高壓共軌柴油機(jī)工作不均勻性信號(hào)控制仿真研究*

王偉超 韓繼光 黃峻偉 胡 鸞 高勝松

（1-云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 云南 昆明 650500 2-云南工程職業(yè)學(xué)院汽車機(jī)電學(xué)院）

引言

高壓共軌柴油機(jī)在低怠速、小轉(zhuǎn)矩的工況下運(yùn)行時(shí)，由于出廠時(shí)各缸的制造誤差，使用過程中各缸磨損狀況不同，各缸噴油的循環(huán)變動(dòng)、進(jìn)氣的循環(huán)變動(dòng)、燃燒的循環(huán)變動(dòng)以及缸內(nèi)密封情況不一致等原因，使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)差異，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小范圍的波動(dòng)，出現(xiàn)工作不均勻的情況。隨著柴油機(jī)高壓共軌技術(shù)、精密傳感器技術(shù)的發(fā)展，已有效地控制各缸進(jìn)氣、噴油以及燃燒循環(huán)變動(dòng)所產(chǎn)生的工作不均勻性[1]。

各缸不均勻工作可導(dǎo)致工作振動(dòng)和噪聲增大，惡化發(fā)動(dòng)機(jī)的聲振粗糙度（NVH）特性，甚至影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[2-3]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低怠速工況運(yùn)行時(shí)，由各缸不均勻性所產(chǎn)生的規(guī)律性抖動(dòng)表現(xiàn)得尤為明顯，極大地影響了高端乘用車的怠速舒適性。在電控柴油機(jī)中，針對由各缸的制造誤差或使用過程中磨損不一致所產(chǎn)生的各缸工作不均勻，相應(yīng)增加或減少不均勻缸的噴油量[4-5]，是消除不均勻性的有效方法。因此，實(shí)時(shí)、有效的油量修正控制策略的制定顯得尤為重要。

1 不均勻信號(hào)數(shù)據(jù)流及物理意義研究

不均勻性信號(hào)數(shù)據(jù)流處理流程如圖1所示。

圖1 不均勻性信號(hào)數(shù)據(jù)流處理流程圖

轉(zhuǎn)速傳感器從飛輪的信號(hào)齒處提取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并將瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為正弦電壓信號(hào)，經(jīng)過比較電路將正弦信號(hào)處理成方波信號(hào)，再精確測量各方波所對應(yīng)的時(shí)間長短（定義為時(shí)段，此時(shí)的信號(hào)定義為時(shí)段信號(hào)），時(shí)段信號(hào)經(jīng)過低通濾波、重采樣、信號(hào)放大等數(shù)字信號(hào)處理過程，獲取準(zhǔn)確的曲軸信號(hào)齒時(shí)段變化信息。過程如圖1a所示。

將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率定義為基頻，以800 r/min為例，基頻約為6.67 Hz。依據(jù)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性可知，當(dāng)各缸均勻工作時(shí)，各缸所受的摩擦阻力基本一致，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)只受缸內(nèi)爆發(fā)壓力和活塞連桿組、曲軸飛輪組的往復(fù)慣性力的影響[1]。此時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)頻率所對應(yīng)的幅值較大，轉(zhuǎn)速波動(dòng)頻率約為 4倍基頻（26.67 Hz）、8倍基頻（53.33 Hz）等，此時(shí)的1倍、2倍基頻對應(yīng)的幅值非常小。頻域信號(hào)研究[6]表明，四缸發(fā)動(dòng)機(jī)工作不均勻時(shí)，頻域信號(hào)在1倍基頻和2倍基頻上會(huì)出現(xiàn)較大幅值?？捎?個(gè)中心頻率分別為1倍基頻和2倍基頻的帶通濾波器濾出2階次下不均勻性的波動(dòng)情況，將2個(gè)濾波結(jié)果疊加在一起，可以體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作不均勻性[7]。

各缸工作不均勻性的檢測[8]和油量修正控制是一個(gè)高精度的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集和數(shù)字信號(hào)處理過程。周泉等人[7]對不均勻信號(hào)的提取以及信號(hào)物理特征進(jìn)行了研究。不均勻信號(hào)的精確提取以及在不同工況對信號(hào)特征的準(zhǔn)確描述，為研究消除發(fā)動(dòng)機(jī)工作不均勻性控制策略提供了依據(jù)。針對不均勻信號(hào)與修正油量之間的量化關(guān)系，結(jié)合不均勻性信號(hào)特征研究成果，采用功能劃分法將油量修正策略劃分為5個(gè)功能模塊進(jìn)行研究。包括不均勻性結(jié)果輸出的峰值界定模塊研究、不均勻性工作范圍的劃分模塊研究、油量計(jì)算模塊（PI積分器）研究、轉(zhuǎn)速-油量權(quán)值計(jì)算模塊研究和積分結(jié)果輸出限制模塊研究等。過程如圖1b所示。結(jié)果如圖2所示。

圖2 信號(hào)提取數(shù)據(jù)流結(jié)果

2 不均勻性控制策略研究

2.1 不均勻信號(hào)的峰值界定模塊研究

在信號(hào)特征研究中發(fā)現(xiàn)，檢測到的不均勻信號(hào)不是所有情況都要轉(zhuǎn)化為修正油量。較小的不均勻信號(hào)有2種情況：一種是不均勻信號(hào)很小，對發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出影響很小，可忽略不計(jì)；另一種是傳感器從信號(hào)齒采集原始數(shù)據(jù)時(shí)，由于齒形誤差以及干擾等原因，不能保證零采集誤差，采集誤差會(huì)產(chǎn)生較小的信號(hào)。當(dāng)這2種小信號(hào)的峰值在設(shè)定最小峰值之間（-dMemin,dMemin）時(shí)，認(rèn)為此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作是均勻的，程序會(huì)把這個(gè)均勻指令傳遞給控制單元（ECU），關(guān)閉控制功能；當(dāng)信號(hào)峰值大于最大設(shè)定峰值（-dMemax或dMemax）時(shí)，如圖3中的A點(diǎn)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)已處在非正常運(yùn)行工況或者存在故障，如拉缸等，程序會(huì)輸出engine_error指令，并且關(guān)閉控制功能。

圖3 不均勻性的界定范圍圖

2.2 工作不均勻范圍劃分模塊研究

根據(jù)前期各缸不均勻信號(hào)物理意義以及信號(hào)特征的研究可知，各缸工作不均勻性信號(hào)特征在一定工況范圍內(nèi)主要受當(dāng)前轉(zhuǎn)速和主噴油量等2個(gè)條件限制。根據(jù)不同當(dāng)前轉(zhuǎn)速和主噴油量的信號(hào)特征，不均勻性控制范圍主要?jiǎng)澐譃?個(gè)大區(qū)域：閉環(huán)控制區(qū)、開環(huán)控制區(qū)和凍結(jié)控制區(qū)。根據(jù)當(dāng)前油量與轉(zhuǎn)速等2個(gè)坐標(biāo)，開環(huán)控制區(qū)又細(xì)分為8個(gè)小區(qū)域。具體劃分如圖4所示。在閉環(huán)1區(qū)，PI積分器會(huì)對檢測到的信號(hào)直接積分；在開環(huán)6、7、8、9區(qū)，控制功能會(huì)根據(jù)相應(yīng)的控制策略，調(diào)用相應(yīng)閉環(huán)區(qū)邊界上的點(diǎn)A、B、C、D的積分值，然后乘以相應(yīng)的權(quán)值，得到最終的修正油量；在開環(huán)2、3、4、5區(qū)，控制功能會(huì)調(diào)用通過插值法得到的閉環(huán)區(qū)邊界相應(yīng)線段AD、BC、CD、AB上的積分值，然后乘以相應(yīng)的權(quán)值，得到最終的修正油量；在凍結(jié)控制區(qū)（開閉環(huán)區(qū)域以外的區(qū)域），控制功能關(guān)閉。

2.3 PI積分器的設(shè)計(jì)

圖4 工作不均勻性區(qū)域劃分圖

PI積分器是不均性控制功能的主要部件，它可以把不均勻性檢測功能的結(jié)果量化為修正油量，同時(shí)為開環(huán)區(qū)的修正油量提供可調(diào)用的數(shù)據(jù)。鑒于修正油量相對于主噴油量要少很多，一般不會(huì)出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象，所以選用PI積分器可實(shí)現(xiàn)對各缸不均勻性結(jié)果精確量化。選取PI積分器的公式如下：

式中：FBC_q為在某一缸內(nèi)PI積分器對此缸不均勻性所對應(yīng)時(shí)段偏差的積分結(jié)果，即某一缸不均勻性的修正油量，mg/cyc；kp、ki為 PI積分器的調(diào)節(jié)參數(shù)；ei反映了目標(biāo)時(shí)段偏差dMe=0和實(shí)測時(shí)段偏差dMe（i）之間的偏差；ec（i）反映了 ei變化率。

把不均勻結(jié)果圖（圖2g、圖2h）中的齒數(shù)作為自變量x，把時(shí)段偏差所對應(yīng)的修正油量作為函數(shù)值，則有：

2.4 轉(zhuǎn)速-油量權(quán)值計(jì)算模塊

控制功能在開閉環(huán)區(qū)都存在權(quán)值的計(jì)算，權(quán)值分為轉(zhuǎn)速權(quán)值和油量權(quán)值。閉環(huán)區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)速權(quán)值和油量權(quán)值都等于1；開環(huán)區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)速權(quán)值和油量權(quán)值根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算得到。具體的計(jì)算邏輯如圖5所示。開環(huán)區(qū)的修正油量是用調(diào)用值乘以轉(zhuǎn)速權(quán)值，再乘以油量權(quán)值。其中，油量q的單位為mg/cyc，轉(zhuǎn)速n的單位為r/min。

2.5 積分結(jié)果輸出限制模塊

在PI積分器運(yùn)行時(shí)，為防止特殊工況時(shí)積分結(jié)果過大，使得過多的修正油量修正到氣缸中，在控制策略的設(shè)計(jì)中，會(huì)考慮對PI積分器相應(yīng)的部件進(jìn)行限制。

圖5 轉(zhuǎn)速-油量權(quán)值計(jì)算圖

在設(shè)計(jì)過程中，考慮到I部件是積分部件，特殊工況時(shí)會(huì)出現(xiàn)修正油量累加過多的情況，因此必須對其輸出結(jié)果進(jìn)行限制；此外，設(shè)計(jì)時(shí)還要對P部件和I部件的輸出總和進(jìn)行限制。2個(gè)限制都是通過限制曲線FBC_qLim_CUR實(shí)現(xiàn)的。限制曲線和限制圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 油量限制曲線

圖7 修正油量輸出限制圖

3 控制策略的程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)圖4中閉環(huán)區(qū)的邊緣線段AD上的點(diǎn)對應(yīng)的不均勻性曲線，對當(dāng)前油量為20 mg/cyc，幾個(gè)不同的轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行積分。所得不均勻性曲線及修正油量結(jié)果如圖8所示，每一缸在這幾個(gè)工況點(diǎn)都會(huì)得出相應(yīng)的修正油量，將這些修正油量連接成一條曲線，供開環(huán)區(qū)的工況點(diǎn)以差值的方法調(diào)用。

圖8 當(dāng)前油量為20 mg/cyc時(shí)各轉(zhuǎn)速下的不均勻曲線及修正油量圖

在不同轉(zhuǎn)速下，4個(gè)氣缸的修正油量如表1所示。其中，F(xiàn)BC_q-i為第i缸的修正油量，mg/cyc。

表1 當(dāng)前油量為20 mg/cyc時(shí)不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的修正油量 mg/cyc

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處在開環(huán)6區(qū)某一工況點(diǎn)時(shí)，例如：轉(zhuǎn)速為760 r/min，當(dāng)前油量為22 mg/cyc。根據(jù)圖5中的邏輯運(yùn)算，轉(zhuǎn)速權(quán)值等于0.6，油量權(quán)值等于0.4。其積分值是調(diào)用A點(diǎn)（800 r/min，20 mg/cyc）的值。4個(gè)氣缸的修正油量都是用這個(gè)積分值乘以轉(zhuǎn)速權(quán)值和油量權(quán)值，最終4個(gè)氣缸當(dāng)前所需要的修正油量都為 0.23×0.6×0.4=0.06 mg/cyc。同理可得開環(huán) 7、8、9區(qū)各缸的修正油量。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處在開環(huán)2區(qū)某一工況點(diǎn)E點(diǎn)時(shí)，例如：轉(zhuǎn)速為850 r/min，當(dāng)前油量為23 mg/cyc。根據(jù)圖5中的邏輯運(yùn)算，轉(zhuǎn)速權(quán)值等于1，油量權(quán)值等于0.6。轉(zhuǎn)速權(quán)值的積分值是調(diào)用線段AD上對應(yīng)的E′點(diǎn)（轉(zhuǎn)速為850 r/min，當(dāng)前油量為20 mg/cyc）的積分值；各缸的修正油量是4個(gè)氣缸分別在E′點(diǎn)的積分值，該值是由線性插值法得到的，即1缸-0.375mg/cyc、3缸0.15 mg/cyc、4缸-0.51 mg/cyc、2 缸 0.76 mg/cyc。然后將它們分別乘以轉(zhuǎn)速權(quán)值和油量權(quán)值，得到各缸的修正油量分別為：1缸-0.23 mg/cyc、3缸0.09 mg/cyc、4 缸-0.31 mg/cyc、2 缸 0.46 mg/cyc。同理，可得開環(huán)4、5、6區(qū)各缸的修正油量。

4 結(jié)論

1）通過不均勻信號(hào)的峰值界定模塊的設(shè)計(jì)，可以關(guān)閉由數(shù)據(jù)采集引起的很小的不均勻信號(hào)所對應(yīng)的油量修正和正常采集到的很小的不均勻信號(hào)所對應(yīng)的油量修正，還可以關(guān)閉如拉缸等惡劣工況時(shí)的油量修正。

2）通過積分結(jié)果輸出限制模塊的設(shè)計(jì)，可限制在正常的不均勻工況下對應(yīng)的修正油量，使修正油量控制在限制范圍內(nèi)。

3）PI積分器的設(shè)計(jì)，既考慮到I模塊對修正油量偏差積累，又考慮到P模塊對不均勻性趨勢判斷及修正功能，可以提高油量修正的時(shí)效性。

4）工作不均勻性范圍劃分模塊和轉(zhuǎn)速-油量權(quán)值計(jì)算模塊，可使控制功能在開閉環(huán)區(qū)及時(shí)切換以及平穩(wěn)過渡，通過修正油量體現(xiàn)出不均勻性是隨著轉(zhuǎn)速、油量的不同而變化的。