基于扭矩控制的減速斷油邏輯對車輛駕駛性的影響研究

張世昊，吳瓊，吳代明，吳哲，李玉龍

基于扭矩控制的減速斷油邏輯對車輛駕駛性的影響研究

張世昊，吳瓊，吳代明，吳哲，李玉龍

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

為提高自動擋車型的駕駛性能，以應對舒適性要求日益嚴格的汽車消費市場，文章設計了一種基于扭矩模型的汽油機斷油邏輯，通過使用此邏輯合理配置標定參數，可以實現斷油過程以及斷油后恢復供油過程的扭矩平滑過渡，進而可減緩斷油引起的傳動系扭振，達到優(yōu)化駕駛舒適性的目的。該控制基于發(fā)動機管理系統實現。

減速斷油；發(fā)動機管理系統；車輛駕駛性；扭矩控制

1 概述

如何提高車輛的舒適性，提升車輛的品質感，一直是整車研發(fā)的主要課題，尤其是隨著汽車智能化的發(fā)展，汽車車載電子電氣件數量的增加，發(fā)動機控制器、變速箱控制器以及其他整車節(jié)點的交互日趨頻繁，提升車輛舒適性已不單單依靠整車硬件單方面的優(yōu)化了，控制器之間交互應答的控制優(yōu)化也可以帶來較好的駕乘體驗效果。

對于搭載自動擋的車型而言，變速箱控制器（下文簡稱TCU）是使用發(fā)動機控制器（下文簡稱ECU）發(fā)送的發(fā)動機飛輪端輸出扭矩進行其自身傳扭控制的。而在車輛滑行減速工況中，為了保護發(fā)動機以及節(jié)油，ECU均有減速斷油邏輯，而此時若斷油過程以及斷油后恢復供油過程中扭矩值不準確、扭矩過渡不平順，會直接影響到TCU的扭矩跟隨控制，特別是在斷油后恢復供油過程中，由于此時發(fā)動機端轉速較低接近怠速工況，車速較低變速箱端也準備實現控制模式的切換，ECU和TCU的控制模式的過渡切換加上扭矩的不準確、不平順往往會帶來傳動系的扭振，進而會帶來體感的駕駛性不舒適感。

本文基于發(fā)動機控制模型對減速斷油模式下的扭矩模型子模塊進行優(yōu)化和擴展，本文設計的為一款四缸汽油發(fā)動機的減速斷油模式下的扭矩模型策略，使得斷油過程以及斷油后恢復供油過程的扭矩可平滑過渡，進而可減緩斷油引起的傳動系扭振，達到優(yōu)化駕駛舒適性的目的。

2 扭矩控制下減速斷油的模型設計

2.1 扭矩控制下減速斷油模型的硬件設計

扭矩控制下減速斷油模式的硬件結構包含如下，ECU為控制硬件，輸入硬件包括：進氣歧管壓力傳感器、進氣溫度傳感器、冷卻液水溫傳感器、曲軸位置傳感器、前氧傳感器、后氧傳感器、車速傳感器、油門踏板傳感器等，輸出硬件包括：節(jié)氣門總成、噴油器1~4、點火線圈1~4、CAN網絡收發(fā)器等。

圖1 減速斷油模式下扭矩模型結構

其中，輸入硬件用來表征車輛的工況和發(fā)動機負載狀態(tài)，輸出硬件用來執(zhí)行斷油邏輯，并將計算得到的扭矩信息通過CAN網絡收發(fā)器廣播給其他整車CAN節(jié)點，其他節(jié)點可以使用此扭矩信息作為自身控制的輸入。

2.2 扭矩控制下減速斷油模型的控制邏輯

當前選用的商品化發(fā)動機控制模型為工程中廣泛應用的平均值模型，優(yōu)點在于平均值模型對于發(fā)動機物理模型可使用代數方程或微分方程來表達，其使用平均缸內指示壓力（IMEP）作為扭矩控制的標志值，在期望扭矩正向到實際執(zhí)行扭矩的路徑上，并不去討論各缸之間的物理差異，減小了的運算量。同時，當進行反饋控制時，由于發(fā)動機曲軸位置信號的判缸時序，又可以區(qū)分每缸不同的點火角參數，故可以較好的應對每缸的差異。

若扭矩控制不對斷油模式進行約束，整個斷油以及斷油后恢復供油過程，均為粗獷的按某步距進行逐缸斷油，斷油以及斷油后恢復供油過程無法得到準確的扭矩信息。

當扭矩控制對斷油模式進行約束時，相比于非扭矩控制下的減速斷油模型，其對斷油過程也做扭矩分析，并使用扭矩作為中間量去規(guī)整并控制執(zhí)行器包括點火角角度、空燃比、節(jié)氣門開度、噴油器噴油脈寬等。

同時，基于扭矩來控制減速斷油工況，并不需去直接干涉執(zhí)行器的終端控制，而是使用期望的扭矩信息進行控制。其會在逐缸斷油和恢復供油過程中，通過點火效率參數對四缸點火角進行控制，之后通過斷油步距時間子系統的扭矩參數來調試出期望的扭矩狀態(tài)，再通過點火角子系統，得到相應的點火角參數。如此做，斷油過程中的扭矩計算精準，且對于扭矩的調整也方便應用。噴油脈寬、空燃比的綜合計算按原模型中的扭矩路徑進行計算，這里不再討論。

具體軟件構架如下圖2所示：

圖2 減速斷油模式下扭矩模型軟件架構

首先，斷油模式下期望平均缸內指示壓力由于有點火角的介入，點火角并不是等于MBT點的點火角，故和平均缸內指示壓力存在差異，由平均缸內指示壓力（即IMEP）和斷油模式下期望平均缸內指示壓力通過系列運算得到點火效率系數。

圖3 計算點火角效率參數修正系數框圖

如上圖3，使用斷油模式下期望平均缸內指示壓力和倒拖扭矩，通過斷油步距時間子系統，可以計算出對點火效率系數的修正系數，并輸入給點火角子系統。

點火角效率參數修正系數涉及發(fā)動機功率的計算，具體如下推導：

其中，發(fā)動機的指示功，從缸內指示壓力和飛輪端輸出扭矩的能量守恒考慮，得到如下（1）：

功率的定義是單位時間內所做的功，對于多缸發(fā)動機，如果每個循環(huán)耗時為（s），則每個氣缸的指示功率乘上工作缸數就得到發(fā)動機的指示功率，公式如下：

同時，功率由飛輪端輸出定義出發(fā)，為飛輪端扭矩和角速度的積分，結合角速度定義，得到瞬態(tài)的飛輪端輸出定義如下：

由（2）和（3）聯立，得到飛輪端指示扭矩如下：

分析公式四，發(fā)動機飛輪端指示扭矩T和缸內平均指示壓力，存在著和工作缸數i的函數關系。而點火角效率參數修正系數，原理上是由斷油模式下期望平均缸內指示壓力、倒拖扭矩、邏輯中可標定的扭矩過渡步距共同算得。使用此三者可得到整個斷油或者斷油后恢復供油的耗時，并將此耗時分割成四份，由斷油時當前缸數開始斷油，并按缸號3-1-4-2的順序循環(huán)斷油，并保證扭矩的平順。由公式四可得，當出現少缸工作時，缸數會出現減小，進而扭矩參與燃燒的燃燒缸體積會減少，故需要對點火角效率參數進行修正，調節(jié)平均缸內指示壓力已達到去彌補由于少缸帶來的扭矩損失。

點火效率系數的修正系數輸入給點火角子系統后，通過和系統中基礎點火角進行計算得到各工況下的四缸點火角。同時，此四缸點火角和期望輸入信號集合均輸入給扭矩控制子系統，得到最終的實際輸出扭矩。

3 扭矩控制下的減速斷油模型對駕駛性影響

3.1 試驗對象

本次試驗的試驗對象為某一款搭載汽油發(fā)動機和六速雙離合變速箱的新型SUV車，其已經具備基本的起動、換擋、制動、轉向性能，ECU、TCU之間交互信號已經定義完成，ECU、TCU軟件處于軟件調試和標定的狀態(tài)。

3.2 非扭矩控制下的減速斷油模型的應用弊端

非扭矩控制下的減速斷油模型，整個斷油過程是按既定的步距和時間間隔進行逐缸直接控制噴油脈寬斷油，點火角也并不受扭矩控制。所以，斷油過程中的扭矩信息首先其并不準確，同時，扭矩狀態(tài)也并不方便調試。這樣給和自動擋車型交互，帶來較大的負面影響。當使用非扭矩控制下的減速斷油模型時，斷油和恢復供油的過渡階段，振動傳感器測得的振動均較大，且無法方便的標定調試。

圖4 非扭矩控制斷油_恢復供油圖

如上圖，在斷油標志位變化時，從供油到斷油、從斷油到恢復供油兩個時間段，發(fā)動機轉速存在波動，振動傳感器的振動值AX均明顯變大，振動感強，駕駛性不好。

3.3 扭矩控制下的減速斷油模型的實車應用

為保證車輛斷油和恢復供油過程中的駕駛舒適性，關鍵在于發(fā)動機斷油工況扭矩的精度和可標定性。而此基于扭矩控制下的減速斷油模型均具備。

雙離合自動變速箱對于扭矩精度的要求，在對斷油步距時間子系統進行設計時，為應對不同的斷油恢復供油工況，對斷油和恢復供油的工況進行分類，區(qū)分出不同工況情況。對于斷油階段只有一種情況，即不踩油門。而恢復供油按油門開度的大小分為不踩油門恢復供油、輕踩油門恢復供油、重踩油門恢復工況三種情況。邏輯上對此三種工況分別設置了標定進行處理。斷油邏輯標定工況分類如下：

圖5 斷油邏輯標定工況分類圖

如上3D圖，對于斷油_恢復供油工況一共識別出12種工況，其中需要說明的是，由于一般高擋位的速比較小，收油的加速度變化較小，由斷油和恢復供油帶來的駕駛平順性出現問題的概率較低，故邏輯設計時則將4擋和4擋以上均定義到其他擋位中。

且對于斷油和恢復供油兩個過程，和以上12種工況，故設計了兩對、共四個標定表格進行區(qū)分，表格如下：

表1 斷油扭矩步距表格

表2 斷油扭矩時間間隔表格

表3 恢復供油扭矩步距表格

表4 恢復供油扭矩時間間隔表格

本文主要討論的是此邏輯方式可以保證精準的扭矩交互、并且調試標定方式方便操作性高，并不涉及ECU、TCU為減速斷油工況全面的調試標定工作。故對于車輛的應用，并沒有將所有轉速、所有擋位下的所有12種工況均測試調試，而是選出典型工況進行舉例說明。選擇的工況為：擋位2擋、滑行斷油后的不踩油門恢復供油、輕踩油門恢復供油、重踩油門恢復供油共三種工況。通過調試和標定優(yōu)化，此三個工況下，扭矩過渡平順，且振動很小，駕駛性表現優(yōu)良。具體如下系列圖： 圖6 扭矩控制斷油圖 如上圖，為斷油過程，此時在斷油缸數的逐漸變多，和扭矩按既定步距和時間間隔逐漸變小的綜合計算下，當前點火角呈現出每次斷缸時，均變大以彌補斷缸扭矩損失的邏輯。最終得到平滑的扭矩輸出，配合雙離合自動變速箱的控制。從振動信號AX來看，無明顯振動現象，駕駛感覺優(yōu)良。 相關研究表明，畫面感較強或視覺沖擊力較強的報道更適合運用VR技術，因此對于一般情況，特別是動態(tài)新聞與抽象化較強的經濟報道便不適合運用該技術?，F今，在選取能將VR技術完美地運用于新聞報道中的題材時較為困難，僅僅適用于娛樂、體育賽事或現場復制性較難的新聞事件中。 圖7 扭矩控制不踩油門恢復供油圖 如上圖，為不踩油門恢復供油過程，此時在斷油缸數的逐漸恢復供油，和扭矩按既定步距和時間間隔逐漸變大的綜合計算下，當前點火角呈現出每次恢復供油時，均變小以迎合多缸工作的邏輯。最終得到平滑的扭矩輸出，配合雙離合自動變速箱的控制。從振動信號AX來看，無明顯振動現象，駕駛感覺優(yōu)良。 圖8 扭矩控制踩小油門恢復供油圖 如上圖，為踩小油門恢復供油過程，此時在斷油缸數的逐漸恢復供油，和扭矩按既定步距和時間間隔逐漸變大的綜合計算下，當前點火角呈現出每次恢復供油時，均變小以迎合多缸工作的邏輯。同時踩小油門時由于恢復供油的步距和時間間隔可以單獨調試、人為設置大，故可以呈現較快的扭矩響應。最終得到平滑的扭矩輸出，配合雙離合自動變速箱的控制。從振動信號AX來看，無明顯振動現象，駕駛感覺優(yōu)良。 圖9 扭矩控制踩大油門恢復供油圖 如上圖，為踩大油門恢復供油過程，此時由于大油門工況的目的是迅速的建立扭矩，故步距和時間間隔會設置的變化很快，控制時，往往體現成四缸同時供油的現象，且點火角也較大的現象。最終得到的扭矩輸出精準，以配合雙離合自動變速箱的控制。從振動信號AX來看，無明顯振動現象，駕駛感覺優(yōu)良。 4 結論 （1）本文設計了一種基于扭矩的斷油邏輯，其嵌套于原ECU邏輯中應用，可實現斷油過程中較高的扭矩精度。 教師展示蝗蟲、壁虎、蜘蛛、蜥蜴、蝸牛、蚯蚓、鳥、魚、渦蟲、?？?、青蛙、蟾蜍、貓和虎的圖片，以此為基礎創(chuàng)設問題情境，提出問題：①將這12種動物分為兩組，應如何劃分?每組有哪些動物?②將每組動物再分類，又可分為哪幾類?每類有哪些動物?③請把不同的動物類群按照從簡單到復雜的順序進行排列。④仿照植物分類的圖解，小組合作完成上述動物的分類圖解（圖2）。 （2）從原理出發(fā)，考慮劃分了12種斷油_恢復供油工況，并設計了4個標定表格，普試于所有斷油_恢復供油的工況。 （3）此扭矩的斷油邏輯，調試標定時可直接控制扭矩，間接控制各執(zhí)行器，調試標定方式直觀、簡單、實用。 （4）使用某SUV車型舉例，進行典型工況的標定調試優(yōu)化后，使用此邏輯可以達到較好的駕乘體驗。較原邏輯中的非扭矩斷油邏輯，有明顯的優(yōu)勢。 所設計與匹配基于扭矩的斷油邏輯當前已經達到量產化要求，并成功移植應用至多款DCT車型中，倍受客戶好評。 參考文獻 [1] 王斌.Fuel-Cut策略對WLTC循環(huán)排放及油耗影響[J].交通節(jié)能和環(huán)保:自然科學與工程技術版,2018.10,第14卷,第5期. [2] 尚前明.基于MATLAB的增壓發(fā)動機動態(tài)排放仿真模型研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版）,2007.08,第31卷,第4 期. [3] 孫堅.駕駛性評價及其仿真方法研究[D].吉林大學碩士學位論文. 2017.06.01. [4] 廖飄.雙離合自動變速箱扭矩檢測與換擋性能的研究[D].華東交通大學碩士學位論文. [5] 肖駿林.基于平均值模型的柴油機空氣系統控制策略研究.[D].西安交通大學碩士學位論文.2018.04.01. [6] 周龍保,劉巽俊,高宗英.內燃機學.[M].北京:機械工業(yè)出版社.1998. [7] 周云山,于秀敏.汽車電控系統理論與設計[M].北京:北京理工大學出版社 . [8] 王丹力等.MATLAB 控制系統設計仿真應用[M].北京:中國電力出版社,2007 . [9] 馮淵.汽車電子控制技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.06. Research on the influence of deceleration and oil cut-off logic based ontorque control on vehicle drivability Zhang Shihao, Wu Qiong, Wu Daiming, Wu Zhe, Li Yulong ( Technical Center of JAC, Anhui Hefei 230601 ) Abstract:To improving the performance of automatic-shift cars driving in response to the comfort requirements of increasingly stringent auto market, this paper designs a model based on torque of gasoline engine oil cut-off logic.It can realize the smooth transition of torque during oil break and the recovery of oil supply after oil break, thus slowing down the torsional vibration of transmission system caused by oil break,in order to optimize driving comfort. The control is based on the engine management system. Keywords: Slow oil cut-off; Engine management system; Vehicle drivability; Torque control CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)14-86-05 中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988(2019)14-86-05 作者簡介：張世昊，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。 10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.027