增程发动机冷启动及稳定运行的控制分析

增程发动机冷启动及稳定运行的控制分析

鞠兆刚1,孙建伟2,杨天郁1,杨济增1,汤烨华1,刘锁2

1.中海油能源发展装备技术有限公司 天津 300452  2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300452

摘要：增程发动机设计为比较复杂的系统工况参数,增程式电动汽车在车载辅助供电系统的作用下，可以对驱动电机供能并且为电池充电，在增程模式下发动机不参与车辆的直接驱动，可以始终工作在高效区间，因而经济性、排放性能以及动力性都有保障。下面本文就增程发动机冷启动及稳定运行的控制进行简要分析。

关键词：增程发动机；冷启动；稳定运行；控制；

1 起动机工作原理

通过对起动系统的拆解测试研究，对汽车起动系统有了更深入的了解，传统起动系统主要由控制线路与起动机两大部分组成，控制线路包括蓄电池、点火开关、常开式起动继电器，电磁开关，导线组成；起动机由直流电动机、动力传动机构、控制机构三部分组成。系统的工作过程：当点火开关旋至ST档，接通起动继电器的线圈电路使之工作。电流便可以通过端子50流入起动机电磁开关，电磁开关内的线圈产生磁场力，吸引电磁开关内的活动铁芯移动，铁芯端的接触盘被推出与端子30、端子C结合，便接通了直流电动机的驱动电路，电动机开始运转。活动铁芯同时也拉动拨叉把驱动齿轮撬出与飞轮啮合，起动机便能顺利带动发动机。当发动机开始自行运转后，驾驶员松开钥匙，断开 ST 档，起动继电器电路被断开，端子50无电流输入，电磁开关磁场消失，活动铁芯在回位弹簧的作用下回到原来的位置，便断开了直流电动机的电流，起动机停止工作，系统完成一次完整的工作过程。在系统工作过程中起动继电器和起动电磁开关起到小电流控制大电流的作用，避免了在起动车辆瞬间因电流过大而烧毁系统导线与开关。另外，系统在动力传递路线上设置有单向传动离合器，主要作用是：在发动机起动后防止发动机动力通过驱动齿轮反向传递给起动机，从而保护了起动机。但如果发动机起动后，驾驶员并未松开点火钥匙，侧点火开关一直处于接通状态，起动机控制电路迟迟没有断开，或断开后又再次接通，起动机驱动齿轮还是会弹出与正在转动的飞轮强行啮合而导致起动机发生机械损坏。故原有的系统设计并没有避免人为的“误起动”所引起的机械损毁。

2 增程发动机冷起动要求

增程式发动机在低温状态下启动时，进入发动机的气体温度较低，不易被点燃，可以适当地增加混合气的浓度，使发动机更容易启动。增程发动机在冷启动时采用开环控制，一般通过查询脉谱表的方式来控制发动机喷油脉宽。本文基于发动机万有特性曲线的相关理论，在2s时刻启动机开始拖动发动机，约4.5s时刻发动机转速稳定至目标转速800r/min，发动机完成启动的时间约为2.6s。实际应用中，发动机每次启动的情况基本一致，因而发动机启动控制一般利用试验的标定数据进行开环控制。发动机的一般转速在1000～3500r/min之间，在3000r/min的转速时，发动机可以达到最大的输出转矩，此时发动机可以在保证汽车动力性的同时具有较好的燃油经济性。因此，发动机的最佳工作点在3000r/min左右，本文将研究如何使发动机启动后直接至最佳工作点运行。

3 增程器控制仿真平台建立

3.1 原机模型建立

建立了增程器系统控制仿真平台，使用GTPower软件建立增程发动机仿真模型，将GT-Power中的接口模块与Simulink进行耦合，在Matlab/Simulink模块中建立转速和空燃比的控制模型和增程式电动汽车整车的联合仿真模型。本文仿真模型的参数是基于某型增程发动机，电子节气门的装配，可以对发动机的相关参数进行有效控制，该发动机还具备独立进排气的双VVT系统，叶片操作范围为40°CA。燃烧模型采用预测燃烧模型（SITurb），该模型能够考虑到诸多因素的影响，如发动机的几何参数、混合气成分与温度、燃烧室设计、空燃比、缸内气流运动等。

3.2　增程式电动汽车联合仿真模型建立

在建立的原机模型基础上进行改进，添加外部冷却废气再循环模型，应用缸内直喷代替原先的进气道喷射，将4缸机模型改为3缸机模型，建立小排量增程发动机模型。基于建立的增程发动机仿真模型，需要建立对应的控制模型使其能在各种工况下稳定运行，通过调节节气门开度实现对转速的控制。发动机启动期间，目标转速是先使发动机稳定启动至怠速转速1000r/min，然后再拉升至3000r/min的常态工作点下稳定运行；目标空燃比在启动及怠速运转期间适当加浓，常态工作点下控制在1附近。以上建立了增程发动机在冷启动下的控制策略模型，在此基础上，建立电机和电池模型，添加车身模块并设置具体参数，建立增程式电动汽车的整车联合仿真模型，并根据需要设置了车辆运行过程中加减速的参数，以及发电机在额定工作状态下的转矩等参数。从开始至第17s，车辆保持某一较低车速，第17s时开始加速，22s时加速至某一较高车速并保持车速至27s，然后开始减速，至32s时，减速至原始车速并保持。将车速需求转化为驱动电机转速信号，输入至驱动电机速度控制模块中与驱动电机实际速度进行比较，通过控制器控制驱动电机进行转矩调整。设定发电机在额定工作状态运行，转矩95.5Nm，并加以±5Nm的干扰信号，通过Simulink-PS转换模块将信号传输至发电机转矩输入，同时通过PSSimulink转换模块传递至发动机转矩输入。

4　结果与讨论

4.1　冷启动过程仿真结果分析

传统PID控制冷启动时发动机启动、怠速和过渡工况下的转速及空燃比仿真结果。由图可知，在0.2s时刻起动机开始拖动发动机启动，转速缓慢上升，1s内到达怠速转速1000r/min并维持在怠速附近，在工况过渡时，5s时刻发动机开始由怠速向常态工作点运行，期间转速仍有一些抖动。约经过2s后，在常态工作点3000r/min的转速下稳定运行。

4.2　稳定运行仿真结果分析

在建立好的增程发动机仿真模型，以及空燃比和转速的模糊控制器的基础上，研究增程发动机在常态工作点的稳定运行状态下的空燃比和转速控制。利用上述搭建的整车仿真模型进行仿真分析，首先对车速进行设置，从开始至第17s，车辆保持车速54km/h，第17s时开始加速，22s时加速至72km/h并保持车速至27s，然后开始减速，至32s时，减速至原始车速54m/h并保持。然后设定发电机在额定工作状态运行，转矩95.5Nm，并加以±5Nm的干扰信号。发动机启动并拖至常态工作点后，始终稳定地驱动发电机发电，由于转矩设置了波动值，发动机转速也相应波动。由图可知，相较于传统PID，在模糊PID控制器的作用下，转速能较快地稳定在常态工作点3000r/min附近，转速响应较好；过量空气系数的峰值更小，能快速收敛到期望的当量空燃比，在当量空燃比下，燃烧效率更高，控制器性能良好。

结论

综上所述，本文基于软件在环的方法，建立电动汽车增程器的模块化控制仿真开发平台，分别研究基于传统PID控制和模糊PID控制在发动机冷启动和稳定运行期间的空燃比和转速控制，结论如下：（1）增程发动机冷启动时，对比发现模糊PID控制在目标转速和空燃比的响应速度和误差方面均优于传统PID控制。（2）稳定运行时，在模糊PID控制器的作用下，增程发动机转速始终稳定在常态工作点3000r/min附近，功率始终在30kW左右，转速和空燃比均稳定在目标值附近，有利于降低排放和改善燃油经济性。

参考文献:

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[2] 陈联卿.基于振动信号分析的航空发动机状态监测与故障诊断技术研究[J].现代制造技术与装备,2019(08):197-198.

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