摘要：近年来，我国的汽车行业有了很大进展，混合动力汽车发动机的应用也越来越广泛。基于泵气阻力矩和往复惯性力矩公式，结合试验参数和数据，通过Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对泵气阻力矩和往复惯性力矩进行了仿真计算。在30℃水温条件下开展了摩擦阻力矩试验，获取了静摩擦与动摩擦阻力矩数据。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，开展了各转速下不同节气门开度缸内压力试验、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，通过不同初始曲轴转角发动机拖转试验对动态阻力矩模型进行了验证。结果表明：通过对混合动力发动机起动过程阻力矩进行理论建模与试验，可以准确模拟混合动力发动机起动过程中的动态阻力矩特性。
关键词：混合动力；发动机起动；阻力矩
引言
当前大部分用于提升混合动力用发动机起动表现的方法都是着眼于优化喷射脉宽和喷射正时，很少有从减弱发动机起动瞬态特性角度考虑的，比如省略通过缸内燃烧的加速。如果能够实现高拖转转速、无发动机自身燃烧加速的起动，那么发动机将至少会受益于两个方面：一是用于燃烧加速的燃油将会大幅削减；二是起动阶段的怠速阀大开和喷射加浓将变得没有必要，这样就会有益于更好地控制混合气浓度。
1发动机阻力矩分析
起动阻力矩可分为平均起动阻力矩和瞬时起动阻力矩，发动机的起动过程是一段时间内进行的，而瞬时起动阻力矩是在起动过程中某个时刻所产生的量，若对ISG电机进行实时控制，使其输出转矩跟踪发动机阻力矩变化，将大大增加电机控制器件的开闭频率，对元件寿命产生不利影响，故只考虑平均起动阻力矩，并采用倒拖法进行测量。根据动力学知识，电机的驱动力矩和发动机起动阻力矩决定了发动机拖动过程的快慢。当发动机冷起动时，润滑油黏度大、流动性差，造成发动机内曲轴与轴瓦等摩擦面之间供油不足，气缸壁磨损加剧，导致各摩擦器件间的运动阻力增大，发动机的起动阻力也随之增大，加剧发动机的起动困难。随着冷却水温升高，润滑油温度升高，润滑油黏度降低，各活塞环槽中的润滑油供给充足，润滑较好，热起动时的阻力矩也相对较小。
2缸内压力与摩擦阻力矩试验
2.1试验设备与方法
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。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。
2.2振动数据处理及分析
发动机起动是短时间的瞬态过程，其振动信号属于典型的瞬态非平稳信号。考虑到快速傅里叶变换(FFT)和振动剂量值(VDV)在处理瞬态非平稳信号时存在固有时频分辨率和数据长度对计算结果有较大影响的问题，本文中采用时域分析法分析发动机起动引起的车身振动。为提高精度，信号采样频率较高。采样频率高会导致信号噪声，因此在试验数据分析前，首先对原始数据进行了零相位低通滤波。为避免初始燃烧阶段发动机转矩不稳定导致转速波动情况出现，系统仍分配一定的电机转矩拖转发动机，在这个阶段，发动机转矩不稳定导致横向和垂向加速度波动较大;在起动结束转矩加载阶段，发动机转矩估算不精确导致发动机转速波动，各向振动加速度幅值有增大的趋势，其中垂向加速度增加明显。
2.3排放
发动机在加速过程中瞬态特性强烈，为确保加速成功，就需要不断地对油膜进行补偿，一般都是通过过浓喷射来确保油膜的厚度。这样，燃烧的混合气一般都会是过浓的，这就会排出大量HC排放。相对应地，对于准恒速起动，发动机开始着火后只需要维持稳定的怠速转速，因此，怠速阀可以从一开始就固定在对应的怠速条件下的开度，不需要调节。发动机开始着火后瞬态特性弱，油膜的补偿也只发生在首循环，而后就可以供给当量比油量，混合气能够很快地到达理论空燃比。因此，准恒速起动排出的HC明显减少。当发动机进入较为稳定的怠速阶段后，两种发动机工作状态相近，且混合气浓度也都到达理论空燃比，进缸的混合气量也有所减少（由进气压力可知），因此其排放也几乎一样且相比于早期有所减少。
3发动机阻力矩拖转试验验证
将驱动电机转矩设定为0．1ｓ内由0Ｎ·ｍ线性加载至35Ｎ·ｍ，模拟发动机实际倒拖过程，当发动机转速上升至900ｒ／ｍｉｎ后撤除转矩。图1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。发动机转速在0～90ｒ／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0～90ｒ／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0～90ｒ／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90ｒ／ｍｉｎ至600ｒ／ｍｉｎ上升过程和600ｒ／ｍｉｎ至50ｒ／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50ｒ／ｍｉｎ至0ｒ／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。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35Ｎ·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。
结束语
综上所述，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107．5Ｎ·ｍ；摩擦阻力矩占比次之；往复惯性力矩图13 0°和135°初始曲轴转角拖转实测转速、转矩影响相对较小。（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。
参考文献
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论文作者:秦超
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第06期
论文发表时间:2019/8/13
标签：发动机论文; 阻力论文; 曲轴论文; 转矩论文; 转速论文; 转角论文; 过程论文; 《科学与技术》2019年第06期论文;