发动机主动控制原理与应用
文章来源：汽车科技
发布时间：2021-12-28
发动机主动控制悬置是解决提高环保性能、减低燃耗要求与降低汽车振动噪声，满足发动机高水平振动控制的要求之间冲突的重要途径。本文主要就发动机主动控制的基本理论依据以及常用的主动控制悬置技术进行论述，并指出发动机主动控制悬置是未来发动机悬置的主要研究方向。
轻量化车身、稀薄燃烧技术发动机发动机怠速时缺缸点火等先进技术从一定程度上解决了日益严格的车辆燃油经济性和环境排放的问题,但在满足提高环保性能、降低燃耗的同时也直接或间接地与降低汽车振动噪声的要求产生了冲突,在很大程度上恶化了车辆振动特性,严重影响了车辆的乘坐舒适性。大量理论研究和实验表明,发动机的振动噪声已成为车内振动噪声的主要成份,其特点是多振源、宽频带、形态复杂。降低发动机振动的传递是解决这一矛盾最有效的办法。车辆的振动和噪声控制逐渐成为汽车设计人员需要解决的首要问题,因而对隔离发动机的振动噪声向车内传递的关键部件——发动机悬架(支承)的设计要求也越来越高。主动控制是满足发动机高水平振动控制的重要研究方向,成为减少车内的振动和噪声以及减少汽车噪声对环境的污染的重要项目.
往复活塞内燃机结构复杂,气缸工作不连续,往复惯性力和气体作用力都具有宽频带周期激励特性,而且内燃机振动具有激励源多、频带宽的特点,按振动形式分为整机激励、轴系激励和结构激励类型。另外内燃机中还有许多板壳类结构和悬臂安装部件,这些结构固定安装在内燃杯的外部承载结构上,工作中受到机构振动的激励,当激励频率与这些零件的固有频率一致时,产生局部共振,增大内燃机的噪声水平。这些振动会损坏设备的性能,降低可靠性和使用寿命;对环境造成噪声污染,破坏其他设备的工作,恶化操作人员的工作条件,降低工作效率,严重影响系统的总体性能。
发动机振动的控制方法很多,但随着对车辆舒适性及降噪要求的提高,振动主动控制成为主要研究方向。主动控制又称有源控制,是利用外界供给的能量作为控制振动或抵消振动影响的重要手段,主动控制技术是振动理论与控制论的结合,以计算机、测试技术等为手段实现对发动机振动主动控制的。
评价发动机隔振装置的隔振效果的参数主要使用力传递效率,即隔振装置传给基础的传递力幅值FT与传给隔振装置的力F0的比值TA,如公式(1)
式中：ξ为相对阻尼系数；ξ=c/cn,cn为临界的粘性阻尼系数，cc=2mωn;ω为激励频率，rad/s;ωn为系统的固有频率，
从公式（1）可以看出，力传递效率是频率比及相对阻尼系数的函数，其曲线见图1
分析力传递效率曲线可得出如下结论:当ω/ωn<
,随着阻尼系数的增大,力传递效率TF下降; ω/ωn≥√2,随着阻尼系数的增大,力传递效率TA增大。因此,可以通过主动改变阻尼系数的大小来控制力传递效率TA,从而为主动控制悬置提供了理论依据。
主动悬置通过作动器直接产生动态力以抵消发动机传递到车身和由于路面不平度传递到发动机的振动力,理论上可使振动响应达到零,从而获得最佳隔振效果。
在主动控制悬置出现以前有一种性能优越于被动悬架的半主动控制悬置,但几乎所有的半主动悬置的动力学响应对系统的结构参数都很敏感,需要严格的设计要求和制造工艺来保障,并且半主动悬置一般都用于改善低频时车辆的减振性能,不能满足车辆多工况的减振降嗓要。为了提高车辆的乘坐舒适性,主动悬置逐渐成为汽车设计人员研究的热点。
主动悬置一般由被动式液压悬置、作动器、传感器和控制机构组成。被动式液压悬置用于在低频作动器失效时支撑发动机,高频时作动器对控制信号作出快速反应,提供主动力用于衰减高频振动。因此,主动悬置系统低频时具有较高的刚度和较大的阻尼,能快速消除发动机的大幅振动:高频时具有较低的刚度和较小的阻尼,用以隔绝高频噪声,能够有效地提高车辆的乘坐舒适性。
Freudenberg公司在全轮驱动汽车的4缸发动机上应用了主动控制式液压悬置,取得了令人满意的效果。1988年, Peter L. Graf等人设计了一种采用液压作动器的主动悬置。该悬置利用液压泵的压力,驱动液体在悬置的上、下液室之间流动,使作用在上液室的支反力与施加在其上的发动机不平衡扰动力相叠消。实验表明,使用该悬置后,汽车动力总成系统的振动噪声比被动式悬置降低了5-10dB。
德国的 Michael Muller等人于1994年研究了带有电磁作动器的主动液压悬置,研究试验结果表明,该系统可以降低驾驶员耳处的声压至少10dB。1995年,日本的 Toshi yukiShibayama等人发表文章,介绍他们应用压电陶瓷作动器的发动机主动悬置,他们应用的是压电陶瓷的逆压电效应,在电压的作用下产生位移。但是,压电作动器输出的位移很小,只适用于发动机的高速区段,低频率的振动和噪声问题仍然解决不了。
丰田公司在其 Lexus300轿车上批量采用了主动控制式液压悬置系统。2002年,韩国的Y-W-ee把电磁作动器与液压悬置的解耦盘连接,形成个作动的活塞,直接驱动液压悬置内的液体,从而改变悬置的动刚度,降低振动的幅值。在直列4缸发动机怠速时(25Hz频率下),试验测试的传递力可以衰减到接近于零。
加拿大 M.S. Foumani2002年利用形状记忆合金的形状记忆效应设计了一种形状记忆金属式主动悬置,该悬置是利用形状记忆金属的特性来改变液压悬置的主簧刚度,从而提高悬置的隔振特性。
日本五十铃公司采用了电磁作动器与液压悬置结合,对重型柴油机的振动实施主动控制,结果表明,在20~30Hz范围内,可以衰减传递力25-46dB。
吉林大学郑瑞清等人提出了一种电致伸缩作动器液压悬置,该研究的主动悬置是在原有的被动悬置的基础上改逃的。其原理是在被动悬置上串联个电致伸缩陶瓷叠堆作为主动控制作动器,隔离发动机激励产生的简谐振动。同时原有的被动液压悬置主要用来隔离发动机瞬态工况产生的低频振动和路面不平度激励引起的振动2。
三、发动机主动悬置的作动器主要形式与原理
发动机主动悬置的作动器是核心部件,是主动控制系统的重要环节。作动器对控制信号作出快速反应,提供主动力用于衰减高频振动,低频时具有较高的刚度和较大的阻尼,能快速消除发动机的大幅振动:高频时具有较低的刚度和较小的阻尼,用以隔绝高频噪声,能够有效地提高车辆的乘坐舒适性。根据目前比较成熟的作动器的开发与应用来看,作动器主要有电磁式、压电式和电致伸缩式等几种形式。
该类型作动器应用最为广泛。压电式作动器是利用压电材料的逆压电效应,通过施加外部电场,将电能转换成机械能的装置。压电陶瓷作动器响应快,适应的频率范围广,对温度变化不敏感。但它位移量较小,约为几个微米;要求的驱动电压较高,约100~300V。压电陶瓷作动器有两种类型,种是薄膜型,另一种是叠堆型。前者粘接在结构表面,产生弯矩,控制结构振动;后者对结构提供控制力来控制振动。
压电陶瓷作动器产生的位移、外加电压和作用力三者间的关系为:
式中:△L为位移,mm;U为外加电压,V;F为作用力,N:Ks,和ds分别是压电堆的等效力学刚度和等效压电系数。
电致伸缩陶瓷微作动器是利用陶瓷的电致伸缩效应工作的。电致伸缩效应是指电介质在电场的作用下由于感应极化作用引起应变,且应变与电场方向无关,应变的大小与电场的平方成正比。上述效应可用公式表达为
式中:M为电致伸缩系数,m2/V2;E为电场强度,Vm;S为应变。
形状记忆合金就是具有形状记忆功能的材料,所谓形状记忆效应即合金在经受大的变形(一般最大可达到6%-7%)以后,施加一定的温度使其超过相变温度,则变形消失,合金又可以恢复到初始形状。SAM的变形量与其形状和预变形有关,在允许的变形范围内,预变形越大,变形量就越大,但因sAM受热传导的限制,温度是逐渐上升的,所以响应慢。
磁致伸缔材料属于机敏材料的一种,它与常用的压电材料、形状记忆合金相比,具有响应速度快、应变大、使用频带宽、驱动电压低等优点。
磁致伸缩材料在外加磁场的作用下,尺寸、体积等会发生改变,具有较好的抗冲击性,能提高较大的控制力,并且在低电流产生的磁场中具有很好的线性度和对电场变化的响应能力。磁致伸缩材料作动器位移约为几十微米。磁致伸缩材料作动器既能承载,又能产生驱动作用;既可作智能隔振器,又可作智能吸振器。
电流变液体(简称ERF)指的是在绝缘的连续向液体介质中加入精细的固体颗粒而形成的悬浊液。该液体在电场的作用下,会显示明显的固态特性,当电场解除后液体又恢复到原来所具有的特性。
电流变液体的流阻可随施加电场的电压的改变而改变,因而能够实现连续、可逆的控制。再加上它对控制信号的高度可靠性及快速响应性,从而使电流变液体在工程领域中可以解决许多难题。虽然在3-5ms内可以使流体由不动状态变换为活动状态,但反向转换需要的时间却要长一些,这严重限制了这类阻尼器的有用频率范围,是阻碍这种流体在振动主动控制中广泛应用的主要因素。
液压作动器由一个液压缸和一个伺服阀组成。它能够在相对较小的结构尺寸下产生较大的位移和较大的作用力。但它需要专门的液压系统,因而容易产生噪声;并在伺服阀输入电压和作动器的力或位移输出之间产生非线性。另一个特别需要注意的问题是伺服阀要尽可能地靠近作动器安装,以最大限度地减小性能下降,尤其是频率在20H以上的情况下。液压作动器在车辆主动悬挂和直升飞机机舱的振动主动控制中已得到很好的应用。
气动作动器的工作原理与液压作动器的一样,只是气动作动器的工作介质是空气。气动作动器的优点在于它们可与使用相同空气源的被动空气弹簧控制并联使用。但由于空气的可压缩性使得气动作动器的带宽较低(<10Hz)。气动作动器在铁路车辆主动悬挂中得到了广泛的应用。
通过对上述几种常见发动机主动悬置的介绍各种类型的作动器的原理各不相同,且在实际使用中的特点也有较大差别,现将其总结如下,见表1
发动机主动悬置技术的研究还不很成熟,成本较高,其性能和可靠性有待于进一步提高,但随着控制技术水平和加工工艺的提高,主动悬置必将成为新一代悬置系统的发展方向。
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