PFI汽油機空燃比控制仿真及試驗研究

蔣炎坤， 王松， 謝滿

(1. 華中科技大學能源與動力工程學院, 湖北 武漢 430074； 2. 東風商用車有限公司技術中心, 湖北 武漢 430056)

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PFI汽油機空燃比控制仿真及試驗研究

蔣炎坤1， 王松2， 謝滿1

(1. 華中科技大學能源與動力工程學院, 湖北 武漢 430074； 2. 東風商用車有限公司技術中心, 湖北 武漢 430056)

基于發動機臺架試驗，建立并標定了進氣道燃油噴射單缸汽油機一維仿真模型，探索了空燃比控制的新方法。依據經典控制理論，通過所建空燃比PID控制器與參數整定，實現了穩態空燃比控制。基于x-τ油膜模型，提出了其代數控制X-Y油膜方程，分析了進氣道燃油傳輸過程對空燃比控制的影響；通過燃油階躍擾動法，對X，Y參數進行識別，獲得了X，Y參數MAP圖，構建了離散化燃油動態補償器，實現了空燃比在瞬態工況下的前饋控制。

汽油機； 進氣道噴射； 空燃比； 前饋控制； 閉環控制

汽油機實現低排放的途徑一般是在精確控制混合氣空燃比的情況下利用三元催化轉化器將廢氣中的HC，CO及NOx轉化成H2O，CO2和N2[1]。為了實現三元催化器較高的轉化效率，必須將汽油機的空燃比控制在理論空燃比14.7附近[2]。因此，汽油機降低排放的根本途徑是對全工況狀態下的空燃比進行精確控制。

目前，電噴汽油機空燃比控制普遍采用電噴系統加氧傳感器的閉環系統，閉環控制系統能夠很好地對穩態工況下空燃比進行控制。然而，在車輛實際運行過程中，發動機大部分時間處于起動、暖機和加減速等過渡工況，過渡工況下發動機工況狀態變化迅速，加之傳感器固有延遲，使得閉環系統無法對空燃比實現精確的實時控制，從而導致排放性能急劇惡化，甚至會影響汽油機的整體性能[3-5]。故對汽油機空燃比控制進行研究是十分必要的。

1 進氣道噴射汽油機建模與標定

1.1 發動機測試臺架系統

研究的對象是ZS157FMI-3單缸汽油機，其基本性能參數見表1。發動機安裝自主開發設計的控制系統，即ZH600-ECS系統(Engine Control System)。試驗用發動機電控試驗臺架系統主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括ET2000發動機測功系統、DL30交流電力測功機、電阻負載箱、各種傳感器、執行器、供油系統、尾氣分析儀、ECU、PC上位機、數據采集板卡、旋轉編碼器及線束等。測功系統采集的數據經CAN總線傳輸到ET2000測試系統的工控機，并利用其專用軟件對數據進行處理、顯示及存儲。軟件包括ECU下位機各控制程序、PC上位機軟件程序及串行通信協議等。

表1 ZS157FMI-3單缸機基本參數[6]

1.2 發動機一維仿真建模

基于GT-Power建立發動機模型。進氣系統建模時，主要獲取了氣門升程規律、進氣道流量系數、進氣管路及空濾器等參數；進氣道噴射系統建模，主要建立了進氣道油膜參數和噴油器模型等；排氣系統建模，主要考慮各段排氣管的物理參數；最后添加氣缸和曲軸模型。

1.3 模型試驗標定

為保證所建仿真模型的準確性，完成了充氣效率、摩擦功、扭矩、準維燃燒模型燃燒參數及噴油器流量系數等相關量的標定[7]。圖1示出了標定流程及方法，并確保仿真值和試驗值誤差小于5%。

標定結果表明：外特性工況下，充氣效率實測值和仿真值的最大誤差為4.05%，功率試驗值與仿真值最大誤差約為3.85%，扭矩最大誤差約為4.82%。在6 000 r/min-100%油門開度工況下，發動機缸內壓力試驗值與仿真值最大誤差約為2.3%(見圖2至圖6)。通過標定，發動機主要參數誤差基本在5%以內，保證了模型準確性。

2 穩態工況空燃比閉環反饋控制

發動機穩態工況空燃比采用氧傳感器閉環控制模式。在以上所建仿真模型基礎上，在GT-ISE中添加氧傳感器模塊和PID控制模塊，實現穩態工況下空燃比控制(見圖7)。

2.1 氧傳感器仿真模型建立

為在排氣管端精確測出空燃比，基于氧傳感器測量空燃比的原理，利用排氣管中組分濃度測量的方法，建立氧傳感器模型。本研究提出了根據排氣管中氣體O2，CO，CO2的濃度計算過量空氣系數的方法求得空燃比，具體數學表達式見式(1)：

(1)

式中：[·]為組分的體積分數；K1為HC轉換因子，若以體積分數為10-6的正己烷(C6H14)作等價表示，此值等于6×10-4；Hcv為燃料中氫和碳的原子比，當燃料為汽油時取值1.726 1；Ocv為燃料中氧和碳原子比，當燃料為汽油時取值0.017 6。

利用傳感器分別測得排氣管中每10個采樣循環中CO，CO2，O2摩爾濃度的平均值，再根據過量空氣系數的計算公式，計算空燃比的值。

2.2 PID控制器及參數整定

PID控制是一個二階線性控制系統，通過調整比例、積分和微分三項參數，使得系統獲得良好的控制效果。選用增量式PID控制，控制算法如下：

Y=Yinitial+KΔX(1-e-t/τ)。

(2)

式中：K=ΔY/ΔX；t為系統響應時間；τ為時間常數。假如系統有一個一階線性響應輸入，那么只需獲得τ，ΔY，ΔX就可以來描述這個一階線性系統，控制系統方程如下：

(3)

式中：Kp為比例系數；Ki為積分系數；KD為微分系數；τ為微分時間常數；y為系統輸出；u為參考值和輸入值的差值；x1，x2為不同狀態輸入變量參數。如果方程的輸入參數x1,x2已知，整定完各項系數，那么就可以求解其對應狀態的輸出值。

通過輸入過量空氣系數的階躍信號，打破穩態工況下的平衡，再通過GT-Power中EXCEL計算軟件模塊，計算Kp,Ki的值。最終整定結果Kp為0.889 787 924，Ki為11.702 910 06。

2.3 穩態空燃比閉環控制效果驗證

基于已建好的一維模型，添加氧傳感器和PID控制器，即得到穩態工況空燃比閉環反饋控制模型(見圖8)。

PID控制器效果驗證方法：在發動機穩態工況(6 000 r/min-100%)時，通過過量空氣系數φa輸入值的階躍變化，來觀察經過PID控制調節后的過量空氣系數的輸出值。發動機在6 000 r/min-100%工況下，在第61個工作循環時，輸入過量空氣系數階躍值1.1；在發動機第121個工作循環時，輸入過量空氣系數階躍1.0；具體階躍信號見圖9。在PID控制器實時監測器(Monitor Single)中觀察過量空氣系數的響應曲線(見圖10)。

由圖可知，在6 000 r/min-100%工況下，第25個工作循環以前，過量空氣系數呈現出正弦波振蕩衰減平衡效果。在61～75和121～135工作循環，PID控制器大約經過15個工作循環的控制調節，使過量空氣系數輸出值為1(即理論空燃比14.7)，這表明所建PID控制器達到了快速響應和精確控制的效果。

3 基于油膜模型的過渡工況空燃比控制

PFI汽油機瞬態工況空燃比控制的影響因素主要是進氣道油膜特性和進氣流量特性[8]。在一維仿真模型中已建立了詳細的流動系統模型，即進、排氣管路的一維模型，這就考慮了進氣流量對空燃比的影響。因此，以下主要基于進氣道油膜特性對過渡工況空燃比控制進行研究。

3.1 X-Y油膜模型

為了分析油膜動態傳輸效應，C.F.Aquino等人提出進氣道x-τ油膜模型[9]，即用進氣道油膜沉積比例x和油膜蒸發時間常數τ來描述，其數學方程見式(4)：

(4)

x-τ模型是以連續性微分方程的形式描述油膜的動態特性，屬物理方程，然而發動機實際工作方式卻是離散的[10]。因此，在燃油動態補償器仿真建模時，需要將油膜物理學模型轉化為離散的代數模型，轉化的X-Y方程見式(5)：

(5)

根據式(5)，補償器的代數迭代方程可表示為

mfc=mf0+Δm。

(6)

式中：mf0為基本噴油量(即噴油速率和噴油脈寬的乘積)；Δm為下一個工作循環補償油量。

最終X-Y油膜模型方程如下：

(7)

3.2 燃油動態補償器離散化數學模型

根據式(7)，可得出基于發動機工作循環的燃油補償器離散化迭代方程：

(8)

根據遞推迭代方程在GT-Power中建立燃油補償器的仿真模型，建模流程見圖11。

3.3 補償器特性參數識別

3.3.1 油膜參數識別原理

當發動機處在某一穩定工況時，燃油進入油膜的質量與從油膜中蒸發汽化的燃油量相同，此時的油膜處在一個動平衡狀態，故缸內實際空燃比與理論空燃比相同。此時，就無法識別處于動平衡狀態油膜的特性參數[11]。

只有當油膜動平衡被打破，即從某一個動平衡過渡到另一個動平衡時，油膜質量才會發生變化，噴油器噴出的燃油量與實際進入到氣缸內的燃油量不相等，從而會引起缸內實際空燃比與理論空燃比不一致[12]。這樣油膜特性參數才能在試驗測試中表現出來。

3.3.2 燃油階躍擾動法

依據油膜參數識別原理，當發動機處于某一穩定工況時，通過上位機，給基本噴油脈寬BPW一個階躍變化擾動，打破進氣道油膜動態平衡。同時，調整電控單元燃油補償模塊中X，Y參數值，直到排氣管端測得的空燃比也呈現出與噴油脈寬相似的方波為止，這時認為調整的X，Y值為真值，過程見圖12[13]。

當X和Y值偏離真值，此時測得空燃比波形不是方波，則依據Elbert[14-15]的X和Y油膜參數調節規律指導油膜參數的試驗標定。

3.3.3 油膜參數試驗標定

考慮到油膜特性參數主要受節氣門開度(TPS)及曲軸轉速等參數的影響，試驗時通過燃油階躍擾動標定油膜參數。

試驗中，發動機轉速為3 000～8 500 r/min，各轉速下節氣門開度為10%～80%，同時缸體溫度在各試驗工況保持穩定，這時周期性給噴油脈寬一個階躍擾動信號，獲得油膜特性參數(見表2與表3)。

表2 X試驗值

表3 Y試驗值

3.4 燃油補償器建模

將試驗獲得的X，Y值應用于GT-Power的Look up 2D查二維MAP表模塊。根據油膜離散化數學模型(見式(8))及燃油補償器建模流程(見圖12)建立仿真模型(見圖13)。

3.5 燃油動態補償器仿真結果驗證

采用燃油階躍擾動法，即在穩定轉速和節氣門開度工況下，增加一個噴油量階躍擾動。如圖14所示，選取6 000 r/min-100%工況，在1～400循環時取Δm=0，在401～1 000循環時取Δm=2.0 mg，在1 001～1 601循環時取Δm=0，分別獲得有、無燃油補償器時，空燃比仿真值隨Δm變化的響應曲線，結果見圖15及圖16。圖17示出了有補償時的空燃比試驗值。

分析可知：在瞬態工況下，噴油量階躍變化，無補償器時空燃比沒有出現期望的方波形曲線且響應速度慢；有補償器時空燃比會隨燃油量的階躍基本上呈現出方波的變化趨勢，且響應速度快。有補償時，空燃比仿真值與試驗值比較吻合。由此可見，建立的燃油補償器達到了快速、精確調節噴油量的補償效果，實現了單缸汽油機在瞬態工況下空燃比的開環前饋控制。

4 結束語

穩態工況時，利用PID控制研究了空燃比閉環反饋控制；在過渡工況，基于x-τ油膜模型，提出了X-Y油膜模型，并通過燃油階躍擾動法對補償器X-Y參數進行識別，得到各工況下X，Y參數的MAP圖，實現了ZS157FMI-3發動機在穩態和瞬態工況下空燃比的精確控制。基于GT-Power仿真平臺對空燃比控制的研究，簡化了在Simulink中空燃比控制建模時需建立的進氣流量(觀測器)、動力輸出等數學模型，同時探索了空燃比控制的新方法，提高了計算效率。

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[編輯： 姜曉博]

Simulation and Experimental Study on Air-fuel Ratio
Control of PFI Gasoline Engine

JIANG Yankun1， WANG Song2， XIE Man1

(1. Energy and Power Engineering School of Huazhong University Science&Technology, Wuhan 430074, China;
2. Dongfeng Commercial Vehicle Co., Ltd.， Technical Center, Wuhan 430056, China)

Based on the engine bench test, one-dimensional simulation model of intake port fuel injection for single gasoline engine was built and calibrated and the control method of air-fuel ratio was explored. Steady-state AFR control was achieved by the PID controller with the built AFR and parameter identification according to the classical control theory. Based on the model ofx-τfuel film, theX-Yfuel film equation of algebraic control was proposed and the influence of fuel flow process in intake port on AFR control was analyzed. The parametersXandYwere identified, the MAP ofXandYwas achieved, the discrete fuel dynamic compensator was constructed and the feed forward control of AFR control for transient conditions was realized by the fuel step interference method.

gasoline engine； port fuel injection(PFI)； AFR； feed forward control； closed loop control

2015-04-15；

2015-09-13

蔣炎坤(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向為發動機性能優化及燃燒過程數值模擬研究；jykhust@mail.hust.edu.cn。

王松(1987—)，男，碩士，主要研究方向為發動機電控系統及發動機性能優化研究；whutws@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.009

TK414.3

B

1001-2222(2015)06-0044-06