CN110863912A - 一种利用主动减振的发动机灭缸方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源混合动力汽车领域，特别涉及一种利用主动减振的发动机灭缸方法。该方法在发动机运行过程中，实时提取各个气缸对应的转速波动的幅值；判断当前时刻各个气缸对应的转速波动的幅值是否一致；若不一致，则叠加与灭掉的气缸相对应的单缸补偿转矩，并对单缸补偿转矩的幅值进行动态修正，直至各个气缸对应的转速波动幅值达到一致。在此基础上，叠加能够无差别减小各个气缸转速波动的主动减振转矩。最后，叠加恒定转矩，使得电机的平均输出转矩为0Nm。该方法能够实现任意数量和位置的灭缸，还能够在保证曲轴动力学平衡的同时，减小发动机的转速波动幅值，从而在不破坏驾驶舒适性的前提下提升发动机燃油效率。

Description

一种利用主动减振的发动机灭缸方法

技术领域

本发明属于新能源混合动力汽车领域，特别涉及一种利用主动减振的发动机灭缸方法。

背景技术

随着化石能源的消耗和排放法规的日趋严格，许多发动机和整车制造商将注意力集中在节能和减排新技术的研发上。通常来说，发动机的最优油耗区集中在高转速和高负荷区域。在发动机控制中，可以通过灭缸，在部分负荷工况提高发火气缸的负荷率，从而改善发动机的燃油效率，拓宽发动机的最优油耗区范围。该方法有助于混合动力专用发动机的开发，还能够解决先进燃烧模式下，低负荷工况受限的问题。

但是，灭缸带来的各缸转矩的不一致会破坏发动机转速波动的一致性，同时，更高的负荷率会增加转速波动的幅值，从而降低驾驶员的舒适性。因此，灭缸技术通常用于汽油机，并配合以电子节气门和电子气门，在实现灭缸的同时，通过控制、调节缸内工质的压力，减少作用在曲轴上的分缸转矩的差异，甚至能够抑制转矩波动的幅值，从而减小发动机的振动，提高驾驶舒适性。不仅如此，为保证曲轴在动力学上的平衡，只能灭掉特定位置和数量的气缸，以保证灭缸后，发火气缸的缸内混合气燃烧所产生的作用力仍然保持平衡。现有的灭缸法需要对发动机进行改装，如安装电子节气门、电子气门或者采用可变凸轮型线的凸轮轴，这会降低系统的可靠性、增加控制的难度和提高系统的成本。并且，当前的灭缸法不能实现任意位置和数量的灭缸，这会严重限制最优油耗区域的大小。对于混合动力汽车而言，宽广的发动机最优油耗区域对降低整车油耗而言是至关重要的。对于先进燃烧模式，通过灭缸法提高发火气缸的负荷率是解决先进燃烧模式在低负荷下的局限性的另一条技术路线。

综上所述，当前的灭缸法需要对发动机进行改装，这会额外增加成本，降低系统可靠性。并且为保证曲轴的动力学平衡，只能关闭特定数量和位置的气缸。在相同负荷下，发火气缸会有更高的负荷率，这虽然会提升发动机的燃油效率，但会增加曲轴的转速波动幅值，降低驾驶舒适性。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种利用主动减振的发动机灭缸方法。该方法能够实现任意数量和位置的灭缸，还能够在保证曲轴动力学平衡的同时，减小发动机的转速波动幅值，从而提升发动机燃油效率和驾驶舒适性。

本发明提出一种利用主动减振的发动机灭缸方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在发动机运行过程中，实时提取各个气缸对应的转速波动的幅值；

2)判断当前时刻各个气缸对应的转速波动幅值是否一致：

若当前时刻各个气缸对应的转速波动幅值不一致，则进入步骤3)，计算总补偿转矩；若当前时刻各个气缸对应的转速波动幅值一致，则总补偿转矩为0，进入步骤4)；

3)计算总补偿转矩；

通过电机输出总补偿转矩为对应各个气缸的单缸补偿转矩之和；

电机输出总补偿转矩的计算表达式如下：

式中，

为第i个气缸的单缸补偿转矩，n为发动机的缸数；

其中，若第i个气缸为发火气缸，则有

若第i个气缸为不发火气缸，则该气缸的单缸补偿转矩计算表达式如下：

式中，

为曲轴位置，

为发火时的缸内压力；s为活塞相对于上止点的位移；A_p为活塞顶面面积；

其中，

式中，r为曲柄半径，λ为发动机的曲柄连杆比；

若补偿后，发动机各个气缸的转速波动仍不满足一致性要求，则在对应气缸的单缸补偿转矩

的基础上乘以一个系数作为该气缸新的

其中若该气缸的转速波动的幅值大于其余气缸，则该系数大于1；若该气缸的转速波动的幅值小于其余气缸，则该系数小于1；该系数不断进行动态修正直至各气缸的转速波动的幅值一致，得到更新后的总补偿转矩，进入步骤4)；

4)叠加电机主动减振转矩，计算表达式如下：

其中，

式中，

分别为第i个气缸的气体作用力转矩、连杆惯性力等效转矩和活塞往复惯性力等效转矩；

其中，

式中，

为气缸纯压缩时的缸内压力；

连杆采用双质量模型，将活塞销处的作往复运动的连杆等效质量转化为绕曲轴轴线旋转的转动惯量，则该转动惯量是关于曲轴转角位置的函数，即：

则由于活塞销位置集总质量m_A的往复运动产生的第i个气缸的绕曲轴轴线的转矩计算表达式如下：

由于曲柄销位置集总质量m_B的旋转运动产生的第i个气缸的绕曲轴轴线的转矩计算表达式如下：

因此，第i个气缸由于连杆运动产生的转矩计算表达式如下：

式中，

根据曲柄-连杆机构的机械结构，得到：

活塞往复运动产生的第i个气缸的惯性转矩

计算表达式如下：

其中，

5)在总补偿转矩和主动减振转矩的基础上，叠加恒定转矩T_Mean，使得电机的平均输出转矩为0，方法结束；

其中，恒定转矩T_Mean计算表达式如下：

本发明的特点及有益效果：

本发明不需要对发动机本身进行改造，相较于现有的技术方案，本发明具有更低的成本、更紧凑的结构和更高的可靠性；本发明能够在保证曲轴动力学平衡的同时，实现任意数量和位置的灭缸，故相较于现有的发动机灭缸法，本发明能够进一步拓宽发动机的最优油耗区域的面积，提高发动机的燃油效率，不仅如此，宽广的最优油耗区域能够满足混合动力专用发动机的开发需求；在灭缸的同时，为保证输出转矩不发生变化，发火气缸的负荷率要相应增加，本发明通过融合电机主动减振，能够抑制甚至减小随负荷率增大而增大的发动机转速波动的幅值，从而延长轴系寿命，提高驾驶舒适性；

附图说明

图1是本发明方法的整体流程图；

图2是本发明实施例中电机单缸转矩补偿的示意图；

图3是本发明实施例中典型的电机主动减振转矩波形示意图；

图4是本发明实施例中在图2的基础上叠加主动减振转矩和平均转矩修正的示意图。

具体实施方式

本发明提出一种利用主动减振的发动机灭缸方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。

本发明提出一种利用主动减振的发动机灭缸方法，应用于发动机和电机耦合的系统，尤其是混合动力系统。耦合方式包括但不限于同轴直连、齿轮啮合、皮带等。本发明可实现任意位置和数量的灭缸并避免灭缸引起的曲轴动力学失衡的问题。本发明的整体流程图如附图1所示，包括以下步骤：

1)在发动机运行过程中，实时提取各个气缸对应的转速波动的幅值。

发动机各个气缸是按照特定次序逐次发火的，因此发动机的转速是波动的，并且每个波动对应一个发火的气缸。如果每个气缸均发火，则各个气缸对应的发动机转速波动具有一致的幅值。发动机控制器可以通过解析码盘信号，提取与各个气缸相对应的转速波动的幅值。只要发动机控制器处于上电状态，对于发动机转速波动幅值的提取可以一直进行。也可以通过调取发动机控制器中各个气缸的喷油参数，来判断灭缸的数量和位置。

2)判断当前时刻各个气缸对应的转速波动的幅值是否一致，其中满足一致性要求的阈值可以根据需求设定，比如，本实施例中定义四个气缸对应的转速波动幅值的标准差小于5rpm即为满足一致性要求。由于不发火的气缸不会产生气体作用力，因此其对应的转速波动的幅值会明显小于发火的气缸。在此基础上，可以结合各个气缸的发火顺序来判断灭缸的位置和数量。

图2是本发明实施例中电机单缸转矩补偿的示意图；如图2(a)，曲线1为灭缸后的发动机转速曲线。其中，第三个转速波动的幅值明显小于第一、第二和第四个波动。本实施例中，四缸柴油机发火顺序为1-3-4-2。因此，曲线1中第三个转速波动对应有1个灭缸，位置是第4个缸。

若当前时刻各个气缸对应的转速波动幅值不一致，如本实施例，说明灭缸引起的曲轴动力学失衡未完全消除，则进入步骤3)，计算总补偿转矩。反之，若当前时刻各个气缸对应的转速波动幅值一致，说明无灭缸，或者由灭缸引起的曲轴动力学失衡得到补偿，则进入步骤4)。

3)计算总补偿转矩；

通过电机输出总补偿转矩为对应各个气缸的单缸补偿转矩之和。所述单缸补偿转矩转矩可以离线标定，也可以在电机控制器中实时地计算。单缸补偿转矩用于弥补由于气缸不发火导致的该气缸气体作用转矩的缺失，或者修正前一时刻单缸补偿转矩的幅值。对应气缸完成补偿后，则重新返回步骤1)。

电机输出总补偿转矩的计算表达式如下：

式中，

为第i个气缸单缸补偿转矩，n为发动机的缸数；

其中，若第i个气缸为发火气缸，则有

若第i个气缸为不发火气缸(灭缸)，该气缸的单缸补偿转矩可由下式计算：

式中，

为曲轴位置，

为发火时的缸内压力(这里的缸压可以是任意发火气缸，也可以是离线采集/仿真得到的缸压)；s为活塞相对于上止点的位移；A_p为活塞顶面面积。

单缸补偿转矩是各缸有差别的，体现在：若任一气缸发火，则该气缸的单缸补偿转矩为0；主动减振转矩是无差别的，体现在：无论各别气缸发火与否，都给各缸附加上相同的波动转矩。

根据曲柄-连杆机构的机械结构，可得。

其中，r为曲柄半径，λ为发动机的曲柄连杆比。

若补偿后，发动机各个气缸的转速波动仍不满足一致性要求，则在对应气缸的单缸补偿转矩

的基础上乘以一个系数(若该气缸的转速波动的幅值大于其余气缸，则该系数大于1；若该气缸转速波动的幅值小于其余气缸，则该系数小于1)作为新的

该系数不断进行动态修正直至各缸的转速波动的幅值满足一致性要求，得到更新后的总补偿转矩，进入步骤4)；

如图2(b)曲线3所示为本实施例中，电机输出的总补偿转矩即为对第4个缸输出的单缸补偿转矩。在本实施例中，单缸补偿转矩为方波。需要说明的是，本发明中单缸补偿转矩的波形并不局限于方波。任何能够通过电机输出并增加灭缸对应转速波动幅值的转矩波形均可以应用于本发明。

4)叠加电机主动减振转矩。

各个气缸对应的转速波动幅值一致，说明无灭缸或者由灭缸引起的曲轴动力学失衡问题得到解决。本实施例中，电机输出补偿转矩完成补偿后的转速波动为图2(a)中的曲线2。此时，各个气缸对应的转速波动的幅值满足一致性要求。此后，叠加电机主动减振转矩。主动减振转矩能够无差别地减小各个气缸对应的转速波动的幅值。

电机主动减振转矩可由下式计算。

其中，

式中，

分别为第i个气缸的气体作用力转矩、连杆惯性力等效转矩和活塞往复惯性力等效转矩。

下面分别对第i个气缸的各种转矩进行计算：

根据能量守恒定律，可知气体作用力转矩

的求解方法为：

式中，

为气缸纯压缩时的缸内压力；

为第i个气缸的气体作用力转矩；s为活塞相对于上止点的位移；A_p为活塞顶面面积；

连杆采用双质量模型，即将连杆质量集中在活塞销和曲柄销，等效连杆和总质量和质心位置和原连杆相同，两者的转动惯量有差异。将活塞销处的作往复运动的连杆等效质量转化为绕曲轴轴线旋转的转动惯量，则该转动惯量是关于曲轴转角位置的函数，即：

则由于活塞销位置集总质量m_A的往复运动产生的第i个气缸的绕曲轴轴线的转矩如下公式。

由于曲柄销位置集总质量m_B的旋转运动产生的第i个气缸的绕曲轴轴线的转矩如下公式：

因此，第i个气缸由于连杆运动产生的转矩为下公式：

式中，

根据曲柄-连杆机构的机械结构，可得到：

活塞往复运动产生的第i个气缸的惯性转矩

可采用与

相同的计算方法。

其中，

如图3所示，曲线4为本实施例中采用的主动减振转矩。需要说明，本发明中主动减振转矩的波形并不局限于方波。任何能够通过电机输出并减小发动机转速波动幅值的电机目标转矩波形均可以应用于本发明。

5)修正电机输出转矩的平均值。

在总补偿转矩和主动减振转矩的基础上，叠加一个恒定转矩值T_Mean，以保证电机的平均输出转矩为0，方法结束。恒定转矩T_Mean的大小可以采用下式计算。

如图4(b)所示，曲线6为叠加补偿转矩和主动减振转矩，并且进行平均值修正后的电机目标转矩。

对于本实施例，图4(a)中的曲线5为在电机目标转矩曲线6下，发动机的转速波动。综上，曲线2相较于曲线1，发动机各个气缸对应的转速波动的幅值满足一致性要求；曲线5相较于曲线2，发动机转速波动的幅值明显减小。证明了本发明的有效性。

Claims (1)

1.一种利用主动减振的发动机灭缸方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在发动机运行过程中，实时提取各个气缸对应的转速波动的幅值；

2)判断当前时刻各个气缸对应的转速波动幅值是否一致：

若当前时刻各个气缸对应的转速波动幅值不一致，则进入步骤3)，计算总补偿转矩；若当前时刻各个气缸对应的转速波动幅值一致，则总补偿转矩为0，进入步骤4)；

3)计算总补偿转矩；

通过电机输出总补偿转矩为对应各个气缸的单缸补偿转矩之和；

电机输出总补偿转矩的计算表达式如下：

式中，

为第i个气缸的单缸补偿转矩，n为发动机的缸数；

其中，若第i个气缸为发火气缸，则有

若第i个气缸为不发火气缸，则该气缸的单缸补偿转矩计算表达式如下：

式中，

为曲轴位置，

为发火时的缸内压力；s为活塞相对于上止点的位移；A_p为活塞顶面面积；

其中，

式中，r为曲柄半径，λ为发动机的曲柄连杆比；

若补偿后，发动机各个气缸的转速波动仍不满足一致性要求，则在对应气缸的单缸补偿转矩

的基础上乘以一个系数作为该气缸新的

其中若该气缸的转速波动的幅值大于其余气缸，则该系数大于1；若该气缸的转速波动的幅值小于其余气缸，则该系数小于1；该系数不断进行动态修正直至各气缸的转速波动的幅值一致，得到更新后的总补偿转矩，进入步骤4)；

4)叠加电机主动减振转矩，计算表达式如下：

其中，

式中，

分别为第i个气缸的气体作用力转矩、连杆惯性力等效转矩和活塞往复惯性力等效转矩；

其中，

式中，

为气缸纯压缩时的缸内压力；

连杆采用双质量模型，将活塞销处的作往复运动的连杆等效质量转化为绕曲轴轴线旋转的转动惯量，则该转动惯量是关于曲轴转角位置的函数，即：

则由于活塞销位置集总质量m_A的往复运动产生的第i个气缸的绕曲轴轴线的转矩计算表达式如下：

由于曲柄销位置集总质量m_B的旋转运动产生的第i个气缸的绕曲轴轴线的转矩计算表达式如下：

因此，第i个气缸由于连杆运动产生的转矩计算表达式如下：

式中，

根据曲柄-连杆机构的机械结构，得到：

活塞往复运动产生的第i个气缸的惯性转矩

计算表达式如下：

其中，

5)在总补偿转矩和主动减振转矩的基础上，叠加恒定转矩T_Mean，使得电机的平均输出转矩为0，方法结束；

其中，恒定转矩T_Mean计算表达式如下：

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