陳慧濤 常思勤 范愛民

南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京，210094

0 引言

傳統(tǒng)凸輪軸汽油機采用節(jié)氣門來控制進氣量，進氣系統(tǒng)的響應(yīng)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(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速快速變化的情況下，無法通過調(diào)節(jié)進氣量對轉(zhuǎn)矩的動態(tài)需求作出快速響應(yīng)。在進氣側(cè)裝配電磁驅(qū)動配氣機構(gòu)（electromagnetic valvetrain，EMVT）后，進氣門的運動可實現(xiàn)柔性化調(diào)節(jié)［1-2］，繼而可取消節(jié)氣門，由進氣門直接控制進氣量，縮短進氣系統(tǒng)的響應(yīng)時間，以滿足快速變化的轉(zhuǎn)矩需求［3］。

傳統(tǒng)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(tài)特性，用速度-密度公式來估算進氣量［4］，體現(xiàn)的是節(jié)氣門角度與空氣質(zhì)量流量之間的關(guān)系［5-7］。本文針對由進氣門直接控制進氣量的無節(jié)流進氣過程，對傳統(tǒng)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(fā)動機平均值模型（簡稱發(fā)動機模型）。并設(shè)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(zhì)，加快換擋過程和縮短動力中斷時間，需要在換擋過程中調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行干預(yù)控制［8］?，F(xiàn)有研究中，一般都是通過采用控制電子節(jié)氣門開度、調(diào)節(jié)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(jié)合的方法來實現(xiàn)對換擋過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制［9-15］。但控制電子節(jié)氣門開度的響應(yīng)時間較長；改變點火提前角的調(diào)節(jié)范圍很有限；對于汽油機而言，控制噴油量會導(dǎo)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(diào)節(jié)進氣量，響應(yīng)快速變化的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求，可以規(guī)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(zhuǎn)矩的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制策略，以減小離合器接合過程中主從動部分的轉(zhuǎn)速差，縮短換擋時間，改善換擋品質(zhì)。

1 發(fā)動機模型的建立

取消節(jié)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(zhì)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(nèi)壓力）有關(guān)，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(shù)，是進氣門升程L的函數(shù)，由實驗數(shù)據(jù)獲得；Tup為上游溫度；R為理想氣體常數(shù)；ψ為上下游壓力比值的函數(shù)。

進氣過程中缸內(nèi)壓力pc可由理想氣體狀態(tài)方程求得：

式中，Tc為缸內(nèi)氣體溫度；t為時間；Vc為氣缸容積，可表示為曲軸轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)。

在筆者前期研究工作［16］基礎(chǔ)上建立的發(fā)動機模型的結(jié)構(gòu)見圖1，氣門運動模塊根據(jù)EMVT控制模塊輸出的參數(shù)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(zhuǎn)矩輸出和曲軸動態(tài)等模塊采用傳統(tǒng)平均值模型的表達形式。

圖1 發(fā)動機模型和EMVT控制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of the engine model and the EMVT controller

2 EMVT控制模塊的設(shè)計

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

EMVT控制模塊主要通過調(diào)節(jié)關(guān)閉相位VIVC來控制進氣量，其他參數(shù)在不同的發(fā)動機工況下設(shè)為不同的定值。在前饋控制中，根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩決策模塊輸出的期望轉(zhuǎn)矩Te，進氣量解釋MAP輸出所需進氣量，然后氣門控制參數(shù)MAP輸出關(guān)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(shù)，由此確定進氣門的運動模式。

PID反饋控制模塊則根據(jù)發(fā)動機模型輸出的曲軸轉(zhuǎn)速n?和目標(biāo)轉(zhuǎn)速n之間的偏差，對前饋模塊的輸出進行修正，輸出關(guān)閉相位的修正值ΔVIVC。圖1中，m?c為發(fā)動機模型對進氣量的估算值，mfuel為噴油量，T?e為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)速盡快下降，在升擋的開始階段就關(guān)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(zhuǎn)矩剛好等于換擋前的發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，此時使發(fā)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(zhuǎn)矩等于發(fā)動機的摩擦轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機在離合器從動部分的帶動下保持轉(zhuǎn)速不變。自M點后，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩開始小于摩擦轉(zhuǎn)矩，至C點時，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩為零并進入快分離階段。自M點后，發(fā)動機在摩擦阻力矩的作用下，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速仍大于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，隨著離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的增大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在滑摩作用下繼續(xù)下降。至N點時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，此時發(fā)動機應(yīng)迅速恢復(fù)做功，并使輸出轉(zhuǎn)矩等于離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩。NG段，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增大至下個擋位的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，在此期間發(fā)動機的控制目標(biāo)是在負載轉(zhuǎn)矩不斷增大的情況下穩(wěn)定轉(zhuǎn)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(fā)動機輸出與離合器的關(guān)系（情況1）Fig.2 Relationship between engine output and clutch for upshift（situation one）

當(dāng)離合器接合過快時，會出現(xiàn)傳遞轉(zhuǎn)矩增大至換擋后的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)速還未下降到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的情況。此時，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和離合器位置的關(guān)系見圖3。圖中，至G點時，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩已達到換擋后的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，但轉(zhuǎn)速仍大于目標(biāo)轉(zhuǎn)速。傳遞轉(zhuǎn)矩隨離合器的接合繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)速也在從動部分的作用下繼續(xù)下降。至P點時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速等于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，離合器主從動部分之間無轉(zhuǎn)速差，此時發(fā)動機應(yīng)迅速恢復(fù)做功使輸出轉(zhuǎn)矩等于換擋后的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩（即負載轉(zhuǎn)矩），控制目標(biāo)是穩(wěn)定轉(zhuǎn)速不變，離合器主從動部分之間由滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)殪o摩擦，傳遞轉(zhuǎn)矩也減小為換擋后的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

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

所建發(fā)動機模型在仿真過程設(shè)定的升擋工況中，當(dāng)FG段時間大于0.24 s時，對應(yīng)的是圖2中的情況；當(dāng)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(zhuǎn)矩增大至換擋后目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的同時轉(zhuǎn)速也下降至目標(biāo)轉(zhuǎn)速；當(dāng)FG段時間小于0.24 s時，對應(yīng)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(fā)動機應(yīng)通過控制輸出轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速在離合器開始接合前上升至下一個擋位的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。圖4中，AB段離合器快速分離，在B點后離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩開始減小，至C點時離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩減小為零，在此期間發(fā)動機保持轉(zhuǎn)矩輸出不變，轉(zhuǎn)速因負載的減小開始上升。CF段，離合器不傳遞轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機負載為零，發(fā)動機的控制目標(biāo)是調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速快速上升至下一個擋位的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。FG段，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩隨著接合過程的進行而逐漸增大，至G點時傳遞轉(zhuǎn)矩達到換擋后的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，在此期間發(fā)動機的控制目標(biāo)是在負載轉(zhuǎn)矩不斷增大的情況下，保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)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(fā)動機輸出與離合器的關(guān)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(shè)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(fā)動機在負載不斷增大時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制的效果，轉(zhuǎn)速波動曲線和結(jié)果分別見圖5和表1。筆者希望轉(zhuǎn)速的波動幅度小于50 r/min，因此從仿真結(jié)果來看，F(xiàn)G段時間應(yīng)取0.20 s。

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

表1 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制結(jié)果Tab.1 Results of stable speed control

4 仿真結(jié)果及分析

在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建圖1中的發(fā)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(shè)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(shè)定換擋前發(fā)動機轉(zhuǎn)速n2=2 500 r/min，負載轉(zhuǎn)矩T2=50 N·m，則換擋后的目標(biāo)轉(zhuǎn)速n3=n2i3/i2=1 694 r/min，負載轉(zhuǎn)矩T3=T2i2/i3=73.77 N·m（即換擋后的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩）。設(shè)定圖2和圖3中BC段和FG段的時間相等。另外，根據(jù)文獻［17-18］中一類應(yīng)用電磁執(zhí)行器直接驅(qū)動AMT的選換擋時間，設(shè)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(jù)離合器主從動部分的轉(zhuǎn)速差和傳遞轉(zhuǎn)矩，計算了接合過程中的滑摩功。升擋過程的仿真結(jié)果見圖6和表2。

圖6 不同離合器接合時間的升擋過程轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(jié)果Tab.2 Simulation results of upshift with different speeds of clutch engagement

圖6中離合器傳遞轉(zhuǎn)矩為負的含義是從動部分帶動主動部分轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)速下降到目標(biāo)轉(zhuǎn)速所需的時間，t3為轉(zhuǎn)速下降到目標(biāo)轉(zhuǎn)速且穩(wěn)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?yún)?shù)α（α=t3/t2），α越小，則說明轉(zhuǎn)速下降至目標(biāo)值且穩(wěn)定下來所耗的時間相對更少。

從仿真結(jié)果中可以看出，不同離合器接合時間下的滑磨功、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動幅度均控制在較小的范圍內(nèi)。離合器傳遞轉(zhuǎn)矩增大至下一擋位的負載轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)速也剛好下降至目標(biāo)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)定換擋前發(fā)動機轉(zhuǎn)速n3=1 500 r/min，負載轉(zhuǎn)矩T3=50 N·m，則換擋后的目標(biāo)轉(zhuǎn)速n2=n3i2/i3=2 213 r/min，負載轉(zhuǎn)矩為T2=T3i3/i2=33.89 N·m（即換擋后的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩）。設(shè)定圖4中BC段和FG段的時間相等。同時，如3.2節(jié)所述FG段設(shè)為0.20 s，如4.1節(jié)所述CF段設(shè)為0.20 s。降擋過程的仿真結(jié)果見圖7和表3。

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

表3 降擋過程仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of downshift

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

5 結(jié)論

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

（2）升擋過程中，離合器采用不同的接合速度時，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都能較好地響應(yīng)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(zhuǎn)矩增大至換擋后發(fā)動機負載轉(zhuǎn)矩的同時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速也剛好下降至目標(biāo)轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)速在離合器開始接合前上升至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，使離合器主從動部分之間幾乎無轉(zhuǎn)速差，接合過程中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動均能控制在較小的范圍內(nèi)，降擋過程所需時間約為0.60 s。

EMVT的應(yīng)用使原本只能通過調(diào)節(jié)點火提前角和噴油量來實現(xiàn)的快速響應(yīng)需求，也可通過進氣量的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。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(zhì)的進一步提升提供了更多的可能性。