混合动力汽车发动机启动过程研究

混合动力汽车发动机启动过程研究

潘力播

长城汽车股份有限公司 河北省保定市 071000

摘要：随着油耗法规和排放法规的升级，混合动力汽车逐渐成为研究热点。在混合动力汽车的使用过程当中，频繁的发动机启停过程会产生振动与噪声。

关键词：混合动力汽车；发动机；启动

1、汽车发动机的工作原理

　　从汽车发动机工作的能源来说，目前主要有汽油发动和柴油发动机两种类型，同时也有根据实际需要将能源更改为天然气的情况。汽车发动机运行的基本原理是能源在密闭气缸内燃烧，在产生相应热能后，利用活塞循环作用将热能转换为机械能，从而驱动车辆完成不同的运行状态。整体循环过程包括进气、压缩、做功和排气四个循环过程。在现代生产技术条件下，汽车发动机结构更加复杂，做功效率不断提升，由此也带来运行过程中不同方面的故障更加复杂。汽车发动机基本故障判断，是驾驶员应当具备的基本技能之一，是确保车辆行驶安全的重要前提。

2、试验装置及启动过程
  某复合功率分流机构由发动机、电动机、输入轴、行星齿轮系、扭转减振器、主减速器以及其他中间轴系组成。混合动力发动机与输入轴通过扭转减振器相连，混合动力专用发动机为1台直列四缸发动机，排量为2.0 L，各个气缸设有4个气门，采用涡轮增压、可变气门正时(VVT)以及米勒循环技术启动试验基于以上所述的发动机进行，通过进气压力、缸压传感器以及转速传感器采集发动机启动过程数据。其中，进气压力和转速传感器的采样频率为20Hz；而缸内压力通过燃烧分析仪进行采样，其采样频率为1000Hz。在试验开始前，对发动机进行充分预热。当发动机冷却液温度达到90℃时，关闭发动机，车辆静止挂P挡，手动调整整车控制系统设置启动条件，使系统进入发动机启动工况。启动过程当中，整车控制系统发出指令使电动机输出扭矩，通过行星齿轮系将扭矩传递到发动机使其启动。电动机扭矩恒定约为55 N·m，倒拖发动机转速从0r/min开始增加，转速达到600r/min后发动机开始喷油和点火，并且控制启动后期发动机转速为1000r/min。
2、仿真模型建立及校核
  为了更加简洁地分析不同影响因素对发动机启动过程的影响，本文模型启动过程不设喷油和点火过程，发动机在恒定外部力矩下倒拖启动，直到发动机达到一定转速。启动过程是一个瞬态过程，为了计算的稳定，模型设定准备时间0.2s。准备期间，发动机保持静止，外部施加给发动机的扭矩也是0N·m，之后在0.02 s时间内外部扭矩从0 N·m达到特定值，倒拖发动机旋转起来。由于仿真模型没有喷油和点火过程，本文只对比试验启动过程的前期数据。整个启动过程，发动机在外力的作用下，转速很快地从0r/min达到1000r/min，耗时0.3s左右。产生发动机转速波动的主要原因是发动机各缸有压缩和膨胀行程，造成发动机的扭矩波动。同样地，进气压力也是如此，发动机各缸有进气行程，进气歧管内的空气被吸进缸内，进气歧管内的压力产生了波动。启动过程中各缸几乎就只能完成一个完整的热力学循环，各缸详细的过程如下:第1缸在开始时刻处于压缩行程后期，经过一段时间泄漏后缸内压力几乎降低到大气压力，所以压缩上止点压力较小，之后由于膨胀行程是完整的，导致缸内在膨胀行程后期形成真空。第3缸在开始时刻处于进气行程，之后能够完成一个完整的压缩行程，所以第3缸第一个压力峰值较高。第4缸在开始时刻处于排气行程，能够完成一个完整的压缩和换气行程，但是考虑到进气歧管内空气有一部分空气被第3缸吸入，导致进气歧管压力下降，第4缸压缩上止点压力低于第3缸。第2缸在开始时刻处于膨胀行程，能够完成一个完整的压缩和换气行程，但是考虑到进气歧管内有一部分空气被第3缸和第4缸吸入，导致进气歧管压力下降，第2缸压缩上止点压力低于第3缸和第4缸，而且在第2缸压缩行程发动机转速达到喷油和点火转速，所以试验结果当中第2缸内发生喷油和点火，只是由于着火不稳定导致在膨胀行程后期缸内压力有一个峰值。仿真结果与试验结果吻合较好，可以方便地获得缸内压力数据、发动机转速、进气压力以及其他发动机状态参数，而且结果可以不受采样频率限制，因此模型可用于研究不同因素对启动过程的影响。
3、不同影响因素对启动过程的影响
3.1 几何压缩比
  不同几何压缩比对发动机启动过程的影响，其中几何压缩比分别是11,13和15。对比发现随着压缩比的增加，发动机启动过程变慢，缸内压缩膨胀阶段压力明显增加，其中第3缸第一个压力峰值最大差别达到0.73 MPa，其他各缸的压力峰值也有不同程度的增加。同时，由于压缩比的增加，作为负载的发动机的某一个气缸处于压缩行程时阻力矩增加，导致发动机转速波动加大和转速上升变慢。也就是说，发动机压缩比增加，缸内压力峰值增加，发动机转速波动加大，发动机启动速度变慢。
  3.2 倒拖扭矩
  对比发现随着倒拖扭矩的增加，发动机启动过程明显变快，缸内压力峰值略有增加，其中第3缸第一个压力峰值最大差别仅为0.15 MPa，其他各缸的压力峰值也有不同程度的增加，但是出现的时刻差异较大。对于发动机的启动过程，通过改变启动电机的倒拖扭矩可以改变启动速度，对缸内的压力峰值影响较小。

  3.3 节气门
  节气门开度对发动机启动过程的影响，其开度分别设定为90°(全开)、45°(半开)和0°(全关)进行。仿真结果对比发现，启动过程节气门开度对启动速度影响非常小，对第3缸第一个压力峰值影响也非常小，对第4缸、第2缸和第1缸内缸内压力峰值影响稍大，对进气歧管压力的波动影响较大，尤其是全关时进气歧管压力波动较大。主要原因是发动机转速从0r/min上升到1000r/min的时间非常短，各个气缸几乎仅能完成一个完整的压缩和膨胀行程，排量为2.0 L的发动机进气歧管内的空气仅能满足第3缸的进气需求。后期由于小节气门开度的节流作用，会使进气歧管内压力降低，进而其他各缸进气量减少，导致缸内压力峰值逐渐降低。
结语：发动机压缩比越大，缸内压力峰值越大，发动机转速波动越大；倒拖扭矩越大，启动速度越慢，各缸缸内压力峰值出现时间越早；节气门开度对启动速度以及各缸的压力峰值影响都非常小；进气门的锁止位置可以改变各缸内的压力峰值，但排气门的锁止位置影响非常小；第1缸活塞初始位置对各缸压力峰值和峰值出现的时间影响较大；启停间隔对各缸压力峰值出现的时间差异有一定影响，对启动速度影响较小。
参考文献：

[1]王博，张振东，于海生，等．发动机启动引起的混合动力汽车振动分析与控制[J]．汽车工程，2019,41(2):184-190+205.

[2]况成玉,陆晓锋.傅里叶单元在航空发动机机匣强度振动分析中的应用[J].噪声与振动控制,2019,39(04):162-166.

　　[3]张鹏,王洪斌,李杰静,袁鑫,范启华,刘江,田俊,汪京.某型发动机振动值渐增现象分析[J].内燃机与配件,2019(14):42-46.

　　[4]于骏颖.CFM56-5B 发动机振动监控系统原理及应用[J].航空维修与工程,2019(07):41-43.