基于模型的GDI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉少飛于瀟陳杰

（1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心；2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

基于模型的GDI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉少飛1,2于瀟1,2陳杰1,2

（1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心；2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

為準(zhǔn)確檢測(cè)并有效控制GDI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震，設(shè)計(jì)了一種控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)爆震傳感器檢測(cè)缸體振動(dòng)情況，通過(guò)信號(hào)處理提取相應(yīng)能量值，依據(jù)能量值大小判斷是否發(fā)生爆震及爆震強(qiáng)度，并區(qū)分為普通爆震和超級(jí)爆震。對(duì)前者采取推遲點(diǎn)火角來(lái)控制，后者采取燃油加濃、凸輪軸調(diào)節(jié)和斷油措施來(lái)控制。HIL和臺(tái)架測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測(cè)并有效控制爆震，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 前言

GDI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有熱效率高、功率扭矩大、油耗低等特點(diǎn)，近年來(lái)成為世界各大汽車(chē)公司的研究熱點(diǎn)[1]。渦輪增壓與缸內(nèi)直噴技術(shù)的結(jié)合是改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放的重要措施，但這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了一種新的異常燃燒模式——超級(jí)爆震[2]。超級(jí)爆震是一種偶發(fā)性的、能夠自行消失的非正常燃燒現(xiàn)象，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)極具破壞性。因此，ECU準(zhǔn)確檢測(cè)超級(jí)爆震并對(duì)其及時(shí)控制顯得尤為重要。

本文通過(guò)爆震傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體振動(dòng)情況，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)變化的電壓值，底層通過(guò)對(duì)信號(hào)放大、爆震窗口內(nèi)的AD采樣、濾波、整流、積分后得到各個(gè)氣缸對(duì)應(yīng)的能量值以用于爆震判決；每個(gè)氣缸對(duì)應(yīng)兩個(gè)爆震窗口，得到兩個(gè)能量值，一個(gè)用于普通爆震判決與控制，另一個(gè)用于超級(jí)爆震判決與控制。上層控制策略采用基于模型的方法設(shè)計(jì)，利用自動(dòng)代碼生成技術(shù)與底層集成，生成可執(zhí)行文件下載到ECU開(kāi)發(fā)板中，用于硬件在環(huán)（HIL）或臺(tái)架測(cè)試。

2 爆震產(chǎn)生機(jī)理

2.1 普通爆震產(chǎn)生機(jī)理

普通爆震是汽油機(jī)運(yùn)行時(shí)一種不正常燃燒的現(xiàn)象，當(dāng)火焰在傳播途中壓力異常升高時(shí)，一些部位的混合氣在火焰到達(dá)之前開(kāi)始自行燃燒，正常和非正常燃燒兩個(gè)方向相反的壓力波相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的氣體震動(dòng)，并發(fā)出特有的金屬撞擊聲[3]。發(fā)生爆震會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率急劇下降，油耗迅速上升，還會(huì)損壞氣缸壁和其它零件，因此必須進(jìn)行控制。

普通爆震與點(diǎn)火時(shí)刻密切相關(guān)，點(diǎn)火提前角越大，氣缸壓力越大，越容易產(chǎn)生爆震，因此可以通過(guò)控制點(diǎn)火提前角來(lái)控制爆震。

2.2 超級(jí)爆震產(chǎn)生機(jī)理

GDI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了一種新的爆震模式——超級(jí)爆震[4]。早燃是超級(jí)爆震的必要條件，此外末端混合氣還要達(dá)到發(fā)生超級(jí)爆震的熱力學(xué)狀態(tài)。發(fā)生超級(jí)爆震時(shí)，燃燒室內(nèi)火焰前鋒傳播速度極快，缸內(nèi)壓力和溫度急劇上升，并伴隨劇烈的壓力波動(dòng)與極大的噪聲，推遲點(diǎn)火也無(wú)法避免，其破壞性要遠(yuǎn)強(qiáng)于常規(guī)爆震，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)造成致命的破壞。正常燃燒、普通爆震和超級(jí)爆震之間的關(guān)系如圖1所示。

由于超級(jí)爆震的發(fā)生具有偶然性[5]，這更增加了控制難度。綜合目前研究結(jié)果，有效控制超級(jí)爆震的措施包括燃油加濃（調(diào)節(jié)空燃比，降低缸內(nèi)混合氣壓縮終了溫度）、凸輪軸調(diào)節(jié)（掃氣）、斷油等。

3 爆震信號(hào)處理方案

本系統(tǒng)針對(duì)的是GDI增壓4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火順序?yàn)?-3-4-2，4個(gè)氣缸共用一個(gè)爆震傳感器，安裝在2缸和3缸之間，傳感器分別檢測(cè)4個(gè)缸的振動(dòng)情況并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)，信號(hào)通過(guò)放大后在爆震窗口內(nèi)進(jìn)行AD采樣，通過(guò)低通濾波器過(guò)濾掉高頻干擾信號(hào)，再經(jīng)過(guò)降采樣，利用帶通濾波器精確提取爆震信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)整流和積分，得到爆震窗口內(nèi)信號(hào)的積分值，分別用于普通爆震和超級(jí)爆震的判決。爆震信號(hào)處理方案如圖2所示。

爆震傳感器：系統(tǒng)只用到一個(gè)非共振型壓電式爆震傳感器，根據(jù)氣缸號(hào)同步，分別檢測(cè)各缸的振動(dòng)情況，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓值，傳感器輸出為差分信號(hào)，有正有負(fù)。

可變?cè)鲆妫罕饌鞲衅鳈z測(cè)到的電壓信號(hào)一般是幾百毫伏，需要經(jīng)過(guò)放大處理，系統(tǒng)可選的放大倍數(shù)為1、 2和4，具體用哪個(gè)放大倍數(shù)受上層控制策略控制。

爆震窗口：分為普通爆震窗口和超級(jí)爆震窗口，都位于壓縮上止點(diǎn)（TDC）之后。根據(jù)缸內(nèi)燃燒壓力變化，超級(jí)爆震窗口比普通爆震更靠前，底層實(shí)際通過(guò)增強(qiáng)時(shí)間處理單元（ETPU）只開(kāi)一個(gè)總窗口（超級(jí)爆震窗口起始角度到普通爆震窗口結(jié)束角度），但上層需要向底層傳遞4個(gè)參數(shù)兩個(gè)窗口的起始角度和長(zhǎng)度，用于求積分能量值時(shí)分開(kāi)為兩個(gè)能量值，分別用于普通爆震和超級(jí)爆震判決。

ADC：對(duì)爆震窗口內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行AD采樣，采樣電壓范圍為-2.54～2.54 V，頻率為200 kHz。

低通濾波器：基于200 kHz的IIR低通濾波器，截止頻率設(shè)為35 kHz，通過(guò)MATLAB中的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)，生成的濾波器系數(shù)提供給底層，在MPC5634M中，通過(guò)配置系數(shù)實(shí)現(xiàn)。

降采樣：采用2∶1降采樣，在保證信號(hào)精度的前提下減少后面帶通濾波器處理時(shí)間。

帶通濾波器：系統(tǒng)一共有7個(gè)不同中心頻率（8 kHz、10 kHz、12 kHz、14 kHz、16 kHz、18 kHz和20 kHz）的63階FIR濾波器，7組系數(shù)通過(guò)標(biāo)定得到，儲(chǔ)存在處理器中，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)濾波；具體實(shí)際用哪一個(gè)濾波器由上層控制策略決定，與氣缸號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆震信號(hào)頻率變化的跟隨。

整流：從爆震傳感器得到的是差分信號(hào)，有正有負(fù)，通過(guò)求絕對(duì)值全部轉(zhuǎn)化為正值。

積分：通過(guò)上層傳遞的兩個(gè)爆震窗口參數(shù)，將信號(hào)序列分割為3部分，前兩部分結(jié)合對(duì)應(yīng)超級(jí)爆震窗口內(nèi)的信號(hào)，后兩部分結(jié)合對(duì)應(yīng)普通爆震窗口內(nèi)的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)序列幅值累加分別得到超級(jí)爆震能量和普通爆震能量，將其傳遞給上層控制策略，用于超級(jí)爆震和普通爆震的判決。

4 爆震控制策略

4.1 爆震控制系統(tǒng)調(diào)度

4缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)180°（一個(gè)沖程）會(huì)點(diǎn)火一次，點(diǎn)完火后需要對(duì)該氣缸進(jìn)行爆震檢測(cè)，因此點(diǎn)火控制和爆震控制應(yīng)該是基于一個(gè)沖程的調(diào)度。

由于點(diǎn)完火后氣缸壓力迅速增大，到TDC之后達(dá)到最大值，此時(shí)是爆震可能發(fā)生的區(qū)域，因此爆震窗口開(kāi)在TDC之后一定角度內(nèi)，這樣爆震控制對(duì)應(yīng)上次點(diǎn)完火的氣缸，爆震數(shù)據(jù)分配（輸出）對(duì)應(yīng)于將要點(diǎn)火的當(dāng)前氣缸，如表1所列，其中軟件氣缸號(hào)0-1-2-3對(duì)應(yīng)實(shí)際點(diǎn)火氣缸1-3-4-2。

表1 爆震與點(diǎn)火氣缸號(hào)之間的關(guān)系

4.2 普通爆震控制策略

爆震控制策略的實(shí)現(xiàn)采用基于Simulink模型的設(shè)計(jì)，其控制策略主要由以下幾部分構(gòu)成：

a.爆震控制功能激活

爆震發(fā)生在一定條件下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)結(jié)束后，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷同時(shí)滿足大于相應(yīng)閾值時(shí)，激活爆震控制。

b.爆震窗口產(chǎn)生

爆震窗口起始角度通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷查標(biāo)定表格得到，轉(zhuǎn)速越大，窗口起始角度越小，負(fù)荷越大，窗口起始角度越大，最終得出的窗口起始角度被限制在TDC之后一定角度范圍內(nèi)。

爆震窗口長(zhǎng)度通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速查標(biāo)定表格得到，轉(zhuǎn)速越高，窗口長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

c.帶通濾波器序號(hào)選擇

帶通濾波器序號(hào)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和氣缸號(hào)查標(biāo)定表格得到，共有7個(gè)中心頻率的濾波器，目前只用了其中的3個(gè)，分別對(duì)應(yīng)濾波器中心頻率12 kHz、16 kHz和20 kHz，上層向底層傳遞濾波器序號(hào)，底層使用對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)中心頻率的帶通濾波。

d.爆震閾值

爆震基本閾值是通過(guò)標(biāo)定表格得到，其值表示轉(zhuǎn)化后的能量值與參考背景噪聲的比值。由于爆震傳感器安裝在2缸和3缸之間，同樣振動(dòng)情況下檢測(cè)到2缸和3缸的能量值要比1缸和4缸大，因此2缸和3缸的閾值要大于1缸和4缸?；鹃撝颠€需要經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)、負(fù)荷動(dòng)態(tài)和濾波器轉(zhuǎn)換的修正。動(dòng)態(tài)工況時(shí)缸體振動(dòng)較大，為了防止誤判需要增大爆震閾值，濾波器轉(zhuǎn)換時(shí)，從底層獲取的能量值也會(huì)增大，爆震閾值也需要增大。

e.參考背景噪聲計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)結(jié)束后，上層會(huì)對(duì)參考背景噪聲初始化，然后以此值為基礎(chǔ)跟隨從底層獲得的實(shí)際噪聲能量來(lái)估算當(dāng)前的參考背景噪聲。

f.放大等級(jí)控制

底層從爆震傳感器獲取電壓信號(hào)后，需要對(duì)其進(jìn)行放大控制，目的是使電壓信號(hào)保持在合理的范圍內(nèi)。如果電壓信號(hào)太小，受到AD采樣精度影響，信號(hào)會(huì)失真；如果電壓信號(hào)太大，會(huì)超過(guò)AD采樣電壓上限，信號(hào)也會(huì)失真。放大倍數(shù)受上層控制，實(shí)際放大倍數(shù)1、2、4對(duì)應(yīng)放大等級(jí)0、1、2，上層是根據(jù)估算的參考背景噪聲來(lái)進(jìn)行放大等級(jí)調(diào)整的，如果參考背景噪聲超過(guò)上限，放大等級(jí)會(huì)減1，低于下限，放大等級(jí)會(huì)增1。

g.爆震檢測(cè)

從底層獲取各缸對(duì)應(yīng)窗口內(nèi)的能量值后，轉(zhuǎn)化為0～5 V之間的電壓值，能量電壓與參考背景噪聲電壓的比值如果超過(guò)閾值，則認(rèn)為發(fā)生了爆震。另一種情況是轉(zhuǎn)化后的能量電壓很接近上限5 V，例如大于4.9 V，這樣也認(rèn)為發(fā)生了爆震。

h.爆震控制點(diǎn)火角推遲

檢測(cè)到某一氣缸發(fā)生爆震后，將此缸的點(diǎn)火角向后推遲一定角度（一般為3°），當(dāng)此氣缸的爆震消失后，點(diǎn)火角每隔一段時(shí)間向前恢復(fù)一定角度（一般為0.75°）。

4.3 超級(jí)爆震控制策略

超級(jí)爆震控制策略主要由以下幾部分構(gòu)成：

a.超級(jí)爆震控制功能激活

普通爆震控制激活是超級(jí)爆震控制激活的必要條件，另外發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和負(fù)荷要同時(shí)滿足大于各自閾值。

b.超級(jí)爆震窗口產(chǎn)生

超級(jí)爆震窗口起始角度計(jì)算方法與普通爆震類(lèi)似。超級(jí)爆震窗口起始角度位于TDC和普通爆震窗口起始角度之間。

超級(jí)爆震窗口長(zhǎng)度計(jì)算方法與普通爆震類(lèi)似。超級(jí)爆震窗口結(jié)束位置位于普通爆震窗口結(jié)束位置之前。

c.超級(jí)爆震閾值

計(jì)算方法與普通爆震類(lèi)似，區(qū)別是比普通爆震閾值大很多。

d.參考背景噪聲計(jì)算

計(jì)算方法與普通爆震類(lèi)似。

e.超級(jí)爆震檢測(cè)

超級(jí)爆震檢測(cè)方法與普通爆震類(lèi)似。

f.超級(jí)爆震控制

當(dāng)檢測(cè)到某一氣缸發(fā)生超級(jí)爆震時(shí)，首先會(huì)對(duì)該氣缸進(jìn)行燃油加濃，通過(guò)降低氣缸內(nèi)混合氣溫度來(lái)抑制超級(jí)爆震；如果在一段時(shí)間內(nèi)，又檢測(cè)到此氣缸發(fā)生超級(jí)爆震，則進(jìn)行凸輪軸調(diào)節(jié)，通過(guò)掃氣作用來(lái)抑制超級(jí)爆震；在一定時(shí)間內(nèi)還發(fā)生超級(jí)爆震的話，最后只能進(jìn)行斷油控制。發(fā)生超級(jí)爆震時(shí)，采取的每種控制措施只作用一段時(shí)間，當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)不再發(fā)生超級(jí)爆震后，控制措施會(huì)關(guān)閉，然后等待下一次檢測(cè)到超級(jí)爆震時(shí)再啟動(dòng)。

4.4 爆震控制總體方案

爆震控制總體方案如圖3所示，爆震傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)底層一系列處理后，傳給上層兩個(gè)能量值：一個(gè)用于普通爆震控制，另一個(gè)用于超級(jí)爆震控制；前者最終結(jié)果輸出給點(diǎn)火系統(tǒng)，用于推遲點(diǎn)火角；后者最終結(jié)果輸出給燃油系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)，用于燃油加濃、凸輪軸調(diào)節(jié)和斷油。

所設(shè)計(jì)的爆震控制模型包括普通爆震控制模型和超級(jí)爆震控制模型，其中普通爆震控制模型包括爆震信號(hào)處理、爆震控制運(yùn)行條件、爆震檢測(cè)和爆震控制點(diǎn)火角推遲，超級(jí)爆震控制模型包括超級(jí)爆震信號(hào)處理、超級(jí)爆震檢測(cè)和超級(jí)爆震控制。

5 爆震控制HIL和臺(tái)架測(cè)試結(jié)果

爆震控制模型分別經(jīng)過(guò)定標(biāo)、仿真測(cè)試并通過(guò)自動(dòng)代碼生成技術(shù)與底層驅(qū)動(dòng)軟件一同生成可執(zhí)行文件，將其下載到ECU開(kāi)發(fā)板中用于HIL和臺(tái)架測(cè)試。表2是臺(tái)架測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)。

表2 臺(tái)架測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

5.1 普通爆震控制測(cè)試結(jié)果

圖4～圖6是自主開(kāi)發(fā)的ECU臺(tái)架測(cè)試中普通爆震控制的測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，某一缸振動(dòng)能量出現(xiàn)大的尖峰且超過(guò)一定限度時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了普通爆震，普通爆震標(biāo)志位會(huì)置1，對(duì)應(yīng)缸的點(diǎn)火角會(huì)推遲（標(biāo)定為3°）；當(dāng)該缸出現(xiàn)連續(xù)爆震時(shí)，會(huì)在原來(lái)推遲的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推遲，但最大推遲角度會(huì)限制在4個(gè)缸平均推遲量附近，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。當(dāng)爆震消失后，點(diǎn)火角推遲量每隔一段時(shí)間（標(biāo)定為3 s）恢復(fù)一定角度（標(biāo)定為0.75°），直到恢復(fù)到0為止。從缸體振動(dòng)能量變化可以看出，當(dāng)某一氣缸發(fā)生普通爆震后，缸體振動(dòng)能量出現(xiàn)較大尖峰，通過(guò)點(diǎn)火角推遲，爆震消失，振動(dòng)能量尖峰消失，當(dāng)點(diǎn)火角恢復(fù)到一定程度后（超過(guò)爆震限值），又出現(xiàn)了爆震，這種重復(fù)出現(xiàn)的爆震是人為將點(diǎn)火角提前引起的。

5.2 超級(jí)爆震控制測(cè)試結(jié)果

超級(jí)爆震的測(cè)試在HIL上進(jìn)行，爆震信號(hào)及噪聲信號(hào)由HIL產(chǎn)生，噪聲電壓設(shè)置為0.2 V（上下波動(dòng)0.08 V），每隔20 s連續(xù)提供20個(gè)工作循環(huán)的爆震信號(hào)，爆震信號(hào)形式為震蕩衰減信號(hào)，如圖7所示。ECU對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后傳到上層控制策略，上層將其轉(zhuǎn)化為0～5 V之間的電壓值，超級(jí)爆震檢測(cè)及控制情況如圖8～圖12所示。當(dāng)某一缸檢測(cè)到超級(jí)爆震時(shí)，會(huì)向燃油系統(tǒng)輸出加濃需求（相應(yīng)標(biāo)志位置1，保持10 s）和向進(jìn)氣系統(tǒng)輸出凸輪軸調(diào)節(jié)需求（相應(yīng)標(biāo)志位置1，保持10 s）；如果超級(jí)爆震依然存在，則會(huì)向燃油系統(tǒng)輸出斷油需求（斷油類(lèi)型的值分別為1、2、4、8時(shí)，分別對(duì)應(yīng)0、1、2、3號(hào)氣缸斷油，每次斷油需求持續(xù)5個(gè)工作循環(huán)）。

Design of Knock Control System for GDI Turbocharged Engine Based on Model

Liu Shaofei1,2,Yu Xiao1,2,Chen Jie1,2
（1.R&D Center of Great Wall Motor Company;2.Automotive Engineering Technical Research Center of Hebei）

To detect the knock of GDI turbocharged engine correctly and control it effectively,we design a control system,which detects oscillation of every cylinder through knock sensor.The energy of every cylinder is acquired via signal processing and is estimated whether knock happens,if it is the case,the knock intension will be determined and the knock will be divided into common knock or super knock.The former will be controlled by ignition angle retarding and the latter will be controlled by fuel enrichment,camshaft adjustment and fuel cutoff.The results of HIL and test bench tests indicate that this system can detect knock correctly,control it effectively and ensure power,economy and security of the engine.

GDI engine,engine knock,control system

GDI發(fā)動(dòng)機(jī) 爆震 控制系統(tǒng)

U464.12

A

1000-3703（2015）11-0015-04