混合動力柴油機(jī)控制策略研究

楊明志，陳磊，葉雄懷，胡躍東

(海軍工程大學(xué)學(xué)員一旅八隊(duì)，湖北武漢，430000)

混合動力柴油機(jī)控制策略研究

楊明志，陳磊，葉雄懷，胡躍東

(海軍工程大學(xué)學(xué)員一旅八隊(duì)，湖北武漢，430000)

和傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，混合動力柴油機(jī)有著較高的工作性能、良好的經(jīng)濟(jì)效果和環(huán)保功效，以啟動、驅(qū)動和制動作為控制策略的不同工況進(jìn)行定性研究，對該類柴油機(jī)的控制策略進(jìn)行了總結(jié)闡述，對未來控制策略研究方向提供了相關(guān)思路。

混合動力；轉(zhuǎn)矩；控制策略

0 引言

當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，能源消耗日益加劇，但是對能源運(yùn)用效果性能的要求卻是越來越高，在新能源沒有廣泛性投入使用之前，通過合理的運(yùn)作方式來改變發(fā)動機(jī)運(yùn)行效率是非常重要的內(nèi)容，不僅可以優(yōu)化經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生，更重要的是起到環(huán)保節(jié)能的作用，混合動力柴油機(jī)就伴隨著這一概念應(yīng)用而生?；旌蟿恿Σ裼蜋C(jī)指的是柴油和電雙重動力驅(qū)動方式的柴油機(jī)，當(dāng)動力終端在高速、高負(fù)載運(yùn)行的時(shí)候，會用柴油提供動力，當(dāng)?shù)退佟⒌拓?fù)載運(yùn)行的過程中，則是通過電力提供動力，混合動力柴油機(jī)近年來在工業(yè)領(lǐng)域得到了相當(dāng)大的應(yīng)用，可以使所用機(jī)車工作和經(jīng)濟(jì)保障都能得到相應(yīng)提高。

在不同的行車階段，混合動力柴油機(jī)的控制方法策略和研究參數(shù)存在一定差異，利用更復(fù)雜的軟件算法對傳統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究將格外重要。

1 混合動力柴油機(jī)系統(tǒng)

混合動力柴油機(jī)由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、輔助動力和電池組組成，如圖1就是最簡單的混合動力汽車控制簡圖，各組成部分相輔相成。共同支撐柴油機(jī)的正常工作?？刂葡到y(tǒng)作為柴油機(jī)工作的大腦，起著統(tǒng)籌整體的作用。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，目前已經(jīng)形成了幾代控制系統(tǒng)，第一代柴油機(jī)的控制系統(tǒng)主要是位置控制，通過變速箱和整體機(jī)械配合來對不同工況下的動力選用進(jìn)行調(diào)配。隨后經(jīng)歷了時(shí)間控制和電控階段，目前很多的混合動力柴油機(jī)用的就是電控方法，時(shí)間控制方式主要用在比較簡單、路況變化并不復(fù)雜的機(jī)車當(dāng)中，未來的控制策略必然要走上集中智能化自動控制方面。在具體的參數(shù)計(jì)算方面，主要把混合動力柴油機(jī)進(jìn)行物理模型[1]拆分，可以將其分成幾個(gè)子組成模塊來進(jìn)行研究，分別是進(jìn)氣模塊、排氣模塊、氣缸模塊和電動模塊。作為復(fù)雜的合成系統(tǒng)，柴油機(jī)的進(jìn)氣效果、排氣效果、氣缸工作效率都受電動模塊數(shù)據(jù)參數(shù)的影響，反之亦然。

圖1 汽車混合動力控制簡圖

動力永遠(yuǎn)是發(fā)動機(jī)不可忽略的話題，混合動力柴油機(jī)各個(gè)部分的動力判斷標(biāo)準(zhǔn)比較豐富，以整車重量作為基礎(chǔ)衡量參數(shù)，發(fā)動機(jī)部分則可以用額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速等，電機(jī)則有功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。電池部分則包括電壓、容量、能量等參數(shù)。減速器則包括各類檔位和調(diào)速比、成速比。環(huán)保特性主要通過發(fā)動機(jī)輸出的各類氣體來進(jìn)行衡量，包括碳、硫和氮類氣體，二者的結(jié)合則可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型判別。以動力特性和環(huán)保特性作為整體判別標(biāo)準(zhǔn)，可以對混合動力柴油機(jī)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 柴油機(jī)控制策略綜述

柴油機(jī)控制系統(tǒng)是柴油機(jī)工作的總成大腦，總體調(diào)配、協(xié)調(diào)、控制柴油機(jī)各部件的運(yùn)行和寫作，在柴油機(jī)發(fā)展過程中，控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了多次升級，目前比較流行的方法主要有四種，分別是邏輯模糊式控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、邏輯門限閥值控制和動態(tài)結(jié)合自適應(yīng)方法控制。其中，各類控制方法都具備相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和適應(yīng)性范圍，使得混合動力柴油機(jī)可以從性能和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化。相對來說，最為高效簡單的控制方法是邏輯門限控制法，在各類城市交通混合動力柴油機(jī)中，這種方法得到了比較廣泛的應(yīng)用，混合動力往往會插入電力助推式控制方法，二者實(shí)現(xiàn)并聯(lián)處理，但大多數(shù)情況下，這兩種控制方法是獨(dú)立運(yùn)行。

該控策略所用的油耗很低，相應(yīng)輸出結(jié)果符合環(huán)保指標(biāo)，而且基本能夠滿足城市軌道交通的人員和承載要求。因此可以說，雙助力方式是十分重要的控制策略，當(dāng)電力輸出可以滿足負(fù)載要求、路況要求和動力需求的時(shí)候，可以用柴油帶動電推驅(qū)動，而當(dāng)高負(fù)載等情況出現(xiàn)，或者發(fā)生極端情況，需要更快的反應(yīng)速度，則自動通過電路切換，轉(zhuǎn)換到柴油機(jī)直接供給動力。而在同一個(gè)載體工作過程中，不同的階段也存在柴電不同的推進(jìn)過程，一般來說，一個(gè)完整的路況過程主要包括三個(gè)階段，分別是起車階段、正常行駛階段和制動階段。在起車階段，如果是正?；蛘呦缕乱活愞D(zhuǎn)矩要求比較低的工況，可以使用電機(jī)啟動，如果是上坡或者比較滑的工況，對轉(zhuǎn)矩要求比較大，則由柴油機(jī)啟動。在機(jī)車行駛過程當(dāng)中，由于電機(jī)的滿量配置，當(dāng)轉(zhuǎn)矩要求小于柴、電轉(zhuǎn)換臨界點(diǎn)的時(shí)候，用電機(jī)驅(qū)動發(fā)動機(jī)工作，轉(zhuǎn)矩大的時(shí)候，則用柴油機(jī)驅(qū)動發(fā)動機(jī)工作，此時(shí)，如果發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩滿足驅(qū)動要求，則額外動力會為電機(jī)充電，在發(fā)動機(jī)處于剎車制動過程中，依然可以進(jìn)行電機(jī)充電，利用柴動制動，這樣就會有一部分的能量得到回收，增強(qiáng)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)型。

3 控制策略優(yōu)化

隨著軟件、硬件技術(shù)的逐步發(fā)展，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)電控技術(shù)也有了飛速提高。包括使用Labview仿真、LMS測試以及系統(tǒng)仿真的多種優(yōu)化方法都應(yīng)用到了電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)當(dāng)中。系統(tǒng)總成的硬件標(biāo)準(zhǔn)得到了優(yōu)化，降低了配置成本，系統(tǒng)的前期開發(fā)、中期維護(hù)以及后期維修都存在相當(dāng)大的效果，電控反應(yīng)速度方面大幅度提高。

從實(shí)際試驗(yàn)優(yōu)化角度，可以通過柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出值和啟動過程排放量來進(jìn)行優(yōu)化。兩個(gè)因素會對柴油機(jī)的啟動、驅(qū)動和制動工作過程產(chǎn)生比較重要的影響，那就是混合動力柴油機(jī)的輸出和整體系統(tǒng)的機(jī)械性質(zhì)。我們往往能夠看到柴油機(jī)輸出的影響，排放的氣體比較容易進(jìn)行檢測。在啟動和狀態(tài)變化的過程中設(shè)置相應(yīng)的初始轉(zhuǎn)矩變化點(diǎn)，通過比較轉(zhuǎn)矩的量值和相應(yīng)的排放結(jié)果來進(jìn)行狀態(tài)變化的控制方法不足性研究。過程變化的輸出量和終止的輸出量會存在區(qū)別，碳、氮等特殊的輸出的氣體的含量要研究到萬分之一的精確度，系統(tǒng)機(jī)械參數(shù)方面的變化，則主要通過傳感器和軟件相結(jié)合的方式來進(jìn)行了解，并聯(lián)結(jié)合效果，噴油最佳時(shí)機(jī)等參數(shù)均可以通過各種檢測值進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)語

隨著仿真方法、試驗(yàn)手段和實(shí)車測試樣本大數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展和積累，未來的混合動力柴油機(jī)控制策略必然走上軟件人性化、硬件簡單化的道路，傳統(tǒng)的方法也同樣有很多值得借鑒的地方，尤其是在試驗(yàn)階段，啟動過程、驅(qū)動過程和制動過程的策略優(yōu)化參數(shù)存在一些區(qū)別，柴油機(jī)整體系統(tǒng)化的研究工作還尚有不足，未來的控制優(yōu)化工作主要應(yīng)該集中在柴電轉(zhuǎn)換方面的控制方法研究，進(jìn)一步控制柴油機(jī)工作效率，加強(qiáng)環(huán)保效果。

[1]朱道偉,謝輝,嚴(yán)英,宋振壘.混合動力城市客車柴油機(jī)優(yōu)化標(biāo)定研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2010.33-38.

[2]梁建偉,羅旭.混合動力柴油機(jī)仿真方法及仿真系統(tǒng)研究.[J].化工管理.2016.1-8.

compared with traditional diesel engine, hybrid diesel engine with high performance and good economic effect and environmental protection effect, in order to start, driving and braking conditions as different control strategies for qualitative research, the control strategy of the diesel engine is summarized, to provide the relevant ideas on strategy research control of the future

hybrid power; torque; control strategy

Research on control strategy of hybrid diesel engine Yang Mingzhi, Chen Lei, Ye Xionghuai, Hu Yuedong

(Naval Engineering University Cadet brigade eight team,Wuhan Hubei,430000)