發動機怠速進氣量計算控制策略的實現

朱 敏，鄭建波，徐 鳳，王 愷，張春嬌，張凡武，田豐民

(東風汽車公司技術中心，武漢 430056)

前言

怠速是發動機運行時的一種重要工況，汽車在交通密度大的道路上行駛時，約有30%的燃油消耗在怠速工況，在汽車工況法排放測試中，怠速排放的CO和HC通常占總排放量的70%左右，因此怠速控制的好壞直接關系到車輛性能的高低。怠速轉速過高，將使燃料消耗增加，造成不必要的浪費;而怠速轉速過低，則使廢氣對缸內混合氣的稀釋作用明顯增強，若負荷或阻力稍有變化將導致發動機運轉不穩定甚至熄火。對怠速工況進行有效的控制，不僅可降低尾氣排放，還能提高汽車的燃油經濟性［1］。

目前發動機怠速控制多為電子控制系統，主要通過控制進氣量、點火角和噴油量使發動機怠速穩定，本文中介紹了一種怠速進氣量的閉環控制算法，通過進氣量控制節氣門的開度，使發動機實際轉速與目標轉速一致。

1 怠速進氣量的工作原理

怠速控制主要包括發動機起動控制、正常怠速控制(無負荷運行)和負荷變化時的怠速控制。本文的控制策略以使用電子節氣門的系統為基礎，首先計算正常怠速下的進氣量，并由電控系統將算得的怠速進氣量轉換為發動機有效轉矩輸出比，然后通過各種電氣負荷和點火角的修正得到請求的轉矩輸出比，請求轉矩輸出和轉速共同決定節氣門開度［2］，使實際發動機轉速和目標轉速一致。

具體的工作原理見圖1，其中有效轉矩輸出比、請求轉矩輸出比和節氣門目標開度的確定可通過發動機標定得到，這里只進行進氣量的計算分析。

2 怠速進氣量計算的系統設計

正常怠速進氣量主要通過閉環控制，由基本進氣量、PID修正和自學習修正3部分組成。其中基本進氣量根據發動機狀態(冷卻水溫、進氣溫度等)確定;PID修正由發動機轉速的波動決定，主要功能是使實際轉速跟隨目標值的變化而變化;此外，為減小發動機零部件和制造過程差異帶來的進氣量需求偏差，增加了進氣量自學習的過程，從而減小靜態誤差。具體的實現過程如圖2所示。

其中學習值的計算過程基于閉環控制中的I項，主要學習過程是根據實際轉速偏移目標轉速的差值，在I項的基礎上按照一定的步進量對進氣量進行累加或遞減，修正制造和零部件差異，從而減小I項的波動，學習值的計算流程如圖3所示。

3 基于Simulink的功能實現

根據上述進氣量的計算過程，基于Simulink設計了一套怠速進氣量計算的控制策略。在整個過程中首先確定閉環控制的使能條件，然后根據實際轉速和目標值的差值進行PID調節和自學習值修正。

3.1 閉環控制使能條件

進氣量閉環使能至少須滿足下列任何一個條件:(1)加速踏板處于釋放狀態(APPS_r=APPS_rRelease)且發動機轉速(Eng_n)與其目標值(Eng_nDes)的差值在一定范圍內;(2)加速踏板處于釋放狀態且車速(VSS_vs)低于某個范圍。

禁止閉環控制至少須滿足下列任何一個條件:(1)制動踏板踩下;(2)ABS使能;(3)系統處于斷油狀態;(4)不滿足閉環使能條件。

實現過程如圖4所示，在這個過程中為了防止系統在閉環和開環之間頻繁切換，當閉環使能的條件滿足后，要穩定一段時間(ISC_tiCloseLoop)才能真正使能閉環控制，另外發動機轉速和車速的變化都引入了遲滯，同樣用于消除使能條件的頻繁跳變，使進氣量的控制變得更加平滑。

3.2 進氣量PID閉環控制的實現

PID控制過程如圖5所示，主要通過實際轉速和目標轉速的差值計算得到，其中P項(ISC_mProportional)的計算基于轉速的差值;D項的計算基于50ms內轉速差值的變化量(Eng_nDelta50ms);I項的計算也是基于轉速的差值，為了精準控制，將轉速差值的范圍分為多個部分(Axis_nIdlSpd6)，同時按照實際轉速高于目標值還是低于目標值分別控制。如果需求進氣量大于最大值(ISC_mMax)或者小于最小值(ISC_mMin)，I項將不再增加，如果系統從開環進入閉環(ISC_stCloseTransit=1)則I項復位為積分基本值(ISC_mIntegBase)，防止積分量過大或飽和，導致閉環控制無法正常工作。3個修正量只在閉環情況下起作用，當系統開環時均遞減為0，PID控制為維持怠速的穩定起到了重要的作用。

3.3 進氣量學習值算法的實現

為減小系統的靜態誤差在I項的基礎上進行進氣量的自學習，主要過程是通過發動機的負荷狀態，每過一定的時間，根據發動機實際轉速和目標值的差值對氣量進行累加或者遞減。圖6為當發動機負荷狀態(ISC_stDelSel)不同時，選擇不同的進氣量的學習值作為最終學習值(ISC_mLrnFinal)。其中每一種工況的學習過程如圖7所示，當自學習使能條件滿足后(ISC_stLrn=1)，由轉速偏差得到兩個學習值的遞變量(ISC_mLrnDecrease、ISC_mLrnIncrease)，進而累計計算進氣量學習值，如果學習條件不滿足則學習值表示不變。當學習禁止轉變為學習使能的瞬間狀態(ISC_stLrnTransit)，用于對學習值的初始化，初始值是基于積分量計算得到的。

自學習使能條件必須同時滿足:(1)閉環使能條件;(2)冷卻水溫大于設定值。

3.4 正常怠速下進氣量計算的實現

最終進氣量(ISC_mReq)通過基本進氣量(ISC_mBas)、PID修正和自學習修正求和得到。當求和結束后，為防止怠速進氣量無限增大或者減小導致的怠速失控，要對需求進氣量進行最大值和最小值的限定，如果超過限值表明標定或者控制算法不完善，須重新試驗和調試，主要實現過程如圖8所示。其中基本進氣量由冷卻水溫(CTS_t)和進氣溫度(MAT_s)決定。

3.5 策略驗證

為保證控制算法的正確性，進行了實車驗證，結果如圖9所示。

由圖可見，發動機轉速在未踩加速踏板和松開踏板時能夠跟隨目標轉速運行，且靜態誤差較小，由非怠速向怠速變化的過程中轉速波動較小，實際值和目標值的差值小于50r/min，符合設計要求。

4 結論

通過對發動機正常怠速控制的分析，設計了正常怠速下計算進氣量的控制策略，并在實車上進行了驗證。結果表明，該控制策略能滿足設計要求，使發動機實際轉速穩定跟隨目標轉速運行，失速在合理的范圍內。

［1］ 原霞，張翠平，楊慶佛．發動機怠速穩定性控制方法的分析研究［J］．太原理工大學學報，2003，34(2):181 －183．

［2］ 韓玉敏，金延軍．基于80C196KC單片機的汽車發動機怠速控制系統設計［J］．佳木斯大學學報(自然科學版)，2007，25(2):155－157．