門使車輛加速,傳動系統(tǒng)速比變化特性和發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作點如圖7所示。在兩次增大油門的過程中,首先速比都是在恒車速的情況下向增大方向變化,達到目標轉速后再開始向最小速比方向調節(jié),使車輛在一定的發(fā)動機轉速下加速直到與外界阻力平衡。(3)不同工況下發(fā)動機運轉點及轉速隨轉速的變化特性速度工況考慮到加速、勻速和減速3種情況,如圖8所示。系統(tǒng)采用柔性控制的方式共同控制油門和速比來保證在加速和勻速的情況下發(fā)動機理想工作點和車輛性能的實現。在圖8a中的加速、勻速和減速階段實際車速均能夠按目標車速行駛。圖8b表示速比的變化情況。在圖8c的油門開度變化圖中,加速時油門開度逐漸增大,勻速行駛時油門開度保持不變,減速時油門開度逐漸減小,在加速變勻速的過程中,油門開度具有一個瞬態(tài)波動變化。在圖8d中,加速時驅動力明顯大于行駛阻力,勻速時兩者相等,在減速時,由于模型中沒有考慮制動器模型,制動力完全由發(fā)動機的反拖力提供。圖8e表示了各工況下發(fā)動機運轉點的變化情況。其中由加速變勻速時,發(fā)動機運行軌跡瞬時偏離理想的發(fā)動機工作線,這是由系統(tǒng)的時滯作用和無級變速器的速比變化率不足造成的。而勻速行駛時,發(fā)動機工作點不在理想工作線上也是由傳動系統(tǒng)的速比范圍不夠、最小速比限制造成的。4多級慢速傳動的仿真分析(1)活塞式內燃機與無級變速傳動系統(tǒng)相匹配可以構成理想的傳動系統(tǒng)供應特性場。在無級變速傳動系統(tǒng)具有足夠高的效率的情況下,車輛可以實現最佳燃油經濟性和最佳動力性運行。(2)無級變速系統(tǒng)的最大速比影響車輛動力性,最小速比影響發(fā)動機的燃油消耗。足夠