多缸柴油機工作均勻性控制方法研究

黃粉蓮，王鵬，申立中，王旭

(昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室，云南 昆明 650500)

發動機工作過程中，各氣缸內的循環噴油量、燃燒特性和器件磨損狀況等存在差異，導致各氣缸輸出的扭矩不一致。各缸輸出扭矩不平衡會導致發動機曲軸扭振加劇、NVH特性劣化，嚴重影響柴油機的工作穩定性和可靠耐久性能[1]。柴油機各缸均勻性控制(Cylinder Uniformity Control，簡稱“CUC”)基于發動機瞬時轉速波動情況計算各缸修正噴油量，從而減小各缸扭矩輸出的差異性。隨著柴油機高壓共軌噴射技術的發展，柴油機噴油量的精確計算和準確控制得以實現。各缸均勻性控制是確保柴油機穩定運行的基本要求，是改善循環內各缸燃燒的均勻性、提高柴油機綜合性能的關鍵技術。

針對各缸均勻性的研究，國內外專家學者從多角度對該問題進行了研究分析。Van Nieuwstadt等[2]開發了一種針對因制造偏差和老化情況不同而導致各氣缸不均勻性的方案，提出了幾種用于平衡各缸扭矩輸出的傳感器應用方法和算法。Cavina等[3]提出一種基于發動機瞬時轉速來分析和計算發動機失火及工作不均勻的方法，根據扭矩與速度的關系，在考慮扭振因素的情況下，構造一個失火檢測參數。研究表明：根據發動機速度波動來診斷扭矩輸出不均勻性和失火具有較高的可行性。Schiefer等[4]通過缸內壓力傳感器測量氣缸內的燃燒壓力來表征各缸扭矩的輸出情況。研究表明：在所有量化各缸扭矩輸出不均勻的方法中，直接測量各氣缸的燃燒壓力是最準確的，其缺點是在氣缸蓋上打孔安裝缸內壓力傳感器會干擾氣缸內的氣體運動，降低氣缸蓋的強度，增加制造成本。Macián[5]提出了一種基于線性模型的不均勻性控制算法，該算法是將傅里葉變換的低頻區和噴油量不均勻聯系起來，通過模型反算得到各缸噴油量差異。Solmaz[6]采用一種數學模型來研究失火和循環變化對內燃機曲軸轉速波動的影響，模型中考慮了缸內氣體壓力、發動機摩擦、產生線性和圓周運動部件的慣性效應對模型的影響，結果表明，單缸或多缸失火都會導致曲軸轉速的波動。Junichi[7]將相同曲軸轉角內產生的平均扭矩作為修正依據，設計了一套發動機扭矩平衡算法。

國內的研究工作主要以瞬時轉速相鄰波峰(或波谷)之間的差值，或者對各齒的瞬時轉速進行統計分析來量化不均勻度。胡重慶等[8]提出了一種基于瞬時轉速統計分析的失火檢測方法，通過調整、濾波、切分與重采樣后，將瞬時轉速序列的處理問題轉化為多變量的分析問題，采用主分量分析方法獲得各缸輸出扭矩的不均勻度。周泉[9]提出了一種基于帶通濾波的各缸工作不均勻性檢測與控制方法，當各缸輸出扭矩出現不均勻時，頻率為最低Z/2(Z為發動機的氣缸數)的波的振幅將加大。李建秋等[10]利用瞬時轉速波動分量的波峰差值作為反映發動機工作不均勻的指標，建立了發動機各缸均勻性反饋控制算法。王永庭等[11]通過比較各氣缸做功沖程波峰和波谷之間的轉速差來判斷各氣缸工作是否均勻，并以此為基礎進行了柴油機各缸噴油量不均勻調節的硬件在環仿真研究。結果表明，可通過改變單缸噴油量改善柴油機的工作不均勻性。劉世元等[12-13]提出了采用轉速波動信號在線監測發動機各缸工作不均勻性和失火故障的方法，提出了多種量化各缸扭矩輸出不均勻的方法。

綜上所述，各缸均勻控制的關鍵是通過檢測不均勻度信號對發動機各缸進行均勻度控制，根據不均勻度信息計算各缸各次噴射的修正噴油量，達到消除各缸輸出扭矩不均勻的目的。本研究基于柴油機燃油噴射控制機制，設計了多缸柴油機各缸均勻性控制算法，采用Matlab/Simulink軟件建立了圖形化的各缸均勻性控制模型，通過模型在環測試和臺架試驗對控制策略功能進行驗證。

1 不均勻度信號的量化與處理

為了能夠得到不均勻度信號，需要對時段信號進行預處理和不均勻度信號提取。不均勻度信號的量化與處理流程如圖1所示。時段信號的預處理包括缺齒處理、重采樣和放大處理，不均勻信號的提取包括一倍基頻和二倍基頻下的帶通濾波。缺齒處理通過判斷當前信號與上一信號的比例，來確定當前信號是否為缺齒信號，用于去除缺齒信號對不均勻度量化的干擾。重采樣處理的作用是在保證信號準確的前提下減小數據量，重采樣因子越大，數據量越小，信號越不準確。設置重采樣因子為1～5進行仿真，當重采樣因子為3時，需要處理的數據量最少，計算結果的準確性較好，因此選取最佳重采樣因子為3。放大處理的功能是將時段信號放大，保證帶通濾波后的結果不會失真。通過帶通濾波濾出所需頻率的信號，對兩個穩定后的濾波結果進行疊加，得到不均勻度信號(見圖2)。

圖1 不均勻度信號量化流程

圖2 各缸不均勻度信號

2 各缸均勻性控制策略

各缸均勻性控制策略是根據量化與處理后的不均勻度信息，計算各缸各次噴射的修正噴油量，達到消除各缸輸出扭矩不均勻的目的。各缸均勻性控制策略主要包括信號峰值判斷、控制區域判斷及系數計算、噴油修正與限制、修正噴油量分配等功能模塊，軟件架構見圖3。

圖3 各缸均勻性控制軟件架構

2.1 信號峰值判斷

從不均勻度量化模塊輸出的不均勻度信號可能出現過大或過小的情況。當不均勻度信號過小時，可能是由于采樣率過低或當前各缸扭矩輸出較為均勻；而當不均勻度信號過大時，可能是發動機出現其他故障導致的，例如噴油器損壞。修正噴油量計算及限制模塊不能采用這兩種信號作為計算修正噴油量的依據。因此，需要對不均勻度信號進行評估，并控制不均勻度信號是否進入修正噴油量計算及限制模塊，流程圖見圖4。

若不均勻度過小，則不啟用控制；若不均勻度過大，則不啟用控制，并上報故障信息；若不均勻度處于合適范圍內，啟用各缸均勻性控制。上閾值和下閾值是通過兩個標定量確定的，可以通過臺架標定改變控制策略的啟用范圍。

圖4 信號峰值判斷模塊流程圖

2.2 控制區域判斷及系數計算

為了保證控制效果，對于不同的發動機工況，各缸均勻性控制策略采用不同的控制方法。將各缸均勻性控制的運行區間分為閉環控制區域、開環控制區域和非控制區域(見圖5)。 0x11為閉環控制區域；0x31和0x21是僅受發動機平均轉速影響的開環控制區；0x10和0x12是僅受期望油量影響的開環控制區；0x30、0x32、0x20、0x23是受發動機平均轉速和期望噴油量同時影響的開環控制區；其余部分為非控制區。

圖5 各缸均勻性控制策略工作控制劃分

當工況處于開環控制區時，計算可能出現兩種情況：一是平均轉速和期望噴油量都處在開環控制區，此時系數為轉速系數cn乘以油量系數cq；二是兩者只有一個處在開環控制區，另一個處在閉環控制區內，此時系數為轉速系數cn或油量系數cq。如果工況點處在閉環控制區，兩者系數都為1。

當工況點處于0x31、0x21區時，平均轉速的系數計算公式分別為

當工況點處于0x12、0x10區時，期望噴油量的系數計算公式分別為

式中：cn為轉速系數；cq為油量系數；nGMin為CUC管理轉速最小值；nGMax為CUC管理轉速最大值；nCMin為CUC控制轉速最小值；nCMax為CUC控制轉速最大值；qGMin為CUC管理油量最小值；qGMax為CUC管理油量最大值；qCMin為CUC控制油量最小值；qCMax為CUC控制油量最大值。

2.3 噴油量修正與限制

修正噴油量計算與限制模塊的功能是根據不均勻度信號計算修正噴油量，并對計算結果進行限制。采用PI算法對修正噴油量計算進行閉環控制，使得各缸不均勻度信號的最低Z/2個階次的合成波幅值為0。假設在每個不均勻信號進入對應氣缸的PI積分器后就進行修正，每次修正值都是基于第一個進入PI積分器的不均勻信號。在第k+1個信號進入PI控制器時，當前偏差為

e(k)=[T(k)-T(0)]。

式中：T(k)為進入PI積分器的信號；T(0)為第一個進入PI積分器的信號。基于第一個不均勻度信號的修正噴油量u(k)為

由于假設每個不均勻度信號進入PI積分器后就進行修正，所以基于k-1個不均勻度信號的修正噴油量Δu(k)為

Δu(k)=u(k)-u(k-1)。

在全部不均勻度信號計算完成后進行修正，修正噴油量QCUC為

為了防止過多或過少的修正噴油量添加到實際噴射油量中，控制策略要對PI積分器的計算結果進行限制。修正油量監控與限制曲線見圖6，該曲線通過發動機臺架試驗標定得到。在不同控制區域，修正噴油量限制曲線的斜率是不同的。針對不同的期望噴油量，修正噴油量的限制值也不同。為了對應不同控制區域的監控需求，將修正噴油量的范圍分為A、B、C、D 4個區域。D區為監控不啟用區域，期望噴油量在該區域內時，監控功能不啟用。C區為修正噴油量正常區域，在該區域內，修正噴油量為合理值，監控功能不向診斷系統管理(Diagnostic System Management，DSM)報告錯誤。當修正噴油量出現在A區或B區時，則認為發動機出現故障，向DSM報告故障。

圖6 修正油量監控與限制曲線

修正噴油量的最大值是由修正噴油量限制曲線決定的，輸入變量為期望噴油量。控制邏輯見圖7。首先，在I環節計算出修正噴油量后，與修正噴油量限制曲線的輸出值進行比較，取二者最小值。之后，修正噴油量限制曲線的輸出值與PI積分器的計算結果進行比較，取二者最小值作為當前計算的修正噴油量。

圖7 CUC修正油量的計算

2.4 修正噴油量分配

完成修正噴油量的計算后，需要對修正噴油量進行分配，保證每一缸修正后的各次噴射符合修正前的比例。修正噴油量分配計算需要保證修正噴油量不會干擾正常的噴射。如果修正噴油量大于總期望噴油量，則認為當前修正噴油量不可信，修正噴油量不能被添加到各次射中。修正噴油量分配模塊邏輯圖見圖8。

模型中設計了冗余程序，防止修正噴油量計算錯誤。若修正噴油量大于等于期望噴油量，則認為當前修正噴油計算存在錯誤，不進行各缸均勻性控制；若修正噴油量小于期望噴油量，則認為當前修正噴油量正確，可以將修正噴油量分配到各次噴射中。本研究中試驗機型的噴射結構包含6次噴射(預噴3、預噴2、預噴1、主噴、后噴2和后噴1)。預噴3、2、1的修正油量與后噴2、1的修正油量計算相同，修正油量的計算邏輯見圖9(以預噴3為例)。

圖8 修正噴油量分配模塊邏輯圖

圖9 預噴、后噴修正噴油量計算

主噴修正噴油量計算邏輯見圖10，將預噴和后噴的修正噴油量從總的修正噴油量中減去即可。在完成全部噴射的修正噴油量計算后，將計算結果保存在數組內，以供其他功能模塊調用。

圖10 主噴修正噴油量計算

3 控制策略驗證及分析

3.1 修正噴油量分配功能仿真測試

針對閉環控制區和開環控制區對修正噴油量分配功能進行模型在環測試。期望噴油量由扭矩結構與扭矩-油量轉換模塊計算得到。各次噴射的期望噴油量由噴油控制模塊計算得到。當發動機平均轉速為900 r/min、期望噴油量為10 mg/hub(毫克每沖程)時，控制策略處于閉環控制區，各次噴射的噴油量見表1設置。仿真得到各次噴射的修正噴油量(見圖11)，各缸的修正噴油量按比例分配到各次噴射中。

表1 閉環控制區各次噴射的期望噴油量

圖11 閉環控制區各次噴射的修正噴油量

當發動機平均轉速為750 r/min、期望噴油量為1.6 mg/hub時，控制策略處于開環控制區，各次噴射的噴油量設置見表2。計算得到各次噴射的修正噴油量(見圖12)。各缸的修正噴油量按比例分配到各次噴射中。

表2 開環控制區各次噴射的期望噴油量

圖12 開環控制區各次噴射的修正噴油量

3.2 臺架驗證及分析

臺架試驗采用D25電控高壓共軌柴油機，基本參數見表3，試驗臺架見圖13。將各缸均勻性控制策略模型與發動機其他控制系統模型進行集成，通過自動代碼功能與編譯軟件，與底層軟件進行集成與編譯，生成ECU可執行文件(.elf、hex、s19)及標定測量文件(.a2l)，將可執行文件通過專業的調試工具刷寫到ECU中即可實現對柴油機的有效控制，采用INCA標定軟件對CUC策略進行調節。

表3 D25柴油機基本參數

圖13 發動機試驗臺架

為了確保控制策略在閉環控制區內的任意工況下都可以進行修正，進行4個工況點的測試，分別為低轉速低負荷(900 r/min，10 mg/hub)、低轉速高負荷(900 r/min，50 mg/hub)、高轉速低負荷(1 200 r/min，15 mg/hub)和高轉速高負荷(1 200 r/min，50 mg/hub)。并設置第4缸的實際噴油量為其他氣缸的95%。修正噴油量計算結果見表4，各缸工況點修正后的時段信號見圖14。

表4 各工況下的修正噴油量 mg/hub

圖14 各工況點修正后的時段信號

通過分析圖14和表4可知，控制策略可以根據發動機運行工況實時計算各缸的修正噴油量，并按照各次噴射期望噴油量的比例將修正噴油量分配到各次噴射中。表4中各修正噴油量變化與圖13的變化趨勢吻合，經過修正后的時段信號變得更加均勻，柴油機各缸扭矩輸出不均勻度減小，說明各缸均勻性控制策略設計合理、有效。

4 結束語

通過對時段信號預處理和不均勻度信號提取，獲得量化的不均勻度信息。最佳重采樣因子為3時，可以有效減小計算資源的占據，并保證計算結果的準確性。設計了判斷結果延遲功能，保證了時段信號完全被處理成不均勻度信號，并減小計算方法反復變化帶來的影響。

選取單缸扭矩輸出不均勻的情況分別對閉環控制區和開環控制區進行修正噴油量分配的模型在環測試，修正噴油量能夠按照各次噴射期望噴油量的比例被分配到各次噴射中。修正噴油量分配功能能夠保證修正噴油量不會改變各次噴射油量的比例。

針對發動機轉速為800～1 300 r/min、噴油量為2～50 mg/hub的工況范圍進行臺架試驗，結果表明，控制策略可以根據發動機運行工況實時計算各缸的修正噴油量，各缸扭矩輸出不均勻度減小，說明各缸均勻性控制策略設計合理、有效。