采用電磁驅動配氣機構的汽油機換擋過程控制

陳慧濤 常思勤 范愛民

南京理工大學機械工程學院，南京，210094

0 引言

傳統凸輪軸汽油機采用節氣門來控制進氣量，進氣系統的響應時間較長，在諸如電控機械式自動變速器（automated mechanical transmission，AMT）換擋等需要發動機輸出轉矩和轉速快速變化的情況下，無法通過調節進氣量對轉矩的動態需求作出快速響應。在進氣側裝配電磁驅動配氣機構（electromagnetic valvetrain，EMVT）后，進氣門的運動可實現柔性化調節［1-2］，繼而可取消節氣門，由進氣門直接控制進氣量，縮短進氣系統的響應時間，以滿足快速變化的轉矩需求［3］。

傳統汽油機的平均值模型用進氣歧管壓力來描述進氣過程動態特性，用速度-密度公式來估算進氣量［4］，體現的是節氣門角度與空氣質量流量之間的關系［5-7］。本文針對由進氣門直接控制進氣量的無節流進氣過程，對傳統平均值模型中的進氣部分進行改進，建立了面向控制的無凸輪發動機平均值模型（簡稱發動機模型）。并設計了EMVT控制方案以控制進氣門的運動。

為了提高AMT的換擋品質，加快換擋過程和縮短動力中斷時間，需要在換擋過程中調節發動機轉矩輸出，對發動機轉速進行干預控制［8］。現有研究中，一般都是通過采用控制電子節氣門開度、調節點火提前角和控制噴油量（包括斷油）中的一種或幾種手段相結合的方法來實現對換擋過程中發動機轉矩和轉速的調節和控制［9-15］。但控制電子節氣門開度的響應時間較長；改變點火提前角的調節范圍很有限；對于汽油機而言，控制噴油量會導致空燃比變化，不利于三元催化的尾氣后處理。采用EMVT之后，由進氣門直接調節進氣量，響應快速變化的轉速和轉矩需求，可以規避以上弊端，因此，針對采用EMVT的汽油機，本文提出一種基于換擋過程中離合器傳遞轉矩的發動機轉矩和轉速控制策略，以減小離合器接合過程中主從動部分的轉速差，縮短換擋時間，改善換擋品質。

1 發動機模型的建立

取消節氣門后，將進入氣缸的空氣視為一維可壓縮流體，并將該過程視為等熵膨脹過程，此處的空氣質量流量m?c主要與進氣門處的有效截面積Aeff以及上游壓力pup和下游壓力pc（即進氣過程中的缸內壓力）有關，采用理想噴嘴處的可壓縮流體方程［4］，可得

式中,cd為進氣門處的流量系數，是進氣門升程L的函數，由實驗數據獲得；Tup為上游溫度；R為理想氣體常數；ψ為上下游壓力比值的函數。

進氣過程中缸內壓力pc可由理想氣體狀態方程求得：

式中，Tc為缸內氣體溫度；t為時間；Vc為氣缸容積，可表示為曲軸轉角θ的函數。

在筆者前期研究工作［16］基礎上建立的發動機模型的結構見圖1，氣門運動模塊根據EMVT控制模塊輸出的參數實時模擬進氣門的運動，并由式（1）和式（2）所描述的進氣量估算模塊來計算進氣量，噴油、轉矩輸出和曲軸動態等模塊采用傳統平均值模型的表達形式。

圖1 發動機模型和EMVT控制模塊結構圖Fig.1 Block diagram of the engine model and the EMVT controller

2 EMVT控制模塊的設計

在筆者前期研究工作［16］基礎上建立的EMVT控制模塊主要由前饋控制部分和PID轉速反饋控制部分組成，見圖1。其作用是根據期望轉速和轉矩，輸出合適的進氣門運動參數，包括進氣門升程L、開啟相位VIVO（intake valve opening，IVO）、關閉相位VIVC（或開啟持續期，intake valve closing，IVC）、開啟和關閉的過渡時間及開啟氣門數等，以使進氣量滿足需求。

EMVT控制模塊主要通過調節關閉相位VIVC來控制進氣量，其他參數在不同的發動機工況下設為不同的定值。在前饋控制中，根據目標轉速n和轉矩決策模塊輸出的期望轉矩Te，進氣量解釋MAP輸出所需進氣量，然后氣門控制參數MAP輸出關閉相位的初始值VIVC,0，同時氣門基本控制策略模塊輸出其他參數，由此確定進氣門的運動模式。

PID反饋控制模塊則根據發動機模型輸出的曲軸轉速n?和目標轉速n之間的偏差，對前饋模塊的輸出進行修正，輸出關閉相位的修正值ΔVIVC。圖1中，m?c為發動機模型對進氣量的估算值，mfuel為噴油量，T?e為發動機輸出轉矩的估算值。

3 換擋過程分析

3.1 升擋過程

在升擋過程中忽略車速的變化，為使發動機轉速盡快下降，在升擋的開始階段就關閉進氣門并停止噴油。圖2中，AB段離合器快速分離，至B點時，離合器所能傳遞的轉矩剛好等于換擋前的發動機輸出轉矩，此時使發動機停止做功。自B點后，離合器進入慢分離階段，主從動部分之間存在靜摩擦，傳遞轉矩等于發動機的摩擦轉矩，發動機在離合器從動部分的帶動下保持轉速不變。自M點后，離合器傳遞轉矩開始小于摩擦轉矩，至C點時，離合器傳遞轉矩為零并進入快分離階段。自M點后，發動機在摩擦阻力矩的作用下，轉速開始下降。至F點時，變速器已完成換擋且離合器完成快速接合過程，開始傳遞轉矩，此時發動機轉速仍大于目標轉速，隨著離合器傳遞轉矩的增大，發動機轉速在滑摩作用下繼續下降。至N點時，發動機轉速達到目標轉速，此時發動機應迅速恢復做功，并使輸出轉矩等于離合器傳遞的轉矩。NG段，離合器傳遞轉矩繼續增大至下個擋位的目標轉矩，在此期間發動機的控制目標是在負載轉矩不斷增大的情況下穩定轉速不變。GH段，離合器快速接合并完成升擋過程。

圖2 升擋過程中發動機輸出與離合器的關系（情況1）Fig.2 Relationship between engine output and clutch for upshift（situation one）

當離合器接合過快時，會出現傳遞轉矩增大至換擋后的目標轉矩時，轉速還未下降到目標轉速的情況。此時，發動機轉矩、轉速和離合器位置的關系見圖3。圖中，至G點時，離合器傳遞轉矩已達到換擋后的目標轉矩，但轉速仍大于目標轉速。傳遞轉矩隨離合器的接合繼續增大，轉速也在從動部分的作用下繼續下降。至P點時，發動機轉速等于目標轉速，離合器主從動部分之間無轉速差，此時發動機應迅速恢復做功使輸出轉矩等于換擋后的目標轉矩（即負載轉矩），控制目標是穩定轉速不變，離合器主從動部分之間由滑動摩擦轉變為靜摩擦，傳遞轉矩也減小為換擋后的目標轉矩。

圖3 升擋過程中發動機輸出與離合器的關系（情況2）Fig.3 Relationship between engine output and clutch for upshift（situation two）

所建發動機模型在仿真過程設定的升擋工況中，當FG段時間大于0.24 s時，對應的是圖2中的情況；當FG段時間等于0.24 s時，圖3中的G點與P點重合，即離合器傳遞轉矩增大至換擋后目標轉矩的同時轉速也下降至目標轉速；當FG段時間小于0.24 s時，對應的是圖3中的情況。

3.2 降擋過程

在降擋過程中忽略車速的變化，發動機應通過控制輸出轉矩，使轉速在離合器開始接合前上升至下一個擋位的目標轉速。圖4中，AB段離合器快速分離，在B點后離合器傳遞的轉矩開始減小，至C點時離合器傳遞的轉矩減小為零，在此期間發動機保持轉矩輸出不變，轉速因負載的減小開始上升。CF段，離合器不傳遞轉矩，發動機負載為零，發動機的控制目標是調節輸出轉矩，使轉速快速上升至下一個擋位的目標轉速。FG段，離合器傳遞轉矩隨著接合過程的進行而逐漸增大，至G點時傳遞轉矩達到換擋后的目標轉矩，在此期間發動機的控制目標是在負載轉矩不斷增大的情況下，保持轉速穩定不變。GH段，離合器快速接合并完成降擋過程。

圖4 降擋過程中發動機輸出與離合器的關系Fig.4 Relationship between engine output and clutch for downshift

為確定降擋過程中合適的離合器接合時間（即圖4中FG段時間），在仿真中設定的降擋工況下，分別取FG段時間為0.10 s、0.15 s、0.20 s、0.25 s和0.30 s，驗證發動機在負載不斷增大時轉速穩定控制的效果，轉速波動曲線和結果分別見圖5和表1。筆者希望轉速的波動幅度小于50 r/min，因此從仿真結果來看，FG段時間應取0.20 s。

圖5 離合器接合過程中轉速波動曲線Fig.5 Curves of engine speed in process of engagement

表1 轉速穩定控制結果Tab.1 Results of stable speed control

4 仿真結果及分析

在MATLAB/Simulink環境中搭建圖1中的發動機模型和EMVT控制模塊，針對換擋過程進行仿真研究。

4.1 升擋過程仿真

在仿真中設定AMT從2擋切換至3擋，傳動比分別為i2=1.952和i3=1.323，換擋前后保持車速不變。設定換擋前發動機轉速n2=2 500 r/min，負載轉矩T2=50 N·m，則換擋后的目標轉速n3=n2i3/i2=1 694 r/min，負載轉矩T3=T2i2/i3=73.77 N·m（即換擋后的目標轉矩）。設定圖2和圖3中BC段和FG段的時間相等。另外，根據文獻［17-18］中一類應用電磁執行器直接驅動AMT的選換擋時間，設定圖2和圖3中CF段時間為0.20 s。分別對離合器接合時間（即FG段）為0.20 s、0.24 s和0.30 s的情況進行仿真。在仿真中根據離合器主從動部分的轉速差和傳遞轉矩，計算了接合過程中的滑摩功。升擋過程的仿真結果見圖6和表2。

圖6 不同離合器接合時間的升擋過程轉矩和轉速曲線Fig.6 Curves of engine torque and speed for upshift with different speeds of clutch engagement

表2 不同離合器接合時間的升擋過程仿真結果Tab.2 Simulation results of upshift with different speeds of clutch engagement

圖6中離合器傳遞轉矩為負的含義是從動部分帶動主動部分轉動。表2中，t1為完成升擋過程的時間（忽略圖2中AB段和GH段，以及圖3中AB段和PH段），t2為發動機轉速下降到目標轉速所需的時間，t3為轉速下降到目標轉速且穩定下來所需的時間。t1、t2和t3均隨離合器接合時間的增加而增加，為更好地比較換擋時間，引入參數α（α=t3/t2），α越小，則說明轉速下降至目標值且穩定下來所耗的時間相對更少。

從仿真結果中可以看出，不同離合器接合時間下的滑磨功、發動機轉速和轉矩波動幅度均控制在較小的范圍內。離合器傳遞轉矩增大至下一擋位的負載轉矩時，轉速也剛好下降至目標轉速的情況（即FG段為0.24 s）是最理想的，此時升擋所需時間約為0.68 s，α值以及轉速和轉矩的波動幅度均最小，滑摩功也較小。離合器接合速度過快，則α值以及轉速和轉矩的波動幅度均會增大，且較快的接合速度對離合器本身的控制有較高的要求；離合器接合速度過慢，則會直接延長升擋過程所需時間。

4.2 降擋過程仿真

在仿真中設定變速器從3擋切換至2擋，換擋前后保持車速不變，傳動比分別為i3=1.323，i2=1.952。設定換擋前發動機轉速n3=1 500 r/min，負載轉矩T3=50 N·m，則換擋后的目標轉速n2=n3i2/i3=2 213 r/min，負載轉矩為T2=T3i3/i2=33.89 N·m（即換擋后的目標轉矩）。設定圖4中BC段和FG段的時間相等。同時，如3.2節所述FG段設為0.20 s，如4.1節所述CF段設為0.20 s。降擋過程的仿真結果見圖7和表3。

圖7 降擋過程中的轉矩和轉速曲線Fig.7 Curves of engine torque and speed for downshift

表3 降擋過程仿真結果Tab.3 Simulation results of downshift

從仿真結果可以看出，離合器開始接合時，發動機轉速已上升至目標轉速，主從動部分之間幾乎無轉速差，接合過程中轉速和轉矩波動幅度均較小，降擋所需時間約為0.60 s。

5 結論

（1）仿真結果表明：設計的EMVT控制模塊可通過控制進氣門運動準確調節進氣量，以控制發動機轉速和轉矩輸出；提出的換擋過程中基于離合器傳遞轉矩的發動機控制策略，可有效縮短換擋時間并提高換擋品質。

（2）升擋過程中，離合器采用不同的接合速度時，發動機輸出轉矩和轉速都能較好地響應快速變化的需求，其波動幅度均較小。最理想的情況是，在離合器傳遞轉矩增大至換擋后發動機負載轉矩的同時，發動機轉速也剛好下降至目標轉速，該情況下升擋過程所需時間約為0.68 s。

（3）降擋過程中，能使發動機轉速在離合器開始接合前上升至目標轉速，使離合器主從動部分之間幾乎無轉速差，接合過程中轉矩和轉速的波動均能控制在較小的范圍內，降擋過程所需時間約為0.60 s。

EMVT的應用使原本只能通過調節點火提前角和噴油量來實現的快速響應需求，也可通過進氣量的調節來實現。這為AMT、雙離合變速器（DCT）和液力自動變速器（AT）等有級變速器換擋品質的進一步提升提供了更多的可能性。