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文檔簡介
1、新型可變排量發(fā)動機與功率分流液壓混合動力系統(tǒng)輸出耦合的仿真研究摘要 為了使無節(jié)流發(fā)動機能夠工作在部分負(fù)荷,從而消除泵氣損失,所以在對可變排量發(fā)動機充分研究的基礎(chǔ)上做出了仿真。在這項工作中做建立的模型機制從赫夫利發(fā)動機的概念中衍生而來。渦輪增壓技術(shù)和停缸技術(shù)是上述發(fā)動機的其他顯著特征。停缸技術(shù)結(jié)合可變排量可以進一步擴展無節(jié)流發(fā)動機的工作范圍,與此同時,渦輪增壓技術(shù)增加了發(fā)動機的功率密度,使得發(fā)動機可以在沒有性能損失的前提下進一步減小體積。雖然上述的具有可變排量渦輪增壓發(fā)動機的概念可以使發(fā)動機擁有很大的工作范圍,但是接近怠速運行依然是不切實際的。所以,集成有混合動力傳動系的可變排量渦輪增壓發(fā)動機(
2、VDTCE)允許在控制發(fā)動機,消除發(fā)動機空轉(zhuǎn),以及解決在發(fā)動機瞬態(tài)和模式轉(zhuǎn)換中可能發(fā)生的問題時保持靈活。在基本物理原理和1-D氣體動力學(xué)的基礎(chǔ)上,發(fā)動機模型在AMESIM基礎(chǔ)上開發(fā)。功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)的預(yù)測模型在SIMULINK中創(chuàng)建,從而與發(fā)動機模型集成。集成的仿真工具是用來在確定包括可變排量渦輪增壓發(fā)動機和液壓混合動力傳動系統(tǒng)的動力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟潛力之前,解決設(shè)計和控制方面問題的。簡介 現(xiàn)代汽車的發(fā)展,不僅要求解決能源安全和氣候變化問題,而且要提高汽車的燃油經(jīng)濟性,同時也要滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)?;旌蟿恿夹g(shù)是減少排放和車輛油耗的關(guān)鍵。這是由于()小型化的發(fā)動機,()在再生過程中回收
3、能量,以及(iii)優(yōu)化發(fā)動機運行的可能性。后者在配備有SI發(fā)動機的混合動力汽車上一直是很重要的。SI發(fā)動機的泵氣損失(節(jié)流操作)不僅是它的軟肋,而且是其在部分負(fù)荷下燃油經(jīng)濟性較差的主要原因。因此,混合動力系統(tǒng)的設(shè)計和控制通常試圖盡量避免發(fā)動機低負(fù)荷運轉(zhuǎn),從而提高了駕駛循環(huán)中平均燃料轉(zhuǎn)換效率。隨著時間推移,像可變氣門正時和可變氣缸排量這樣可以減少泵氣損失的概念已將被提出,因此也提供了進一步改進動力總成整體效率的途徑。我們的目的就是探索這樣一個將可變排量發(fā)動機與混合動力系統(tǒng)將結(jié)合的系統(tǒng)的潛力。在這種情況下,混合動力的作用就是使一個先進的發(fā)動機概念在一定工作范圍內(nèi)是可行的。 可變排量技術(shù)的概念在過
4、去的幾十年中已經(jīng)出現(xiàn)在許多出版物中,但它尚未被證明能夠應(yīng)用在已經(jīng)生產(chǎn)的發(fā)動機中。一些作者1,2,3提出了不同的機制來實現(xiàn)可變氣缸內(nèi)位移。波略特等4提出構(gòu)造并研究5缸,四連桿機構(gòu)發(fā)動機。王等人5利用二次活塞和輔助室,提出和分析了一種具有阿爾瓦周期的四缸發(fā)動機。一些作者運用這個概念的理論知識探索出一些能夠獨立實現(xiàn)可變排量的實際手段。根據(jù)史格拉和施維德6的早期工作,他們估計可變行程發(fā)動機可以改善燃料經(jīng)濟性高達(dá)20%,但這取決于可允許的NOx排放和車輛的功率 - 重量比。在后續(xù)的試驗研究中施維德7發(fā)現(xiàn),在很短的行程中,發(fā)動機會發(fā)生燃燒惡化,熱量損失也會增加。Alsterfalk等8通過準(zhǔn)二維SI發(fā)動機
5、的仿真研究了可變行程發(fā)動機的潛力和局限性,他們發(fā)現(xiàn)通過改變行程長度和無節(jié)流操作可以使發(fā)動機的效率在30%至70%的負(fù)荷范圍內(nèi)得到顯著提升。當(dāng)發(fā)動機符合低于30%時發(fā)動機效率變差是因為在極短行程時出現(xiàn)的效率下降已經(jīng)超過了無節(jié)流操作時的效率提升;與此同時,接近怠速運轉(zhuǎn)時就必須進行節(jié)流操作。這篇文章試圖通過將可變排量發(fā)動機和其他兩項技術(shù)即停缸技術(shù)和混合動力技術(shù)相結(jié)合,從而克服上述挑戰(zhàn)。可變排量發(fā)動機與停缸技術(shù)的結(jié)合可以降低無節(jié)流操作的下限使其更加接近怠速,而功率分流液壓混合動力系統(tǒng)能夠避免不可行的操作范圍。發(fā)動機也采用了渦輪增壓技術(shù)從最大限度減小發(fā)動機的體積。在9中,普銳斯的豐田混合動力系統(tǒng)的功率分
6、配架構(gòu)已經(jīng)被采用。但是,這個豐田混合動力系統(tǒng)是由行星齒輪組和兩個泵或電機以及液壓氣動蓄能器組成的液壓混合動力系統(tǒng),而沒有使用電氣元件。液壓元件具有非常高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率,這使得它們非常有效地在制動過程中回收動能。另一個優(yōu)點是相比于非常先進的電池,前者的成本相對較低10。然而液壓蓄能器相對較低的能量密度也產(chǎn)生了特殊的困難,需要用新的方法來發(fā)展對其的監(jiān)視和控制技術(shù)。并聯(lián)和串聯(lián)的液壓混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征在之前就已經(jīng)被深入研究,特別是在重型車輛上11,12,13,與此同時在設(shè)計和控制策略上的優(yōu)化使得汽車的燃油經(jīng)濟性有顯著的改進。功率分流系統(tǒng)在混合動力汽車和電動汽車領(lǐng)域都已被廣泛研究,他表現(xiàn)出同時
7、對串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)的最佳性能進行匹配的能力。所以我們的目標(biāo)有兩方面,一方面要調(diào)查功率分流液壓混合動力系統(tǒng)在正常駕駛條件下能否使可變排量渦輪增壓發(fā)動機無節(jié)流運轉(zhuǎn),另一方面要了解對功率分流液壓混合動力系統(tǒng)監(jiān)視控制技術(shù)的發(fā)展方面的挑戰(zhàn)。由于液壓能量轉(zhuǎn)換元件處于非常不同的速度范圍并且能量存儲容量較低,所以監(jiān)控問題的約束條件在混合動力系統(tǒng)中顯著不同。當(dāng)然,這項研究通過給出的動力總成的配置提供了汽車燃油經(jīng)濟性潛力的所在。 這項調(diào)查基于預(yù)測模擬工具。兩升四缸渦輪增壓缸內(nèi)直噴可變排量發(fā)動機的模型在AMESIM中建立。缸內(nèi)模型考慮了熱力學(xué)控制因素,質(zhì)量和能量守恒因素,以及燃燒和傳熱因素。支管和端口的一維氣體動力學(xué)
8、模型使渦輪增壓器能夠與發(fā)動機氣缸進行耦合。機械損失會根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的經(jīng)典經(jīng)驗公式進行估計,但是我們一定要明白,在赫夫利發(fā)動機中,其復(fù)雜的軸承組件和軸向加載器可能具有比傳統(tǒng)的基本略高的損失。液壓能量轉(zhuǎn)換和存儲元件,以及功率分流變速器模型是在SIMULINK中基于物理原理建立,并且動力總成和車輛模型最終的集成也是在同一軟件中建立。而上述研究整合的基礎(chǔ)是原先研究人員在美國密歇根大學(xué)汽車研究中心開發(fā)的車用發(fā)動機仿真模擬平臺。除此之外,該車用發(fā)動機仿真平臺之前也配置了利用平行和系列架構(gòu)的液壓混合動力系統(tǒng)的研究。 本文的結(jié)構(gòu)如下。首先說明可變排量渦輪增壓發(fā)動機(VDTCE)的概念以及建模方法。發(fā)動機的主要
9、特點以及在部分負(fù)荷燃油消耗率的改善將通過仿真結(jié)果說明。接下來,我們討論功率分流液壓混合動力系統(tǒng)的液壓組件的配置和傳動系統(tǒng)的建模,以及車輛的動態(tài)模擬。對不同電源進行有效監(jiān)控是充分利用混合動力系統(tǒng)潛力的關(guān)鍵,因此與PS-HHV系統(tǒng)的控制相關(guān)的獨特挑戰(zhàn)將在一個單獨的小節(jié)探討。然后提出了一個可以對發(fā)動機最佳燃油消耗率工作點的定位的蓄電池荷電狀態(tài)的調(diào)制控制。最后,提出的包括可變排量渦輪增壓發(fā)動機(VDTCE)和功率分流液壓混合動力系統(tǒng)的動力總成的配置將在EPA城市和公路行駛工況中進行仿真,并與配備了傳統(tǒng)SI發(fā)動機和5速自動變速箱的傳統(tǒng)基準(zhǔn)車輛進行對比。文章最后以結(jié)論結(jié)尾??勺兣帕繙u輪增壓發(fā)動機(VDTC
10、E)的概念及建模 可變排量發(fā)動機允許氣缸工作容積基于執(zhí)行命令而改變。氣缸腔室大小的變化是通過移動活塞上止點(TDC)和下止點(BDC)的位置來實現(xiàn)的。其主要思想是通過改變排量而不是節(jié)流吸入空氣來實現(xiàn)對發(fā)動機輸出的調(diào)制。通過使發(fā)動機節(jié)氣門全開(WOT),從而在部分負(fù)荷消除過多的泵氣損失,進而顯著提高了部分負(fù)荷效率。 本研究選擇的可變排量發(fā)動機概念是基于赫夫利發(fā)動機設(shè)計的15。圖1示出了所提出的發(fā)明的機理示意圖。赫夫利發(fā)動機的氣缸徑向圍繞曲軸,但在相對于上述曲軸的旋轉(zhuǎn)平面呈一角度。這使得活塞被一個以一種特殊軸承組件構(gòu)成的單一曲軸連接,從而能夠沿著這個傾斜的曲軸移動。球形接頭相當(dāng)于連接桿的大端部,它
11、允許活塞能夠活塞組件允許的范圍內(nèi)的不同位置做往復(fù)運動。如果需要使用不同的排量,曲軸的軸承組件將被向上或向下移動從而改變發(fā)動機行程。我們的研究就是利用這一概念探討提高發(fā)動機循環(huán)效率的潛力,并試圖了解這樣做的局限性以及整合動力系統(tǒng)可能系統(tǒng)可能遇到的挑戰(zhàn)。所以,雖然我們的本意不是解決這個機構(gòu)的組件的設(shè)計以及這種發(fā)動機的可靠性和成本等等這些細(xì)節(jié),這樣一個機構(gòu)的運動學(xué)和機和約束卻被看做一個現(xiàn)實的平臺。 對于赫夫利發(fā)動機的實際考慮和約束如下。該發(fā)動機的壓縮比可以保持恒定或者在小范圍內(nèi)變化。在這項工作中首先需要考慮的就是保持壓縮比恒定。由于有幾何約束,發(fā)動機排量的最小值被限制,它也決定了發(fā)動機功率的下限。初
12、步分析表明,發(fā)動機排量的最小值依然與可變排量渦輪增壓發(fā)動機非節(jié)流時的值相距較遠(yuǎn),由于現(xiàn)實范圍不同,他們排量之比大約為2:1。降低鈍化作用被認(rèn)為是為了進一步擴大非節(jié)流操作的很好方法。在上止點,渦輪增壓增加了功率范圍。因此,2升可變排量渦輪增壓發(fā)動機被設(shè)計成可以達(dá)到3.6升常規(guī)自然吸氣基線的效果。表1包含主機規(guī)格。表1:主機規(guī)格排量1-2L缸徑83mm行程41.5-83mm連桿長160mm壓縮比10.2汽缸數(shù)4每個氣缸閥數(shù)4圖1:赫夫利發(fā)動機概念圖 發(fā)動機熱力學(xué)模型和氣體動力學(xué)過程模型采用LMS Imagine建立。實驗室的AMESIM 是一個多域軟件平臺。該平臺允許單個模塊在一個圖形化編程環(huán)境(
13、見圖2)中集成,方便實現(xiàn)控制器,并提供了SIMULINK的接口(如需要)。接下來的部分提供了建模方法的細(xì)節(jié),并說明了可變排量渦輪增壓發(fā)動機的操作。圖2:可變排量渦輪增壓發(fā)動機的AMESIM模型發(fā)動機氣缸模型 AMESIM中的燃燒模型 是用于開發(fā)可變排量渦輪增壓發(fā)動機氣缸模型的基礎(chǔ)。該模型考慮了熱力學(xué)控制因素,質(zhì)量和能量守恒因素,以及燃燒和傳熱因素。為了允許發(fā)動機排量的動態(tài)變化,瞬時氣缸容積的計算必須進行修改,這些細(xì)節(jié)將在下面單獨一個小節(jié)。氣缸內(nèi)的氣體包含三種氣體,即空氣,燃料蒸汽和燃燒后氣體的混合物。燃料是由碳原子和氫原子的數(shù)目(CxHy)和其較低的熱值來定義。燃料像液體一樣被噴射,而且液體液
14、體的蒸發(fā)將會影響氣缸中電荷的熱力學(xué)狀態(tài)。燃料蒸發(fā)的模型是根據(jù)一個依賴于混合物溫度的蒸發(fā)時間長度建立的。氣體和燃燒室壁之間的熱傳遞是使用Woschni模型計算。燃燒模型考慮了兩個區(qū)域,在這其中,根據(jù)氣體未燃燒和已經(jīng)變成燃燒后氣體而被分離開來。反應(yīng)速率是利用相干火焰模型,這需要對流層火焰速度和總的火焰面信息計算出來的。層流速度是由 Metghalchi和 Keck,以及瞬時溫度和未燃燒氣體的壓力共通過決定的??偟幕鹧鎱^(qū)域是平均火焰表面和火焰起皺前緣的組合。平均火焰面積的計算是先假設(shè)一個球形向前與中心的火花塞傳播,直到與活塞接觸?;鹧嫦蚝蠼佑|到活塞是通過假設(shè)火焰的形狀像氣缸形狀簡化。火焰起皺前緣是基
15、于Damköhler“S解析表達(dá)式18,它考慮的火焰起皺的湍流效應(yīng)。零維能量的梯級模型用來計算湍流動能。 預(yù)測爆震是確定現(xiàn)實的助力極限的關(guān)鍵。它是通過計算之前實物19的演變來實現(xiàn)的。當(dāng)該前體實物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和初始燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的比率達(dá)到1時,就會超過誘導(dǎo)時間而發(fā)生自燃。法國石油研究所開發(fā)的一個簡單代數(shù)模型提供了爆震強度19的估計??勺兣帕堪l(fā)動機的曲軸模型 我們創(chuàng)建了一個新的曲軸模型讓發(fā)動機根據(jù)軸承組件的位置改變而改變發(fā)動機的排量。圖1所示的赫夫利發(fā)動機是通過修改標(biāo)準(zhǔn)模型的曲軸,使曲軸模型和曲軸軸頸的相對位置發(fā)生變化。這個模型還包括一個用來表示用于移動曲軸軸承組件的執(zhí)行器的延遲,作為第
16、一階動力。該模型是AMESIM中用C語言實現(xiàn)的,它的預(yù)測示于圖3。該圖表示出氣缸 容積從最大到最小時執(zhí)行器命令的階躍變化。為了保持壓縮比恒定,最小和最大體積之間的比值也要保持恒定。這可以通過改變凈空高度與沖程長度的比例來實現(xiàn)。圖3:從最多到最少命令后,氣缸容積變化的情況進氣和排氣系統(tǒng) 進氣和排氣系統(tǒng)是通過將支管和管道相連,從而構(gòu)建一維氣體動力學(xué)模型。這使得模型能夠預(yù)測支管等的波浪作用,以及發(fā)動機的呼吸準(zhǔn)確性。渦輪增壓器 渦輪增壓器模型包含三個組成部分:壓縮機,渦輪和轉(zhuǎn)子。壓縮機和渦輪車型都是從AMESIM的庫20,21中查找建立的。利用具有可變節(jié)氣門的可壓縮流體方程可以計算出廢氣排放的質(zhì)量流速
17、。為了實現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速的增壓,渦輪的大小進行了優(yōu)化。為了防止過度的高轉(zhuǎn)速運行,所以又加上了廢氣門。廢氣門的控制命令是基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速,所需的增壓壓力和實際的增壓壓力計算的。排氣泄壓閥控制器的框圖如圖4所示。圖4:廢氣們前饋和反饋控制 為了計算所需的最大增壓壓力,我們在不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下分析了爆震強度值。在這一過程中,可以創(chuàng)建一個前饋排泄閥控制的查詢表。圖5和圖6示出了對于3000的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的發(fā)動機速度測試方案。如圖5所示,增壓壓力在逐步增加。整個瞬態(tài)的爆震強度都被記錄,爆震發(fā)生約1秒內(nèi)進入瞬態(tài)(見圖6)。這相當(dāng)與1-2倍升壓,所以實際提升界限的安全值被選為1.8。同樣道理我們可以為可變排量渦輪增壓
18、發(fā)動機做出對不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增壓壓力圖。圖5:從零開始的進氣壓力積聚。發(fā)動機工況:3000每分鐘轉(zhuǎn)速和50%排量 圖6:圖5所示的增壓壓力歷史的爆震強度變化圖7:進氣支管壓力圖燃料控制器 用于可變排量渦輪增壓發(fā)動機燃料控制器是由姆拉德諾維奇(GM)發(fā)明的一種概念改進而成的22。節(jié)流估計空氣流速是基于支管的氣體壓力,溫度和空氣質(zhì)量流量確定的。通過對原方法的修改,我們實現(xiàn)了計算可變氣缸容積的效果。圖 8:燃料控制框圖 因此,燃料控制器的前饋部分依賴于經(jīng)過節(jié)流閥的空氣質(zhì)量流量信號,溫度和活塞行程,從而可以估算支管壓力。然后用實際質(zhì)感的壓力信號與這個估計的壓力相比較,從而創(chuàng)建一個錯誤值。根據(jù)錯誤模塊可
19、以使用PI控制估計氣缸空氣流量,從而可以計算燃料噴射的期望量。通過標(biāo)準(zhǔn)化的空氣-燃料比的反饋回路可以實現(xiàn)精細(xì)調(diào)整。估計的燃料噴射量,噴射時間,發(fā)動機轉(zhuǎn)速,和每轉(zhuǎn)然老燃燒量來計算整體靜態(tài)供油率(SFR)。停缸 停缸的實施是為了讓非節(jié)流發(fā)動機運行在非常小的負(fù)荷。停缸時關(guān)閉兩個缸,可以使發(fā)動機的排量降低一半。停缸技術(shù)使發(fā)動機在排氣沖程期間停用一缸。下一個被停用的氣缸是與它配對另一個液壓缸。通常氣缸是1和4配對,2和3配對。當(dāng)氣缸停用時,其進氣口和排氣門保持關(guān)閉,以保持缸內(nèi)較高的溫度,并防止富氧廢氣流經(jīng)氧氣傳感器并進入催化轉(zhuǎn)換器。圖9:停缸時的平均發(fā)動機轉(zhuǎn)矩 圖9顯示了在氣缸停用過程中,可變排量渦輪增
20、壓發(fā)動機的平均發(fā)動機扭矩值。由于相對機械損失增加,停缸后會出現(xiàn)下沖,我們可以通過所述控制器來調(diào)整一個赫夫利發(fā)動機的沖程從而迅速糾正。摩擦模型 摩擦模型是基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和相同的經(jīng)驗表達(dá)關(guān)系而建立,可以同時用于可變排量渦輪增壓發(fā)動機和常規(guī)基線發(fā)動機。 我們認(rèn)識到一個帶有執(zhí)行器和較大軸向載荷的復(fù)雜軸承組件的赫夫利發(fā)動機的機械損失可能與那些傳統(tǒng)的發(fā)動機上所觀察到的不同,但目前還沒有公布的數(shù)據(jù)能夠在赫夫利發(fā)動機上量化摩擦。因此,采用相同的FMEP要比試圖不根據(jù)任何實際測量的指導(dǎo)做出的估計更加安全。上述警告意味著我們需要謹(jǐn)慎查看制動比油耗值,這將在下一小節(jié)提交,但作為可變排量渦輪增壓發(fā)動機的整體效率水平時
21、可能有所高估??勺兣帕繙u輪增壓發(fā)動機的實施 本節(jié)討論了系統(tǒng)內(nèi)的交互和各種操作模式下的控制邏輯。在可變排量渦輪增壓發(fā)動機中發(fā)動機的動力可以通過以下方式進行控制:1-可變排量命令,2 -汽缸失活的命令,3 - 渦輪廢氣門的命令,4 - 點火正時??勺兣帕棵钍请娫幢O(jiān)控的主要方法。如果在WOT中能量下降至最小排量命令的水平以下,則有必要使用停缸。平滑模式過渡是通過在停缸過程中對氣缸排量進行微調(diào)實現(xiàn)的。正如在渦輪增壓部分所解釋的,渦輪廢氣門的命令式根據(jù)預(yù)先的查找表確定的,它定義了不發(fā)生爆震所能達(dá)到的最大增壓壓力。鑒于在WOT可變排量渦輪增壓發(fā)動機工作在所有時間,點火提前受到爆震的限值,且與傳統(tǒng)發(fā)動機相
22、比還是滯后。 在成功建立了圖2所示的發(fā)動機系統(tǒng)仿真之后,經(jīng)過幾次運行,生成了圖10所示的燃油消耗率圖。峰值轉(zhuǎn)矩是由最大位移和允許的升壓水平來確定。較高負(fù)荷和中等負(fù)荷區(qū)域可通過可變位移執(zhí)行器控制。實際低負(fù)荷極限部分是結(jié)合停缸和可變排量命令的結(jié)果??梢钥闯?,技術(shù)的組合可以使發(fā)動機在整個工作范圍都能有效運行。最低燃油消耗率值是大約190克/千瓦小時,最大是310克/千瓦小時,這也許比以往的SI發(fā)動機上觀察到的典型低負(fù)荷值還要低兩個數(shù)量級。圖表沒有覆蓋整個范圍,因為在最底層的負(fù)載范圍和接近怠速運轉(zhuǎn)時是無法實現(xiàn)的,除非我們開始對吸氣進行節(jié)流。正如我們目標(biāo)中解釋的,我們計劃通過連接發(fā)動機與混合動力系統(tǒng)避免
23、低負(fù)荷,并使用控制權(quán)限以保持發(fā)動機在任何時候都高于低負(fù)荷極限運轉(zhuǎn)。圖10:可變排量渦輪增壓發(fā)動機的燃油消耗和最佳燃油消耗率的軌跡圖功率分流液壓混合動力推進系統(tǒng) 混合動力系統(tǒng)是一種允許自由加入額外的能量存儲裝置和輔助推進裝置的一種裝置。這提供了控制發(fā)動機的靈活性。另外,傳動系中的可逆電機是汽車在市區(qū)行駛時通過制動得到能量和燃料等經(jīng)濟收益的再生。為了在并聯(lián)和串聯(lián)混合架構(gòu)中同時獲得兩者的最佳特性,在功率分流的混合架構(gòu)中也選擇這項工作。動力傳動系統(tǒng)組件模型,由SIMULINK軟件開發(fā),并與由密歇根大學(xué)汽車研究中心的研究人員1113開發(fā)的車用發(fā)動機仿真相集成。表2給出了車輛系統(tǒng)規(guī)格的概況。表2:車輛規(guī)格
24、 發(fā)動機描述2L可變排量渦輪增壓發(fā)動機最大功率5000轉(zhuǎn)時156kW最大轉(zhuǎn)矩3000轉(zhuǎn)時350Nm馬達(dá)/泵描述軸向柱塞可變排量體積110 cc/rev最大轉(zhuǎn)速4000 RPM蓄能器種類充氣式氣體氮氣容量35L最大壓強350 bar最小壓強120 bar車輛種類四門轎車重量1535 kg迎風(fēng)面積系數(shù)0.272 m2輪胎半徑0.327 m最終傳動比3.38行星齒輪傳動設(shè)計改進自豐田混合動力系統(tǒng)環(huán)齒輪/太陽齒輪2.6:1減速比3:1功率分流系統(tǒng) 功率分流系統(tǒng)的中心是一個集成了兩個能量轉(zhuǎn)換器和液壓泵/電機的行星傳動齒輪。它利用所謂的調(diào)速力矩器來控制發(fā)動機操作,同時給車輪提供所需扭矩。該系統(tǒng)結(jié)合了并聯(lián)和
25、串聯(lián)結(jié)構(gòu),在控制發(fā)動機時有很大的靈活性,以某些操作模式通過力矩器和機械傳動裝置將動力從發(fā)動機傳到車輪,從而避免了多次能量轉(zhuǎn)換造成的損失。圖11顯示了功率分流結(jié)構(gòu)示意圖和杠桿模擬圖說明在功率分流裝置中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。 豐田混合動力系統(tǒng)(THS)9是由一個基礎(chǔ)的功率分流系統(tǒng)發(fā)展而來。與豐田混合動力系統(tǒng)類似,車輛和電機與環(huán)齒輪相連,發(fā)動機與傳動齒輪相連。但是由于液壓馬達(dá)的最大允許轉(zhuǎn)速要低得多,所以該泵通過減速器與太陽齒輪相連(見圖11)。發(fā)電機在原來的豐田混合動力系統(tǒng)中要求高速行駛,超過10000轉(zhuǎn),而液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速不應(yīng)該超過4000轉(zhuǎn)。下面的公式顯示組件轉(zhuǎn)矩和速度之間的關(guān)系:圖11:帶有液壓元件
26、的功率分配架構(gòu)以及功率分流混合動力系統(tǒng)的杠桿示意圖駕駛員 駕駛員在建模時被定義為一個由實際車輛速度和由選擇的駕駛時間表確定的期望車輛速度之間的誤差所得到的的比例積分控制器:發(fā)動機 發(fā)動機的模型在AMESIM中建立,它的的細(xì)節(jié)在前面的章節(jié)已經(jīng)給出。在SIMULINK中的一個系統(tǒng)集成研究中,AMESIM預(yù)測模型被用來產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩查找表作為發(fā)動機轉(zhuǎn)速與燃料噴射和質(zhì)量的函數(shù)。從AMESIM預(yù)測模型到查找表的級聯(lián)使在預(yù)處理時將所有的設(shè)計和控制問題控制在適當(dāng)水平,然后再選取與設(shè)計特征相符合的緊湊而快速的模塊。一階滯后加到模擬渦輪增壓器產(chǎn)生延遲。當(dāng)發(fā)動機的控制命令為零時,控制器發(fā)出怠速命令。車輛 車輛被看做
27、一個點質(zhì)量模型。對于燃油經(jīng)濟性的研究這被認(rèn)為是足夠的。車輛的阻力在建模時被分為滾動阻力和滑動阻力。該車輛還包含一個被當(dāng)做庫倫摩擦裝置的制動模型。車輛模型方程如下。蓄能器模型 將含有氮氣泡沫的囊式蓄能器作為能量存儲裝置。根據(jù)實際氣體和能量守恒定律的BWR方程,氮的狀態(tài)方程如下圖所示,這是從23,24,25中得出的。在等式20-21中,下標(biāo)“g”表示關(guān)于氣體的變量,和“f”對應(yīng)的變量,如質(zhì)量比熱,表示關(guān)于泡沫的變量。通過添加彈性體泡沫,電荷的熱容量有所增加,充電-放電過程的效率也顯著提高。泵/電機模型 液壓泵/馬達(dá)模型是一個新版的威爾遜“泵/馬達(dá)理論”23。泵/馬達(dá)是軸向柱塞可變排量型。轉(zhuǎn)矩和流動
28、由位移指令控制。容積和機械效率公式如下所示。因此,實際的瞬時扭矩或流量要被乘以對應(yīng)的瞬時位移和速度,按從方程23-24中確定的效率的理論值計算。整合與監(jiān)控 將混合動力效益最大化的主要因素是專門最其選定的配置和為組件設(shè)計量身定做的監(jiān)控策略。在混合動力系統(tǒng)中,能量存儲裝置相對較低的能量密度,要求對電池荷電狀態(tài)更加細(xì)致的管理,同時為了保證維持電池荷電狀態(tài)的最小值的發(fā)展,要同時優(yōu)化整體性能和功率分流混合動力系統(tǒng)。Filipi和Kim提出了一種調(diào)制控制策略,當(dāng)將其應(yīng)用于串聯(lián)液壓混合動力系統(tǒng)時會產(chǎn)生優(yōu)異的效果;所以它被選為針對PS-HHV系統(tǒng)開發(fā)控制器的基礎(chǔ)。 調(diào)制控制根據(jù)瞬時SOC的偏差與期望SOC和實
29、際SOC之間的差的變化率來調(diào)整對發(fā)動機的指令,如下: 為了提供足夠的存儲容量用于后續(xù)的能源再生,所以所需的SOC較低(0.2)13。與傳統(tǒng)的恒溫SOC控制不同,調(diào)制控制器避免劇烈的瞬態(tài)變化,平緩提升發(fā)動機功率,如圖12。根據(jù)所述控制器的發(fā)動機動力需求的信號,實際所需的轉(zhuǎn)矩和速度,由圖10所示的恒流電源線和最佳燃油消耗率的軌跡的交點來確定。這將在下一節(jié)詳細(xì)討論。圖12:FTP75工況下發(fā)動機功率需求與電池荷電狀態(tài)的預(yù)測仿真結(jié)果 PS-HVV系統(tǒng)的操作和燃油經(jīng)濟性在FTP75城市行駛工況下進行評估。圖13示出有關(guān)駕駛時間表的一個片段的結(jié)果,包括:車速,發(fā)動機轉(zhuǎn)速,功率,車輪輸出功率,SOC,泵和馬
30、達(dá)的能量輸出。電機的轉(zhuǎn)速顯然與車輛期望速度直接相關(guān),但是為了保持發(fā)動機在期望的操作點,泵要進行反轉(zhuǎn),這將由負(fù)RPM值來表示。圖13:功率分流混合動力系統(tǒng)在FTP75工況下的部分:車輛和動力總成部件速度歷史(上圖),發(fā)動機和車輪速度以及SOC的實例(中圖),泵和馬達(dá)功率歷史(下圖 ) 圖13中間的圖表示的是,與豐田混合動力系統(tǒng)不同的是,發(fā)動機的功率在大部分片段都與總的功率要求接近。發(fā)動機提供了大部分的功率要求,控制器用以維持SOC的限制值,使其始終接近所需值。然而,這并不意味著發(fā)動機工作效率低下控制。恰恰相反,圖14示出了該發(fā)動機的工作點都分布在發(fā)動機最佳燃油消耗率的軌跡附近,這要歸功于混合動力
31、系統(tǒng)的發(fā)動機的靈活性。相對而言發(fā)動機的符合是非常低的,但是可變排量渦輪增壓發(fā)動機可以去除與傳統(tǒng)發(fā)動機部分負(fù)荷相關(guān)的不足,從而獲得更好的燃油消耗率特性。然而,工作點在第四象限的集中分布表現(xiàn)出該發(fā)動機寬大的尺寸,有進一步小型化的余量。在這項研究中選擇期望的額定功率來匹配現(xiàn)有的高性能車輛,在將來的研究中有可能會改變。車輪的扭矩偶爾會變成負(fù)值,這表示制動過程。 圖13示出的底部的細(xì)節(jié)圖表示出液壓泵/馬達(dá)的輸出行為。泵的功率類似發(fā)動機功率的輪廓,但是現(xiàn)實是不完全一樣的,因為一些發(fā)動機的動力被直接傳到了車輪上。每當(dāng)車輪的動力指令為負(fù)是,電機轉(zhuǎn)到泵模式,從而滿足制動要求,并實現(xiàn)能源的再生回收。圖14:在FT
32、P75駕駛循環(huán)下功率分流車輛發(fā)動機的工作點示意圖為比較建立基線 為了了解帶有功率分流液壓混合動力系統(tǒng)和可變排量渦輪增壓發(fā)動機的車輛性能的提升,有必要建立一個傳統(tǒng)車輛的模型。我們的目標(biāo)平臺是一個中等規(guī)模的高性能轎車。我們使用這種方法的目標(biāo)是強調(diào)在保持高性能的同時顯著降低燃油功耗,而不是探索最佳燃油經(jīng)濟性的可能性。但是,對于其他類似的配置這種一般的看法適用的,并且可以通過目前的研究為以后高性能汽車的研究提供指導(dǎo)??傊鐖D15所示,我們在AMESIM中模擬設(shè)置了3.6升V6吸氣式發(fā)動機的有代表性的基線。該發(fā)動機的規(guī)格總結(jié)于表3中。額定功率匹配的可變排量渦輪增壓發(fā)動機2.0升在500轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的最大功
33、率。對節(jié)氣門和點火定時指令進行了優(yōu)化,以產(chǎn)生如圖16所示的燃油消耗率圖。在SIMULINK中創(chuàng)建傳統(tǒng)車輛系統(tǒng)時,用一個五速自動變速器與發(fā)動機相配。圖15:3.6L V6發(fā)動機的AMESIM模型表3:基本發(fā)動機規(guī)格排量3.6L缸徑94mm行程85.6mm壓縮比11汽缸數(shù)6每個氣缸閥數(shù)4傳統(tǒng)車輛與功率分流混合動力系統(tǒng)對比:系統(tǒng)的相互作用和燃油經(jīng)濟性 在3.6升V6發(fā)動機工作點被疊加在圖16所示的燃油經(jīng)濟性圖上。顯然,帶有常規(guī)五速變速器的發(fā)動機的工作點散射在很寬的范圍,但是經(jīng)常將發(fā)動機保持在不利的中速和低負(fù)荷區(qū)域。當(dāng)扭矩需求大約是50牛米,且發(fā)動機燃油消耗率>550克/千瓦時,而不是約300克
34、/千瓦時的時候可變排量渦輪增壓發(fā)動機將對汽車的燃油經(jīng)濟性有巨大的影響。 圖17示出了傳統(tǒng)車輛相對于可變排量渦輪增壓發(fā)動機操作之間的巨大差異。在傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)的情況下,發(fā)動機直接連接到所述車輛的速度,并且在相關(guān)車輛的功率要求和齒輪位移的突然變化下會發(fā)生頻繁的瞬變。與此相反,功率分流系統(tǒng)可以保持發(fā)動機的轉(zhuǎn)速相對較低,所以可以具有非常溫和的變化。從中間的圖表上可以看到明顯的具體差異,說明傳統(tǒng)車輛的發(fā)動機扭矩會有巨大且頻繁的波動。功率分流混合動力系統(tǒng)的整體扭矩水平與之相當(dāng),但是高頻瞬變完全消除,為發(fā)動機的渦輪增壓做好準(zhǔn)備。下圖顯示了非常不同的發(fā)動機工作特性以及表示瞬時油耗影響程度的燃油消耗率圖。駕駛時
35、間表上下圖曲線下的面積能夠確定表4所示的車輛的燃油經(jīng)濟性。將可變排量渦輪增壓發(fā)動機與功率分流混合動力系統(tǒng)耦合將對城市工況和高速公路工況都有顯著作用。這似乎有些意外,因為由于有能源再生的機會,混合動力系統(tǒng)在城市工況下經(jīng)常能夠提供相對較高的收益。這一發(fā)現(xiàn)表明,大部分收益是源于可變排量渦輪增壓發(fā)動機在部分負(fù)荷下的高效,而不是混合動力系統(tǒng)的改進。圖16:帶有3.6升自然吸氣發(fā)動機的常規(guī)車輛在FTP75駕駛循環(huán)的模擬工作點圖圖17:傳統(tǒng)車輛和功率分流在FTP75駕駛循環(huán)的對比:發(fā)動機轉(zhuǎn)速(上圖),發(fā)動機轉(zhuǎn)矩(中圖),燃油消耗(下圖) 事實上,圖18比較了兩者超過一個駕駛周期段的發(fā)動機周期,并說明可變排量渦輪增壓發(fā)動機的瞬時效率要比傳統(tǒng)發(fā)動機計算的相應(yīng)值大兩倍以上。圖18:在一個FTP75駕駛循環(huán)的發(fā)動機瞬時效率圖表4:傳統(tǒng)車輛發(fā)動機與功率分流混合動力可變排量渦輪增壓發(fā)動機燃油消耗率的比較城市(FTP75)(mpg)高速公路(HWFET)(mpg)傳統(tǒng)車輛發(fā)動機18.3430.41功率分流混合動力可變排量渦輪增壓發(fā)動機46.5077.68 最后,可變排量渦輪增壓發(fā)動機與功率分流液壓混合動力系統(tǒng)的耦合可以使車輛在燃油經(jīng)濟性方面具有特殊優(yōu)勢。對系統(tǒng)的相互作用的分析表明,大部分的燃油經(jīng)濟性的改進來源可變排量渦輪增壓發(fā)動機在部分負(fù)荷的高效,而功率分流液壓混合動力系統(tǒng)可以被看做是可
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