基于硬件在環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)策略設(shè)計(jì)

趙志國(guó)，邵 軍，徐 蒙，張 寅 Zhao Zhiguo，Shao Jun，Xu Meng，Zhang Yin

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基于硬件在環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)策略設(shè)計(jì)

趙志國(guó)，邵 軍，徐 蒙，張 寅 Zhao Zhiguo，Shao Jun，Xu Meng，Zhang Yin

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

設(shè)計(jì)合理的燃油蒸發(fā)污染物系統(tǒng)控制策略不僅能有效地控制蒸發(fā)污染物的排放，而且在保證發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)性能的條件下還可以達(dá)到節(jié)油的效果。針對(duì)燃油蒸發(fā)污染物的主要來(lái)源和形成機(jī)理，對(duì)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析及研究，設(shè)計(jì)出燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制使能條件判斷模塊和控制算法模塊，并在硬件在環(huán)（Hardware in the Loop，HIL）系統(tǒng)上模擬運(yùn)行驗(yàn)證；結(jié)果表明該燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)原理能夠合理有效地控制炭罐清洗電磁閥的開啟和關(guān)閉，滿足燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)的基本要求，為汽油機(jī)ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）控制策略的總體開發(fā)提供參考。

硬件在環(huán)；燃油蒸發(fā)；策略設(shè)計(jì)

1 燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)作用

燃油蒸發(fā)污染是指從燃油系統(tǒng)的通氣口逸散出的汽油蒸氣產(chǎn)生的污染[1-2]。這部分汽油蒸氣占THC（Total Hydro Carbons，碳?xì)浠衔锟偭浚┪廴疚锏?5%～20%；因此，控制該污染物已成為降低汽油車排放污染物的一項(xiàng)重要舉措。燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)主要用于防止油箱內(nèi)的燃油蒸氣溢出進(jìn)入大氣中，使燃油蒸氣通過(guò)油箱壓力控制閥和蒸氣管路被臨時(shí)存儲(chǔ)在炭罐內(nèi)。燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，汽油蒸氣與新鮮空氣在罐內(nèi)混合并貯存在活性炭罐中，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，車輛運(yùn)行狀態(tài)滿足燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制策略運(yùn)行條件時(shí)，裝在活性炭罐與進(jìn)氣歧管之間的電磁閥門打開，如圖1所示，這時(shí)活性炭罐內(nèi)的汽油蒸氣在進(jìn)氣管的真空度作用下被潔凈空氣帶入氣缸內(nèi)參與燃燒，這樣既降低了排放又降低了油耗[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)利用活性炭罐收集油箱內(nèi)蒸發(fā)產(chǎn)生的汽油蒸氣，并在合適的工況下開啟炭罐閥將適量的汽油蒸氣排入進(jìn)氣管路進(jìn)而導(dǎo)入氣缸參與燃燒，防止揮發(fā)的汽油蒸氣直接排入大氣，最大限度地降低車輛的蒸發(fā)排放，并盡量減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[4]。通過(guò)炭罐閥進(jìn)入進(jìn)氣管路的蒸氣流率由炭罐閥的開度控制，并對(duì)經(jīng)炭罐閥進(jìn)入氣缸的蒸氣流量進(jìn)行估算，修正燃油供應(yīng)系統(tǒng)的噴油量。

注：1. 管路；2. 節(jié)氣門體；3 管路；4. 空氣入口；5. 炭罐；6-油箱管路；7. 油箱阻尼器；8. TPCV閥；9. 油箱。

2 燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

燃油蒸發(fā)系統(tǒng)主要包括控制使能條件判斷模塊和控制算法模塊2部分。

燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制使能條件判斷模塊的主要功能為：當(dāng)炭罐閥打開時(shí)，燃油蒸氣被吸入進(jìn)氣歧管，燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)閥的開啟會(huì)產(chǎn)生不確定的空氣流量和燃油流量，為減少燃油蒸氣進(jìn)入氣缸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒做功的影響，尤其是對(duì)空燃比閉環(huán)控制功能的影響，炭罐閥開啟時(shí)必須滿足一定條件；燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制使能條件判斷如圖2所示，只有圖中所示4個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，才會(huì)開啟炭罐閥，將活性炭罐收集的燃油蒸氣導(dǎo)入氣缸。

注：ECT（Engine Coolant Temperature，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫）。

控制算法模塊主要功能為計(jì)算炭罐閥開度信號(hào)并估算流經(jīng)炭罐閥的燃?xì)饬髁俊?/p>

2.1 炭罐閥開度計(jì)算和清洗氣流流量估算原理

流經(jīng)炭罐閥的清洗氣流流量為

為控制清洗氣流中燃?xì)饬髁?，首先要確定清洗氣流中燃油蒸氣的濃度。炭罐閥開啟時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際空燃比為

流過(guò)炭罐閥的清洗氣流包括新鮮空氣和燃油蒸氣兩部分

由式（2）～（3）可得，流過(guò)炭罐閥的燃油質(zhì)量流量為

清洗燃油比率為

定義

綜合以上各式，流過(guò)炭罐閥的氣體質(zhì)量流量目標(biāo)值purge，reqd為

確定流過(guò)炭罐閥的氣體流量目標(biāo)值后，再利用式（1），根據(jù)（Δ，）對(duì)溫度及壓力修正，將流量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的目標(biāo)質(zhì)量流量值，依據(jù)標(biāo)定的閥門開度控制信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下質(zhì)量流量關(guān)系，查表確定閥門開度控制信號(hào)。

2.2 燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制模塊計(jì)算流程及仿真設(shè)計(jì)

燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制模塊計(jì)算流程如圖3所示。根據(jù)當(dāng)前的炭罐閥開度信息計(jì)算實(shí)際的清洗氣流流量，然后與空燃比、噴油量、進(jìn)氣流量計(jì)算得出清洗氣流中的燃?xì)饬髁考扒逑礆饬鞯目杖急?。清洗氣流中的燃?xì)饬髁扛鶕?jù)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和噴油量確定，用來(lái)對(duì)噴油量進(jìn)行修正。清洗氣流的目標(biāo)流量由清洗氣流的空燃比與清洗氣流中燃?xì)饬髁康哪繕?biāo)值來(lái)確定，然后經(jīng)過(guò)溫度、壓力修正后得到對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的目標(biāo)流量及炭罐閥的目標(biāo)占空比。

圖3 燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制信號(hào)計(jì)算流程圖

清洗氣流出口壓力計(jì)算模型主要用來(lái)計(jì)算炭罐清洗氣流出口的壓力值。計(jì)算方法簡(jiǎn)單，直接來(lái)自于計(jì)算或者采集的進(jìn)氣壓力值。

清洗氣流流量計(jì)算模型主要用來(lái)計(jì)算清洗氣流流量的理論值和實(shí)際值，其中實(shí)際清洗氣流流量是根據(jù)進(jìn)氣流量與進(jìn)氣壓力的查表值乘以炭罐電磁閥控制信號(hào)中占空比確定的系數(shù)而得到。理論清洗氣流流量首先根據(jù)空燃比、噴油量、進(jìn)氣流量、炭罐電磁閥的實(shí)際開度，根據(jù)式（4）計(jì)算得出炭罐閥清洗氣流中燃油流量，進(jìn)而計(jì)算出清洗氣流燃油比率，最后把清洗氣流燃油比率、噴油量以及查表得到的清洗氣流燃油比率目標(biāo)值帶入式（7）得到清洗氣流流量的理論值。

炭罐閥控制信號(hào)計(jì)算模塊用來(lái)計(jì)算炭罐電磁閥占空比，主要通過(guò)炭罐電磁閥流量需求值和實(shí)際值擬合模塊計(jì)算的炭罐電磁閥目標(biāo)開度，在進(jìn)行溫度、壓力、壓差等修正后查表得到最終的占空比。

3 硬件在環(huán)環(huán)境驗(yàn)證

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)是指將部分實(shí)際被控對(duì)象或系統(tǒng)部件用高速運(yùn)行的實(shí)時(shí)仿真模型來(lái)代替，而控制系統(tǒng)則采用實(shí)物（硬件ECU、執(zhí)行器及傳感器）構(gòu)成的系統(tǒng)。HIL可對(duì)控制系統(tǒng)的控制策略、控制功能及系統(tǒng)可靠性等進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，有助于對(duì)炭罐控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 硬件在環(huán)系統(tǒng)的搭建

設(shè)計(jì)的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)主要由3部分組成，包括實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、PC機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和ECU。其中實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的硬件部分包括基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)系統(tǒng)、I/O模塊及仿真器等；軟件部分包括LabView和發(fā)動(dòng)機(jī)模型系統(tǒng)。通過(guò)模擬運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，I/O模塊相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器輸入及執(zhí)行器輸出。仿真器工具能夠簡(jiǎn)便地測(cè)試和仿真控制器生成的信號(hào)，以及將信號(hào)輸入給控制器，是進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試必需的信號(hào)輸入/輸出工具。

PC機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要利用LabView界面及INCA軟件來(lái)監(jiān)控ECU的運(yùn)行情況，作為人機(jī)交互平臺(tái)，既可以方便地修改系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)，又能及時(shí)地監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真模型在控制系統(tǒng)實(shí)物作用下運(yùn)行狀態(tài)的變化情況。

ECU硬件采用ECU565-128?？刂撇呗缘木帉戅D(zhuǎn)換選擇MotoHawk。將采用MotoHawk編譯的控制策略下載到ECU565-128中，連接到發(fā)動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)，直接對(duì)模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

硬件在環(huán)集成如圖4所示。

圖4 硬件在環(huán)系統(tǒng)

3.2 炭罐控制策略的驗(yàn)證

為驗(yàn)證控制策略的有效性，運(yùn)行模擬市區(qū)駕駛循環(huán)的測(cè)試工況，并與實(shí)車對(duì)比，通過(guò)硬件在環(huán)上微機(jī)監(jiān)控界面采集數(shù)據(jù)，如圖5所示。從硬件在環(huán)模擬采集燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制曲線可以看出，當(dāng)車速（Vehicle_Speed）＞20 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫（ECT）處于40～100℃，空燃比閉環(huán)控制標(biāo)志位（O2_ CloseLoop_Engine）置位，閉環(huán)控制時(shí)間>5 s，怠速使能條件標(biāo)志位（P_IdleState）不置位即發(fā)動(dòng)機(jī)脫離怠速控制狀態(tài)，4個(gè)條件同時(shí)滿足后，燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)電磁閥使能條件（P_EVAP_Eable_Flag）即被觸發(fā)，并可根據(jù)工況需求正常開啟和關(guān)閉，與實(shí)車INCA軟件采集的燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制曲線（圖6）對(duì)比可以看出，硬件在環(huán)模擬汽油機(jī)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的炭罐占空比控制信號(hào)與實(shí)車采集數(shù)據(jù)具有良好的同步性，能夠合理有效地控制炭罐清洗電磁閥的開啟和關(guān)閉，滿足汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)控制策略的有效性。

圖5 硬件在環(huán)模擬采集燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制曲線

圖6 實(shí)車INCA軟件采集燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制曲線

4 結(jié) 論

針對(duì)汽油車燃油蒸發(fā)污染物的主要來(lái)源和形成機(jī)理，對(duì)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析及研究；根據(jù)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制原理，設(shè)計(jì)出燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制使能條件判斷模塊和控制算法模塊，并在硬件在環(huán)系統(tǒng)上模擬運(yùn)行驗(yàn)證，與實(shí)車測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

1）設(shè)計(jì)出燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制使能條件判斷模塊和控制算法模塊可以支持燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)正常工作；

2）在HIL環(huán)境下對(duì)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制策略測(cè)試結(jié)果與實(shí)車同等行駛工況下測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)電磁閥控制標(biāo)志位及占空比信號(hào)吻合，所設(shè)計(jì)的控制策略有效；

3）該燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)原理，能夠合理有效地控制炭罐清洗電磁閥的開啟和關(guān)閉，滿足汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)的基本要求，為汽油機(jī)ECU控制策略的總體開發(fā)提供參考。

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2017-06-20

1002-4581（2017）05-0033-04

U467.4+99

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10.14175/j.issn.1002-4581.2017.05.009