電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)分缸工作一致性控制

徐亞旋 劉 梁 常思勤 胡茂楊

南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京，210094

0 引言

在多缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)和表面粗糙度不同等原因，各氣缸進(jìn)氣量分布不均，因此每個(gè)氣缸間不可避免地存在空燃比差異[1]。缸間空燃比分布不均會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)排放和燃油消耗，同時(shí)惡化駕駛性能[2-3]。

為了降低缸間空燃比差異，研究者們提出了各種分缸空燃比一致性控制方法。各缸排氣口處空燃比的準(zhǔn)確測(cè)量或精確估算是空燃比控制策略中的關(guān)鍵問(wèn)題。目前對(duì)分缸空燃比的估計(jì)研究主要是基于進(jìn)氣歧管和排氣歧管的時(shí)域建模，通過(guò)建立狀態(tài)觀(guān)測(cè)器的方法來(lái)估計(jì)分缸空燃比，如建立滑模觀(guān)測(cè)器[4]、卡爾曼濾波器[5]、周期時(shí)變觀(guān)測(cè)器[6]、有源自回歸輸入模型[7]等。由于汽油機(jī)一般采用節(jié)氣門(mén)控制進(jìn)氣量，無(wú)法獨(dú)立調(diào)節(jié)各缸的進(jìn)氣量，所以現(xiàn)有文獻(xiàn)中控制分缸空燃比的方式通常是通過(guò)補(bǔ)償各缸噴油量來(lái)降低空燃比差異的[8-11]。補(bǔ)償噴油量的方式可以實(shí)現(xiàn)各缸空燃比一致，但無(wú)法消除各缸進(jìn)氣量差異，因此無(wú)法保證各缸輸出轉(zhuǎn)矩的一致。

電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)(electromagnetic valve train，EMVT)為實(shí)現(xiàn)分缸工作一致性提供了一種新的技術(shù)途徑。在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)供油量一定時(shí)，通過(guò)獨(dú)立調(diào)節(jié)各缸進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期來(lái)控制各缸內(nèi)空燃比達(dá)到理論空燃比。該方法由于減小了缸間進(jìn)氣量的差異，因此能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各缸空燃比和輸出轉(zhuǎn)矩同時(shí)一致。

本文基于EMVT提出一種四缸汽油機(jī)分缸空燃比一致性控制方法。首先在GT-Power中建立發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型；然后建立各缸廢氣混合過(guò)程的時(shí)域模型，提出一種基于差分進(jìn)化(differential evolution，DE)算法的參數(shù)辨識(shí)方法，并基于辨識(shí)的參數(shù)設(shè)計(jì)了衰減記憶卡爾曼濾波狀態(tài)觀(guān)測(cè)器；最后以理論空燃比為目標(biāo)，利用反饋控制器對(duì)各缸進(jìn)氣門(mén)的關(guān)閉角進(jìn)行了調(diào)節(jié)。通過(guò)GT-Power與Simulink聯(lián)合仿真驗(yàn)證提出的分缸空燃比控制方法的有效性。

1 EMVT發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型

自行研制的動(dòng)圈式EMVT是一種全柔性化的無(wú)凸輪配氣機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣門(mén)升程、開(kāi)啟關(guān)閉正時(shí)的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)節(jié)氣門(mén)負(fù)荷控制[12-14]，如圖1所示，目前在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上完成了電磁氣門(mén)的測(cè)試試驗(yàn)[15-17]。不同氣門(mén)升程和開(kāi)啟持續(xù)期測(cè)試曲線(xiàn)如圖2所示。氣門(mén)最大升程為8mm，氣門(mén)開(kāi)啟/關(guān)閉過(guò)渡時(shí)間(5%～95%行程所占時(shí)間)最快可達(dá)2.9 ms[15]。本文主要利用各缸進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉正時(shí)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)各缸進(jìn)氣量的獨(dú)立控制。

圖1 EMVT樣機(jī)缸蓋測(cè)試平臺(tái)Fig.1 Test bench of engine cylinder head with EMVT

EMVT發(fā)動(dòng)機(jī)是在1.8 L的四缸汽油機(jī)基礎(chǔ)上改裝而成的，原型機(jī)特性如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在GT-Power中建立發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型。不同轉(zhuǎn)速滿(mǎn)負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩及有效燃油消耗的仿真結(jié)果與原型機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3a所示。在不同的轉(zhuǎn)速下，從低負(fù)荷到滿(mǎn)負(fù)荷，對(duì)每個(gè)工況點(diǎn)下的仿真值與試驗(yàn)值都進(jìn)行了對(duì)比分析，本文主要以轉(zhuǎn)速1 200 r/min工況為例研究分缸空燃比控制。圖3b為轉(zhuǎn)速為1 200 r/min下的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖3可以看出，仿真結(jié)果可以與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地吻合，誤差在5%以?xún)?nèi)。

(a)不同升程測(cè)試曲線(xiàn)

(b)不同開(kāi)啟持續(xù)期測(cè)試曲線(xiàn)圖2 EMVT試驗(yàn)氣門(mén)測(cè)試曲線(xiàn)Fig.2 Test curves of valve based on EMVT

參數(shù)數(shù)值排量(L)1.8 行程×缸徑(mm×mm)89.3×80氣缸數(shù)4壓縮比10.5最大功率(kW)95.7(6 000 r/min)最大轉(zhuǎn)矩(N·m)171.3(4 500 r/min)

(a)不同轉(zhuǎn)速滿(mǎn)負(fù)荷下

(b)1 200 r/min轉(zhuǎn)速下圖3 原型機(jī)的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of simulated results and test result s for prototype engine

為研究EMVT發(fā)動(dòng)機(jī)分缸工作的一致性，需在原型機(jī)模型基礎(chǔ)上建立EMVT發(fā)動(dòng)機(jī)模型。GT-Power中提供了ValveSolSignalConn模塊，該模塊通過(guò)邏輯信號(hào)0和1之間切換,實(shí)現(xiàn)氣門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣混合過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

2.1 廢氣混合時(shí)域模型

本文采用MILLO等[18]提出的時(shí)域建模方法對(duì)廢氣混合過(guò)程進(jìn)行建模。某時(shí)刻流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管匯合處的廢氣空燃比可以表示為各缸廢氣空燃比的加權(quán)平均值。穩(wěn)態(tài)工況時(shí)考慮一個(gè)循環(huán)內(nèi)廢氣混合過(guò)程，在各缸膨脹沖程的下止點(diǎn)進(jìn)行空燃比采樣，采樣時(shí)刻間隔為180°CA(曲柄轉(zhuǎn)角)，則在采樣時(shí)刻k的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)混合廢氣空燃比可以表示為

(1)

C=[c1c2c3c4]

其中，αAFR-mix(k)為采樣時(shí)刻k時(shí)排氣歧管匯合處的混合廢氣空燃比；αAFR-cyl(k)為采樣時(shí)刻k時(shí)正在排氣的缸的空燃比；權(quán)重系數(shù)c1～c4根據(jù)點(diǎn)火順序(1-3-4-2)選取，即k時(shí)刻正在排氣的缸權(quán)重系數(shù)最大，在k時(shí)刻前排氣缸的權(quán)重系數(shù)依次遞減。對(duì)于本文的對(duì)稱(chēng)排氣歧管，每次采樣對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)矩陣C基本相同。

樣機(jī)僅在排氣歧管匯合處安裝了一個(gè)寬域氧(universal exhaust-gas oxygen，UEGO)傳感器。本文將基于UEGO傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)各缸空燃比的估計(jì)與控制。由于傳感器的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，采集到的信號(hào)相對(duì)于真實(shí)空燃比會(huì)發(fā)生衰減及相移等變形。采用帶延遲的一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述UEGO傳感器的動(dòng)態(tài)特性[19]，則排氣歧管匯合處實(shí)際傳感器測(cè)量空燃比αAFR-sen可由下式得到：

(2)

式中，Tsen為響應(yīng)延遲；τsen為時(shí)間常數(shù)。

2.2 缸間空燃比差異模型

在EMVT試驗(yàn)中，通過(guò)改變控制氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)氣門(mén)正時(shí)及氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期的柔性調(diào)節(jié)[20]，圖4為EMVT試驗(yàn)中的氣門(mén)控制信號(hào)與氣門(mén)升程曲線(xiàn)?？刂菩盘?hào)在tso時(shí)刻由0變?yōu)?，該時(shí)刻氣門(mén)開(kāi)始開(kāi)啟；控制信號(hào)在tsc時(shí)刻由1變?yōu)?，此時(shí)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，經(jīng)過(guò)關(guān)閉過(guò)渡時(shí)間3 ms氣門(mén)完全關(guān)閉?？刂菩盘?hào)在tso～tsc范圍內(nèi)為1，將tso～tsc時(shí)間段稱(chēng)為開(kāi)啟信號(hào)持續(xù)期。因此當(dāng)過(guò)渡時(shí)間一定時(shí)，氣門(mén)升程曲線(xiàn)主要由氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻和氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻決定。

圖4 EMVT試驗(yàn)氣門(mén)控制信號(hào)與升程曲線(xiàn)Fig.4 Control signal and test curve of valv e based on EMVT

本文利用在排氣歧管匯合點(diǎn)處安裝的UEGO傳感器信號(hào)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)與控制。在單個(gè)傳感器辨識(shí)參數(shù)的情況下，能獲取的數(shù)據(jù)量只有各缸的進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻與UEGO傳感器的采樣輸出空燃比，因此需要分析進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻與混合廢氣空燃比的關(guān)系并建立缸間空燃比差異模型。

將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量在進(jìn)氣沖程內(nèi)積分，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)每缸每循環(huán)進(jìn)氣量

(3)

理想狀態(tài)下，平均每缸每循環(huán)進(jìn)氣量可由下式表示：

(4)

式中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；ncyl為氣缸數(shù)。

以n=1 200 r/min為例，設(shè)置氣門(mén)開(kāi)啟/關(guān)閉過(guò)渡時(shí)間為3 ms，不同進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟信號(hào)持續(xù)期下所對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣流量如圖5a所示。通過(guò)最小二乘法對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行三次多項(xiàng)式函數(shù)的擬合，所得擬合方程如下：

(5)

(a)曲線(xiàn)擬合結(jié)果

(b)殘差圖圖5 不同開(kāi)啟信號(hào)持續(xù)期下進(jìn)氣流量曲線(xiàn)擬合及殘差圖Fig.5 The result of intake flow curve fitting an d residual plot under different opening signal durations

通過(guò)殘差圖(圖5b)可以看出殘差大致服從均值為零的白噪聲分布。

由于進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)等差異的存在，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中各缸循環(huán)進(jìn)氣量存在差異。為了準(zhǔn)確描述各缸循環(huán)進(jìn)氣量的差異，引入氣缸的進(jìn)氣誤差系數(shù)Ki。令Ki表示第i缸實(shí)際循環(huán)進(jìn)氣量mac,i和平均每缸循環(huán)進(jìn)氣量mac的差值與平均每缸循環(huán)進(jìn)氣量mac的比值，即

Ki=(mac,i-mac)/maci=1,2,3,4

(6)

由此可得各缸實(shí)際循環(huán)進(jìn)氣量

mac,i=(1+Ki)maci=1,2,3,4

(7)

(8)

假設(shè)各缸噴油情況一致，則各缸噴油量可統(tǒng)一表示為

mf=Gfstf

(9)

式中，mf為各缸噴油量；Gfs為噴油器流率；tf為噴油脈寬。

對(duì)于氣道噴射汽油機(jī)中存在的油膜濕壁現(xiàn)象，在穩(wěn)態(tài)工況下，油膜沉積和蒸發(fā)可以達(dá)到平衡，每循環(huán)噴油量等于進(jìn)入氣缸中的燃油量，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)控制中可以不考慮油膜效應(yīng)。則發(fā)動(dòng)機(jī)i缸真實(shí)空燃比αAFR-cyl,i為

αAFR-cyl,i=mac,i/mfi=1,2,3,4

(10)

3 基于DE算法的參數(shù)辨識(shí)

由廢氣混合時(shí)域模型知，計(jì)算各缸空燃比前須求出比例系數(shù)矩陣C。對(duì)于排氣歧管對(duì)稱(chēng)的四缸機(jī)而言，廢氣混合過(guò)程模型中未知參數(shù)為K1～K4、c1～c4、τsen和Tsen。為了減少待辨識(shí)參數(shù)數(shù)量，提高比例系數(shù)的辨識(shí)精度，參數(shù)τsen和Tsen可以單獨(dú)試驗(yàn)辨識(shí)，于是將待辨識(shí)參數(shù)縮減為8個(gè)。

在Simulink中指定各缸的進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻作為輸入，GT-Power中發(fā)動(dòng)機(jī)模型運(yùn)行穩(wěn)定后采集排氣歧管匯合處UEGO傳感器的混合廢氣空燃比信號(hào)作為輸出。辨識(shí)參數(shù)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況為轉(zhuǎn)速1 200 r/min，負(fù)荷60 N·m，采集30組不同的穩(wěn)定輸入和輸出作為辨識(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。

應(yīng)用DE算法辨識(shí)上述未知參數(shù)。DE算法是一種模擬生物進(jìn)化的隨機(jī)模型，具有較強(qiáng)的全局收斂能力和魯棒性[21]。DE算法可以對(duì)非線(xiàn)性不可微連續(xù)空間的函數(shù)進(jìn)行最小化，它采用實(shí)數(shù)編碼方式，DE算法中的群體一般表示成N個(gè)D維向量。在各參數(shù)可行域范圍內(nèi)均勻隨機(jī)生成N個(gè)D維實(shí)值向量構(gòu)成其初始群體{Xi,0|i=1,2,…,N}，其中實(shí)值向量Xi,G=(Xi,G(1),Xi,G(2),…,Xi,G(D))表示第G代種群中的一個(gè)個(gè)體，每一個(gè)個(gè)體就是一組待辨識(shí)的8個(gè)參數(shù)。D指目標(biāo)問(wèn)題的決策變量個(gè)數(shù)，也可以稱(chēng)為目標(biāo)問(wèn)題的維數(shù)，本文中D=8，N為種群大小。將個(gè)體中待辨識(shí)的這組參數(shù)與辨識(shí)數(shù)據(jù)中各缸進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻tsc一起代入式(1)～式(10)中，即可得到對(duì)應(yīng)的傳感器輸出空燃比計(jì)算值αAFR-cal。算法的目標(biāo)是將個(gè)體每組輸入下計(jì)算的結(jié)果αAFR-cal與實(shí)際傳感器測(cè)量值αAFR-sen間的誤差減到最小，可設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)f1如下：

(11)

此外，由各缸的進(jìn)氣誤差系數(shù)Ki的定義可知∑Ki=0，因此將∑Ki與0的偏離距離作為目標(biāo)函數(shù)f2。使用加權(quán)法建立如下多目標(biāo)適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)：

f=f1(X)+af2(X)

(12)

式中，a為f2的權(quán)系數(shù)。

DE算法包括變異、交叉和選擇三種基本操作。給定當(dāng)前群體{Xi,G|i=1,2,…,N}，對(duì)其中的任意個(gè)體Xi采用DE算法的DE/rand/1變異策略，按照下式生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的變異個(gè)體：

Vi,G=Xr1,G+F(Xr2,G-Xr3,G)

(13)

其中，Xr1、Xr2和Xr3為從當(dāng)前群體中隨機(jī)選擇的3個(gè)互不相同的個(gè)體，且與目標(biāo)個(gè)體Xi不同；縮放因子F是一個(gè)大于0的實(shí)常數(shù)，用來(lái)控制差分向量的縮放比例。

在完成變異操作后，DE算法將在目標(biāo)個(gè)體Xi和變異個(gè)體Vi之間執(zhí)行一種離散交叉操作，從而生成一個(gè)測(cè)試個(gè)體Ui，該離散交叉可描述如下：

(14)

其中，j= 1, 2,…,D；jrand為[1,D]中的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)，以確保不會(huì)出現(xiàn)測(cè)試個(gè)體Ui完全復(fù)制Xi的情況；Rj(0,1)表示給每一個(gè)j產(chǎn)生一個(gè)在(0,1)的均勻隨機(jī)數(shù)；Pcr為介于0～1之間的交叉概率，一般可設(shè)置為0.9。

對(duì)于每一個(gè)測(cè)試個(gè)體,DE算法采用一種基于貪婪的選擇機(jī)制，從測(cè)試向量Ui,G和目標(biāo)向量Xi,G中選擇一個(gè)更優(yōu)值成為進(jìn)入下一代的個(gè)體：

(15)

完成上述選擇操作后，DE算法得到一個(gè)新的群體{Xi,G+1|i=1,2,…,N}進(jìn)入下一代，從而繼續(xù)執(zhí)行進(jìn)化搜索過(guò)程。

目前文獻(xiàn)中常用的搜索方法是最小二乘辨識(shí)方法，通過(guò)采集各缸廢氣空燃比與混合廢氣空燃比的穩(wěn)態(tài)輸出作為辨識(shí)數(shù)據(jù)來(lái)直接計(jì)算矩陣C。為了檢驗(yàn)DE算法辨識(shí)參數(shù)的準(zhǔn)確性，將DE算法得到的辨識(shí)結(jié)果與最小二乘法得到的結(jié)果作對(duì)比。本文中DE算法的種群規(guī)模設(shè)為1 000，最大迭代次數(shù)為5 000，兩種方法的辨識(shí)結(jié)果對(duì)比如表2所示，可以看出，兩種辨識(shí)方法的結(jié)果基本一致。

表2 參數(shù)辨識(shí)結(jié)果

4 各缸空燃比估計(jì)與控制

卡爾曼濾波器是一種無(wú)偏的線(xiàn)性最小方差估計(jì)算法，本文采用基于卡爾曼濾波的狀態(tài)觀(guān)測(cè)器來(lái)估計(jì)各缸空燃比。應(yīng)用卡爾曼濾波器時(shí)需定義系統(tǒng)狀態(tài)變量。對(duì)于廢氣混合時(shí)域模型，選取采樣時(shí)刻前各缸測(cè)量的空燃比作為系統(tǒng)狀態(tài)變量Xk：

(16)

排氣歧管匯合處的混合廢氣空燃比測(cè)量值作為系統(tǒng)觀(guān)測(cè)量Yk：

Yk=[αAFR-sen(k)]

(17)

則狀態(tài)空間模型如下：

(18)

式中，A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；W、V分別為系統(tǒng)噪聲和觀(guān)測(cè)噪聲，都是零均值白噪聲。

卡爾曼濾波的計(jì)算過(guò)程分為預(yù)估與校正兩個(gè)過(guò)程。預(yù)估過(guò)程是建立時(shí)間更新方程，并利用前一時(shí)刻狀態(tài)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)的先驗(yàn)估計(jì)。校正過(guò)程是利用狀態(tài)更新方程，根據(jù)測(cè)量值對(duì)先驗(yàn)估計(jì)進(jìn)行校正從而得出狀態(tài)的后驗(yàn)估計(jì)。下式為離散卡爾曼濾波的基本方程[22]：

(19)

式中,Pk為估計(jì)誤差方陣;Kk為卡爾曼增益矩陣;I為單位矩陣;Q、R分別為系統(tǒng)噪聲和觀(guān)測(cè)噪聲的方差陣。

卡爾曼濾波估計(jì)中，由于描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及噪聲模型可能不準(zhǔn)確,這會(huì)使得濾波誤差較大，甚至產(chǎn)生發(fā)散。采用衰減記憶自適應(yīng)濾波，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)估計(jì)誤差方陣P來(lái)改變卡爾曼增益矩陣K，提高新觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)在濾波結(jié)果中的地位，能夠有效克服濾波發(fā)散現(xiàn)象[23]。

若采用衰減記憶卡爾曼濾波，則式(19)中的第二式改為

(20)

其中，sk為衰減因子。sk可由下式得到：

(21)

在實(shí)際工程運(yùn)用中，為了加強(qiáng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的權(quán)重，衰減因子的取值方法如下：

(22)

由此完成基于衰減記憶卡爾曼濾波的分缸空燃比觀(guān)測(cè)器的建立。

控制系統(tǒng)的目標(biāo)是把各缸空燃比控制到理論值14.7。本文采用聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)各缸空燃比的控制，整體控制方案見(jiàn)圖6。由發(fā)動(dòng)機(jī)一維軟件GT-Power計(jì)算并得到發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)，包括氣缸壓力、轉(zhuǎn)矩、空燃比等。各缸空燃比控制通過(guò)MATLAB/Simulink中的控制模型實(shí)現(xiàn)?？刂颇Ｐ筒杉疓T-Power傳輸?shù)挠?jì)算結(jié)果，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣總管空燃比、進(jìn)氣流量以及曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)。基于這些數(shù)據(jù)，通過(guò)分缸空燃比觀(guān)測(cè)器估計(jì)出各缸空燃比。最后通過(guò)PI控制器對(duì)每個(gè)缸的進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整。

圖6 分缸空燃比控制的系統(tǒng)框圖Fig.6 System structure of individual air-fue l ratio control

每個(gè)缸使用一個(gè)帶前饋數(shù)值表的比例積分(PI)控制器。各缸空燃比估計(jì)值分別被發(fā)送到4個(gè)PI控制器中，將空燃比設(shè)定值與各缸空燃比估計(jì)值的偏差作為控制器輸入，并獨(dú)立對(duì)每個(gè)缸的進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，保證系統(tǒng)輸出空燃比為14.7。為了避免控制過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)可能產(chǎn)生的油膜動(dòng)態(tài)，采用降低控制頻率的方式，讓油膜動(dòng)態(tài)有足夠的時(shí)間趨于平衡，本文采用4個(gè)循環(huán)作為模型的反饋控制周期。

5 結(jié)果與分析

5.1 各缸空燃比控制

為了驗(yàn)證提出的控制方法的有效性，通過(guò)GT-Power與Simulink對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)分缸空燃比控制器進(jìn)行聯(lián)合仿真。反饋控制仿真中，發(fā)動(dòng)機(jī)模型運(yùn)行工況和辨識(shí)參數(shù)時(shí)的工況相同，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為60 N·m。

仿真中曲軸轉(zhuǎn)角0°在壓縮沖程上止點(diǎn)位置。圖7所示為空燃比反饋控制過(guò)程中各缸進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻變化情況，可以看出，在6 s時(shí)刻啟動(dòng)分缸平衡反饋控制后，各缸的進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻分別由控制器獨(dú)立控制。圖8所示為反饋控制過(guò)程中各缸空燃比。將4個(gè)氣缸中最大空燃比和最小空燃比之差與平均混合廢氣空燃比的比值定義為各氣缸空燃比間的差異，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)模型運(yùn)行穩(wěn)定后，初始階段各氣缸的空燃比之間的差異約為2.6%。隨著各缸進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻的獨(dú)立控制，各缸空燃比逐漸向理論空燃比靠攏。仿真進(jìn)行到10 s以后，各缸空燃比間的差異已經(jīng)減小到了0.05%以?xún)?nèi)。圖9所示為反饋控制過(guò)程中排氣歧管匯合處測(cè)得的混合廢氣空燃比。由圖9可見(jiàn)，分缸空燃比反饋控制前由于各缸空燃比間差異較大，混合廢氣空燃比信號(hào)波動(dòng)較大。隨著缸間空燃比差異的減小，混合廢氣空燃比信號(hào)波動(dòng)幅值逐漸衰減，平均混合廢氣空燃比逐漸趨近于理論空燃比值。由控制結(jié)果也可以看出，基于衰減記憶卡爾曼濾波建立的分缸空燃比觀(guān)測(cè)器能夠提供有效的估計(jì)結(jié)果。

圖7 反饋控制中各缸進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻Fig.7 The intake valve start closing timing for eac h cylinder in feedback controlling

圖8 各缸空燃比的反饋控制結(jié)果Fig.8 Feedback control results of individual cylinde r air-fuel ratio

圖9 排氣歧管匯合處混合廢氣空燃比的反饋控制結(jié)果Fig.9 Feedback control results of air-fuel ratio at th e confluence point of the exhaust manifold

5.2 瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制

基于EMVT的分缸空燃比一致性控制，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)空燃比一致，同時(shí)各缸進(jìn)氣門(mén)獨(dú)立調(diào)節(jié)減小了各缸進(jìn)氣量差異，從而有利于降低各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩差異。

在介紹分缸空燃比控制對(duì)各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩影響前，先對(duì)轉(zhuǎn)矩平衡的指標(biāo)進(jìn)行說(shuō)明。圖10所示為一個(gè)循環(huán)內(nèi)作用在曲軸上的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tc。

圖10 瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)Fig.10 Instantaneous torque profile

以1缸上止點(diǎn)為零點(diǎn)，將四缸機(jī)的每個(gè)燃燒循環(huán)在曲軸角度域內(nèi)等分為4個(gè)部分，并依次表示為Δ1～Δ4，間隔Δ=π，將Tc在每個(gè)間隔內(nèi)的平均轉(zhuǎn)矩作為衡量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡的指標(biāo)，用T(k)表示[(k-1)Δ，kΔ]區(qū)域內(nèi)的平均轉(zhuǎn)矩：

(23)

各缸轉(zhuǎn)矩的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差yrsd由下式計(jì)算：

(24)

式中，T0為穩(wěn)態(tài)工況下曲軸輸出的平均轉(zhuǎn)矩。

一個(gè)循環(huán)內(nèi)T(k)的最大值與最小值之差與平均轉(zhuǎn)矩T0的比值定義為各缸轉(zhuǎn)矩間的差異。各缸轉(zhuǎn)矩差異越小時(shí)，yrsd值越趨向于零。

圖11所示為轉(zhuǎn)矩平衡的評(píng)價(jià)指標(biāo)T(k)和yrsd的仿真結(jié)果，可以看出，在6 s時(shí)刻之后，T(k)間的差異逐漸從最初的4.51%減少到0.25%，并且逐漸趨于穩(wěn)態(tài)工況下的平均轉(zhuǎn)矩，各缸轉(zhuǎn)矩的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差yrsd值從1.25%逐漸趨向于0，并最終穩(wěn)定在0.07%以?xún)?nèi)。仿真結(jié)果表明，基于EMVT的分缸空燃比一致性控制減小了各缸間的轉(zhuǎn)矩差異。

圖11 反饋控制中的轉(zhuǎn)矩平衡指標(biāo)Fig.11 Torque balance index in feedback controlling

6 結(jié)論

(1)建立了四缸發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣混合過(guò)程模型，并分析了由各缸進(jìn)氣差異導(dǎo)致缸間空燃比差異的過(guò)程。提出了一種利用差分進(jìn)化算法進(jìn)行模型中未知參數(shù)辨識(shí)的方法，通過(guò)單個(gè)寬域氧傳感器完成了參數(shù)辨識(shí)。

(2)基于衰減記憶卡爾曼濾波建立了分缸空燃比觀(guān)測(cè)器，該觀(guān)測(cè)器能夠利用混合廢氣空燃比估計(jì)出各缸空燃比值。通過(guò)獨(dú)立控制各缸進(jìn)氣門(mén)開(kāi)始關(guān)閉時(shí)刻來(lái)調(diào)節(jié)各缸空燃比，仿真結(jié)果表明，缸間空燃比差異由2.6%減小至0.05%。

(3)通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)獨(dú)立調(diào)節(jié)各缸進(jìn)氣量，為解決缸間工作不一致問(wèn)題提供了新的途徑。在各缸噴油量一致的情況下，分缸空燃比控制后，各缸輸出轉(zhuǎn)矩的差異由4.51%降低至0.25%。證明該控制方法較好地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的一致性。

(4)通過(guò)獨(dú)立控制各缸進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期來(lái)調(diào)整各缸循環(huán)進(jìn)氣量，降低了因進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)、表面粗糙度等因素造成的各缸循環(huán)進(jìn)氣量差異。