電子節(jié)流閥體積炭應(yīng)對策略研究

祁克光，黃開勝（.奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)工程研究院，安徽 蕪湖　4009；.清華大學(xué)汽車工程系，北京　00084）

電子節(jié)流閥體積炭應(yīng)對策略研究

祁克光1，黃開勝2
（1.奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)工程研究院，安徽 蕪湖241009；2.清華大學(xué)汽車工程系，北京100084）

通過售后和實(shí)際試驗(yàn)分析節(jié)流閥體的積炭會(huì)對控制產(chǎn)生影響，研究電子節(jié)流閥體積炭對進(jìn)氣量流量的影響及應(yīng)對策略。

電子節(jié)流閥體；積炭；流量自學(xué)習(xí)

1　積炭導(dǎo)致的控制問題

在EMS系統(tǒng)路試的試驗(yàn)中，當(dāng)車輛行駛里程超過1萬km之后，出現(xiàn)起動(dòng)后怠速不穩(wěn)定的情況。其數(shù)據(jù)采集如圖1所示。起動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入怠速控制工況，轉(zhuǎn)矩開始干預(yù)，以怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)進(jìn)行閉環(huán)控制。從圖1中可以看到起動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速再回落到目標(biāo)怠速，在怠速控制的過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)速 （圖中黑線）波動(dòng)的問題。怠速控制轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)邏輯為：目標(biāo)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩需求，加上實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速偏差的PID控制調(diào)節(jié)量，組成了總的怠速控制轉(zhuǎn)矩需求?？偟霓D(zhuǎn)矩需求轉(zhuǎn)化為充氣量的需求，充氣量的需求轉(zhuǎn)化為進(jìn)氣量的需求，進(jìn)氣量的需求轉(zhuǎn)化為節(jié)流閥體開度的需求，從而使實(shí)際怠速轉(zhuǎn)速和目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速保持一致，整個(gè)過程通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)進(jìn)行閉環(huán)控制。通過數(shù)據(jù)采集可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際充氣量 （粉紅色線）小于需求充氣量 （黃色線），而實(shí)際節(jié)流閥體開度 （深藍(lán)色線）卻和需求的節(jié)流閥體開度 （淺綠色線）相同。這說明通過節(jié)流閥體的進(jìn)氣量出現(xiàn)了偏差，低于預(yù)先標(biāo)定值。實(shí)際進(jìn)氣量小于需求進(jìn)氣量導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，判斷為電子節(jié)流閥體積炭。

典型特征：①發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)；②節(jié)氣門實(shí)際開度和需求相同情況下，進(jìn)氣需求和實(shí)際偏差較大；③進(jìn)氣符合需求，在起動(dòng)后10 s，轉(zhuǎn)速波動(dòng)逐漸消失；④暖機(jī)中怠速點(diǎn)火角持續(xù)偏大，說明進(jìn)氣不足。

把節(jié)流閥體拆掉后，清洗積炭，重新安裝在整車上進(jìn)行測試。清潔的電子節(jié)流閥體數(shù)據(jù)采集如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 （黑色線）穩(wěn)定，不再出現(xiàn)波動(dòng)。實(shí)際充氣量 （粉紅色線）等于需求充氣量 （黃色線），實(shí)際節(jié)流閥體開度 （深藍(lán)色線）和需求的節(jié)流閥體開度 （淺綠色線）相同，控制正常。

典型特征：①發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；②節(jié)氣門實(shí)際開度和需求相同情況下，進(jìn)氣需求和實(shí)際偏差很??；③怠速點(diǎn)火角正常；④節(jié)氣門開度相對較小。

通過以上數(shù)據(jù)分析對比可知，電子節(jié)流閥體因?yàn)榉e炭的原因，導(dǎo)致其流量出現(xiàn)了偏差。當(dāng)?shù)∷倏朔瑯拥陌l(fā)動(dòng)機(jī)阻力轉(zhuǎn)矩時(shí)，需求相同的進(jìn)氣量對應(yīng)的節(jié)氣門開度不同，如果ECU無法識(shí)別則是怠速控制問題。通過售后故障案例分析，積炭嚴(yán)重時(shí)，甚至出現(xiàn)起動(dòng)后熄火的問題。不僅如此，甚至怠速開關(guān)電器負(fù)載 （如空調(diào)、前照燈等）、原地加/減油門等的怠速控制都會(huì)因?yàn)榉e炭出現(xiàn)問題。

圖2　　電子節(jié)流閥體清洗積炭后的怠速控制數(shù)據(jù)采集圖

圖3　　電子節(jié)流閥體積炭影響流量示意圖［1］

2　積炭形成的機(jī)理

如圖3所示，電子節(jié)流閥體一端為進(jìn)氣口，和進(jìn)氣軟管連接在一起；一端接發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管。節(jié)流閥體內(nèi)有一閥片，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥片的開度來控制進(jìn)氣量。閥片在最小開度的位置為0位置，如果積炭在閥片的垂直下方，會(huì)影響0位置的偏移，由0位置自學(xué)習(xí)算法解決。因積炭或者節(jié)流閥體差異，在0位置時(shí)的進(jìn)氣量有差異，由0位置漏氣量的自學(xué)習(xí)算法解決。但現(xiàn)在ECU控制策略中并沒有對積炭問題導(dǎo)致的進(jìn)氣流量偏差進(jìn)行考慮，如果閥片內(nèi)側(cè)積累一定量的積炭，會(huì)影響到小開度范圍內(nèi)進(jìn)氣流量的偏差。當(dāng)然，如果閥片外側(cè)積累一定量的灰塵，也存在類似問題。但因?yàn)檫M(jìn)氣口和進(jìn)氣軟管相連，進(jìn)氣軟管之前有空氣濾清器，所以閥片外側(cè)積累灰塵的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于閥片內(nèi)側(cè)積累積炭的幾率。那是因?yàn)檫M(jìn)氣歧管和發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣閥相連，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)燃燒的廢氣回流或者油品有雜質(zhì)，就會(huì)在閥片內(nèi)側(cè)產(chǎn)生積炭。通過實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，汽車行駛約每1萬km，閥片內(nèi)側(cè)的積炭就會(huì)嚴(yán)重影響小開度范圍內(nèi)的進(jìn)氣流量，直接導(dǎo)致起動(dòng)或者怠速控制的異常故障。

3　積炭對進(jìn)氣流量影響的測試

測試目標(biāo)車型為奇瑞瑞虎3，EMS系統(tǒng)為奇瑞CEMS E1.0。測試方法：①積炭電子節(jié)流閥體整車；②清潔電子節(jié)流閥體同一臺(tái)整車；③清潔電子節(jié)流閥體另一臺(tái)整車。

分別關(guān)閉轉(zhuǎn)矩模型控制，固定點(diǎn)火角為25°（曲軸角度），控制節(jié)氣門開度5%，4.5%，4%，3.5%，3%，2.5%，2%，1.8%，1.6%，1.5%，1.4%，1.3%，1.2%，1.1%，1%，0.9%，0.8%，測量其對應(yīng)的進(jìn)氣量。結(jié)果如圖4所示。同一臺(tái)車上，積炭電子節(jié)流閥體相對清潔電子節(jié)流閥體在相同的節(jié)氣門開度下，進(jìn)氣量流量減少很多。而另一臺(tái)車上清潔電子節(jié)流閥體的進(jìn)氣流量特性則和第一臺(tái)車上使用清潔電子節(jié)流閥體的進(jìn)氣流量基本保持一致。由此說明積炭對電子節(jié)流閥體進(jìn)氣流量影響較大。

圖4　　電子節(jié)流閥體流量測試對比圖

4　積炭故障對怠速控制的影響

在怠速控制狀態(tài)下，其氣量控制的策略大體分為3部分：①怠速轉(zhuǎn)矩需求；②怠速轉(zhuǎn)矩需求轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量需求；③怠速進(jìn)氣量需求轉(zhuǎn)化為節(jié)氣門開度需求。

4.1怠速轉(zhuǎn)矩需求

如圖5所示，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)不對外輸出轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒所發(fā)出的轉(zhuǎn)矩就是用來克服自身的摩擦阻力。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)怠速對應(yīng)著一個(gè)固定的基礎(chǔ)阻力轉(zhuǎn)矩，阻力轉(zhuǎn)矩乘以怠速穩(wěn)定系數(shù)，得到怠速轉(zhuǎn)矩，然后經(jīng)過怠速I閉環(huán)控制，怠速轉(zhuǎn)矩加上怠速I部分調(diào)節(jié)量構(gòu)成了怠速轉(zhuǎn)矩需求，經(jīng)過氣路轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)模型，最終得到協(xié)調(diào)后的怠速轉(zhuǎn)矩需求。

圖5　　怠速控制轉(zhuǎn)矩需求控制策略邏輯圖

4.2怠速轉(zhuǎn)矩需求轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)充氣量需求

如圖6所示，協(xié)調(diào)后的怠速轉(zhuǎn)矩需求經(jīng)過充氣量計(jì)算模型，由轉(zhuǎn)矩需求轉(zhuǎn)化為充氣量需求。由于內(nèi)部EGR會(huì)有部分殘留的新鮮空氣充量，這部分要減去，才是通過電子節(jié)流閥體控制的充量需求。充氣量需求和實(shí)際充氣量的差值作為充氣量的調(diào)節(jié)系數(shù)補(bǔ)償?shù)匠淞啃枨笾校瑥亩@得修正后的充量需求。在當(dāng)前怠速轉(zhuǎn)速下，修正的充量需求乘上充量到進(jìn)氣量轉(zhuǎn)化系數(shù)，就確定了怠速時(shí)進(jìn)氣量需求。

圖6　　怠速控制轉(zhuǎn)矩需求到進(jìn)氣需求控制策略邏輯圖

4.3怠速轉(zhuǎn)矩需求轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量需求

如圖7所示，由怠速進(jìn)氣量需求，最終通過節(jié)氣門開度控制需求來實(shí)現(xiàn)。由于炭罐電磁閥有部分新鮮空氣流入，還有節(jié)氣門0位置的漏氣量，這兩部分的進(jìn)氣量要減去后，才是閥片控制的需求進(jìn)氣量。閥片控制的進(jìn)氣量通過電子節(jié)流閥體的流量特性，就轉(zhuǎn)化為怠速節(jié)氣門開度需求。

圖7　　怠速控制進(jìn)氣需求到節(jié)氣門需求控制策略邏輯圖

從整個(gè)控制策略邏輯可以看出，怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速的維持，基礎(chǔ)是怠速轉(zhuǎn)矩需求。怠速轉(zhuǎn)矩需求經(jīng)過充氣量需求轉(zhuǎn)化為進(jìn)氣量的需求，進(jìn)氣量的需求通過電子節(jié)流閥體流量特性，最終通過節(jié)流閥體開度控制需求來實(shí)現(xiàn)。這樣，由于電子節(jié)流閥體積炭導(dǎo)致的進(jìn)氣流量偏差，就會(huì)導(dǎo)致當(dāng)需求的節(jié)氣門開度和實(shí)際開度相同的情況下，實(shí)際進(jìn)氣量達(dá)不到需求進(jìn)氣量的要求。通過實(shí)際數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，清潔的電子節(jié)流閥體怠速時(shí)節(jié)氣門開度為0.9%，對應(yīng)的進(jìn)氣量為6.9 kg/h，積炭的電子節(jié)流閥體怠速時(shí)的節(jié)氣門開度為2%，對應(yīng)的進(jìn)氣量為7 kg/h。這也更加論證了邏輯上怠速轉(zhuǎn)矩需求和進(jìn)氣量需求的準(zhǔn)確性，而產(chǎn)生偏差的原因即為積炭導(dǎo)致了電子節(jié)流閥體流量特性的偏差。

從邏輯上可以看到兩個(gè)地方的修正可以對電子節(jié)流閥體積炭進(jìn)氣流量影響起到一定的作用：一個(gè)是充氣調(diào)節(jié)量；一個(gè)是節(jié)氣門漏氣量。但并不能從根本上解決這個(gè)問題。

充氣量的調(diào)節(jié)功能主要是用來在負(fù)荷突變的時(shí)候校正歧管壓力。負(fù)荷突變主要是指加減速或者怠速時(shí)電器負(fù)載的開關(guān)過渡?？梢苑Q之為負(fù)荷控制器的P調(diào)節(jié)，對于怠速時(shí)電器負(fù)載的開關(guān)負(fù)載變化以及Tip-in/ Tip-out負(fù)載變化時(shí)，避免轉(zhuǎn)速的過度上沖和下跌。當(dāng)電子節(jié)流閥體出現(xiàn)積炭的時(shí)候，穩(wěn)態(tài)怠速下需求進(jìn)氣量和實(shí)際進(jìn)氣量產(chǎn)生偏差，充量調(diào)節(jié)可以有積極的調(diào)節(jié)作用，但并不能根本解決問題。首先，充量調(diào)節(jié)因?yàn)槭荘調(diào)節(jié)，不能在起動(dòng)后立即使能干預(yù)，通常是起動(dòng)結(jié)束后10 s使能。如果過早使能會(huì)引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)。如圖8所示，把充量控制使能時(shí)間調(diào)整到1 s，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的情況。其次，當(dāng)出現(xiàn)積炭的時(shí)候，充量調(diào)節(jié)在負(fù)荷突變的時(shí)候，其作用也會(huì)受到限制。

圖8　　起動(dòng)后1s立即進(jìn)入充量控制轉(zhuǎn)速波動(dòng)采集圖

節(jié)氣門漏氣量的調(diào)節(jié)。電子節(jié)流閥體在關(guān)閉 （機(jī)械0位置）的時(shí)候，仍舊有一部分進(jìn)氣量，稱之為漏氣量。節(jié)流閥體在生產(chǎn)一致性上存在散差，允許漏氣量有稍許的偏差。通常每次起動(dòng)的時(shí)候，漏氣量的初始化值被賦給3.5 kg/h（依據(jù)電子節(jié)流閥體的設(shè)計(jì)指標(biāo)），在怠速及斷油的時(shí)候進(jìn)行自學(xué)習(xí) （炭罐沖刷時(shí)不使能），自學(xué)習(xí)范圍0～7kg/h。通過實(shí)際數(shù)據(jù)采集分析，圖9所示積炭的電子節(jié)流閥體漏氣量的自學(xué)習(xí)從3.5kg/h開始向下學(xué)習(xí)，直至為0。這其中反映的并不是真正意義上的節(jié)氣門漏氣量為0，而是因?yàn)榉e炭導(dǎo)致進(jìn)氣流量較小，實(shí)際的進(jìn)氣量和需求的進(jìn)氣量偏差導(dǎo)致的漏氣量誤學(xué)習(xí)。因?yàn)楸旧砉?jié)氣門漏氣量的學(xué)習(xí)需要一定的時(shí)間，況且漏氣量的學(xué)習(xí)范圍有限，也不能完全解決這種問題。

圖9　　積炭節(jié)流閥體漏氣量自學(xué)習(xí)采集圖

4.4電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)策略設(shè)計(jì)

為解決電子節(jié)流閥體積炭導(dǎo)致的進(jìn)氣流量偏差所帶來的控制問題，需要新的控制策略設(shè)計(jì)。為此，專門對電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)策略進(jìn)行研究。電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)策略主要包括2個(gè)部分：①電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)使能條件的判斷；②電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)值的計(jì)算。

4.4.1自學(xué)習(xí)使能條件的判斷策略

1）電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)只能在怠速工況下進(jìn)行。積炭對流量的影響在怠速工況最為明顯，本身怠速進(jìn)氣量需求較小，積炭流量偏差更加顯著，且這種積炭流量偏差只影響怠速控制。

2）在一些關(guān)鍵零部件有故障的時(shí)候，不能進(jìn)行電子節(jié)流閥體的流量自學(xué)習(xí)控制。如：TMAP歧管壓力傳感器、電子節(jié)氣門故障 （包括位置傳感器和直流電機(jī)）等。這些零部件因?yàn)楹瓦M(jìn)氣量計(jì)算、節(jié)氣門控制相關(guān)，一旦產(chǎn)生故障，在不可信的信號(hào)下不能進(jìn)行自學(xué)習(xí)。

3）起動(dòng)結(jié)束后才允許進(jìn)入電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)。因?yàn)槠饎?dòng)的時(shí)候進(jìn)氣量的開環(huán)控制以及燃燒的不穩(wěn)定性等直接影響進(jìn)氣量的計(jì)算。

4）Ld閉環(huán)控制進(jìn)入，不再進(jìn)行電子節(jié)流閥體的流量自學(xué)習(xí)。二者產(chǎn)生沖突，直接導(dǎo)致控制異常。

5）當(dāng)有電器負(fù)載，如空調(diào)、前照燈、助力轉(zhuǎn)向等電器負(fù)載開/關(guān)的時(shí)候，不允許進(jìn)入電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)。因?yàn)檫@些電器負(fù)載的開/關(guān)直接導(dǎo)致進(jìn)氣負(fù)荷的突變，容易導(dǎo)致自學(xué)習(xí)誤判。

6）當(dāng)實(shí)際的電子節(jié)流閥體位置和需求位置一致（偏差在一定的范圍內(nèi)），實(shí)際進(jìn)氣量和需求進(jìn)氣量的偏差超過特定的值，則判斷電子節(jié)流閥體因?yàn)榉e炭導(dǎo)致流量偏差，需進(jìn)行電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)。

通過以上條件綜合判斷電子節(jié)流閥體是不是因?yàn)榉e炭而導(dǎo)致流量偏差，且對怠速控制產(chǎn)生不利的影響，從而進(jìn)行電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)。

4.4.2自學(xué)習(xí)值的計(jì)算

當(dāng)電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)使能條件滿足后，實(shí)際的進(jìn)氣量和需求的進(jìn)氣量之間的偏差即為積炭對流量的影響量。在依據(jù)需求進(jìn)氣量計(jì)算節(jié)氣門開度的時(shí)候，考慮到這部分偏差就完成了電子節(jié)流閥體的流量自學(xué)習(xí)。需要注意以下兩點(diǎn)：①實(shí)際進(jìn)氣量和需求進(jìn)氣量之間的偏差需要通過濾波后，才能作為真正意義上用于電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)的計(jì)算，波動(dòng)的信號(hào)不能作為自學(xué)習(xí)值；②電子節(jié)流閥體自學(xué)習(xí)值學(xué)習(xí)完成后，要寫入EEROM中，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)每次起動(dòng)都會(huì)從EEROM中調(diào)入自學(xué)習(xí)值，自學(xué)習(xí)才能有效實(shí)現(xiàn)功能控制。

5　結(jié)束語

電子節(jié)流閥體流量自學(xué)習(xí)功能，可判斷因?yàn)榉e炭等因素導(dǎo)致進(jìn)氣流量偏差，并對這種偏差進(jìn)行自動(dòng)化的控制糾錯(cuò)，避免ECU系統(tǒng)控制功能故障，如怠速不穩(wěn)、熄火等。通過試驗(yàn)跟蹤，大約每1萬km，電子節(jié)流閥體積炭就會(huì)對控制產(chǎn)生影響。而本文電子節(jié)流閥體積炭流量自學(xué)習(xí)策略，通過控制功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化糾錯(cuò)，駕駛者無需清洗電子節(jié)流閥體，同時(shí)提升控制系統(tǒng)的可靠性。奇瑞自主研發(fā)的二代發(fā)動(dòng)機(jī)管理控制系統(tǒng)CEMS E1.0具有此控制功能，且已經(jīng)在奇瑞瑞虎3上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

［1］祁克光.機(jī)械和電子節(jié)流閥體怠速控制技術(shù)分析［J］.汽車電器，2014（10）：32-35.（編輯心翔）

On the Coping Strategy for Carbon Deposit in Electronic Throttle Valve Body

QI Ke-guang1，HUANG Kai-sheng2
（1.Engine Engineering Research Institute of Chery Automobile Co.，Ltd.，Wuhu241009，China；2.Department of Automotive Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Control can be affected by carbon deposit in electronic throttle valve through aftersales and practical test analysis.The effect of carbon deposit on air input flow and its coping strategy are studied here.

electronic throttle valve body；carbon deposit；flow self-learning

U463.6

A

1003-8639（2016）02-0005-04

2015-09-14；

2015-11-13

祁克光，2002年從事汽車電控工作，2008年6月帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成中國第一個(gè)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EMS系統(tǒng)CEMS1.0并批量應(yīng)用，2011年以"奇瑞自主EMS項(xiàng)目"為課題獲得中國汽車工業(yè)部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。