電子節(jié)氣門動力失控工況診斷及故障模式管理

漆正剛，Gary Spring，許勻峰，王 聰，詹 迅，趙新慶

(重慶長安偉世通發(fā)動機控制系統(tǒng)有限公司產(chǎn)品研發(fā)部，重慶 401122)

電子節(jié)氣門(electronic throttle body，ETB)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車汽油發(fā)動機。相較于傳統(tǒng)的機械式節(jié)氣門，在發(fā)動機管理系統(tǒng)(engine management system，EMS)中引入電子節(jié)氣門控制，為實現(xiàn)從動力源發(fā)動機到變速傳動系統(tǒng)的動力控制提供了新的控制維度，通過綜合控制節(jié)氣門開度、點火提前角、噴油脈寬與變速器速比為車輛實現(xiàn)最優(yōu)工況提供了更多可能性［1－2］。在實現(xiàn)更優(yōu)、更精準控制的同時，電子節(jié)氣門的引入也增加了EMS硬件的復(fù)雜性，降低了硬件系統(tǒng)的可靠性，包括增加了測量節(jié)氣門實時位置的節(jié)氣門位置傳感器(throttle position sensor，TPS)、驅(qū)動節(jié)氣門軸轉(zhuǎn)動的直流伺服電機及其相關(guān)的連接線路等，這些都可能成為引發(fā)電子節(jié)氣門控制失效的誘發(fā)因素。

目前國內(nèi)學(xué)界對于電子節(jié)氣門的失效方式基本都劃分為節(jié)氣門位置傳感器線路的斷路和短路故障、驅(qū)動電機控制線路的斷路和短路故障，以及采用冗余設(shè)計時兩路節(jié)氣門位置傳感器的校核一致性故障等［3－5］。對于在線路連接狀態(tài)良好的情況下由于傳感器內(nèi)部部件損傷導(dǎo)致的傳感器信號偏移而引起的信號測量失準，以及直流伺服電機勵磁線圈老化、碳刷磨損、電磁干擾等導(dǎo)致的電機工作狀態(tài)發(fā)生突變等情況［6－8］，目前尚無較好的識別和應(yīng)對策略。雖然發(fā)生上述嚴重故障的概率較低，但是一旦發(fā)生大幅度信號偏移或者電機工作狀態(tài)突變，導(dǎo)致電子節(jié)氣門開度發(fā)生階躍性激增，將會直接引發(fā)車輛瞬時加速度的激增，出現(xiàn)動力失控，影響行車安全。如果不能及時識別并做出主動性干預(yù)，將會導(dǎo)致嚴重的人車安全事故。本文以某自主品牌微型商用車型為研究對象，在其搭載的發(fā)動機控制系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上，提出一種以發(fā)動機進氣量為測量判斷指標識別電子節(jié)氣門動力失控工況的方法，對故障模式下的節(jié)氣門動作實現(xiàn)有效管理。

1 TPS信號偏移及影響

EMS系統(tǒng)采用雙路節(jié)氣門位置傳感器，冗余設(shè)計方式可以提高控制系統(tǒng)零部件的可靠性，當其中一路信號失效時，另一路信號仍然可以發(fā)揮作用。如圖1所示:①處為死點，由限位螺釘限制節(jié)氣門最小開度，對應(yīng)的絕對角度為7°，并作為相對角度的零點;②處為2號傳感器測量角度飽和點，對應(yīng)絕對角度大約為56°，相對角度約為49°;③處為節(jié)氣門最大開度，約為絕對90°，相對83°。2號TPS在中小角度范圍內(nèi)(0°～46°)具有較高的測量精度，1號TPS在中大角度范圍內(nèi)(46°～90°)具有較高的測量精度，因此在未診斷出TPS信號故障時，EMS將分段采用較高精度的TPS輸出信號作為主要控制依據(jù)。

圖1 節(jié)氣門位置傳感器輸入－輸出特性

當節(jié)氣門位置傳感器受到強烈撞擊等外在因素影響時，內(nèi)部滑動變阻器發(fā)生變形(針對變阻器式TPS)，或者霍爾器件破損、安裝位置偏移(針對霍爾式TPS)等，會直接改變節(jié)氣門位置傳感器的輸入輸出特性，使測量反饋給控制系統(tǒng)電控單元的節(jié)氣門位置與實際位置之間產(chǎn)生較大偏差。圖2為較為極端的雙路TPS均遭受特性偏移的情況。

偏差產(chǎn)生之后，由于輸出信號仍然在上下限合理范圍之內(nèi)，傳統(tǒng)的電壓診斷方式無法識別，并且在②與③位置之間，由于TPS2信號已達飽和，TPS1信號失去了相互比對校核的依據(jù)，使1號傳感器的特性偏移更加難以識別。圖2中，在輸出電壓為2.5 V時，TPS2的輸出特性由a點偏移至b點，TPS1的輸出特性由c點偏移至d點。圖示的信號偏移方向會使系統(tǒng)獲知的當前節(jié)氣門開度比實際開度小，系統(tǒng)將錯誤地指令驅(qū)動電機加大節(jié)氣門開度，使實際進氣量遠超目標進氣量，發(fā)動機輸出扭矩劇烈增加，將導(dǎo)致車輛動力失控。如果傳感器特性呈反方向偏移，系統(tǒng)獲知的節(jié)氣門開度比實際開度大，將錯誤指令驅(qū)動電機減小開度，造成車輛加速無力，但不至于發(fā)生危險駕駛情況。

圖2 節(jié)氣門位置傳感器特性偏移

在現(xiàn)實情況中，傳感器特性偏移極少呈現(xiàn)整體偏移現(xiàn)象，更多的是偏移發(fā)生在某一個或者某幾個區(qū)間內(nèi)。輸入輸出特性的不穩(wěn)定性將會導(dǎo)致在駕駛車輛時反復(fù)出現(xiàn)劇烈聳動，特別是在低速擋大扭矩輸出時極易發(fā)生危險駕駛工況。

2 駕駛動力需求轉(zhuǎn)換

電子節(jié)氣門控制使節(jié)氣門實際開度與加速踏板開度之間不再呈現(xiàn)固定關(guān)系。節(jié)氣門目標開度指令的發(fā)出需要經(jīng)過一個“加速踏板開度—目標扭矩—修正扭矩—目標進氣量—目標開度”的轉(zhuǎn)換過程。在轉(zhuǎn)換過程中，自動變速箱扭矩請求、巡航控制請求、牽引力控制請求等均可以適時介入，極大地體現(xiàn)了電子節(jié)氣門對于扭矩控制的靈活性。

由駕駛員通過加速踏板開度βped請求提出基本動力需求，經(jīng)過加速踏板特性轉(zhuǎn)換為基本扭矩需求Tbase。為了提高扭矩控制的平順性與穩(wěn)定性，與通常的加速踏板特性相比增加了1個維度，這是關(guān)于踏板開度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速n的三維函數(shù)，如圖3所示。調(diào)整加速踏板特性可以改變整車對于駕駛員需求的響應(yīng)性能，直接影響駕乘主觀感受。

基本需求扭矩提出后，系統(tǒng)將考慮到發(fā)動機摩擦損失Tfric、發(fā)電機動力損失Talt、空調(diào)動力損失Tac、冷卻風(fēng)扇動力損失Tvsf以及機油泵動力損失Tpump等因附件工作造成的發(fā)動機扭矩消耗，以及汽車行駛過程中的迎風(fēng)阻力Tdrag等，見式(1)。由于發(fā)動機不可能始終工作在標準工況下，因此還將對扭矩進行海拔自適應(yīng)補償、水溫修正和進氣溫度修正(見式(2))，用以精確比對臺架試驗時恒標準工況下標定出的發(fā)動機凈扭矩。

圖3 加速踏板特性

式中:Pair為當前實測的大氣壓力;Kect為當前實測的發(fā)動機水溫;Kact為當前實測的發(fā)動機進氣溫度。

在恒標準工況下進行發(fā)動機臺架試驗，測量出在化學(xué)當量空燃比條件下發(fā)動機處于爆震臨界點火角時的指示扭矩Tind，它是關(guān)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速n和發(fā)動機負荷Lload的三維函數(shù)。定義負荷為當前工況下發(fā)動機實際進氣量Acurr與標準工況下發(fā)動機進氣量Astan的比值，見式(3)。發(fā)動機機－車體一體化后，發(fā)動機工作時并非始終處于爆震臨界點火角，實際空燃比也會偏離化學(xué)當量空燃比，4缸機的各噴油器也并非全時工作，因此發(fā)動機實際輸出扭矩Tactu并不等于指示扭矩，而是相較于標準工況下輸出扭矩呈現(xiàn)比例下降的趨勢，見式(4)。因此，當前工況下發(fā)動機目標進氣量需要經(jīng)過一個反算過程得出:首先由當前工況下實際點火角、實際空燃比和噴油器工作數(shù)量求出發(fā)動機目標指示扭矩Tind_des，見式(5);再由轉(zhuǎn)速和目標指示扭矩查如圖4所示關(guān)系的三維表得出目標發(fā)動機負荷Lload_des;最后，由式(6)計算出目標進氣量Ades。

式中:Δω表示當前點火角偏離爆震臨界點火角的絕對角度;λ表示實際空燃比控制值;Ninj表示處于工作狀態(tài)的噴油器數(shù)量比例。

圖4 扭矩－負荷轉(zhuǎn)換曲線

根據(jù)流體質(zhì)量流量方程，可以得出如式(7)所示的通過節(jié)氣門閥片的進氣質(zhì)量流量Mair，再根據(jù)氣體狀態(tài)方程將式(7)變形為式(8)。方程變形過程主要考慮將節(jié)氣門閥片前后的氣體壓力比Pratio作為一個整體變量，以便于通過試驗標定的方法將復(fù)雜繁冗的計算過程轉(zhuǎn)換為查表計算方式，從而簡化了控制過程。這使得某一特定型號的電子節(jié)氣門大批量生產(chǎn)應(yīng)用具有較好的實用性。

式中:ρair表示通過節(jié)氣門閥片的氣體密度;vair表示氣體流速;Deff表示電子節(jié)氣門有效截面積;Putm為節(jié)氣門閥片前端壓力;Pman為節(jié)氣門閥片后端壓力;C1為氣體常數(shù)。

將式(8)變形為式(11)，即得出節(jié)氣門閥片有效截面積。根據(jù)特定型號的電子節(jié)氣門流速特性將式(11)中所有關(guān)于氣體壓力比Pratio的量通過試驗標定方法做成曲線，如圖5所示。再根據(jù)圖6所示節(jié)氣門閥片特性曲線將有效截面積轉(zhuǎn)換為目標節(jié)氣門開度βthro_des，即完成了駕駛員動力需求到電子節(jié)氣門目標開度的完整轉(zhuǎn)換過程。給出目標節(jié)氣門開度以后，以節(jié)氣門位置傳感器實時位置作為反饋，通過驅(qū)動電機動作對節(jié)氣門開度作閉環(huán)PID控制。

圖5 氣體壓力比相關(guān)輸出

3 動力失控工況識別

TPS信號偏移致使PID閉環(huán)控制反饋量失真。在圖2所示的嚴重失真情況下，反饋給控制系統(tǒng)的節(jié)氣門開度比實際開度小，造成閉環(huán)控制的最終結(jié)果是實際開度比目標開度大，供應(yīng)給發(fā)動機的進氣量比駕駛需求的進氣量大。基于進氣量的燃油量噴射原理如式(12)所示。由于系統(tǒng)無法檢測到TPS故障，所以系統(tǒng)無法進入電子節(jié)氣門故障管理模式，也不會對燃油噴射進行干預(yù)。在由未失真的TPS運行工作區(qū)間突然轉(zhuǎn)入嚴重失真的TPS運行工作區(qū)間時，將會有瞬時的輸出扭矩爆發(fā)，并可能持續(xù)一段時間，造成車輛動力失控。

圖6 節(jié)氣門開度特性

式中:Mfuel為目標噴油量;Mtran為瞬態(tài)燃油補償量;Mpurg為燃油蒸發(fā)系統(tǒng)來油量;Amap為基于進氣壓力傳感器信號計算的發(fā)動機實際進氣量。

節(jié)氣門位置傳感器信號偏移造成節(jié)氣門控制位置偏差，節(jié)氣門位置控制偏差最終反映為發(fā)動機的進氣量偏差。實際進氣量的測量計算可以從進氣壓力傳感器信號快速得出，因此可以從目標進氣量與實際進氣量的差異角度來識別車輛動力失控工況，以便在故障出現(xiàn)時及時識別并主動干預(yù)。

3.1 發(fā)動機充氣計算

試驗車輛使用進氣壓力傳感器作為測量發(fā)動機進氣量的基礎(chǔ)信號。傳感器輸出為電壓信號，因而發(fā)動機實際進氣量的獲取需要經(jīng)過一個換算過程。圖7為進氣壓力傳感器輸入輸出特性，可見標準工況下在其有效測量區(qū)間內(nèi)，輸入輸出呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，表達為式(13)。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，在標準工況下進氣壓力與充氣質(zhì)量流量成正比關(guān)系。將式(13)改寫為式(14)，再將式(14)變形為式(15)，即可以通過進氣壓力傳感器的輸出信號Vmap求得充氣質(zhì)量流量中間值A(chǔ)ful。

將當前發(fā)動機工況下的斜率a3經(jīng)過進氣密度修正φ8、工況條件修正φ9和容積效率修正φ10(見式(16))，截距b3經(jīng)過工況修正φ11和大氣壓力修正φ12(見式(17))，最后由式(18)得出最終的發(fā)動機實際進氣質(zhì)量流量Aactu，式中Ncyl為發(fā)動機總的氣缸數(shù)量。

圖7 進氣壓力傳感器輸入輸出特性

3.2 動力失控工況判定

目標進氣量與實際進氣量的計算以曲軸位置傳感器信號缺齒周期的1/2為軟件任務(wù)執(zhí)行調(diào)用周期，能夠快速、有效、及時地進行信號更新，真實反映當前狀態(tài)下進氣量的變化。采用目標進氣量與實際進氣量之間的偏差量判定動力失控工況的流程如圖8所示。

圖8 動力失控判定流程

死區(qū)外進氣量偏差計算按式(19)。死區(qū)Ahyst的設(shè)置在不同的轉(zhuǎn)速下有所區(qū)別，轉(zhuǎn)速越大死區(qū)范圍越大，用以對應(yīng)不同的基本扭矩需求，即在大扭矩需求下允許目標進氣量與實際進氣量之間的偏差稍大，在小扭矩需求時允許目標進氣量與實際進氣量之間的偏差稍小，并根據(jù)實車試驗對每個工況點進行適當標定修正，以消除固有誤差的影響。修正結(jié)果如圖9所示。

圖9 進氣偏差量死區(qū)

發(fā)動機機艙內(nèi)部環(huán)境相對復(fù)雜，加之傳感器本身的原因可能產(chǎn)生噪聲干擾信號，信號毛刺尖峰會使信號本身嚴重失真，因此對式(19)計算出的死區(qū)外進氣量偏差使用Spike函數(shù)進行自適應(yīng)過濾處理［9－10］。Spike算法包含一個自適應(yīng)窗口和一個自適應(yīng)增益系數(shù)，增益系數(shù)為大于1的常量。當信號出現(xiàn)尖峰時，超出自適應(yīng)窗口的值將被過濾掉，并使用窗口上/下限值作為有效值，同時自適應(yīng)窗口會利用增益系數(shù)隨著信號的變化逐步放大或者逐步收斂。Spike算法流程如圖10所示。

經(jīng)過Spike算法處理后的進氣量偏差值A(chǔ)err_new以16 ms的任務(wù)執(zhí)行周期進行積分處理，得到Aerr_int，并且將其值與判定限值實時比較。一旦超過限值A(chǔ)err_thr立即置位于動力失控標志位Fpocflg(見式(20))，判定為發(fā)生動力失控工況。此標志位將傳遞給EMS系統(tǒng)其他工作模塊，立即對節(jié)氣門驅(qū)動電機和噴油進行干預(yù)，防止動力失控工況長時間持續(xù)，避免危險駕駛情形的發(fā)生。

圖10 Spike算法流程

4 動力失控故障管理

當發(fā)生動力失控工況時，電機進行正常響應(yīng)的參考信號已經(jīng)嚴重失真，應(yīng)該禁止電機的驅(qū)動功能。因此，通過電控單元內(nèi)部的電機驅(qū)動電路使電機勵磁線圈斷電，節(jié)氣門閥片軸由于電子節(jié)氣門體內(nèi)部的兩根復(fù)位彈簧的作用回到并始終維持在一個固定角度。試驗車輛使用的電子節(jié)氣門對應(yīng)的固定角度為相對8°，絕對15°。當駕駛車輛出現(xiàn)動力失控時，對驅(qū)動電機直接干預(yù)優(yōu)于對燃油噴射進行干預(yù)，前者既能夠及時制止危險駕駛工況又能夠較好控制發(fā)動機的穩(wěn)定性，而后者極易造成發(fā)動機熄火，導(dǎo)致車輛失去輔助制動的動力源，造成新的危險工況。

變速器在前進擋并且踩下加速踏板時，EMS進入“跛行回家”模式，相對8°的固定角度進氣量足以維持車輛“跛行回家”的動力需求，但加速踏板開度信號無法再靈活提出動力需求，只有踩下加速踏板與未踩下加速踏板兩種請求狀態(tài)，車輛的加速能力受到極大程度的制約，從而避免了本次駕駛循環(huán)再次發(fā)生動力失控工況的可能性。

變速器處于空擋狀態(tài)且未踩下加速踏板時，EMS進入“游車怠速”控制模式?！坝诬嚨∷佟迸c普通怠速控制有所不同，它要求在怠速狀態(tài)下發(fā)動機轉(zhuǎn)速高低起伏波動，但不會熄火，既能夠滿足“跛行回家”功能需求，也能起到提醒駕駛者的作用。因此，將“游車怠速”模式的基本目標怠速設(shè)置為1 000 r/min，高于普通怠速模式的750 r/min。當實際轉(zhuǎn)速n小于1 000 r/min時，要求所有4缸噴油器均正常工作。由于節(jié)氣門開度為相對8°，因此其提供的能量足以使轉(zhuǎn)速上升到1 000 r/min以上。當轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min時，切斷2個氣缸噴油器以使轉(zhuǎn)速回復(fù)到目標轉(zhuǎn)速;當轉(zhuǎn)速大于(1 000+n1)r/min以后，切斷3個氣缸噴油器;當轉(zhuǎn)速大于(1 000+n2)r/min時，切斷所有4缸噴油器，如圖11所示。最終達到“游車怠速”的主觀駕乘感受，并且在儀表盤上的發(fā)動機故障燈會閃爍顯示。

圖11 “游車怠速”控制基本原理

5 試驗研究

5.1 動力失控工況識別功能驗證

對提出的控制策略在試驗車輛上進行實車駕駛試驗驗證，并主要針對1擋和2擋等傳動系統(tǒng)大扭矩輸出工作區(qū)間進行試驗，結(jié)果如圖12～15所示。為模擬由于TPS信號偏移造成的控制電機工作狀態(tài)突變，在控制電機輸入控制信號上外加一個持續(xù)擾動βadd，用以觸發(fā)動力失控工況。在圖12～15中:aace為車輛加速度;Vmotor表示電子節(jié)氣門驅(qū)動電機控制電壓;Ades為目標進氣量;Aactu為實際進氣量。

在圖12中未打開動力失控工況識別功能，在使用1擋中等油門踏板開度進行車輛加速的過程中，突然外加持續(xù)擾動。此后發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2.3 s內(nèi)由3 100 r/min被急速拉升至6 000 r/min，車輛加速度也急劇增加，駕駛員能夠感受到十分明顯的車輛前沖，本能驅(qū)使采取松油門和踩剎車的制動措施。但在駕駛員大腦決策并主動采取措施之前的3～4 s，整個車輛仍然具有相當大的加速度，車輛難以控制。在圖13中則打開了動力失控工況識別功能，在外加擾動后的大約1.2 s內(nèi)，系統(tǒng)迅速檢測到實際進氣量比目標進氣量過多的危險情況，并立即對節(jié)氣門驅(qū)動電機采取斷電措施(Vmotor=0)，使實際進氣量被限制在安全范圍內(nèi)，有效避免了車輛動力繼續(xù)失控。進入故障管理模式后，目標進氣量請求命令失效，系統(tǒng)不再對其值進行更新。

圖12 1擋行車動力失控情況(無故障管理介入)

在圖14中未打開動力失控工況識別功能，使用2擋中大油門踏板開度進行車輛加速試驗，突然外加持續(xù)擾動。此后發(fā)動機轉(zhuǎn)速快速提升，車輛加速度也有一定程度的增加，只是由于變速器速比較1擋小，因此動力失控程度相對較輕。但是此種相對較輕程度的動力失控也會使低速擋車速無法維持在一個較小的平衡車速位置，車輛會始終處于加速狀態(tài)。由于加速度較大，也存在極大的安全隱患。在試驗過程中，擁有豐富駕駛經(jīng)驗的專業(yè)駕駛?cè)藛T在維持原來的駕駛狀態(tài)情況下，對于2擋動力失控的情況均表示難以駕馭。在圖15中打開識別功能，在擾動發(fā)生后的大約1.5 s內(nèi)系統(tǒng)就完成了對動力失控工況的判定，并對控制電機采取斷電措施。

圖13 1擋行車動力失控情況(有故障管理介入)

圖14 2擋行車動力失控情況(無故障管理介入)

統(tǒng)計多次從外加擾動開始到電機斷電之間的時間間隔，結(jié)果見表1，可見該時間間隔均能控制在1.6 s以內(nèi)。試驗結(jié)果表明:在發(fā)生動力失控工況后，系統(tǒng)能在很短的時間內(nèi)識別故障并及時采取主動干預(yù)措施，有效避免了危險駕駛狀況的發(fā)生。

圖15 2擋行車動力失控情況(有故障管理介入)

表1 消除動力失控時間統(tǒng)計 s

5.2 “游車怠速”功能驗證

在正常怠速時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動平穩(wěn)，基本在目標轉(zhuǎn)速±20 r/min以內(nèi)波動，偶有±30 r/min的波動，20 s內(nèi)的轉(zhuǎn)速標準偏差為11.8 r/min，駕駛者主觀感受幾無不舒適感，如圖16所示。當在動力失控被識別并觸發(fā)故障管理模式的怠速狀態(tài)下時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 000 r/min上下作更大幅度、更高頻率的波動，波動幅度達到±60～100 r/min，波動頻率明顯快于正常怠速，20 s內(nèi)轉(zhuǎn)速標準偏差達到39.7 r/min，駕駛者能非常明顯地感受到發(fā)動機的振動，聽到高低起伏的“游車”聲音，如圖17所示。同時，從儀表盤上可以觀察到發(fā)動機故障燈有規(guī)律地閃爍，從而起到提示駕駛員當前發(fā)動機處于危險工作狀態(tài)。

圖16 正常怠速時轉(zhuǎn)速波動

圖17 “游車怠速”時轉(zhuǎn)速波動

6 結(jié)束語

分析了電子節(jié)氣門重要部件TPS信號偏移對發(fā)動機進氣量控制的影響，指出嚴重信號偏移會導(dǎo)致車輛動力失控。分析推導(dǎo)了基于扭矩需求的從駕駛動力需求到目標節(jié)氣門開度的完整轉(zhuǎn)換過程，基于進氣壓力信號演算了發(fā)動機實際進氣量。通過監(jiān)測目標進氣量與實際進氣量之間的差異來識別動力失控工況，并利用Spike函數(shù)設(shè)計了識別算法和動力失控被識別后的故障管理策略。通過實車駕駛試驗進行功能試驗驗證，結(jié)果表明:所提出的策略能夠迅速、有效地識別動力失控工況，并主動采取干預(yù)措施避免危險駕駛狀況的出現(xiàn)，同時提示駕駛者當前發(fā)動機處于危險工作狀態(tài)。

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