點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)空燃比自適應(yīng)控制策略研究

嚴(yán)浩銘，孫仁云，陳德剛，汪科任

（1.西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都安美科燃?xì)饧夹g(shù)有限公司，四川 成都 610039）

點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)空燃比自適應(yīng)控制策略研究

嚴(yán)浩銘1，孫仁云1，陳德剛2，汪科任1

（1.西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都安美科燃?xì)饧夹g(shù)有限公司，四川 成都 610039）

闡述發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況閉環(huán)控制的特點(diǎn)，分析導(dǎo)致瞬態(tài)空燃比匹配不當(dāng)?shù)脑?，設(shè)計(jì)空燃比加性誤差與乘性誤差模型，提出自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)姆桨福詈蠡贛atlab/Simunlink建立空燃比控制系統(tǒng)模型并驗(yàn)證自適應(yīng)補(bǔ)償控制策略。結(jié)果表明：當(dāng)出現(xiàn)誤差時(shí)，自動(dòng)改變空燃比修正值調(diào)整燃料噴射量，空燃比波動(dòng)＜1%。

發(fā)動(dòng)機(jī)；瞬態(tài)；空燃比；自適應(yīng)

0　引　言

汽車行駛過程中，瞬態(tài)工況占有很大比例，同時(shí)排出大量環(huán)境污染物，它是發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制中最為核心與困難的部分。對(duì)瞬態(tài)空燃比的補(bǔ)償，多數(shù)學(xué)者集中利用卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等對(duì)瞬態(tài)空燃比進(jìn)行預(yù)測(cè)[1-4]。發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)性要求非常高，而上述算法由于微處理器瓶頸導(dǎo)致計(jì)算速度過慢，在實(shí)際工程中應(yīng)用很少；因此，有待開發(fā)性能更好、處理速度更快的瞬態(tài)空燃比補(bǔ)償策略。

1　發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)閉環(huán)控制分析

傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制主要分為兩種：1）穩(wěn)態(tài)閉環(huán)PI控制；2）瞬態(tài)前饋開環(huán)控制。穩(wěn)態(tài)工況要求過量空氣系數(shù)均值（500個(gè)工作循環(huán)）波動(dòng)范圍平均值＜0.1%，瞬態(tài)工況允許短時(shí)間內(nèi)3%以內(nèi)的偏差，短時(shí)間幾個(gè)百分點(diǎn)的空燃比偏差不會(huì)使經(jīng)過催化劑轉(zhuǎn)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)排放惡化。某4缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)（CNG）閉環(huán)控制簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　閉環(huán)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)PID控制理論，積分時(shí)間常數(shù)越小，積分速度越快，系統(tǒng)響應(yīng)速度就越快，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，系統(tǒng)的最大超調(diào)量增大；反之，亦然。然而，這個(gè)積分時(shí)間常數(shù)的大小在實(shí)際應(yīng)用中是有限度的。有關(guān)研究[5]發(fā)現(xiàn)：由于氧化鋯傳感器特性和發(fā)動(dòng)機(jī)延遲時(shí)間等影響，閉環(huán)PI控制中的積分時(shí)間常數(shù)有一個(gè)最小值，致使閉環(huán)控制環(huán)路對(duì)工況點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換的響應(yīng)較慢，若時(shí)間較長(zhǎng)，過量空氣系數(shù)會(huì)偏離3%的范圍。

在發(fā)動(dòng)機(jī)使用的過程中，導(dǎo)致空燃比偏差的主要原因如下：

1）整車和發(fā)動(dòng)機(jī)在批量生產(chǎn)裝配時(shí)存在的裝配誤差、制造誤差等導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)之間的差異；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)使用中的不斷磨損、疲勞、老化；

3）燃油密度、品質(zhì)的變化。

此時(shí)，需要通過自學(xué)習(xí)控制[6-8]修正基本噴油脈寬（BPW）。發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比自學(xué)習(xí)控制的首要條件是發(fā)動(dòng)機(jī)處于閉環(huán)控制，通過一定的自學(xué)習(xí)使能條件、積分延時(shí)、自學(xué)習(xí)延時(shí)等實(shí)時(shí)修正基本噴油脈寬MAP圖，達(dá)到對(duì)空燃比的精確控制。

發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比閉環(huán)PI控制過程中，上述積分時(shí)間常數(shù)的最小值受到限制。因此，閉環(huán)PI控制將過量空氣系數(shù)范圍限定在[0.8，1.2]，如果偏離范圍過大，則閉環(huán)控制時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致排放的惡化。通過設(shè)定這個(gè)范圍，超出這個(gè)范圍可以啟動(dòng)自學(xué)習(xí)。

閉環(huán)控制時(shí)間過長(zhǎng)將導(dǎo)致排放惡化。所以，空燃比閉環(huán)PI控制并不適合瞬態(tài)工況。瞬態(tài)采用閉環(huán)控制空燃比修正因子變化圖如圖2所示。

圖2　瞬態(tài)采用閉環(huán)控制空燃比修正因子變化圖

2　發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)空燃比誤差分析

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況普遍采用前饋開環(huán)控制。穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，閉環(huán)PI控制環(huán)路通過乘性修正因子對(duì)BPW進(jìn)行偏差補(bǔ)償，然后將這些修正因子儲(chǔ)存在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況點(diǎn)的前饋控制MAP圖中。瞬態(tài)工況時(shí)，不需要采用閉環(huán)控制進(jìn)行的誤差補(bǔ)償，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻采集到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等信號(hào)，可以通過從前饋MAP圖中選擇正確的修正因子（沒有延遲）。因此，瞬變工況出現(xiàn)的空燃比匹配不當(dāng)也得到了解決。

上述前饋控制的精確性取決于前饋MAP圖中修正因子的精確性。但是，由于個(gè)人駕駛習(xí)慣的不同，存在某些很少使用到的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，很長(zhǎng)一段時(shí)間不會(huì)在這個(gè)工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，便不能實(shí)時(shí)更新前饋MAP圖，而且不會(huì)進(jìn)行空燃比自學(xué)習(xí)，可以說此時(shí)的前饋控制MAP圖中的空燃比修正因子已經(jīng)過時(shí)了。所以，瞬態(tài)工況時(shí)的問題關(guān)鍵是如何選取正確的空燃比修正因子。

在發(fā)動(dòng)機(jī)控制的過程中，誤差在所難免，如何進(jìn)行誤差補(bǔ)償是控制的核心。導(dǎo)致空燃比誤差的因素有進(jìn)氣系統(tǒng)漏氣，噴油嘴老化等。這些誤差可以看成是進(jìn)氣質(zhì)量流量的誤差，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在全工況范圍內(nèi)的影響具有一致性，為簡(jiǎn)化誤差模型，將引起空燃比偏差歸結(jié)為加性偏差和乘性偏差，由于加性誤差在高功率與低功率時(shí)對(duì)空燃比的影響不同，所以設(shè)定一個(gè)加性偏移誤差標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)指標(biāo)ξ：

1）空燃比加性偏移誤差

在發(fā)動(dòng)機(jī)工況全部范圍內(nèi)，加性偏移誤差的絕對(duì)值是相同的，例如進(jìn)氣系統(tǒng)漏氣。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低功率輸出時(shí)，空氣流量值越小，約a，L=6kg/h（視發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)而定），此時(shí)加性偏移誤差不可忽略；在中、高功率輸出時(shí)，空氣流量可達(dá)a，H=600kg/h，ξ很小可以忽略。

2）空燃比乘性誤差

簡(jiǎn)化空燃比特性誤差模型如圖3所示。理想狀態(tài)下，過量空氣系數(shù)即圖中直線斜率，乘性誤差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)任何工況的影響效果相同，例如空氣流量計(jì)密度誤差。

圖3　簡(jiǎn)化的空燃比特性誤差模型

3　全局有效空燃比自適應(yīng)補(bǔ)償方案

李道飛等[5]研究發(fā)現(xiàn)，可以采用全局有效空燃比補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)控制策略?，F(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的加性誤差和乘性誤差加以補(bǔ)償。正確進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量流量a，0為

式中：λ0——不含誤差的過量空氣系數(shù)；

λ——包含誤差的過量空氣系數(shù)；

Lst——理論空燃比；

3.1乘性誤差補(bǔ)償

在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)高功率輸出時(shí)，可忽略加性誤差，則有

剩下的空燃比乘性誤差可以通過常規(guī)閉環(huán)控制環(huán)路產(chǎn)生的修正因子來補(bǔ)償，取其平均值得到（與成反比）。當(dāng)沒有誤差時(shí)，即：

由上式可知，忽略加性偏移誤差后，乘性偏差得到了補(bǔ)償。此時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)高功率輸出時(shí)，令并將其儲(chǔ)存在EEPROM中，以便以后使用。修正的空氣流量可以通過測(cè)量值a計(jì)算得到，即：

3.2加性誤差補(bǔ)償

結(jié)合式（6）、式（7），可得到正確的空氣質(zhì)量流量：

在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)低功率輸出時(shí)，空燃比閉環(huán)控制環(huán)路也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)乘性修正因子，將它取平均值得到令正確的空氣質(zhì)量流量為

通過以上分析，聯(lián)合式（8）、式（9）得到公式如下：

圖4　積分控制修正加性誤差

通過乘性補(bǔ)償因子FHi和加性誤差補(bǔ)償?shù)摩，corr對(duì)空燃比進(jìn)行修正，修正后的空燃比特性如下：

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU將得到更新后的FHi（消除乘性誤差）、Δa，corr（消除加性偏移誤差），存儲(chǔ)在EEPROM中，再根據(jù)實(shí)時(shí)得到的a，便補(bǔ)償修正得到非常接近實(shí)際空氣質(zhì)量流量a，0。

因此，即使在瞬態(tài)工況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速越過非常用工況的過程中，經(jīng)過前饋補(bǔ)償后，也能得到正確的空燃比。這種誤差補(bǔ)償解決了前文所述的空燃比匹配不當(dāng)?shù)膯栴}，達(dá)到對(duì)排放的有效控制。

4　空燃比補(bǔ)償策略驗(yàn)證及結(jié)果分析

根據(jù)上述空燃比自適應(yīng)補(bǔ)償控制策略，在平均值模型[9]的基礎(chǔ)上，基于Matlab/Simulink搭建控制策略模型進(jìn)行策略驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)加性誤差，保持節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等不變，人為減小進(jìn)氣量，即增大進(jìn)氣歧管壓力。發(fā)動(dòng)機(jī)處于低功率穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行，控制過程如圖5所示，當(dāng)?shù)? min（第6 min）出現(xiàn)漏氣（沒有漏氣），通過減?。ㄔ龃螅┛杖急刃拚蜃?，直至空燃比回到理論值附近時(shí)不再改變，低通濾波得到此時(shí)的空燃比修正因子；然后，自適應(yīng)過程通過附加積分控制慢慢補(bǔ)償偏差，與此同時(shí)閉環(huán)控制修正因子也開始慢慢回到平均值1附近；當(dāng)修正因子在1附近振蕩時(shí)，停止積分補(bǔ)償將補(bǔ)償值保存在EEPROM中。

圖5　進(jìn)氣系統(tǒng)存在旁通漏氣時(shí)修正因子變化

經(jīng)過自適應(yīng)空燃比補(bǔ)償后，發(fā)動(dòng)機(jī)處于瞬態(tài)工況時(shí)，根據(jù)事先存儲(chǔ)的FHi、Δa，corr修正進(jìn)氣量，空燃比修正因子不會(huì)發(fā)生很大變化，表明經(jīng)過補(bǔ)償后空燃比匹配良好。瞬態(tài)工況下（見圖6），無自適應(yīng)與有自適應(yīng)時(shí)仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖6　發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

圖7　有無自適應(yīng)空燃比修正因子

圖8　有無自適應(yīng)空燃比

根據(jù)上述空燃比補(bǔ)償控制策略，當(dāng)經(jīng)過多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬變工況后，可以看出：無自適應(yīng)時(shí)，由于不能對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，空燃比修正因子波動(dòng)較大，造成了空燃比大幅度波動(dòng)；有自適應(yīng)時(shí)，空燃比修正因子不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，對(duì)應(yīng)的空燃比也沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，波動(dòng)幅度＜1%，達(dá)到了對(duì)誤差的自適應(yīng)補(bǔ)償，此時(shí)空燃比匹配效果很好。

5　結(jié)束語

本文提出了全局有效空燃比自適應(yīng)補(bǔ)償控制策略，并建立了相應(yīng)的模型進(jìn)行驗(yàn)證，它是基于模型設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵階段，為代碼自動(dòng)生成、模型測(cè)試奠定基礎(chǔ)。該策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、效果良好，可為點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)空燃比補(bǔ)償提供參考。

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（編輯：劉楊）

Study on self-adaption control strategy of transient air-fuel ratio of spark ignition engines

YAN Haoming1，SUN Renyun1，CHEN Degang2，WANG Keren1
（1.School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.Amico Gas Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610039，China）

The closed-loop control characteristics of engines under steady-state operating conditions areexplainedinthispaper.First，thecausesofmismatchedtransientair-fuelratioare investigated.Second，an additive error model and a multiplicative error model of air-fuel ratio is designed.Third，an adaptive compensation scheme is proposed accordingly.According to Matlab/ Simulink，a simulation model of air-fuel ratio control system is established and the adaptive compensation scheme is verified.The results show that when an error occurs，the fluctuation in air-fuel ratio is lower than 1%after the modified value of air-fuel ratio correction value is automatically changed to adjust fuel injection.

engine;transient;air-fuel ratio;self-adaption

A

1674-5124（2016）03-0109-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.025

2015-02-10；

2015-04-25

嚴(yán)浩銘（1988-），男，四川廣安市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)。