混合动力汽车发动机启动过程研究

汪茵

摘 要：随着汽车行业的不断发展，传统燃油汽车已经逐渐无法满足市场的发展需求，混合动力汽车在汽车市场中不断占据着越来越多的市场销售份额。发动机启动是混合动力汽车双驱动系统运行的关键，通过对混合动力汽车发动机启动过程中的相关参数数据进行研究调整能够有效的提高发动机启动效率。因此本文将通过混合动力汽车发动机启动过程、阻力矩特性、混合动力汽车发动机启动仿真模型以及影响因素等几个方面内容对其进行具体的研究分析。

关键词：混合动力汽车 发动机 启动 仿真模型

混合动力汽车指的是车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供[1]。混合动力汽车发动机的启动状态与其驱动系统的运行有着较为紧密的联系，通过建立混合动力汽车发动机启动仿真模型能够发现ISG电机、几何压缩比等众多因素都能够直接影响到混合动力汽车的启动性能，为了不断提高混合动力汽车发动机的启动性能，必须对这些影响因素进行有效的控制，这样才能够更好的推动混合动力汽车相关行业的发展。

1 混合動力汽车发动机启动过程分析

1.1 基于ISG的混合动力汽车

混合动力汽车主要能够分为轻度混合型、功率混合型和能量混合型三种类型，其中轻度混合型动力汽车便指的是采用发动机和电动机一体化的ISG混合动力发动机，其在整个混合动力汽车市场中占据的生产销售比例是最大的[2]。相比于其它两种类型混合动力汽车，ISG混合动力汽车的制造成本是比较低的，而且ISG混合动力汽车的结构和系统组成也更加的简单些，容易实现规模化生产。基于ISG的混合动力汽车指的是使用ISG电机来实现发动机启动的混合动力汽车，这种车辆所配备的是ISG混合动力系统，发动机的起到主要是由ISG控制器来进行控制的，其内部的发动机管理系统与电池管理系统处于分开管理的状态，车辆能够随着运行状态来选择最佳的驱动方式，既能够保证车辆运行的安全性和稳定性，又能够降低车辆运行产生的能源损耗[3]。

1.2 混合动力汽车发动机启动过程

混合动力汽车发动机的启动主要能够分为启动静止、启动加速和启动终止三个阶段，混合动力汽车行驶过程中，其车辆管理系统会自动对车辆行驶状态进行监测，如若混合动力汽车的电池存储量充足的话，那么其启动的时候便会优先运行电机驱动系统，利用充足的电量来能够满足混合动力汽车的行驶需求；当蓄电池存储电量下降至60%以下时，电机自身阻抗和发动机的静摩擦阻力会越来越大，发动机便处于启动静止阶段，等到电机的输出转矩小于发动机静摩擦阻力矩时，混合动力汽车便会快速启动发动机，而在发动机启动终止后，电机便会停止运行，通过发动机来为汽车运行提供能量的同时给汽车蓄电池进行充电[4]。混合动力汽车发动机在电机运行的情况下会处于怠速停机状态，而当电机运行无法满足汽车运行需求时便会快速启动，而且ISG混合动力汽车的电机与发动机之间有着较为紧密的联系，发动机启动不需要像传统燃油汽车一样繁琐，其能够直接利用电机提供的大启动转矩来进行快速启动。

1.3 混合动力汽车发动机启动性能要求

混合动力汽车的双驱动或多驱动系统主要是以电机为主、发电机为辅的，其能够尽可能的使用电力能源，最大程度上减少车辆行驶过程中的油耗和排放。混合动力汽车对发动机启动性能有着较高的要求和标准，如若发动机启动速度过慢的话那么将会使得混合动力汽车的整体运行安全性受到严重的影响，甚至还有可能因此对混合动力汽车的电机造成极其严重的磨损[5]。不同类型的混合动力汽车发电机的启动性能要求也是有所不同的，电机所提供的启动转矩只要能够满足混合动力汽车发动机的预设点火转速，才能够推动混合动力汽车发电机的正常启动，现如今大多数混合动力汽车对发动机的转速要求是700-1000r/min，其电机需要在0.4s内便带动发动机到达转速要求范围内，这样才能够实现混合动力汽车发动机的快速启动。

2 混合动力汽车发动机启动过程阻力矩特性

2.1 发动机启动阻力

混合动力汽车发动机启动的过程中会受到各种各样的阻力，活塞环、气门机构等部件的摩擦阻力会共同作用到曲轴上形成阻力矩，发动机的启动阻力矩是决定其启动速度的重要因素，混合动力汽车发动机启动能够分为热启动和冷启动两种状态，两种状态最主要的区别在于发动机启动过程中的温度和润滑油流动状态，而且两种状态下的各个部件摩擦阻力也是有所不同的。如若混合动力汽车发动机处于热启动状态时，发动机整体温度会比较高，内部的润滑油流动性也比较强，发动机各部件的阻摩擦力也要小一些；如若混合动力汽车发动机处于冷启动状态时，发动机内的润滑油便会处于凝滞状态，润滑效果大打折扣，发动机各部件的阻摩擦力也要大一些。

2.2 启动阻力矩的测量

在建立混合动力汽车发动机启动仿真模型的时候需要对其发动机启动时的阻力矩进行具体的测量，一般情况下所使用的测量方法是倒拖法。在进行混合动力汽车发动机启动阻力矩测量的时候需要通过电机带动发动机进行运转，当发动机的运转速度达到某一值数不在发生变化时便意味着电机的驱动力矩和发动机的阻力矩达到了统一标准水平，这时便能够直接将电机的驱动力矩数据作为混合动力汽车发动机的启动阻力矩[6]。混合动力汽车发动机启动阻力矩也需要通过热启动和冷启动两个方面来进行分别测量，同时还要注意将最终测量得到的阻力矩数据进行分析整合，构建混合动力汽车发动机启动阻力矩的特性曲线，这样才能够更好的保证混合动力汽车发动机启动仿真模型的建立，从而以此来达到控制混合动力汽车发动机启动影响因素的目的。

3 混合动力汽车发动机启动仿真模型

3.1 ISG电机数字模型和驱动控制

3.1.1 ISG电机数字模型

在对混合动力汽车发动机启动仿真模型进行建立的时候需要对ISG电机的数字模型和驱动控制进行模拟应用。在混合动力汽车发动机启动仿真模型中使用的ISG电机普遍为永磁同步电机，该电机的整体性能是比较好的，其具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点。假设永磁电机转子无阻尼，忽略高次谐波、磁饱和、涡流、磁滞损耗及温度等对电机参数的影响，来对ISG电机的数字模型进行建立并将其应用于混合动力汽车发动机启动仿真模型中便能够直观的体现出ISG电机的各方面特性。

3.1.2 ISG电机的驱动控制

混合动力汽车的ISG电机输出转矩、输出功率、定子电流及定子端电压会随着转速变化而变化。为使混合动力汽车发动机启动加速阶段中ISG电机输出转矩实时跟踪并克服发动机运行阻力矩，对ISG电机转速进行PI控制。PI速度控制器的输入为电机目标转速与实际转速的差值，输出为交轴电流指令信号[7]。当给定某一指令角速度时，它与实际反馈角速度的差值为转速PI调节器的输入，调节器输出经限幅后作为电机交轴给定电流，考虑电机实际转速并计算直轴电流。至此，电机的定子电流矢量便已确定。定子电流矢量经坐标变换得到三相给定电流作为系统中电流控制的输入。同时与实际反馈电流进行滞环比较，从而得到逆变器功率管的驱动信号，构成电流闭环，实现了电机转速和电流的双闭环控制。

3.2 混合动力汽车发动机启动仿真模型

在进行混合动力汽车发动机启动仿真模型构建的时候首先需要对各方面条件进行控制，确定混合动力汽车发动机启动的冷、热等条件，其次便是需要对控制对象进行明确，主要研究电机与发动机之间的关联，这样才能够更好的在混合动力汽车发动机启动仿真模型中明确各方面因素对发动机启动速度造成的影响。

3.2.1 冷/热条件

在混合动力汽车发动机启动仿真模型中对发动机启动速度进行测验的时候需要对冷、热条件进行管控，分别在水温达到80摄氏度和20摄氏度的时候进行启动，80摄氏度下混合动力汽车发动机处于热启动状态，20攝氏度下混合动力汽车发动机则处于冷启动状态，启动时间均设置为0.8s，通过发动机启动情况能够发现水温越高，混合动力汽车发动机的转速便越快，而且均能够在0.8s内完成启动工作，80摄氏度下的混合动力汽车发动机启动速度为0.15s，20摄氏度下的混合动力汽车发动机启动速度为0.25s，两者之间有着较大的差距。

3.2.2 控制对象

混合动力汽车发动机启动仿真模型的控制对象主要是ISG电机和发动机两个部分，发动机转矩和ISG电机转矩共同作用于发动机和ISG电机的转动惯量之和，经过积分器来得到发动机转速[8]。当混合动力汽车初始启动时只会启动ISG电机，而后等到蓄电池的电量无法满足混合动力汽车运行需求时，ISG电机便会带动发动机进行转速提升，发动机转速提升速度则为混合动力汽车发动机启动速度，通过混合动力汽车发动机启动仿真模型来对影响发动机启动速度的各方面因素全部进行有效检测，分析发动机启动过程中产生的大量数据，以此来研究混合动力汽车发动机的启动过程，从而为控制混合动力汽车发动机启动速度工作的开展奠定下坚实良好的基础。

4 不同因素对混合动力汽车发动机启动过程的影响

根据混合动力汽车发动机启动仿真模型能够发现，能够对混合动力汽车发动机启动过程造成影响的因素有很多种，其中影响最大的是发动机的几何压缩比，其次是混合动力汽车发动机启动过程中产生的倒拖扭矩等因素，这些因素所能够造成的影响都是较为严重的，通过混合动力汽车发动机启动仿真模型来对这些因素的具体影响情况进行研究分析，从而以此来达到通过控制影响因素推动混合动力汽车发动机更加顺利启动的目的。

4.1 几何压缩比

几何压缩比是影响混合动力汽车发动机启动过程最为严重的因素之一，在不同混合动力汽车类型的发动机启动过程中，对几何压缩比的要求也是有所不同的，一般情况下混合动力汽车发动机过程中的几何压缩比是11、13或者15，几何压缩比既不能太大，也不能够太小，在混合动力汽车发动机启动仿真模型中能够发现，混合动力汽车发动机启动速度会随着几何压缩比的变化而变化，几何压缩比越大，混合动力汽车发动机启动速度便越慢，缸内的压力也就越大一些，各缸的压力峰值都会在几何压缩比的作用下出现或多或少的增加[9]。而且随着几何压缩机的不断增长，混合动力汽车发动机的气缸在进行行程压缩的时候还会出现阻力矩增高的问题，而阻力矩的增高则会严重影响到混合动力汽车发动机的转速提升速度。因此在进行混合动力汽车发动机启动过程中要尽可能的对几何压缩比进行控制，确保几何压缩比处于最佳的数值，这样便能够尽可能的减少几何压缩比对混合动力汽车发动机启动造成的影响，从而以此来保证混合动力汽车发动机的启动速度。

4.2 倒拖扭矩

倒拖扭矩和功率一样均属于混合动力汽车发动机的主要参数，通过倒拖扭矩能够直接反应出混合动力汽车发动机的各个方面性能，倒拖扭矩主要指的是活塞在汽缸里的往复运动，往复一次做有一定的功，倒拖扭矩的单位是牛顿。在混合动力汽车发动机启动仿真模型中能够根据分析其倒拖扭矩来对该汽车发动机的好坏进行评判，倒拖扭矩越大，混合动力汽车发动机启动速度便越快，汽缸内的峰值也会随着倒拖扭矩的增加而出现上涨的现象，尤其是第3缸内的峰值会上涨到最高程度，其它缸内峰值上涨程度则会略低于第3缸峰值上涨程度，存在着一定的差异不同。因此在对混合动力汽车发动机启动过程进行控制的时候，也能够充分考虑倒拖扭矩带来的影响，通过增加电机倒拖扭矩来提升混合动力汽车发动机的启动速度，同样也能够通过降低倒拖扭矩来对混合动力汽车发动机启动速度进行减速，确保混合动力汽车发动机启动一直处于较为安全可靠的环境中，从而以此来达到推动混合动力汽车发动机更加顺利启动运行的目的。

4.3 节气门

节气门指的是控制空气进入发动机的一道可控阀门，气体在进行发动机内部与汽油混合变成可燃混合气后才能够燃烧行车工做功，节气门可以说是混合动力汽车发动机的咽喉，如若节气门出现故障无法打开的话，那么混合动力汽车发动机便会处于无法启动的状态，同时节气门的开放程度也会直接影响到混合动力汽车发动机启动的速度[10]。根据混合动力汽车发动机启动仿真模型能够将节气门的开放程度设置成90度、45度和0度分别进行测验，90度为节气门全开的状态，45度为节气门半开的状态，0度则为节气门全关的状态，当节气门处于半开状态时，混合动力汽车发动机启动速度要远远高于节气门全关状态，但要低于节气门全开状态，不过总体上来说相比其它几种因素，节气门所能够造成的影响是最小的。混合动力汽车发动机的汽缸峰值也会受到节气门开关程度的影响，其主要会影响到混合动力汽车发动机除第3汽缸外的其它几个汽缸，这些汽缸在压缩和膨胀过程中会随着节气门的开放而降低内部的压力峰值，从而以此来实现降低气吱管压力的目的。

5 结束语

总而言之，混合动力汽车发动机启动过程中会受到诸多因素的影响，通过建立混合动力汽车发动机启动仿真模型能够将ISG电机与发动机之间的连接直面的体现出来，同时也能够在模型模拟过程中将不同因素影响情况也全部进行标明，混合动力汽车发动机的几何压缩比越大、缸内峰值便越大、发动机的转速波动也就越大，启动速度自然也就会快很多。混合动力汽车相关行业在未来应当不断加强对发动机启动技术的研究，密切电机与发动机之间的关系，尽可能的减少其它因素对发动机启动的影响，这样才能够更好的保证混合动力汽车运行的安全性和稳定性，从而推动混合动力汽车在未来汽车销售市场中占据更加重要的地位。

参考文献：

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