基于轉矩安全的歧管泄漏研究和監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

付亞豪，楊帥，2*，劉海然，鄒超，何棟明

1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.南昌智能新能源汽車研究院，江西 南昌 330000； 3.上海電子信息職業(yè)技術學院，上海 201411；4.菲亞特克萊斯勒動力科技研發(fā)(上海)有限公司，上海 201821

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，高效節(jié)能的新型汽油發(fā)動機已經(jīng)得到廣泛應用，但突發(fā)性的車輛異常加速問題時有發(fā)生，車輛的轉矩安全越來越受到重視。文獻[1]于2011年發(fā)布并于2018年更新[2]，成為世界范圍內汽車產(chǎn)業(yè)遵守的產(chǎn)品安全標準。

汽油發(fā)動機的歧管泄漏是影響車用動力轉矩安全的核心因素之一。車用發(fā)動機有一部分工況處于歧管真空度大于0的情況，即使采用可變氣門升程的配氣機構，怠速和低負荷時也需要通過節(jié)氣門限流實現(xiàn)穩(wěn)定的轉矩輸出，如果該工況下節(jié)氣門截流失效導致轉矩輸出時進氣量過多，可造成車輛異常加速或者混動車輛電池過載，影響行車安全，因此輸出轉矩安全性受到當前各大汽車廠家重點關注。雖然文獻[1]發(fā)布時間較久，但目前國內關于輸出轉矩安全的研究較少。因此，為保障人員和車輛安全，監(jiān)控車用動力系統(tǒng)的輸出轉矩，基于理論模型、文獻[2]和工程實踐，結合發(fā)動機進氣和燃燒的控制系統(tǒng)，建立具有實際應用價值的工程控制模型對行車轉矩安全具有重大意義。

本文中分析影響發(fā)動機轉矩的因素，根據(jù)節(jié)氣門控制原理，分析發(fā)動機主、次充模型原理，設計節(jié)氣門開度控制策略，針對碳罐低壓脫附管路脫落故障開發(fā)泄漏監(jiān)控系統(tǒng)，準確、穩(wěn)定地監(jiān)控岐管泄漏，保障行車安全。

1 功能安全分析

文獻[2]從人員安全與工程應用的角度出發(fā)，通過危害分析與風險評估對車輛功能安全提出了開發(fā)標準和流程，涵蓋汽車產(chǎn)品的整個生命周期，最大限度降低事故發(fā)生的可能性，得到國際社會廣泛的認可，成為各大汽車公司設計安全監(jiān)控系統(tǒng)的準則。

根據(jù)文獻[2]，分析輸出轉矩的控制流程，確定發(fā)動機歧管泄漏對實際輸出轉矩的影響。影響發(fā)動機輸出轉矩的因素如圖1所示。

根據(jù)歧管泄露導致的動力裝置失效模式和文獻[2]中的功能安全設計流程，分別對3種失效模式做出相應的功能安全定義，如表1所示。

表1 文獻[2]中的功能安全設計分析

2 發(fā)動機進氣控制

2.1 發(fā)動機循環(huán)公式

當前市場上主流的汽油發(fā)動機采用奧拓循環(huán)，以工質燃燒推動活塞做功的方式把燃料的化學能轉換為發(fā)動機的機械能。在現(xiàn)代汽油發(fā)動機實際控制中，噴油和點火響應迅速、精確，而充氣響應較慢且需要間接測量，因此必須優(yōu)先控氣，然后以當前循環(huán)估算的實際進氣量適配當量的燃油，通過控制點火角的方式在氣路指示轉矩的基礎上產(chǎn)生最終的指示轉矩。

計算發(fā)動機的指示轉矩時，可以根據(jù)曲柄活塞連桿機構的工作原理，將燃燒產(chǎn)生的內能轉化為做功沖程氣體對活塞的做功，計算公式[3]為：

Wi=piVS=pi(πD2/4)sp×10-6，

(1)

式中：Wi為平均指示壓力在一個沖程內做的功，kJ；pi為平均指示壓力，MPa；VS為氣缸工作容積，mm3；D為活塞直徑，mm；sp為活塞行程，mm。

發(fā)動機指示功率的計算式為：

Pi=Win/30，

(2)

式中：Pi為發(fā)動機指示功率，kW；n為發(fā)動機轉速，r/min。

發(fā)動機指示轉矩的計算式為：

Ti=9550Pi/n,

(3)

式中:Ti為發(fā)動機指示轉矩，N·m。

根據(jù)燃燒學定律，單次循環(huán)燃燒沖程氣體對單次循環(huán)的做功又可以表示為：

Wi=HUmfuelηi，

(4)

式中：HU為燃料熱值，kJ/kg；ηi為循環(huán)效率；mfuel為單缸每次循環(huán)噴油質量，kg。

為了實現(xiàn)最優(yōu)油耗和最低排放，現(xiàn)代汽油發(fā)動機通過使過量空氣系數(shù)接近1實現(xiàn)燃料充分燃燒和適配催化器最佳轉化效率，所以單次循環(huán)的當量空燃比

Kstoi=mair/mfuel，

(5)

式中mair為單缸每次循環(huán)進氣質量，kg。

綜上，以當前循環(huán)為參考基準，平均氣路指示轉矩可以轉化為進氣質量，當前循環(huán)發(fā)動機指示轉矩

Ti/cyl=Kmi/cylηi，

(6)

式中:mi/cyl為當前循環(huán)發(fā)動機進氣質量，kg；K為無量綱因數(shù)。

實際發(fā)動機控制中，通過掃點插值的方法在不同的發(fā)動機工況(負載和轉速)下直接得到當前循環(huán)系數(shù)，可將式(6)轉化為：

mi/cyl=f(n,pint)·TIMT/cyl，

(7)

式中:TIMT/cyl為當前循環(huán)平均指示轉矩，N·m；pint為進氣歧管壓力，kPa；f(n,pint)為循環(huán)系數(shù)，mg/(N·m)。

在測功機臺架上進行轉矩測試，可以計算得到發(fā)動機不同工況下的循環(huán)系數(shù)，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機循環(huán)系數(shù)map圖

2.2 節(jié)氣門節(jié)流原理和主、次充模型

2.2.1 節(jié)流原理

單次循環(huán)的進氣量直接決定了發(fā)動機循環(huán)功，當汽車低負荷運行時，控制進氣質量流量就可以控制發(fā)動機轉矩輸出，所以需要控制節(jié)氣門部分打開進行進氣節(jié)流。節(jié)氣門開啟50%時空氣流速分布如圖3所示[4]。由圖3可知：節(jié)氣門可以有效控制進氣流速，從而控制進氣質量流量。

圖3 節(jié)氣門開啟50%時的空氣流速分布 圖4 節(jié)氣門節(jié)流簡化模型

可將通過節(jié)氣門的氣流看作是同縮放噴管相似的一種流動形式[5]，將節(jié)氣門節(jié)流模型進行簡化，如圖4所示。

2.2.2 次充模型

利用流體力學進行推理，壓比流量系數(shù)

(8)

式中：p1為節(jié)氣門前進氣壓力，kPa；p2為進氣歧管的壓力，kPa；γ為絕熱因數(shù)。

根據(jù)速度密度方程可得當前循環(huán)的進氣質量流量[6]

(9)

式中：Sthr為電子節(jié)氣門的有效流通面積，mm2；T1為節(jié)氣門前進氣溫度，K；R為氣體常數(shù)。

消除復雜因子的影響，式(9)可進行簡化為：

(10)

圖5 壓比修正系數(shù)插值曲線

節(jié)氣門開度和節(jié)氣門喉口面積存在著物理關系[7]

(11)

式中：d為節(jié)氣門閥片直徑，mm；αCIB為節(jié)氣門最小開度；α為當前節(jié)氣門開度。

用插值曲線代替難以確定的復雜因子并且通過試驗進行參數(shù)辨識，式(11)可簡化為當前節(jié)氣門開度的函數(shù)：

Sthr=f(α)。

(12)

函數(shù)關系可以通過數(shù)值代入的方法計算得到，節(jié)氣門開度和節(jié)氣門喉口面積轉換曲線如圖6所示。對發(fā)動機進行節(jié)流控制時，可以將節(jié)氣門前饋控制策略簡化，節(jié)氣門前饋控制策略如圖7所示。

圖6 節(jié)氣門開度和節(jié)氣門喉口面積轉換曲線 圖7 節(jié)氣門開度控制策略

綜上所述，可以通過次充模型控制節(jié)氣門的位置，即給定需求的進氣質量流量，通過控制節(jié)氣門進行限流。當進氣岐管泄漏時，節(jié)氣門限流失效，導致實際的進氣流量超過需求，所以監(jiān)控泄漏的關鍵在于如何精確計算出實際的進氣質量流量。

2.3 主充模型

在發(fā)動機工作中，存在進氣遲滯現(xiàn)象，需求的進氣量不一定能夠及時響應，因此采用理想氣體的狀態(tài)方程計算實際進氣流量，適配當量的燃油來保證油耗和排放滿足要求。

標準狀態(tài)下的單缸每循環(huán)最大進氣量[8]

m0/cyl=p0V0/RT0，

(13)

式中：p0為標準狀態(tài)下進氣壓力，kPa；V0為單缸最大容積，mm3；T0為標準狀態(tài)下氣體熱力學溫度，K。

某工況下的單缸循環(huán)進氣量(即主充模型)

m1/cly=psV0/RTs，

(14)

式中：ps為實際狀態(tài)下進氣壓力，kPa；Ts為實際狀態(tài)下氣體熱力學溫度，K。

根據(jù)式(13)(14)可知：主充模型計算得到的進氣質量流量和節(jié)氣門開度無關，節(jié)氣門后泄漏的氣體質量流量可等效為節(jié)氣門多開導致的增加的實測質量流量；實測的進氣質量流量大于需求的進氣質量流量，導致發(fā)動機實際輸出轉矩大于需求轉矩，帶來轉矩失控風險，因此根據(jù)文獻[2]的要求應設計影響發(fā)動機轉矩安全的歧管泄漏監(jiān)控系統(tǒng)。

3 轉矩安全監(jiān)控系統(tǒng)設計和標定

3.1 故障現(xiàn)象

根據(jù)當前發(fā)動機結構和實際用戶使用情況統(tǒng)計，導致發(fā)動機歧管泄漏的關聯(lián)件故障主要有4種:碳罐低壓脫附管路脫落、機油蓋打開、曲軸箱通風管路脫落、機油尺脫落。本文中僅進行碳罐低壓脫附管路脫落標定試驗，其余故障的監(jiān)控可利用相同的原理進行類推。

由于發(fā)動機需要把碳罐積累的油氣引入到歧管進行燃燒，如果管道發(fā)生脫落，就會導致大氣通過脫附管路直接進入歧管，進氣量增加。怠速工況(發(fā)動機轉速為750 r/min)下，正常情況和碳罐脫附管路脫落故障時，需求和實際的進氣質量流量關系曲線分別如圖8、9所示。

圖8 正常的進氣質量流量關系曲線 圖9 管路脫落時進氣質量流量關系曲線

由圖8、9可知：正常情況下實際和需求的進氣質量流量非常接近，故障情況下實際的進氣質量流量明顯大于需求，而且故障情況下進氣質量流量趨于平緩，這是因為泄漏量較大，比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制無法通過反饋調節(jié)對氣路進行精確控制。

3.2 監(jiān)控策略設計

根據(jù)節(jié)氣門控制原理，可以由當前需求轉矩確定節(jié)氣門開度[9-10]，通過電動機將節(jié)氣門直接打開至需求開度。

如果節(jié)氣門后發(fā)生泄漏，導致歧管壓力增大、充氣效率增加，即實際的進氣質量流量大于需求的進氣質量流量。不同工況下、不同泄漏量導致實際與需求的進氣質量流量偏差不同，如果泄漏量達到一定程度，大氣就會把氣流通過泄漏點壓入進氣歧管，導致2個進氣質量流量的偏差過大[11-13]。

根據(jù)發(fā)動機現(xiàn)有的傳感器布置和已經(jīng)存在的模型，設計進氣歧管泄漏診斷策略，如圖10所示。以10 Hz為采樣頻率進行誤差采集并且積分，以5 s為周期進行一次故障判斷。

圖10 進氣歧管泄漏診斷策略

監(jiān)控發(fā)動機歧管泄漏時，應根據(jù)實測和需求的進氣質量流量計算瞬態(tài)誤差，在每5 s的監(jiān)控周期內，對進氣質量流量的誤差進行累積。對圖8、9中的質量流量誤差計算，得到怠速工況(發(fā)動機轉速為750 r/min)下正常和管路脫落時需求和實際進氣質量流量的瞬態(tài)誤差和累積誤差，如圖11、12所示。

由圖11、12可知：進氣岐管泄漏時累積誤差和正常情況存在明顯差別。當管路脫落后，二者的累積誤差平緩穩(wěn)定上漲，趨于線性，這是由于進氣岐管泄漏導致氣路PID控制失效、進氣質量流量趨于穩(wěn)定，這種穩(wěn)定誤差累積有利于故障診斷。

圖11 正常時需求和實際的進氣質量流量誤差 圖12 管路脫落時需求和實際的進氣質量流量誤差

3.3 診斷結果統(tǒng)計和限值標定

控制發(fā)動機在怠速下進行多次試驗并計算，得到不同工況下正常和碳罐脫附管路脫落時的進氣質量流量積累試驗結果，如表2所示。

表2 不同工況下正常和管路脫落時的進氣質量流量10次試驗累積結果 g/s

正態(tài)隨機變量x的概率密度函數(shù)

(15)

式中：u為均值，σ為均方差。

根據(jù)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)分析，累積的進氣質量流量誤差服從正態(tài)隨機分布。可設積累的進氣質量流量為隨機變量x、均值為u、均方差為σ，進行正態(tài)分布數(shù)據(jù)處理，以保障轉矩安全為標定原則，診斷限值應當保證故障能夠被準確識別，故診斷限值設置為20 g/s，診斷結果分布如圖13所示。

圖13 診斷結果分布圖

由圖13可知：診斷限值能明顯區(qū)分2組數(shù)據(jù)，對診斷結果具有非常好的辨識度。根據(jù)充氣模型解耦和文獻[2]要求，設計的安全監(jiān)控系統(tǒng)具有非常好的收斂特征，可以準確、穩(wěn)定地監(jiān)控歧管泄漏。

4 結論

1)基于文獻[2]分析發(fā)動機節(jié)氣門后泄漏帶來的風險，引入監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)思路和構想；對節(jié)氣門泄漏進行安全評估和設計，定義安全等級和安全風險。

2)研究了節(jié)流裝置的工作原理和數(shù)學模型，并且根據(jù)電控發(fā)動機目前具有的成熟模型設計了發(fā)動機歧管泄漏監(jiān)控策略。

3)通過標定試驗在怠速工況下調校了碳罐脫附管路脫落導致的發(fā)動機歧管泄漏安全監(jiān)控關鍵參數(shù)，設置診斷限值，準確、穩(wěn)定地監(jiān)控歧管泄漏，保障發(fā)動機轉矩安全。

由于標定需要采集大量試驗數(shù)據(jù)，因此基于智能算法的監(jiān)控系統(tǒng)將成為本課題的下一個研究方向。