基于硬件在環的發動機燃油蒸發控制系統策略設計

趙志國，邵 軍，徐 蒙，張 寅 Zhao Zhiguo，Shao Jun，Xu Meng，Zhang Yin

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基于硬件在環的發動機燃油蒸發控制系統策略設計

趙志國，邵 軍，徐 蒙，張 寅 Zhao Zhiguo，Shao Jun，Xu Meng，Zhang Yin

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

設計合理的燃油蒸發污染物系統控制策略不僅能有效地控制蒸發污染物的排放，而且在保證發動機原機性能的條件下還可以達到節油的效果。針對燃油蒸發污染物的主要來源和形成機理，對燃油蒸發控制系統進行分析及研究，設計出燃油蒸發控制系統控制使能條件判斷模塊和控制算法模塊，并在硬件在環（Hardware in the Loop，HIL）系統上模擬運行驗證；結果表明該燃油蒸發控制系統控制策略的設計原理能夠合理有效地控制炭罐清洗電磁閥的開啟和關閉，滿足燃油蒸發污染物控制系統的基本要求，為汽油機ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）控制策略的總體開發提供參考。

硬件在環；燃油蒸發；策略設計

1 燃油蒸發控制系統作用

燃油蒸發污染是指從燃油系統的通氣口逸散出的汽油蒸氣產生的污染[1-2]。這部分汽油蒸氣占THC（Total Hydro Carbons，碳氫化合物總量）污染物的15%～20%；因此，控制該污染物已成為降低汽油車排放污染物的一項重要舉措。燃油蒸發控制系統主要用于防止油箱內的燃油蒸氣溢出進入大氣中，使燃油蒸氣通過油箱壓力控制閥和蒸氣管路被臨時存儲在炭罐內。燃油蒸發控制系統的工作原理是當發動機熄火后，汽油蒸氣與新鮮空氣在罐內混合并貯存在活性炭罐中，而當發動機啟動后，車輛運行狀態滿足燃油蒸發控制系統控制策略運行條件時，裝在活性炭罐與進氣歧管之間的電磁閥門打開，如圖1所示，這時活性炭罐內的汽油蒸氣在進氣管的真空度作用下被潔凈空氣帶入氣缸內參與燃燒，這樣既降低了排放又降低了油耗[3]。發動機燃油蒸發控制系統利用活性炭罐收集油箱內蒸發產生的汽油蒸氣，并在合適的工況下開啟炭罐閥將適量的汽油蒸氣排入進氣管路進而導入氣缸參與燃燒，防止揮發的汽油蒸氣直接排入大氣，最大限度地降低車輛的蒸發排放，并盡量減少對發動機性能的影響[4]。通過炭罐閥進入進氣管路的蒸氣流率由炭罐閥的開度控制，并對經炭罐閥進入氣缸的蒸氣流量進行估算，修正燃油供應系統的噴油量。

注：1. 管路；2. 節氣門體；3 管路；4. 空氣入口；5. 炭罐；6-油箱管路；7. 油箱阻尼器；8. TPCV閥；9. 油箱。

2 燃油蒸發控制系統設計原理

燃油蒸發系統主要包括控制使能條件判斷模塊和控制算法模塊2部分。

燃油蒸發控制系統控制使能條件判斷模塊的主要功能為：當炭罐閥打開時，燃油蒸氣被吸入進氣歧管，燃油蒸發控制系統閥的開啟會產生不確定的空氣流量和燃油流量，為減少燃油蒸氣進入氣缸對發動機正常燃燒做功的影響，尤其是對空燃比閉環控制功能的影響，炭罐閥開啟時必須滿足一定條件；燃油蒸發控制系統控制使能條件判斷如圖2所示，只有圖中所示4個條件同時滿足時，才會開啟炭罐閥，將活性炭罐收集的燃油蒸氣導入氣缸。

注：ECT（Engine Coolant Temperature，發動機冷卻水溫）。

控制算法模塊主要功能為計算炭罐閥開度信號并估算流經炭罐閥的燃氣流量。

2.1 炭罐閥開度計算和清洗氣流流量估算原理

流經炭罐閥的清洗氣流流量為

為控制清洗氣流中燃氣流量，首先要確定清洗氣流中燃油蒸氣的濃度。炭罐閥開啟時，發動機實際空燃比為

流過炭罐閥的清洗氣流包括新鮮空氣和燃油蒸氣兩部分

由式（2）～（3）可得，流過炭罐閥的燃油質量流量為

清洗燃油比率為

定義

綜合以上各式，流過炭罐閥的氣體質量流量目標值purge，reqd為

確定流過炭罐閥的氣體流量目標值后，再利用式（1），根據（Δ，）對溫度及壓力修正，將流量轉化為標準狀態下的目標質量流量值，依據標定的閥門開度控制信號與標準狀態下質量流量關系，查表確定閥門開度控制信號。

2.2 燃油蒸發控制系統控制模塊計算流程及仿真設計

燃油蒸發控制系統控制模塊計算流程如圖3所示。根據當前的炭罐閥開度信息計算實際的清洗氣流流量，然后與空燃比、噴油量、進氣流量計算得出清洗氣流中的燃氣流量及清洗氣流的空燃比。清洗氣流中的燃氣流量根據轉速、負荷和噴油量確定，用來對噴油量進行修正。清洗氣流的目標流量由清洗氣流的空燃比與清洗氣流中燃氣流量的目標值來確定，然后經過溫度、壓力修正后得到對應狀態下的目標流量及炭罐閥的目標占空比。

圖3 燃油蒸發控制系統控制信號計算流程圖

清洗氣流出口壓力計算模型主要用來計算炭罐清洗氣流出口的壓力值。計算方法簡單，直接來自于計算或者采集的進氣壓力值。

清洗氣流流量計算模型主要用來計算清洗氣流流量的理論值和實際值，其中實際清洗氣流流量是根據進氣流量與進氣壓力的查表值乘以炭罐電磁閥控制信號中占空比確定的系數而得到。理論清洗氣流流量首先根據空燃比、噴油量、進氣流量、炭罐電磁閥的實際開度，根據式（4）計算得出炭罐閥清洗氣流中燃油流量，進而計算出清洗氣流燃油比率，最后把清洗氣流燃油比率、噴油量以及查表得到的清洗氣流燃油比率目標值帶入式（7）得到清洗氣流流量的理論值。

炭罐閥控制信號計算模塊用來計算炭罐電磁閥占空比，主要通過炭罐電磁閥流量需求值和實際值擬合模塊計算的炭罐電磁閥目標開度，在進行溫度、壓力、壓差等修正后查表得到最終的占空比。

3 硬件在環環境驗證

硬件在環仿真系統是指將部分實際被控對象或系統部件用高速運行的實時仿真模型來代替，而控制系統則采用實物（硬件ECU、執行器及傳感器）構成的系統。HIL可對控制系統的控制策略、控制功能及系統可靠性等進行測試和評估，有助于對炭罐控制策略進行驗證。

3.1 硬件在環系統的搭建

設計的硬件在環仿真系統主要由3部分組成，包括實時仿真系統、PC機監控系統和ECU。其中實時仿真系統的硬件部分包括基于PC的測量和自動化平臺系統、I/O模塊及仿真器等；軟件部分包括LabView和發動機模型系統。通過模擬運轉的發動機，I/O模塊相當于發動機的傳感器輸入及執行器輸出。仿真器工具能夠簡便地測試和仿真控制器生成的信號，以及將信號輸入給控制器，是進行硬件在環測試必需的信號輸入/輸出工具。

PC機監控系統主要利用LabView界面及INCA軟件來監控ECU的運行情況，作為人機交互平臺，既可以方便地修改系統仿真模型的參數，又能及時地監控系統實時仿真模型在控制系統實物作用下運行狀態的變化情況。

ECU硬件采用ECU565-128。控制策略的編寫轉換選擇MotoHawk。將采用MotoHawk編譯的控制策略下載到ECU565-128中，連接到發動機仿真系統，直接對模擬的發動機進行控制。

硬件在環集成如圖4所示。

圖4 硬件在環系統

3.2 炭罐控制策略的驗證

為驗證控制策略的有效性，運行模擬市區駕駛循環的測試工況，并與實車對比，通過硬件在環上微機監控界面采集數據，如圖5所示。從硬件在環模擬采集燃油蒸發控制系統控制曲線可以看出，當車速（Vehicle_Speed）＞20 km/h，發動機水溫（ECT）處于40～100℃，空燃比閉環控制標志位（O2_ CloseLoop_Engine）置位，閉環控制時間>5 s，怠速使能條件標志位（P_IdleState）不置位即發動機脫離怠速控制狀態，4個條件同時滿足后，燃油蒸發控制系統電磁閥使能條件（P_EVAP_Eable_Flag）即被觸發，并可根據工況需求正常開啟和關閉，與實車INCA軟件采集的燃油蒸發控制系統控制曲線（圖6）對比可以看出，硬件在環模擬汽油機燃油蒸發控制系統的炭罐占空比控制信號與實車采集數據具有良好的同步性，能夠合理有效地控制炭罐清洗電磁閥的開啟和關閉，滿足汽油車燃油蒸發污染物控制系統控制策略的有效性。

圖5 硬件在環模擬采集燃油蒸發控制系統控制曲線

圖6 實車INCA軟件采集燃油蒸發控制系統控制曲線

4 結 論

針對汽油車燃油蒸發污染物的主要來源和形成機理，對燃油蒸發控制系統進行分析及研究；根據燃油蒸發控制系統閉環控制原理，設計出燃油蒸發控制系統控制使能條件判斷模塊和控制算法模塊，并在硬件在環系統上模擬運行驗證，與實車測試結果對比分析，得出以下結論。

1）設計出燃油蒸發控制系統控制使能條件判斷模塊和控制算法模塊可以支持燃油蒸發控制系統正常工作；

2）在HIL環境下對燃油蒸發控制系統控制策略測試結果與實車同等行駛工況下測試結果進行對比，燃油蒸發控制系統電磁閥控制標志位及占空比信號吻合，所設計的控制策略有效；

3）該燃油蒸發控制系統控制策略的設計原理，能夠合理有效地控制炭罐清洗電磁閥的開啟和關閉，滿足汽油車燃油蒸發污染物控制系統的基本要求，為汽油機ECU控制策略的總體開發提供參考。

[1]克勞斯，安格林.汽車有害排放物的控制[M]. 梁思忠，等譯.北京：人民交通出版社，1989.

[2]趙士林. 九十年代內燃機[M].上海：上海交通大學出版社，1992.

[3]何杰. 汽車炭罐的功能及其相關故障[J]. 汽車零部件，2010（3）：45-46.

[4]史廣寶，張海燕，邵忠瑛. 國Ⅳ階段蒸發排放控制的試驗研究[C]// 2010中國汽車工程學會年會論文集，2010.

2017-06-20

1002-4581（2017）05-0033-04

U467.4+99

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.05.009