發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制優(yōu)化車輛駕駛性能的研究

陳冬冬，熊　銳，吳　堅(jiān),2,陳硯才，彭亞琪

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣汽集團(tuán) 汽車工程研究院，廣東 廣州 510640)

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制優(yōu)化車輛駕駛性能的研究

陳冬冬1，熊銳1，吳堅(jiān)1,2,陳硯才1，彭亞琪1

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣汽集團(tuán) 汽車工程研究院，廣東 廣州 510640)

摘要:基于轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中，踏板開度信號(hào)只是反映駕駛員的扭矩需求,發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)根據(jù)加速踏板計(jì)算駕駛員的扭矩請(qǐng)求.根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，建立理想的轉(zhuǎn)速模型，當(dāng)有大的扭矩請(qǐng)求變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)采用濾波計(jì)算方式使發(fā)出的扭矩逐漸達(dá)到需求扭矩，以減弱由于動(dòng)力總成間隙和彈性變形引起的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，提高車輛的駕駛性能，為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制提供一個(gè)依據(jù).

關(guān)鍵詞:駕駛性； 扭矩； 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩需求變化的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成的間隙和懸置彈性變形會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)[1-3]，駕駛員主觀感受的駕駛性會(huì)也比較差.基于扭矩協(xié)調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)扭矩輸出的優(yōu)化調(diào)整弱化發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，提高整車的駕駛性[4-7].

1基于扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)

在基于扭矩協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)采集所有的扭矩需求，然后確定不同的扭矩需求優(yōu)先級(jí)并進(jìn)行協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)扭矩輸出[8-11].在扭矩轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)的功能中，需求扭矩經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)后分為氣路扭矩和火路扭矩，氣路扭矩主要是通過(guò)改變氣缸內(nèi)進(jìn)氣充量來(lái)實(shí)現(xiàn)，由氣路扭矩計(jì)算得到期望進(jìn)氣量，再由期望進(jìn)氣量計(jì)算節(jié)氣門開度，同時(shí)根據(jù)空燃比控制計(jì)算各缸實(shí)際噴油量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路的控制[12-13]；火路扭矩通過(guò)干預(yù)點(diǎn)火提前角來(lái)實(shí)現(xiàn).發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)基本流程如圖1所示.

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)

2快速扭矩補(bǔ)償

在一定范圍內(nèi)，隨著點(diǎn)火提前角的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的扭矩跟著增大，點(diǎn)火提前角過(guò)大則會(huì)產(chǎn)生爆震，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的扭矩會(huì)減小[14-15].

發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)通過(guò)點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩是快速扭矩調(diào)節(jié).因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)可以在下一次點(diǎn)火時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火提前角的改變，使其偏離最優(yōu)角，因此可以在一定范圍內(nèi)快速改變發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩.快速扭矩補(bǔ)償控制策略基本流程如圖2所示，每隔10ms執(zhí)行一次采樣計(jì)算，根據(jù)參考轉(zhuǎn)速差干預(yù)點(diǎn)火提前角.

圖2　快速扭矩補(bǔ)償

在汽車負(fù)荷發(fā)生大幅變化時(shí)候，數(shù)學(xué)模型根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n和離合器傳遞扭矩M1計(jì)算理想模型轉(zhuǎn)速為

n1(i)=n1(i-1)+0.01k(M1-M2)，

(1)

式中M2是理想扭矩；k是積分系數(shù).實(shí)際轉(zhuǎn)速和理想模型轉(zhuǎn)速差為

ndiff=n1-n.

低通濾波后的轉(zhuǎn)速差為

ndiff_1(i)=[ndiff(i)A0+ndiff(i-1)A1+

ndiff(i-2)A2+ndiff(i-2)A2]-

ndiff_1(i-1)B0-ndiff_1(i-2)B1，

(2)

式(2)中，A0、A1、A2、B0、B1是可標(biāo)定常數(shù).用于快速扭矩調(diào)節(jié)的參考轉(zhuǎn)速差為

n2=ndiff_1-ndiff.

3加速扭矩協(xié)調(diào)

加速過(guò)程中，負(fù)荷突變同時(shí)會(huì)對(duì)動(dòng)力總成產(chǎn)生反向沖擊，這種沖擊會(huì)讓乘坐人員感覺(jué)到抖動(dòng)，可以通過(guò)扭矩調(diào)節(jié)削弱影響，改善駕駛舒適性.

這種反向沖擊的產(chǎn)生是由于發(fā)動(dòng)機(jī)本體在負(fù)荷的變化中會(huì)向彈性支撐軸承方向傾動(dòng)，通過(guò)增加或減弱發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩可以反向影響發(fā)動(dòng)機(jī)的移動(dòng).

當(dāng)駕駛員加速踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)根據(jù)踏板開度計(jì)算駕駛員扭矩需求，通過(guò)火路和氣路控制使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出扭矩對(duì)于駕駛員扭矩需求變化有滯后，從而避免急踩加速踏板時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩突變.

3.1氣路扭矩變化

加速時(shí)為獲得期望的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，氣路扭矩主要是預(yù)控，保證足夠的進(jìn)氣量，作為火路扭矩調(diào)節(jié)的基礎(chǔ).如果進(jìn)氣量過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致較大的點(diǎn)火角干預(yù)，這會(huì)增加油耗，并且進(jìn)氣量變化率過(guò)大時(shí)，空燃比控制比較困難，容易導(dǎo)致排放過(guò)高.因此，氣路扭矩基本跟隨駕駛員期望扭矩.

3.2火路扭矩變化

火路扭矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的實(shí)際扭矩的影響較大，并且能在下一次點(diǎn)火時(shí)響應(yīng)需求快速調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，因此火路扭矩不能變化太快.通過(guò)濾波方式使火路扭矩逐漸增加到駕駛員需求扭矩，基本公式為

0.01[M1-M2(i-1)]/T+M0(i-1)=

M0(i)，

0.01[M0(i)-zM2(i-1)]/T+M2(i-1)=

M2(i)，

(3)

其中,M1是目標(biāo)需求扭矩，M2是濾波后的火路指示扭矩，T和z是濾波時(shí)間系數(shù)，執(zhí)行采樣計(jì)算的時(shí)間間隔為10ms，M0是中間變量.

4減速扭矩協(xié)調(diào)

在松開油門減速的時(shí)候，為了減少扭矩突然下降引起的抖動(dòng)，需要控制節(jié)氣門開度的下降速度和點(diǎn)火提前角，從而控制扭矩緩慢平滑地下降.通過(guò)對(duì)火路和氣路扭矩相同的濾波處理方式，使松開油門時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩能夠平滑地下降，每10ms執(zhí)行一次采樣計(jì)算，基本公式為

M3(i)=M3(i-1)+0.01M1/T0， (4)

式中M3氣路是處理后的氣路指示扭矩，T0是濾數(shù).

通過(guò)減速扭矩協(xié)調(diào)可以減小扭矩的下降速度，但是下降速度太慢會(huì)讓駕駛員感覺(jué)不到減速.因此在減速的初期和后期要采用不同的濾波系數(shù)，在扭矩較大的初期濾波速度要快，離合器扭矩較小的后期采用減慢的濾波速度.

5優(yōu)化控制結(jié)果及分析

5.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)車輛主要參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)使用主要設(shè)備如表2所示.

表1　車輛基本參數(shù)

表2　主要設(shè)備

通過(guò)INCA軟件將控制策略刷寫到標(biāo)定用控制單元ETK里，使用ES592采集數(shù)據(jù)信息，并且在MDA軟件里分析數(shù)據(jù).

5.2加速分析

原車控制策略沒(méi)有控制加速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)，加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩變化和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化如圖3所示(基準(zhǔn)扭矩為250N.m,圖4～圖6同)；把發(fā)動(dòng)機(jī)加速扭矩控制策略刷寫到ETK里，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩變化和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化見圖4.

圖3　無(wú)扭矩控制加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化

Fig.3Theenginespeedchangeswhenacceleratingwithoutthetorquecontrol

圖3中，曲線3是由踏板開度計(jì)算的駕駛員目標(biāo)扭矩，原控制策略的期望火路扭矩曲線4和氣路扭矩曲線5與目標(biāo)扭矩大小相等(曲線3、4和5重合)，由此決定的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩曲線6快速增加，經(jīng)過(guò)0.38s增加到最大.此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和動(dòng)力總成彈性變形導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線1波動(dòng)嚴(yán)重.

圖4　有扭矩控制加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化

Fig.4Theenginespeedchangeswhenacceleratingwiththetorquecontrol

圖4中，曲線3是由踏板開度計(jì)算的駕駛員目標(biāo)扭矩，在加速時(shí)候火路指示扭矩曲線4是由目標(biāo)扭矩濾波得到，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線1高于理想轉(zhuǎn)速曲線2時(shí)候，由轉(zhuǎn)速差決定的快速扭矩補(bǔ)償曲線7為負(fù)值，反之補(bǔ)償為正值，由此決定的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩經(jīng)過(guò)0.43s增加到最大.此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化較慢，并且快速扭矩補(bǔ)償減弱部分彈性力變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，駕駛性感受較好.

5.3減速分析

原車控制策略沒(méi)有控制減速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)，減速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩變化和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化見圖5；把發(fā)動(dòng)機(jī)減速扭矩控制策略刷寫到ETK里，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩變化和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化如圖6所示.

圖5　無(wú)扭矩控制減速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化

Fig.5Theenginespeedchangeswhendeceleratingwithoutthetorquecontrol

圖5中，曲線3是由踏板開度計(jì)算的駕駛員目標(biāo)扭矩，減速時(shí)駕駛員目標(biāo)扭矩快速減小為零，期望火路扭矩曲線4與期望氣路扭矩曲線5跟隨目標(biāo)扭矩快速變化(曲線3、4和5重合)，由此決定的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩曲線6快速減小到零.此時(shí)傳動(dòng)系傳遞的扭矩為零，傳動(dòng)系之前的彈性變形快速恢復(fù)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)嚴(yán)重.

圖6　有扭矩控制減速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化

Fig.6Theenginespeedchangeswhendeceleratingwiththetorquecontrol

圖6中，減速時(shí)候駕駛員目標(biāo)扭矩快速減小到零，期望火路扭矩曲線4與期望氣路扭矩曲線5通過(guò)濾波緩慢減小.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線1高于理想轉(zhuǎn)速曲線2時(shí)候，由轉(zhuǎn)速差決定的快速扭矩補(bǔ)償曲線7為負(fù)值，反之補(bǔ)償為正值.由此決定的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩曲線6減小緩慢，并且快速扭矩補(bǔ)償減弱部分彈性力變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，駕駛性感受較好.

6結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的響應(yīng)，減弱了車輛在加減速度時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)彈性變形對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，優(yōu)化了車輛的駕駛性能.

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A Research on the Optimization of the Driving Performance with theResponse speed of the Engine Torque

Chen Dong-dong1, Xiong Rui1, Wu Jian1, 2, Chen Yan-cai1, Peng Ya-qi1

(1.SchoolofElectromechanicalEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China;2.AutomotiveEngineeringInstitute,GuangzhouAutomobileGroupCo.Ltd.,Guangzhou510640,China)

Abstract:In the engine management system based on the torque control, the opening angle of the accelerator pedal only reflects the driver’s requirement of the torque. And the engine management system calculates the driver’s torque request through the opening angle of the accelerator pedal. Based on the change regulation of the engine speed, a perfect model of an engine speed is created. When there is a large change of the torque requirement, the actual torque of the engine gradually changes at the driver’s requirement with the method of the filtering, which is to weaken the oscillation of the engine speed caused by the gap and flexible deformation of the power train, which will improve the driving performance. Reference for the optimization of the torque control is provided.

Key words:driving performance; torque; engine management system

收稿日期:2015-01-21

基金項(xiàng)目:廣東省產(chǎn)學(xué)研引導(dǎo)資助項(xiàng)目(20120980)

作者簡(jiǎn)介:陳冬冬(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檎囆阅軜?biāo)定.

doi:10.3969/j.issn.1007-7162.2016.02.012

中圖分類號(hào):U463.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-7162(2016)02-0062-04