基于虛擬氧傳感器的發動機分缸燃油控制系統

魏少華

(德爾福(上海)動力推進系統有限公司，上海 200131)

2016005

基于虛擬氧傳感器的發動機分缸燃油控制系統

魏少華

(德爾福(上海)動力推進系統有限公司，上海 200131)

本文中基于虛擬氧傳感器論述了一個可以改善發動機缸間不均勻性的分缸燃油控制系統。該系統通過為發動機的每缸虛擬安裝一個氧傳感器分析其信號來監控燃燒的均勻性，并通過控制發動機各缸的噴油脈寬，改善各缸燃燒的均勻性。試驗結果表明，該系統可在不增加車輛制造成本的條件下，提高車輛的燃油經濟性、降低排放水平并改善駕駛性。

發動機；虛擬氧傳感器；分缸燃油控制

前言

發動機分缸燃油控制系統的策略探討最早由德爾福公司在1999年的SAE論文上發表[1]，并在2002年獲得美國專利[2]；2010年，德爾福公司基于美國法規要求完善了該控制系統的策略算法[3]，并將其應用到靈活燃料項目上[4]；2014年，德爾福公司進一步探索了該系統在渦輪增壓發動機上的應用[5]。本文中根據中國市場實際應用環境，通過優化算法首次將該系統應用到四缸非等長排氣歧管的汽油發動機上，并首次論述了高原環境、老化零部件等極限環境對該控制系統的影響。

1 汽油發動機的各缸燃燒不均勻性

1.1 汽油發動機各缸燃燒不均勻性的由來

汽油發動機各缸的不均勻性主要由以下3個方面引起：

(1)發動機在硬件設計和制造上難以保證各缸的進氣、排氣系統在截面、長度和散熱上一致，造成發動機各缸的實際進氣量不一致；

(2) 各缸安裝的噴油器的靜態流量特性、響應時間和噴嘴工作溫度等的差別，造成在相同噴油脈寬下各缸實際噴出的燃油質量不一致；

(3) 各缸噴油器在實際使用中，老化過程及其對各個噴油器流量的影響的差異，也造成在相同噴油脈寬下各缸實際噴出的燃油質量不一致。

1.2 發動機各缸燃燒不均勻性的影響

當不均勻性到達一定程度時，敏感的駕駛員可以覺察到發動機在低轉速的輕微抖動，同時發動機的排放劇烈惡化特別是氮氧化合物[6]，油耗也會有小幅上升。

1.3 分缸燃油控制的功能

分缸燃油控制的功能是根據分析前置氧傳感器信號的結果，來監測、修正和診斷各缸的不均勻性，從而改善排放、駕駛性和燃油經濟性[7]。

2 分缸燃油控制系統總覽

一臺發動機上的各缸燃燒總是會存在或多或少的差異性，最為理想的硬件狀態是在每個缸的排氣歧管上裝一顆氧傳感器來監控，但這樣會顯著增加發動機管理系統的成本。本文中將通過分缸燃油控制系統(individual cylinder fuel control,ICFC)，在每組燃油系統只有一顆氧傳感器(寬域或躍變式氧傳感器均可)的情況下，虛擬實現為每個缸裝一顆氧傳感器，用以監測、修正和診斷發動機燃油系統在各缸的不均勻性。

圖1為一個四缸發動機的ICFC系統算法總覽。ICFC系統的6個工作步驟如下：

第1步，特性數據抽取；

第2步，創建虛擬傳感器；

第3步，虛擬氧傳感器信號與各缸時間對齊；

第4歩，反饋和修正各缸的不均勻性；

第5歩，前饋學習；

第6歩，模式控制。

圖1 四缸發動機的ICFC系統算法總覽

3 基于虛擬氧傳感器的ICFC工作步驟

3.1 ICFC的第1步：特性數據抽取

ICFC的第1個步驟是繪制氧傳感器信號的頻率成分和設計合適的濾波器來剝離較低頻率的波動“噪聲”；即以最小的衰減，獲取不均勻信息。如圖2，輸入是發動機轉速和前置氧傳感器信號；輸出的是發動機不均勻信息；其功能是從前氧傳感器信號中抽取不均勻信息。

圖2 特征數據抽取的輸入輸出

本文中選擇創建一個自適應數字高通濾波器，其濾波系數將基于發動機轉速[2]，原因如下。

第1，抽樣必須與點火事件同步,因此速率不是固定不變的,而是與發動機轉速、排氣系統布置、氣缸數和點火次序相關。

發動機點火頻率為

(1)

式中：ne為發動機轉速;Nec為發動機缸數。

最大不均勻性頻率為

(2)

式中：ffifMax為發動機每組燃油系統的最大點火頻率。

根據采樣定理，對于每次不均勻性事件至少需要執行兩次數據提取。但定理只表明此采樣率是必要的，沒有告訴它是否足夠(是否“足夠”將在發散和收斂試驗中證明)。這里定義ICFC的采樣頻率為

fICFC=2×ffif=

(3)

第2，發動機缸間不均勻性和燃油控制頻率都與轉速相關，所以濾波器截止頻率必須隨發動機轉速改變而改變，且該濾波器將盡力去除低頻干擾。這里采用了2階巴特沃斯高通濾波器作為自適應高通過濾器[1]，其濾波過程如圖3和圖4所示。輸入的前氧傳感器信號基于點火頻率采樣，輸出的數據解析結果是一個只包含發動機缸間不均勻性信息的數據流。

圖3 氧傳感器輸入信號

圖4 ICFC數據解析結果

3.2 ICFC的第2步：通過狀態預估創建虛擬氧傳感器

自適應高通濾波器提取的數據流提供了一連串的原始不均勻信息；然而ICFC需要的是單獨每缸的不均勻信號，每個信號通過誤差項的形式表征各缸相對總體平均值的濃或稀。因此，這個原始數據流必須通過狀態預估將其虛擬為多個傳感器的信號，實現對各個缸的獨立采樣。如圖5所示，通過狀態預估創建虛擬傳感器的輸入是不均勻性信息；輸出為2N個(N是在每組燃油系統上的發動機氣缸數)依據曲軸轉角均勻間隔開的獨立信號數據，每組燃油系統將各有一套ICFC控制；圖5基于4缸發動機，數據流被分為8個獨立不均勻信號。這些信號將通過進一步濾波，除去了部分來自氧傳感器的非線性噪音。

圖5 通過狀態預估創建虛擬傳感器的輸入輸出

以下方程為針對四缸發動機的ICFC狀態預估方程。該方程假設發動機運行在穩定工況，且各缸之間的排氣在到達前氧傳感器之前沒有混合。

(4)

(5)

(6)

其對應的截止頻率為

ωc=2πfc=1/τ

(7)

定義a=-b=1/τ，由式(6)可得

sX(s)=aX(s)+bU(s)

(8)

在連續時間上：

(9)

定義

gs=exp(-aTs)

(10)

式中:Ts為氧信號的采樣周期。

則離散時間上：

x(k+1)=gsx(k)+hu(k)

(11)

其中:h=1-gs。由于發動機每轉濾波一次，Ts等于發動機每轉的時間，則可以根據式(1)得

(12)

本文中通過實際試驗，確定fc=0.53Hz。

3.3 ICFC的第3步：虛擬氧傳感器與各缸時間對齊

3.3.1 虛擬氧傳感器信號與各缸時間對齊

創建了各缸虛擬氧傳感器后，必須實現虛擬氧信號與各缸的時間對齊。該步驟的輸入是2N個獨立不均勻信號；輸出是各缸不均勻信號。圖6基于四缸發動機，輸入為8個獨立不均勻信號、輸出為4個缸的不均勻信號。

圖6 虛擬氧傳感器信號與各缸時間對齊的輸入輸出

虛擬氧傳感器信號與各缸的時間對齊可以定義為

tali=tfi-evo+tev-os+tosr

(13)

式中:tfi-evo為噴油開始到排氣門開啟的時間；tev-os為排氣從排氣門流到氧傳感器的時間；tosr為氧傳感器的響應時間。單獨測量每個工況下的三個時間量，工作量大且復雜。而在實際對齊工作中，沒有必要準確知道每個單獨的時間量，只需要知道所有時間總和即可完成對齊的工作。由此，設計了一個開環的擾動試驗來建立一個可視的“時間對齊”校準器。該開環擾動試驗通過在點火順序相鄰的兩缸上各加上相對應的燃油偏濃、偏稀的方波擾動；這兩個方波的周期設計為10s，振幅設計為±5% 。由于點火順序相鄰的兩缸的燃燒過程在曲軸相位上相差180°，該角度可以做為各缸不均勻性的標記點，由此校準器可以以可視的方式識別虛擬傳感器的各缸對齊。

圖7是一個四缸發動機的擾動試驗結果，該試驗對點火順序的第1和2缸(即物理順序的第1和3缸)進行了試驗。試驗結果由Sync0～Sync7，共8個時間窗口組成；每個窗口反映了各自90°CA內的不均勻性，8個時間窗口組成了720°CA內(即一個做功循環)的不均勻性如圖8所示。每個窗口上面的波形是虛擬傳感器不均性的信號；下面的方波是1缸的擾動波。可以看出Sync6，Sync7，Sync0和Sync1與擾動波的方向是相反的，Sync2，Sync3，Sync4和Sync5與擾動波的方向是相同的。考慮到之前定義的“標記點”，尋找的窗口需要滿足兩個要求：(1)能反映第1缸的濃稀變化；(2)180°CA后(相隔一個窗口)，能反映第2缸的濃稀變化。故8個窗口中，只有Sync4和Sync5能滿足要求。

圖7 四缸發動機的擾動試驗結果

圖8 時間窗口定義

考慮到不同工況下的tali不同，通過在不同轉速(ne)、不同進氣歧管壓力(pim)下做該擾動試驗,可以實現虛擬氧傳感器與各缸時間對齊的工作。即虛擬氧傳感器信號與各缸時間對齊的tali可以標定為一個和轉速與進氣歧管壓力相關的時間量：

tali=f(ne,pim)

(14)

3.3.2 非等長排氣系統的偏置時間對齊

以上各缸對齊的工作是基于各缸排氣的流動路徑等長，發動機各缸排氣從排氣口到氧傳感器的時間是相同的，且各缸排氣間沒有相互干擾的假設下實現的。但目前大多數發動機配置了緊耦合催化器，發動機排氣管布置非常緊湊；對于四缸橫置的發動機通常物理的第2，3缸的長度比第1，4缸短。這樣各缸排氣到達氧傳感器的時間不一致，由此會帶來缸間的信號干擾。在之前的研究中遇到這種問題時，通常禁止該區域的ICFC工作[4]。為了明確排氣歧管長度對時間對齊的影響，需要對式(13)中的tev-os做進一步分析：

(15)

其中：

(16)

(17)

可以看出，排氣歧管長度lem對tev-os有很大影響。本文提出通過一個基于各缸的窗口偏置量(第2，3缸向前偏置，或第1，4缸向后偏置)補償lem的變化，實現各缸虛擬氧傳感器與各缸的偏置時間對齊。則式(13)可以更新為

(18)

或

(19)

其中窗口偏置時間為

(20)

具體采用式(18)或(19)的偏置對齊，可以直接通過發散和收斂試驗來決定。在圖9和圖10的發散和收斂試驗中，首先讓ICFC在沒有擾動的情況學習系統本身的偏差，然后通過手動標定制造第1缸稀5%、第2缸濃5%、第3缸稀5%、第4缸濃5%的擾動(即0.95-1.05-0.95-1.05發散收斂試驗)，觀察ICFC系統發散學習情況；在ICFC發散學習穩定后將標定制造的擾動還原，觀察ICFC系統收斂情況，ICFC收斂學習穩定后結束試驗。圖9為無偏置時的試驗結果。圖中，發動機工作在1 200r/min、70kPa進氣壓力的工況下，ICFFMPO1～ICFFMPO4分別代表第1～4缸的ICFC學習值。

由圖9可見：(1)50s發散學習和200s收斂學習區域中，各缸均有明顯“過度學習”情況；(2)在學習穩定后，ICFC的學習值抖動也相對明顯。這兩點說明，在標定的窗口位置，虛擬氧傳感器受到了缸間信號的相互干擾。

圖9 非偏置試驗結果

圖10為在第2，3缸向前移動一位時間窗口的偏置對齊結果(式(19))，其去干擾效果明顯：(1)沒有“過度學習”情況，發散和收斂學習迅速；(2)穩態學習抖動小。實際項目中，將對所有工況點做發散和收斂試驗，確定虛擬氧傳感器與各缸準確對齊，ICFC工作穩定可靠。

圖10 偏置試驗結果

根據發動機的不同工況，通過發散和收斂試驗確定偏置時間。由此，式(14)可以更新為

tali=fali(ne,pim)+fofs(ne,pim)

(21)

3.4 ICFC的第4步：反饋和修正各缸的不均勻性

得到各缸的不均勻性信號后，需要根據該信號來反饋和修正各缸的不均勻性。如圖11所示，輸入為各缸不均勻性信號和前饋學習值，輸出為各缸燃油偏置量。

圖11 反饋和修正各缸不均勻性的輸入和輸出

反饋和修正各缸不均勻性包括3個主要任務：(1)通過比例項和積分項修正不均勻信號；(2)輸出燃油偏置量需要繼續保持平均值為1的特性，避免對閉環燃油控制產生負面影響；如圖9和圖10中，ICFFMPAVG為4缸ICFC偏置量的平均值，可以看到系統始終在努力將其控制在1附近；(3)采用自適應前饋學習，當發動機從一個工況進入另外一個工況時，系統將從當前ICFC修正值，過度到前饋學習值。

3.5 ICFC的第5步：前饋學習

如圖12所示，前饋學習步驟的輸入為各缸燃油偏置量，發動機轉速和負荷；輸出為各缸的前饋學習值。

圖12 前饋學習的輸入和輸出

如上所述，燃燒的不均勻性源于燃料噴射的不均勻和進入氣缸新鮮氣體的不均勻(空氣、廢氣再循環和炭罐電磁閥的流量分布等)等。由于這種不均勻性在發動機不同轉速、負荷時有顯著不同，長期前饋學習功能的加入可以使發動機電控管理系統快速適應各種不均勻的情況，使得ICFC的每次學習不必從零開始。

3.6 ICFC的第6步：模式控制

如圖13所示，模式控制步驟的輸入是各缸燃油偏置量和發動機工況；輸出為各缸噴油脈寬的偏置量。

圖13 模型控制的輸入和輸出

模式控制根據各缸噴油偏置量和發動機工況，控制ICFC運行在以下4種模式下。

(1) ICFC復位模式

當系統監測到不恰當的特性數據抽取、閉環反饋或前饋學習，ICFC將復位。通常出現在發動機失火、氧傳感器故障和發動機控制器的存儲器被重置等情況下。

(2) ICFC閉環運行模式

閉環運行是ICFC的正常運行模式，其條件包括：(1)發動機運行在前置氧傳感器正常振蕩工況下，沒有過濃或過稀；(2)發動機運行在前置氧傳感器能夠可靠地用于提取不均勻信息的工況下，沒有失火、氧傳感器故障等干擾發生；(3)發動機運行在穩定工況下；(4)ICFC各缸噴油偏置量沒有被限制到極值。

(3) ICFC保持模式

該模式下不要求完全復位，當系統監測到氧傳感器不能可靠提供不均勻信息時，ICFC修正保持當前值直到問題清除或滿足ICFC復位模式為止。

(4) ICFC限制模式

ICFC已運行閉環模式，但至少一個ICFC修正系數已經達到了限值，則系統將運行在限制模式。

4 極限環境對ICFC的影響

4.1 氧傳感器老化對ICFC的影響

氧傳感器的老化將導致氧傳感器對排氣系統濃稀變化的反應速度降低，即式(13)中的tsor時間變長。本文中首次在試驗中加裝了極限老化氧傳感器，通過標定控制發動機管理系統人為制造不均勻性，觀察老化氧傳感器對ICFC工作的影響。試驗結果表明氧傳感器老化對ICFC算法沒有明顯影響，tosr時間的變化在tali中所占比例較小。具體數據見第5節ICFC排放試驗驗證。

4.2 高原環境對ICFC的影響

之前的ICFC開發中，在接近海平面的實驗室以進氣歧管絕對壓力(pim)為負荷大小的坐標軸，標定虛擬氧傳感器與各缸對齊窗口。由式(15)可知，隨著海拔的上升環境壓力下降，輸出相同轉矩、相同排氣流量下的tev-os將發生改變，并導致tali變化。需要找到一個對等負荷量，將發動機在不同海拔高度下運行的負荷對應到海平面的水平上。本文中導入一個進氣歧管絕對壓力高原修正量來補償tali的變化，實現高原環境下的虛擬氧傳感器信號與各缸時間對齊。

定義高原壓力修正系數為

(22)

式中:pa為當前大氣壓力，pmc為最小歧管壓力修正。則高原等效進氣歧管絕對壓力可定義為

paeim=(pim-pmc)capc+pmc

(23)

式中:pim為當前實測進氣歧管絕對壓力。本文中標定pmc為12kPa，則paeim在不同大氣壓力下的值如圖14所示。

由此，式(21)更新為

tali=fali(ne,paeim)+foffset(ne,paeim)

(24)

圖15和圖16為實際高原試驗(大氣壓力約72kPa，地點：中國格爾木)中ICFC的閉環工作結果。圖15為加入高原修正前的ICFC閉環工作，圖15中沒有高原修正，在5s左右時，手工重置了ICFC修正，使系統從原點開始工作，但時間對齊出現偏移導致系統完全發散。

圖16為加入高原修正后的ICFC閉環工作，加入了0.95-1.05-0.95-1.05的發散收斂試驗，確認了該工況下時間對齊正確，ICFC可以正確修正發動機的不均勻性。

圖15 高原修正前的ICFC閉環工作

圖16 高原修正后的ICFC閉環工作

5 ICFC排放試驗驗證

為了驗證ICFC的性能和前氧傳感器老化的影響。設計了一系列排放試驗，通過標定控制噴嘴流量偏置模擬各缸的不均勻性。表1為本次試驗的具體規劃，表中0.9-1-1-1代表第1缸噴嘴稀10%，0.9-1-0.9-1代表第1，3缸噴嘴稀10%，0.9-1-1-0.9代表第1，4缸噴嘴稀10%。每種試驗，均先重置燃油閉環和ICFC學習值后再進行一次預運行，以保證閉環和ICFC進行充分學習，提高試驗的準確性。

表1 ICFC排放試驗規劃

圖17為氮氧化合物(NO，國五限值0.06g/km)、非甲烷烴類化合物(NMHC，國五限值0.068g/km)、一氧化碳(CO，國五限值1g/km)和碳氫化合物(THC，國五限值0.1g/km)的排放試驗結果。對比Test 4B和Test 4、Test 4AB和Test 4A的結果，明顯可以看出氮氧化合物的排放對于缸間不均勻性非常敏感，當ICFC功能開啟后大幅降低了氮氧化合物的排放，基本上將排放水平控制在限值內。一氧化碳和碳氫化合物的排放對缸間不均勻性不敏感，各個試驗中的碳氫化合物排放沒有明顯變化。同時，老化氧傳感器對ICFC功能沒有影響。

圖17 排放試驗的污染物結果

圖18為百公里油耗試驗結果，由圖可見，ICFC功能開啟后油耗有所降低。

圖18 排放試驗的油耗結果

6 結論

本文中詳細論述了基于虛擬氧傳感器的ICFC系統實現的具體過程。該系統通過分析前置氧傳感器信號，為各缸虛擬增加一個氧傳感器，以修正各缸噴油脈寬，實現各缸的均勻燃燒。該系統在不增加車輛制造成本的條件下，提高車輛的燃油經濟性、降低排放水平并改善駕駛性。本文中根據實際項目的應用環境，在非等長排氣系統、高原環境和傳感器老化3個方面做了深入研究，使得該系統可以補償非等長排氣系統的干擾，可以修正和克服極限工作環境的影響。

本系統在德爾福(中國)科技研發中心排放試驗室的不同測試車輛上進行了超過100次常溫排放試驗以驗證系統的可靠性，同時，在不同測試車輛上由軟件加入各缸的濃稀干擾，并通過排放結果驗證系統的實時響應性能。在實車試驗中，本系統在不同測試車輛上進行了大量海平面(試驗地點：上海)的道路驗證，和不同海拔高度下(試驗路線：從吐魯番(低于海平面)到敦煌(海拔約1 100m)，再到格爾木(海拔約2 800m)，最后到昆侖山口(海拔約4 700m)的長途道路驗證。在實車試驗中，由軟件加入各缸的濃稀干擾，以確定系統在不同的發動機運行工況和外界環境下的實時響應和系統可靠性。所有這些試驗的結果都證明本系統已經滿足開發要求，通過了項目驗收。目前本系統已經在江淮汽車的1.5L自然進氣發動機上得到量產應用。

[1] KAINZ J L, SMITH J C. Individual Cylinder Fuel Control with a Switching Oxygen Sensor[C]. SAE Paper 1999-01-0546.

[2] SMITH J C, KAINZ J L. Individual Cylinder Air/Fuel Ratio Control Based on a Single Exhaust Gas Sensor: US06382198B1[P]. May 7, 2002.

[3] SMITH James C, SCHULTE Charles W, CABUSH David D. Individual Cylinder Fuel Control for Imbalance Diagnosis[C]. SAE Paper 2010-01-0157.

[4] KRENUS R, COSTA H. Individual Cylinder Fuel Control Application with a Switching Oxygen Sensor[C]. SAE Paper 2010-36-0028.

[5] JAMES F Burkhard. Individual Cylinder Fuel Control for a Turbocharged Engine[C]. SAE Paper 2014-01-1167.

[6] SHINJI Nakagawa, EISAKU Fukuchi, AKIHITO Numata. A New Diagnosis Method for an Air-Fuel Ratio Cylinder Imbalance[C]. SAE Paper 2012-01-0718.

[7] WU Z, WASACZ B. Estimation of Individual Cylinder Fuel Air Ratios from a Switching or Wide Range Oxygen Sensor for Engine Control and On-Board Diagnosis[C]. SAE Paper 2011-01-0710.

Individual Cylinder Fuel Control System of Engine Based on Virtual Oxygen Sensor

Wei Shaohua

DelphiShanghaiDynamics&PropulsionSystemsCo.,Ltd.,Shanghai200131

An individual-cylinder fuel control system is presented based on virtual oxygen sensor in this paper for improving the unevenness between cylinders of engine. By virtually installing an oxygen sensor on each cylinder of engine, analyzing their signals to monitor combustion unevenness, and by adjusting the fuel injection pulse width of each cylinde to improve the combustion evenness between cylinders. The test results show that the system can enhance the fuel economy, lower the emission level and improve the driveability of vehicle without increasing its manufacturing costs.

engine; virtual oxygen sensor; individual cylinder fuel control

*原稿收到日期為2014年6月20日，修改稿收到日期為2014年9月15日。