多點電噴氣體發(fā)動機空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

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(上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620)

多點電噴氣體發(fā)動機空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

孫戀敏，吳長水，龐魯楊，黃劍其

(上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院，上海201620)

空燃比控制是發(fā)動機性能實現(xiàn)中最重要的控制之一;基于玉柴某大型六缸單點氣體發(fā)動機改多點電噴的基礎(chǔ)上進行研究，在開放式ECU基礎(chǔ)上針對燃氣發(fā)動機瞬態(tài)變化過程中的反饋時間延遲，構(gòu)建了一種基于前饋PID算法的空燃比閉環(huán)控制策略，用來預(yù)判和補償空燃比超調(diào)和反饋時間延遲；解決了發(fā)動機瞬變工況下空氣與燃氣的精確匹配問題;通過對臺架模型和發(fā)動機試驗的數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明基于前饋PID控制算法的空燃比閉環(huán)控制策略能夠進一步提高燃氣發(fā)動機的排放效率和動力性。

空燃比閉環(huán)控制；前饋PID算法；瞬變工況

0 引言

隨著發(fā)動機效率和排放控制法規(guī)日趨嚴(yán)格，在保證天然氣發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的前提下，降低有害氣體排放是天然氣發(fā)動機開發(fā)研究的主要問題之一。鑒于發(fā)動機的排放性能是通過發(fā)動機實時空燃比反應(yīng)的；對空燃比的實時精確控制顯得尤為重要。

氧傳感器是發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)中的主要部件，用于實時檢測發(fā)動機排氣中氧含量，反饋給電控單元(ECU)，ECU通過控制噴油脈寬調(diào)節(jié)天然氣發(fā)動機的混合氣空燃比，從而達到排放優(yōu)化的目的[1]。

基于對玉柴某大型六缸單點天然氣發(fā)動機改多點電噴的研究。多點電控噴射方式控制是內(nèi)燃機的主要發(fā)展方向之一，通過優(yōu)化電控策略，使噴氣避開氣門重疊角，從而精確控制空燃比。

改動后的發(fā)動機多點噴射順序為1、5、3、6、2、4，由于每缸需要單獨的控制路線，所以控制策略的方式和結(jié)構(gòu)都比單點控制更加精細，但是多點電噴使得各缸噴油時間均為最佳時刻，因此混合氣質(zhì)量更加均勻，有利于提高車機燃油經(jīng)濟性和降低污染物的排放。

1 空燃比控制系統(tǒng)組成

1.1 空燃比控制機理

圖1為天然氣發(fā)動機空燃比閉環(huán)電控系統(tǒng)示意圖，進氣歧管上的壓力傳感器實時的將壓力信號傳遞給ECU；ECU通過對轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、冷卻水溫以及進氣歧管壓力等與天然氣發(fā)動機理論空燃比17.2比較分析判斷得出目標(biāo)空燃比。

圖1 空燃比閉環(huán)電控系統(tǒng)

另一方面，寬域氧傳感器實時地將實際空燃比傳遞給ECU，ECU將實際空燃比與目標(biāo)空燃比比較判斷混合氣的濃稀狀態(tài)，通過PID調(diào)節(jié)器實時調(diào)節(jié)噴油器的噴油脈寬，從而實現(xiàn)空燃比閉環(huán)控制[2]。

1.2 空氣質(zhì)量流量計算

發(fā)動機空燃比控制過程中，空氣質(zhì)量流量的精確計算也是非常重要的，節(jié)氣門流量法和速度密度法是計算空氣質(zhì)量流量的常用方法[3]。采用速度密度法來計算進入氣缸的空氣流量。計算公式如下：

注：Ma為進入氣缸空氣流量；pim[Pa]為歧管絕對壓力；R為氣體常數(shù)；Tm為歧管平均溫度；Ve為容積效率；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

速度密度法是通過采集進氣歧管絕對壓力和平均溫度，估算容積效率，結(jié)合發(fā)動機轉(zhuǎn)速，計算空氣質(zhì)量流量。

2 空燃比預(yù)適應(yīng)調(diào)節(jié)

ECU根據(jù)發(fā)動機不同的運行狀態(tài)其空燃比控制策略是不一樣的。當(dāng)發(fā)動機處于起動、暖機階段時，發(fā)動機不進行空燃比的控制，但通過Lambda適應(yīng)調(diào)節(jié)對空燃比進行修正，使發(fā)動機工作在怠速和部分負荷等工況時實際空燃比能更好地適應(yīng)目標(biāo)空燃比[4]。

發(fā)動機處于起動、暖機工況時，ECU通過Lambda預(yù)適應(yīng)調(diào)節(jié)加強Lambda適應(yīng)功能使得在冷卻水溫度較低(小于50 ℃)時獲得一個更加精確的Lambda修正。

ECU通過冷卻水溫度、進氣歧管壓力等因素確定燃氣噴射量和節(jié)氣門開度，使燃氣量與空氣量能夠準(zhǔn)確匹配，并能通過適當(dāng)?shù)挠烷T調(diào)節(jié)進行加濃控制，使發(fā)動機盡快達到暖機的目的。

3 空燃比閉環(huán)控制策略

3.1 控制系統(tǒng)策略設(shè)計

發(fā)動機空燃比控制過程中，ECU通過發(fā)動機的運行工況、氧傳感器參數(shù)等判斷選擇空燃比控制狀態(tài)為開環(huán)或閉環(huán)控制，再根據(jù)節(jié)氣門開度等判斷是否采用瞬態(tài)空燃比控制，如圖2所示。

圖2 空燃比控制策略

空燃比閉環(huán)控制中一個比較重要的環(huán)節(jié)就是目標(biāo)空燃比的計算，如圖2中目標(biāo)空燃比控制模塊，ECU通過對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣歧管壓力查目標(biāo)空燃比的三維Map確定目標(biāo)空燃比。如圖3目標(biāo)空燃比三維Map，在穩(wěn)態(tài)工況下為了滿足經(jīng)濟性的要求，理想化學(xué)當(dāng)量比在1～1.5之間，使得目標(biāo)空燃比范圍為1.72～25.8之間，ECU調(diào)節(jié)目標(biāo)空燃比偏大使發(fā)動機達到稀薄燃燒的目的[5]。

圖3 目標(biāo)空燃比三維Map

3.2 空燃比開環(huán)控制

當(dāng)氧傳感器工作溫度滯后于發(fā)動機空燃比控制運行工況或氧傳感器出現(xiàn)故障時，ECU為保證發(fā)動機運行正常，通過Lambda有效標(biāo)志位選擇進行空燃比開環(huán)控制。

對于空燃比開環(huán)控制，確定目標(biāo)空燃比后，ECU通過空氣質(zhì)量流量與目標(biāo)空燃比確定噴油量，根據(jù)不同燃氣壓力下的流量特性得出噴油脈寬。

3.3 空燃比閉環(huán)控制

三元催化轉(zhuǎn)換器(TWC)只有在理論空燃比附近狹小的范圍內(nèi)，才能夠?qū)⑴艢庵械腡HC、CO、NOx等轉(zhuǎn)化成水、CO2、N2等的效率達到最佳?？杖急乳]環(huán)就是ECU通過自動調(diào)節(jié)，使發(fā)動機工作在理論空燃比附近，因此，內(nèi)燃機控制系統(tǒng)中最重要的閉環(huán)控制之一就是空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)。

對于滿足空燃比閉環(huán)控制的工況，選擇圖2中的空燃比閉環(huán)子系統(tǒng)，其內(nèi)部控制策略原理如圖4空燃比閉環(huán)控制策略所示，過量空氣系數(shù)目標(biāo)值與寬域氧傳感器實時提供的實際Lambda進行比較做差；ECU以此比較判斷混合氣濃稀狀態(tài)，并且對差值進行PID控制，對于微分控制，本策略采用差分形式的正向歐拉算法。通過空燃比閉環(huán)控制策略可以實時的得出空燃比閉環(huán)控制過程中的天然氣噴射量[6-7]。

圖4 空燃比閉環(huán)控制策略

3.4 瞬態(tài)空燃比閉環(huán)控制

發(fā)動機瞬態(tài)空燃比控制系統(tǒng)主要控制發(fā)動機在瞬態(tài)工況下仍然能夠保證實際輸出值快速跟蹤期望輸出值。當(dāng)急加減等工況節(jié)氣門位置發(fā)生較大的變動時，發(fā)動機廢氣傳輸和氧傳感器信號濾波等造成時間延遲， ECU無法及時的跟蹤空氣質(zhì)量流量變化，使得急加減速時過調(diào)節(jié)導(dǎo)致混合氣過濃或過稀，導(dǎo)致發(fā)動機工作不穩(wěn)定甚至熄火。

瞬態(tài)工況下，空燃比閉環(huán)控制中加入前饋環(huán)節(jié)是非常有必要的。ECU可以根據(jù)節(jié)氣門開度和Lambda的變化幅度，通過前饋環(huán)節(jié)實時確定天然氣噴射量。瞬態(tài)工況通過前饋環(huán)節(jié)控制噴油脈寬的同時，ECU后續(xù)通過發(fā)動機運行影響因素查節(jié)氣門修正Map對節(jié)氣門開度進行修正，使進氣量更加穩(wěn)定[8]。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 臺架試驗測試

為驗證所設(shè)計的基于模型的空燃比閉環(huán)PID控制的實際控制效果，將設(shè)計的ECU控制策略進行Sil和Hil等軟硬件在環(huán)測試，通過Sil測試驗證自動生成的代碼和用于代碼生成的模型是否一致；通過Hil測試控制器系統(tǒng)是否能正常穩(wěn)定的工作[9]。

測試成功之后在基于玉柴某六缸單點改多點電噴氣體發(fā)動機進行臺架實際性能標(biāo)定測試，以驗證策略的穩(wěn)定性。

Vector公司的CANape主要用于參數(shù)優(yōu)化，在控制系統(tǒng)運行過程中同時采集測量信號和標(biāo)定參數(shù)值。CANape可使用CAN標(biāo)定協(xié)議的CAN總線與ECU進行通信。CANape可進行離線數(shù)據(jù)分析，評估測量數(shù)據(jù)，自動生成分析報告；CANape集成的CDMstudio可提供圖形化的檢測與標(biāo)定視圖，使標(biāo)定更加直觀方便。

如圖5為發(fā)動機恒定轉(zhuǎn)速(1100 rpm/min)的檢測界面，在恒定轉(zhuǎn)速下通過油門不斷增加扭矩，利用空燃比閉環(huán)控制控制燃氣量，小負荷時，轉(zhuǎn)速能夠很好的穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下；大負荷時，轉(zhuǎn)速由于燃氣壓力隨噴油脈寬的增大會產(chǎn)生油車現(xiàn)象，通過后期對燃氣壓力的匹配發(fā)動機能夠穩(wěn)定工作。

圖5 發(fā)動機標(biāo)定測試

圖6為發(fā)動機在瞬態(tài)控制過程中，通過實際Lambda反饋進行閉環(huán)空燃比控制，在急加速過程中，節(jié)氣門開度瞬間增加13%，Lambda發(fā)生跳變由1.4到1.83，并且在2.5秒后經(jīng)過空燃比閉環(huán)控制回到1.5以下，證明采用瞬態(tài)空燃比閉環(huán)控制后動態(tài)響應(yīng)提高。

圖6 發(fā)動機瞬態(tài)控制

4.2 實驗結(jié)果分析

空燃比控制的最終目的是提高發(fā)動機動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能。通過發(fā)動機臺架對空燃比控制策略的標(biāo)定驗證，對發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析[10]。

圖7為原機與經(jīng)過空燃比控制的多點電噴發(fā)動機各個轉(zhuǎn)速下扭矩、功率對比。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1300 ～ 1700 rpm時，扭矩最大達到1037 N·m，功率提高10%以上。

圖7 扭矩、功率性能對比

通過圖8燃氣消耗量的對比可以得出經(jīng)過空燃比閉環(huán)策略優(yōu)化的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1100 rpm以上時，燃油消耗量減少了2 kg/h,發(fā)動機燃油經(jīng)濟性在原機的基礎(chǔ)上得到了大幅的提高。

圖8 燃氣消耗量對比

對比各轉(zhuǎn)速下的扭矩、功率和燃油消耗量，可以看到單點天然氣發(fā)動機改多點電噴后，通過不斷優(yōu)化空燃比閉環(huán)控制策略在相同轉(zhuǎn)速下的功率、扭矩都要優(yōu)于原機。

5 結(jié)論

1)分析了發(fā)動機電控基于模型設(shè)計的方法，為多點電噴天然氣發(fā)動機的空燃比閉環(huán)控制打下了良好的理論基礎(chǔ)。

2)根據(jù)發(fā)動機不同的工作模式建立了空燃比開環(huán)和閉環(huán)控制模型。對于急加減速等瞬態(tài)工況提出的基于PID前饋控制的發(fā)動機瞬態(tài)空燃比控制策略，通過空燃比閉環(huán)控制預(yù)調(diào)節(jié)噴油量，盡快地穩(wěn)定發(fā)動機運行狀態(tài)。

3)在天然氣發(fā)動機臺架上對多點電噴氣體發(fā)動機進行了空燃比控制試驗，試驗結(jié)果表明應(yīng)用空燃比閉環(huán)控制算法的燃氣發(fā)動機瞬態(tài)工況收斂時間縮短，空燃比動態(tài)響應(yīng)性提高，可以實現(xiàn)提高燃氣發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性。

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AirFuelRatioClosed-loopControlSystemDesignofMulti-pointGasInjectionEngine

Sun Lianmin，Wu Changshui，Pang Luyang，Huang Jianqi

(School of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Air-fuel-ratio control is one of the most important part to achieve engine performance.This electronic control system is based on a large six-cylinder gas engine of YuChai. Based on open ECU, it propose a kind of forward PID algorithm for the feedback time delay about transient change process in air-fuel-ratio closed-loop control system of Gas engine. This PID control algorithm is applied to estimate the overstrike of AFR and compensate the feedback time delay，which solved the exactly match problem of air and gas in the transient condition. The data analysis of simulation and the results of engine test show that the AFR closed-loop control system based on forward PID algorithm can be used to improve the discharge efficiency and the power performance of gas engine.

air-fuel-ratio closed-loop control; forward PID algorithm; transient condition

2016-12-08；

2017-05-26。

上海市科委“創(chuàng)新行動計劃”項目(17030501300)。

孫戀敏(1990-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事發(fā)動機電子控制策略方向的研究。

1671-4598(2017)11-0081-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.021

TP3

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