多點電噴氣體發動機空燃比閉環控制系統設計

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(上海工程技術大學 汽車工程學院，上海 201620)

多點電噴氣體發動機空燃比閉環控制系統設計

孫戀敏，吳長水，龐魯楊，黃劍其

(上海工程技術大學汽車工程學院，上海201620)

空燃比控制是發動機性能實現中最重要的控制之一;基于玉柴某大型六缸單點氣體發動機改多點電噴的基礎上進行研究，在開放式ECU基礎上針對燃氣發動機瞬態變化過程中的反饋時間延遲，構建了一種基于前饋PID算法的空燃比閉環控制策略，用來預判和補償空燃比超調和反饋時間延遲；解決了發動機瞬變工況下空氣與燃氣的精確匹配問題;通過對臺架模型和發動機試驗的數據分析，結果表明基于前饋PID控制算法的空燃比閉環控制策略能夠進一步提高燃氣發動機的排放效率和動力性。

空燃比閉環控制；前饋PID算法；瞬變工況

0 引言

隨著發動機效率和排放控制法規日趨嚴格，在保證天然氣發動機動力性和經濟性的前提下，降低有害氣體排放是天然氣發動機開發研究的主要問題之一。鑒于發動機的排放性能是通過發動機實時空燃比反應的；對空燃比的實時精確控制顯得尤為重要。

氧傳感器是發動機空燃比控制系統中的主要部件，用于實時檢測發動機排氣中氧含量，反饋給電控單元(ECU)，ECU通過控制噴油脈寬調節天然氣發動機的混合氣空燃比，從而達到排放優化的目的[1]。

基于對玉柴某大型六缸單點天然氣發動機改多點電噴的研究。多點電控噴射方式控制是內燃機的主要發展方向之一，通過優化電控策略，使噴氣避開氣門重疊角，從而精確控制空燃比。

改動后的發動機多點噴射順序為1、5、3、6、2、4，由于每缸需要單獨的控制路線，所以控制策略的方式和結構都比單點控制更加精細，但是多點電噴使得各缸噴油時間均為最佳時刻，因此混合氣質量更加均勻，有利于提高車機燃油經濟性和降低污染物的排放。

1 空燃比控制系統組成

1.1 空燃比控制機理

圖1為天然氣發動機空燃比閉環電控系統示意圖，進氣歧管上的壓力傳感器實時的將壓力信號傳遞給ECU；ECU通過對轉速、節氣門開度、冷卻水溫以及進氣歧管壓力等與天然氣發動機理論空燃比17.2比較分析判斷得出目標空燃比。

圖1 空燃比閉環電控系統

另一方面，寬域氧傳感器實時地將實際空燃比傳遞給ECU，ECU將實際空燃比與目標空燃比比較判斷混合氣的濃稀狀態，通過PID調節器實時調節噴油器的噴油脈寬，從而實現空燃比閉環控制[2]。

1.2 空氣質量流量計算

發動機空燃比控制過程中，空氣質量流量的精確計算也是非常重要的，節氣門流量法和速度密度法是計算空氣質量流量的常用方法[3]。采用速度密度法來計算進入氣缸的空氣流量。計算公式如下：

注：Ma為進入氣缸空氣流量；pim[Pa]為歧管絕對壓力；R為氣體常數；Tm為歧管平均溫度；Ve為容積效率；n為發動機轉速。

速度密度法是通過采集進氣歧管絕對壓力和平均溫度，估算容積效率，結合發動機轉速，計算空氣質量流量。

2 空燃比預適應調節

ECU根據發動機不同的運行狀態其空燃比控制策略是不一樣的。當發動機處于起動、暖機階段時，發動機不進行空燃比的控制，但通過Lambda適應調節對空燃比進行修正，使發動機工作在怠速和部分負荷等工況時實際空燃比能更好地適應目標空燃比[4]。

發動機處于起動、暖機工況時，ECU通過Lambda預適應調節加強Lambda適應功能使得在冷卻水溫度較低(小于50 ℃)時獲得一個更加精確的Lambda修正。

ECU通過冷卻水溫度、進氣歧管壓力等因素確定燃氣噴射量和節氣門開度，使燃氣量與空氣量能夠準確匹配，并能通過適當的油門調節進行加濃控制，使發動機盡快達到暖機的目的。

3 空燃比閉環控制策略

3.1 控制系統策略設計

發動機空燃比控制過程中，ECU通過發動機的運行工況、氧傳感器參數等判斷選擇空燃比控制狀態為開環或閉環控制，再根據節氣門開度等判斷是否采用瞬態空燃比控制，如圖2所示。

圖2 空燃比控制策略

空燃比閉環控制中一個比較重要的環節就是目標空燃比的計算，如圖2中目標空燃比控制模塊，ECU通過對發動機轉速和進氣歧管壓力查目標空燃比的三維Map確定目標空燃比。如圖3目標空燃比三維Map，在穩態工況下為了滿足經濟性的要求，理想化學當量比在1～1.5之間，使得目標空燃比范圍為1.72～25.8之間，ECU調節目標空燃比偏大使發動機達到稀薄燃燒的目的[5]。

圖3 目標空燃比三維Map

3.2 空燃比開環控制

當氧傳感器工作溫度滯后于發動機空燃比控制運行工況或氧傳感器出現故障時，ECU為保證發動機運行正常，通過Lambda有效標志位選擇進行空燃比開環控制。

對于空燃比開環控制，確定目標空燃比后，ECU通過空氣質量流量與目標空燃比確定噴油量，根據不同燃氣壓力下的流量特性得出噴油脈寬。

3.3 空燃比閉環控制

三元催化轉換器(TWC)只有在理論空燃比附近狹小的范圍內，才能夠將排氣中的THC、CO、NOx等轉化成水、CO2、N2等的效率達到最佳。空燃比閉環就是ECU通過自動調節，使發動機工作在理論空燃比附近，因此，內燃機控制系統中最重要的閉環控制之一就是空燃比閉環控制系統。

對于滿足空燃比閉環控制的工況，選擇圖2中的空燃比閉環子系統，其內部控制策略原理如圖4空燃比閉環控制策略所示，過量空氣系數目標值與寬域氧傳感器實時提供的實際Lambda進行比較做差；ECU以此比較判斷混合氣濃稀狀態，并且對差值進行PID控制，對于微分控制，本策略采用差分形式的正向歐拉算法。通過空燃比閉環控制策略可以實時的得出空燃比閉環控制過程中的天然氣噴射量[6-7]。

圖4 空燃比閉環控制策略

3.4 瞬態空燃比閉環控制

發動機瞬態空燃比控制系統主要控制發動機在瞬態工況下仍然能夠保證實際輸出值快速跟蹤期望輸出值。當急加減等工況節氣門位置發生較大的變動時，發動機廢氣傳輸和氧傳感器信號濾波等造成時間延遲， ECU無法及時的跟蹤空氣質量流量變化，使得急加減速時過調節導致混合氣過濃或過稀，導致發動機工作不穩定甚至熄火。

瞬態工況下，空燃比閉環控制中加入前饋環節是非常有必要的。ECU可以根據節氣門開度和Lambda的變化幅度，通過前饋環節實時確定天然氣噴射量。瞬態工況通過前饋環節控制噴油脈寬的同時，ECU后續通過發動機運行影響因素查節氣門修正Map對節氣門開度進行修正，使進氣量更加穩定[8]。

4 試驗結果及分析

4.1 臺架試驗測試

為驗證所設計的基于模型的空燃比閉環PID控制的實際控制效果，將設計的ECU控制策略進行Sil和Hil等軟硬件在環測試，通過Sil測試驗證自動生成的代碼和用于代碼生成的模型是否一致；通過Hil測試控制器系統是否能正常穩定的工作[9]。

測試成功之后在基于玉柴某六缸單點改多點電噴氣體發動機進行臺架實際性能標定測試，以驗證策略的穩定性。

Vector公司的CANape主要用于參數優化，在控制系統運行過程中同時采集測量信號和標定參數值。CANape可使用CAN標定協議的CAN總線與ECU進行通信。CANape可進行離線數據分析，評估測量數據，自動生成分析報告；CANape集成的CDMstudio可提供圖形化的檢測與標定視圖，使標定更加直觀方便。

如圖5為發動機恒定轉速(1100 rpm/min)的檢測界面，在恒定轉速下通過油門不斷增加扭矩，利用空燃比閉環控制控制燃氣量，小負荷時，轉速能夠很好的穩定在目標轉速下；大負荷時，轉速由于燃氣壓力隨噴油脈寬的增大會產生油車現象，通過后期對燃氣壓力的匹配發動機能夠穩定工作。

圖5 發動機標定測試

圖6為發動機在瞬態控制過程中，通過實際Lambda反饋進行閉環空燃比控制，在急加速過程中，節氣門開度瞬間增加13%，Lambda發生跳變由1.4到1.83，并且在2.5秒后經過空燃比閉環控制回到1.5以下，證明采用瞬態空燃比閉環控制后動態響應提高。

圖6 發動機瞬態控制

4.2 實驗結果分析

空燃比控制的最終目的是提高發動機動力性、燃油經濟性和排放性能。通過發動機臺架對空燃比控制策略的標定驗證，對發動機試驗數據進行擬合分析[10]。

圖7為原機與經過空燃比控制的多點電噴發動機各個轉速下扭矩、功率對比。發動機轉速為1300 ～ 1700 rpm時，扭矩最大達到1037 N·m，功率提高10%以上。

圖7 扭矩、功率性能對比

通過圖8燃氣消耗量的對比可以得出經過空燃比閉環策略優化的發動機轉速為1100 rpm以上時，燃油消耗量減少了2 kg/h,發動機燃油經濟性在原機的基礎上得到了大幅的提高。

圖8 燃氣消耗量對比

對比各轉速下的扭矩、功率和燃油消耗量，可以看到單點天然氣發動機改多點電噴后，通過不斷優化空燃比閉環控制策略在相同轉速下的功率、扭矩都要優于原機。

5 結論

1)分析了發動機電控基于模型設計的方法，為多點電噴天然氣發動機的空燃比閉環控制打下了良好的理論基礎。

2)根據發動機不同的工作模式建立了空燃比開環和閉環控制模型。對于急加減速等瞬態工況提出的基于PID前饋控制的發動機瞬態空燃比控制策略，通過空燃比閉環控制預調節噴油量，盡快地穩定發動機運行狀態。

3)在天然氣發動機臺架上對多點電噴氣體發動機進行了空燃比控制試驗，試驗結果表明應用空燃比閉環控制算法的燃氣發動機瞬態工況收斂時間縮短，空燃比動態響應性提高，可以實現提高燃氣發動機的動力性和燃油經濟性。

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AirFuelRatioClosed-loopControlSystemDesignofMulti-pointGasInjectionEngine

Sun Lianmin，Wu Changshui，Pang Luyang，Huang Jianqi

(School of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Air-fuel-ratio control is one of the most important part to achieve engine performance.This electronic control system is based on a large six-cylinder gas engine of YuChai. Based on open ECU, it propose a kind of forward PID algorithm for the feedback time delay about transient change process in air-fuel-ratio closed-loop control system of Gas engine. This PID control algorithm is applied to estimate the overstrike of AFR and compensate the feedback time delay，which solved the exactly match problem of air and gas in the transient condition. The data analysis of simulation and the results of engine test show that the AFR closed-loop control system based on forward PID algorithm can be used to improve the discharge efficiency and the power performance of gas engine.

air-fuel-ratio closed-loop control; forward PID algorithm; transient condition

2016-12-08；

2017-05-26。

上海市科委“創新行動計劃”項目(17030501300)。

孫戀敏(1990-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事發動機電子控制策略方向的研究。

1671-4598(2017)11-0081-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.021

TP3

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