降低各缸進氣不一致影響的怠速控制優化方法

魏倩雯 鞠 敏 黃玉平 王 騰

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

發動機在運行過程中有不同的工作狀態，分為啟動工況、怠速工況、加速工況、減速工況和勻速工況等。其中怠速工況是指發動機在對外不做功的情況下，以最低穩定的轉速運行的狀態。該狀態下，發動機與傳動系統完全脫離，不對外輸出功率，產生的功率僅維持本體各部件及車輛輔助裝置（如空調、風扇）運行使用，發動機自身維持在在較低的穩定的轉速下運行。

發動機在怠速工況下對抗扭矩干擾因素的能力是評價發動機性能的一個重要的指標。如果發動機的怠速穩定性較差，易造成怠速的波動，直接影響駕駛員駕駛體驗的舒適性，同時怠速不穩定易造成燃燒室的空燃比偏離最佳區間，導致排放指標的惡化。隨著國家排放法規不斷逐步加嚴，對發動機的排放性能提出了更高的要求，對怠速控制的要求也隨之增加。

當前的發動機大都配備了電控單元（ECU），能夠采集各傳感器輸入的進氣量、溫度和壓力等信息，進而精確控制燃料供給量、空燃比、加電時間和正時信號等發動機運行的關鍵參數。ECU通過調節上述參數可以令發動機的時實際轉速趨近于目標怠速設定值，使怠速控制的穩定性得到進一步提高。

1 電控發動機怠速控制

1.1 怠速

怠速有低怠速和高怠速之分。當發動機的油門踏板開度為0，發動機維持正常運轉的狀態，此時發動機所需要的最小轉速為低怠速，發動機處于低怠速工況。電噴發動機上，發動機能夠穩定運轉維持的最大發動機轉速是高怠速。發動機的轉速被限制在低怠速和高怠速之間，轉速降低時，其最小值受低怠速的限制，防止由轉速過低造成的熄火；當發動機的轉速升高時，轉速的最大值會受到高怠速的限制，防止發生轉速過高導致的超出發動機機體能夠承受的范圍或者飛車的情況。高低怠速的控制是發動機控制的重要技術點。

1.2 發動機轉速計算

發動機轉速作為一個必不可少的輸入，在發動機的怠速控制中起重要作用，其與發動機的曲軸位置相關，對位置的獲取及發動機轉速的計算是發動機控制架構中基礎且必要的模塊。

在發動機運行過程中，ECU通過曲軸位置傳感器獲得位置信號，并根據其來設定點火正時、氣門正時以及噴油正時。借助凸輪軸位置傳感器可以得到凸輪軸的位置，來確定氣缸上氣門的開啟時機。通常采用曲軸位置同時結合凸輪軸位置來得到發動機位置信息。控制系統中具有精確的時鐘，根據時鐘信息與采樣獲得的位置變化信號便能計算出發動機的轉速。

考慮發動機工況的復雜性，通常選用平均轉速作為發動機轉速反饋，為保證轉速計算的準確性，一般需要對采集信號進行濾波處理。信號采樣點越多，濾波的效果越好，但相對應的數據的處理時間也會增加，對發動機控制系統來說，這會影響系統的響應速度。為兼顧濾波效果與計算時間，可以選用滑動均值濾波算法對發動機轉速濾波，即先確定用于計算的采樣點的個數，以范圍內的采樣點構成隊列計算平均值，隊列新增加采樣點后移除隊首的采樣點，保持采樣點個數不變，然后進行后續計算。

1.3 怠速狀態判斷及控制

通常發動機存在啟動、暖機、加減速與怠速等幾種狀態，控制系統需要根據工況類型執行對應的工作模式，即在根據實際反饋信息確定期望狀態后，調用控制系統中對應的控制策略。其中發動機的怠速狀態是常見且重要的工況，需要對其特別考慮及分析。

在怠速狀態下，發動機需要精確地輸出扭矩以平衡負載扭矩及摩擦等，進而將轉速穩定在設定的怠速值上。ECU的怠速控制策略可以避免在怠速狀態下發動機出現失速，以及在空調壓縮機等耗電設備啟動時發動機熄火，使發動機平穩運行。期望的控制策略應能盡可能地減小轉速的波動，能夠對負載變化迅速作出響應，保證發動機的運行狀態。

當節氣門開關檢測到開度為零，即節氣門完全關閉，發動機的轉速也低于最小值時，可以判斷發動機處于怠速工況，ECU會切換至怠速控制模式。在這種狀態下，ECU會依據當前的發動機轉速信息進行分析，結合負載情況，通過發送一定的準確脈沖來控制節氣門旁通閥調整空氣的輸入，進而控制發動機的轉速。

在怠速控制模式下，根據發動機當前運行狀態計算目標怠速，在與實際轉速進行對比后對轉速進行控制。通常會考慮的是發動機溫度條件不同的情況下目標怠速的設置，當發動機溫度較低時，高怠速能夠較快地提升溫度，保證發動機平穩工作。空調等負載運行時的狀態也會影響怠速的計算，控制策略在對不同條件下的怠速進行計算后，以最高的怠速計算結果作為目標怠速。

1.4 PID閉環控制

有啟機需求時，通常采用啟動機倒拖發動機的方式進行啟動，在該過程中，發動機會進行點火和噴油動作，隨著轉速的提升，缸內燃氣開始燃燒，轉速會先沖高超過怠速設定值，隨后在電控單元的主動控制之下回落至怠速以下，并逐漸趨于穩定。

上述分析假定一個養殖場提供的生鮮乳與一個加工廠的加工能力是相匹配的。而實踐中，往往是一個加工廠收購加工多個養殖場的生鮮乳[注]2009年國家發改委出臺《乳制品工業產業政策》(修訂)規定，在全國重要的奶源基地，乳品加工項目的加工能力應在日處理生鮮乳能力300噸及以上。。假定乳企日處理能力為300噸生鮮乳，需要配套的奶牛存欄量大約3萬頭，按照一個奶牛場平均存欄500頭計算，需要60個養牛場。這時候，人力資本的計量和監督問題就更加突出。如果要實現買方合并，投資的邊際成本會上升很快，從而扭曲投資激勵[注]從這個角度也可以解釋中國乳企的自建牧場往往是萬頭牧場。。

啟動過程轉速波動示意曲線如圖1所示。

圖1 發動機啟動過程轉速波動情況

當車輛啟動完畢，處于怠速運行條件下時，駕駛員不會通過油門踏板對發動機進行扭矩輸入，發動機需要自行計算自身運行所需要的扭矩，用來克服自身的摩擦扭矩以及變速箱、水泵等運行輔件的負載扭矩，以便發動機能夠以穩定的轉速運行。該過程中輔件的負載扭矩不是一成不變的，可能會因為整車狀態的改變而產生變化，例如空調的啟動、變速器檔位變換等，在負載改變的情況下，發動機需要采取調整進氣量、噴油量等措施來維持當前轉速的穩定性。在實際使用過程中，通常采用PID閉環控制的方式來維持怠速的穩定性。

PID控制模型中包括比例項、積分項和微分項系數，通過對各項系數的調整可以簡單地實現對發動機復雜系統的有效控制。對怠速控制，獲得當前實際轉速目標怠速的偏差之后，通過轉速PID閉環控制即可得到燃氣噴射量的修正值，修正之后的噴射量便可以使發動機平穩地以目標怠速運行。

1.5 怠速穩定性

怠速控制的核心是穩定性的控制，在怠速工況下，發動機的轉速在怠速設定值上下波動。通常按照發動機轉速偏離怠速設定值的大小進行劃分，當發動機轉速在怠速上下波動范圍在10 r/min之內，為正常怠速波動；當發動機轉速在怠速上下波動范圍在10 r/min～20 r/min之間，為怠速控制不穩定；當發動機轉速在怠速上下波動范圍超過20 r/min，或者發動機某一側發生劇烈抖動，為怠速驗證不穩。怠速不穩會影響駕駛員的駕駛感受，嚴重還會造成發動機的熄火等現象。

發動機怠速工況的工作過程比較復雜，點火提前角、加電時間、進氣量、燃氣供給量等因素對怠速穩定性都有顯著的影響，可以分為物理因素和控制因素。

物理因素，例如進氣系統中空氣濾清器故障、進氣管/閥門堵塞或者泄露，造成混合氣空燃比偏離最優范圍，使缸內燃燒不充分；排氣系統中EGR閥故障、排氣管路廢氣雜質堆積堵塞以及顆粒補給器積碳再生不充分形成堵塞等均會造成排氣不充分，使發動機各缸工作不均勻；燃料供給系統中噴油器泄露或堵塞、加電時間不準、噴油器一致性差以及噴油壓力偏高或偏低，導致燃料供給量不準確，造成發動機燃燒過程出現問題。控制因素，例如電子控制單元中怠速閉環、扭矩需求、噴油量計算和軌壓控制等策略邏輯錯誤或者數據標定不佳等，造成發動機不能工作在最優點。

2 問題分析

發動機怠速時所需的空氣量和燃氣量較少，當因機械原因或其他原因導致各缸進氣不均勻時，常規的轉速閉環控制和空燃比閉環控制無法很好地解決單一缸的轉速波動問題，容易造成發動機在怠速時轉速的波動現象。

目前柴油機怠速控制方法多為基于目標怠速值的PID閉環控制，對天然氣發動機，其怠速控制方法除了上述的轉速PID閉環控制，還有基于氧傳感器信號的空燃比閉環控制方法，其中氧傳感器通常安裝在排氣總管上，只能測量各缸空燃比的平均值，無法測量各缸實時的空燃比。如果由發動機機械或其他原因導致各個缸進氣不均勻時會造成某一缸混合氣過濃或過稀，此時氧傳感器測量的結果是平均值，通過閉環控制將各缸的混合氣往濃或稀調節，不管哪一種都會導致某一缸工作更惡劣，使發動機怠速不穩定，波動過大。但是如果在每缸均安裝氧傳感器或者缸壓傳感器來監控各缸燃燒情況的方式，又會導致發動機成本的增加。

3 怠速控制優化方法

該文提出了一種發動機怠速控制方法，在不增加傳感器的情況下實現發動機怠速的穩定控制，提高發動機的可靠性。通過ECU計算各個缸的缸號以及缸號對應的曲軸齒轉速來識別各個缸對應的轉速情況，根據各個缸的實際平均轉速與目標轉速進行閉環控制獲得各個缸的燃氣噴射量，或者直接用各缸實際轉速與目標轉速的差值查預設CURVE獲得各個缸的燃氣噴射修正量，以此在一定程度上解決不同缸因進氣不一致引起的怠速時轉速波動問題。同時考慮整車負荷對怠速的影響，加入該功能的使能條件，發動機需要處在怠速工況且與整車傳動系斷開。

控制方法流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

步驟如下：1） 獲取發動機轉速、怠速狀態、怠速設定目標轉速、空擋信號、ECU計算的發動機缸號以及各曲軸齒的轉速等參數。2） 判斷發動機當前工況是否滿足預設條件：發動機怠速狀態等于1；空擋信號等于1，表征當前整車傳動系與發動機斷開，去除整車負載對發動機怠速的影響；如果滿足預設條件則執行第三步，否則重新執行第一步等待下一步判斷。3） 計算各個缸號對應的曲軸齒的平均轉速。4） 計算各個缸平均轉速與怠速設定的目標轉速差值。5） 判斷該計算的差值的絕對值是否大于等于預設值，如果是則執行第6步，如果否則執行第8步。該步驟的意思是當實際轉速與設定轉速偏差大于一定數值后才進行各缸的噴射量修正，如果轉速偏差很小則不進行修正，其中預設值為標定量，可以根據實際應用進行具體數據的標定。6） 根據各缸平均值與目標值進行轉速PID閉環控制獲得對應缸的燃氣噴射量修正值或者通過各缸差值查預設CURVE獲得對應缸的燃氣噴射量修正值。7） 將該修正量累加到對應缸的噴射量上獲得最終執行的噴射量。8） 對各缸噴射量進行修正。

4 試驗數據

試驗完成后，該文對采集的測試數據進行了分析、整理，如圖3所示。波動較大的曲線Method1為原始曲線，波動較小的曲線Method2為增加怠速優化策略的試驗曲線。從圖3可以看出，150該發動機在加入優化控制策略之后，怠速波動情況有明顯好轉。

圖3 添加怠速優化算法前后怠速波動對比圖

5 結論

該文在當前常用的怠速控制方法的基礎上提出了一種優化方法，在不增加額外的傳感器、執行器等零部件，同時不對發動機機體進行改動的情況下，使用當前已經能夠采集到的發動機各的參數計算各缸燃料噴射量的補償值，對原有燃料噴射量進行修正，在一定程度上解決了發動機因各缸進氣不均勻導致的發動機怠速不穩定的問題，進一步提高了發動機的性能。