魏少華

(德爾福(上海)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)有限公司，上海 200131)

2016005

基于虛擬氧傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)分缸燃油控制系統(tǒng)

魏少華

(德爾福(上海)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)有限公司，上海 200131)

本文中基于虛擬氧傳感器論述了一個(gè)可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)缸間不均勻性的分缸燃油控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過為發(fā)動(dòng)機(jī)的每缸虛擬安裝一個(gè)氧傳感器分析其信號(hào)來監(jiān)控燃燒的均勻性，并通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的噴油脈寬，改善各缸燃燒的均勻性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可在不增加車輛制造成本的條件下，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放水平并改善駕駛性。

發(fā)動(dòng)機(jī)；虛擬氧傳感器；分缸燃油控制

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)分缸燃油控制系統(tǒng)的策略探討最早由德爾福公司在1999年的SAE論文上發(fā)表[1]，并在2002年獲得美國專利[2]；2010年，德爾福公司基于美國法規(guī)要求完善了該控制系統(tǒng)的策略算法[3]，并將其應(yīng)用到靈活燃料項(xiàng)目上[4]；2014年，德爾福公司進(jìn)一步探索了該系統(tǒng)在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[5]。本文中根據(jù)中國市場實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，通過優(yōu)化算法首次將該系統(tǒng)應(yīng)用到四缸非等長排氣歧管的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上，并首次論述了高原環(huán)境、老化零部件等極限環(huán)境對(duì)該控制系統(tǒng)的影響。

1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的各缸燃燒不均勻性

1.1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)各缸燃燒不均勻性的由來

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的不均勻性主要由以下3個(gè)方面引起：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)在硬件設(shè)計(jì)和制造上難以保證各缸的進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)在截面、長度和散熱上一致，造成發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的實(shí)際進(jìn)氣量不一致；

(2) 各缸安裝的噴油器的靜態(tài)流量特性、響應(yīng)時(shí)間和噴嘴工作溫度等的差別，造成在相同噴油脈寬下各缸實(shí)際噴出的燃油質(zhì)量不一致；

(3) 各缸噴油器在實(shí)際使用中，老化過程及其對(duì)各個(gè)噴油器流量的影響的差異，也造成在相同噴油脈寬下各缸實(shí)際噴出的燃油質(zhì)量不一致。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)各缸燃燒不均勻性的影響

當(dāng)不均勻性到達(dá)一定程度時(shí)，敏感的駕駛員可以覺察到發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速的輕微抖動(dòng)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放劇烈惡化特別是氮氧化合物[6]，油耗也會(huì)有小幅上升。

1.3 分缸燃油控制的功能

分缸燃油控制的功能是根據(jù)分析前置氧傳感器信號(hào)的結(jié)果，來監(jiān)測、修正和診斷各缸的不均勻性，從而改善排放、駕駛性和燃油經(jīng)濟(jì)性[7]。

2 分缸燃油控制系統(tǒng)總覽

一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上的各缸燃燒總是會(huì)存在或多或少的差異性，最為理想的硬件狀態(tài)是在每個(gè)缸的排氣歧管上裝一顆氧傳感器來監(jiān)控，但這樣會(huì)顯著增加發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的成本。本文中將通過分缸燃油控制系統(tǒng)(individual cylinder fuel control,ICFC)，在每組燃油系統(tǒng)只有一顆氧傳感器(寬域或躍變式氧傳感器均可)的情況下，虛擬實(shí)現(xiàn)為每個(gè)缸裝一顆氧傳感器，用以監(jiān)測、修正和診斷發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)在各缸的不均勻性。

圖1為一個(gè)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的ICFC系統(tǒng)算法總覽。ICFC系統(tǒng)的6個(gè)工作步驟如下：

第1步，特性數(shù)據(jù)抽??；

第2步，創(chuàng)建虛擬傳感器；

第3步，虛擬氧傳感器信號(hào)與各缸時(shí)間對(duì)齊；

第4歩，反饋和修正各缸的不均勻性；

第5歩，前饋學(xué)習(xí)；

第6歩，模式控制。

圖1 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的ICFC系統(tǒng)算法總覽

3 基于虛擬氧傳感器的ICFC工作步驟

3.1 ICFC的第1步：特性數(shù)據(jù)抽取

ICFC的第1個(gè)步驟是繪制氧傳感器信號(hào)的頻率成分和設(shè)計(jì)合適的濾波器來剝離較低頻率的波動(dòng)“噪聲”；即以最小的衰減，獲取不均勻信息。如圖2，輸入是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和前置氧傳感器信號(hào)；輸出的是發(fā)動(dòng)機(jī)不均勻信息；其功能是從前氧傳感器信號(hào)中抽取不均勻信息。

圖2 特征數(shù)據(jù)抽取的輸入輸出

本文中選擇創(chuàng)建一個(gè)自適應(yīng)數(shù)字高通濾波器，其濾波系數(shù)將基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[2]，原因如下。

第1，抽樣必須與點(diǎn)火事件同步,因此速率不是固定不變的,而是與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣系統(tǒng)布置、氣缸數(shù)和點(diǎn)火次序相關(guān)。

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率為

(1)

式中：ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Nec為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)。

最大不均勻性頻率為

(2)

式中：ffifMax為發(fā)動(dòng)機(jī)每組燃油系統(tǒng)的最大點(diǎn)火頻率。

根據(jù)采樣定理，對(duì)于每次不均勻性事件至少需要執(zhí)行兩次數(shù)據(jù)提取。但定理只表明此采樣率是必要的，沒有告訴它是否足夠(是否“足夠”將在發(fā)散和收斂試驗(yàn)中證明)。這里定義ICFC的采樣頻率為

fICFC=2×ffif=

(3)

第2，發(fā)動(dòng)機(jī)缸間不均勻性和燃油控制頻率都與轉(zhuǎn)速相關(guān)，所以濾波器截止頻率必須隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變而改變，且該濾波器將盡力去除低頻干擾。這里采用了2階巴特沃斯高通濾波器作為自適應(yīng)高通過濾器[1]，其濾波過程如圖3和圖4所示。輸入的前氧傳感器信號(hào)基于點(diǎn)火頻率采樣，輸出的數(shù)據(jù)解析結(jié)果是一個(gè)只包含發(fā)動(dòng)機(jī)缸間不均勻性信息的數(shù)據(jù)流。

圖3 氧傳感器輸入信號(hào)

圖4 ICFC數(shù)據(jù)解析結(jié)果

3.2 ICFC的第2步：通過狀態(tài)預(yù)估創(chuàng)建虛擬氧傳感器

自適應(yīng)高通濾波器提取的數(shù)據(jù)流提供了一連串的原始不均勻信息；然而ICFC需要的是單獨(dú)每缸的不均勻信號(hào)，每個(gè)信號(hào)通過誤差項(xiàng)的形式表征各缸相對(duì)總體平均值的濃或稀。因此，這個(gè)原始數(shù)據(jù)流必須通過狀態(tài)預(yù)估將其虛擬為多個(gè)傳感器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)缸的獨(dú)立采樣。如圖5所示，通過狀態(tài)預(yù)估創(chuàng)建虛擬傳感器的輸入是不均勻性信息；輸出為2N個(gè)(N是在每組燃油系統(tǒng)上的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù))依據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角均勻間隔開的獨(dú)立信號(hào)數(shù)據(jù)，每組燃油系統(tǒng)將各有一套ICFC控制；圖5基于4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，數(shù)據(jù)流被分為8個(gè)獨(dú)立不均勻信號(hào)。這些信號(hào)將通過進(jìn)一步濾波，除去了部分來自氧傳感器的非線性噪音。

圖5 通過狀態(tài)預(yù)估創(chuàng)建虛擬傳感器的輸入輸出

以下方程為針對(duì)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的ICFC狀態(tài)預(yù)估方程。該方程假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定工況，且各缸之間的排氣在到達(dá)前氧傳感器之前沒有混合。

(4)

(5)

(6)

其對(duì)應(yīng)的截止頻率為

ωc=2πfc=1/τ

(7)

定義a=-b=1/τ，由式(6)可得

sX(s)=aX(s)+bU(s)

(8)

在連續(xù)時(shí)間上：

(9)

定義

gs=exp(-aTs)

(10)

式中:Ts為氧信號(hào)的采樣周期。

則離散時(shí)間上：

x(k+1)=gsx(k)+hu(k)

(11)

其中:h=1-gs。由于發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)濾波一次，Ts等于發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)的時(shí)間，則可以根據(jù)式(1)得

(12)

本文中通過實(shí)際試驗(yàn)，確定fc=0.53Hz。

3.3 ICFC的第3步：虛擬氧傳感器與各缸時(shí)間對(duì)齊

3.3.1 虛擬氧傳感器信號(hào)與各缸時(shí)間對(duì)齊

創(chuàng)建了各缸虛擬氧傳感器后，必須實(shí)現(xiàn)虛擬氧信號(hào)與各缸的時(shí)間對(duì)齊。該步驟的輸入是2N個(gè)獨(dú)立不均勻信號(hào)；輸出是各缸不均勻信號(hào)。圖6基于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，輸入為8個(gè)獨(dú)立不均勻信號(hào)、輸出為4個(gè)缸的不均勻信號(hào)。

圖6 虛擬氧傳感器信號(hào)與各缸時(shí)間對(duì)齊的輸入輸出

虛擬氧傳感器信號(hào)與各缸的時(shí)間對(duì)齊可以定義為

tali=tfi-evo+tev-os+tosr

(13)

式中:tfi-evo為噴油開始到排氣門開啟的時(shí)間；tev-os為排氣從排氣門流到氧傳感器的時(shí)間；tosr為氧傳感器的響應(yīng)時(shí)間。單獨(dú)測量每個(gè)工況下的三個(gè)時(shí)間量，工作量大且復(fù)雜。而在實(shí)際對(duì)齊工作中，沒有必要準(zhǔn)確知道每個(gè)單獨(dú)的時(shí)間量，只需要知道所有時(shí)間總和即可完成對(duì)齊的工作。由此，設(shè)計(jì)了一個(gè)開環(huán)的擾動(dòng)試驗(yàn)來建立一個(gè)可視的“時(shí)間對(duì)齊”校準(zhǔn)器。該開環(huán)擾動(dòng)試驗(yàn)通過在點(diǎn)火順序相鄰的兩缸上各加上相對(duì)應(yīng)的燃油偏濃、偏稀的方波擾動(dòng)；這兩個(gè)方波的周期設(shè)計(jì)為10s，振幅設(shè)計(jì)為±5% 。由于點(diǎn)火順序相鄰的兩缸的燃燒過程在曲軸相位上相差180°，該角度可以做為各缸不均勻性的標(biāo)記點(diǎn)，由此校準(zhǔn)器可以以可視的方式識(shí)別虛擬傳感器的各缸對(duì)齊。

圖7是一個(gè)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，該試驗(yàn)對(duì)點(diǎn)火順序的第1和2缸(即物理順序的第1和3缸)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果由Sync0～Sync7，共8個(gè)時(shí)間窗口組成；每個(gè)窗口反映了各自90°CA內(nèi)的不均勻性，8個(gè)時(shí)間窗口組成了720°CA內(nèi)(即一個(gè)做功循環(huán))的不均勻性如圖8所示。每個(gè)窗口上面的波形是虛擬傳感器不均性的信號(hào)；下面的方波是1缸的擾動(dòng)波?？梢钥闯鯯ync6，Sync7，Sync0和Sync1與擾動(dòng)波的方向是相反的，Sync2，Sync3，Sync4和Sync5與擾動(dòng)波的方向是相同的?？紤]到之前定義的“標(biāo)記點(diǎn)”，尋找的窗口需要滿足兩個(gè)要求：(1)能反映第1缸的濃稀變化；(2)180°CA后(相隔一個(gè)窗口)，能反映第2缸的濃稀變化。故8個(gè)窗口中，只有Sync4和Sync5能滿足要求。

圖7 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

圖8 時(shí)間窗口定義

考慮到不同工況下的tali不同，通過在不同轉(zhuǎn)速(ne)、不同進(jìn)氣歧管壓力(pim)下做該擾動(dòng)試驗(yàn),可以實(shí)現(xiàn)虛擬氧傳感器與各缸時(shí)間對(duì)齊的工作。即虛擬氧傳感器信號(hào)與各缸時(shí)間對(duì)齊的tali可以標(biāo)定為一個(gè)和轉(zhuǎn)速與進(jìn)氣歧管壓力相關(guān)的時(shí)間量：

tali=f(ne,pim)

(14)

3.3.2 非等長排氣系統(tǒng)的偏置時(shí)間對(duì)齊

以上各缸對(duì)齊的工作是基于各缸排氣的流動(dòng)路徑等長，發(fā)動(dòng)機(jī)各缸排氣從排氣口到氧傳感器的時(shí)間是相同的，且各缸排氣間沒有相互干擾的假設(shè)下實(shí)現(xiàn)的。但目前大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)配置了緊耦合催化器，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管布置非常緊湊；對(duì)于四缸橫置的發(fā)動(dòng)機(jī)通常物理的第2，3缸的長度比第1，4缸短。這樣各缸排氣到達(dá)氧傳感器的時(shí)間不一致，由此會(huì)帶來缸間的信號(hào)干擾。在之前的研究中遇到這種問題時(shí)，通常禁止該區(qū)域的ICFC工作[4]。為了明確排氣歧管長度對(duì)時(shí)間對(duì)齊的影響，需要對(duì)式(13)中的tev-os做進(jìn)一步分析：

(15)

其中：

(16)

(17)

可以看出，排氣歧管長度lem對(duì)tev-os有很大影響。本文提出通過一個(gè)基于各缸的窗口偏置量(第2，3缸向前偏置，或第1，4缸向后偏置)補(bǔ)償lem的變化，實(shí)現(xiàn)各缸虛擬氧傳感器與各缸的偏置時(shí)間對(duì)齊。則式(13)可以更新為

(18)

或

(19)

其中窗口偏置時(shí)間為

(20)

具體采用式(18)或(19)的偏置對(duì)齊，可以直接通過發(fā)散和收斂試驗(yàn)來決定。在圖9和圖10的發(fā)散和收斂試驗(yàn)中，首先讓ICFC在沒有擾動(dòng)的情況學(xué)習(xí)系統(tǒng)本身的偏差，然后通過手動(dòng)標(biāo)定制造第1缸稀5%、第2缸濃5%、第3缸稀5%、第4缸濃5%的擾動(dòng)(即0.95-1.05-0.95-1.05發(fā)散收斂試驗(yàn))，觀察ICFC系統(tǒng)發(fā)散學(xué)習(xí)情況；在ICFC發(fā)散學(xué)習(xí)穩(wěn)定后將標(biāo)定制造的擾動(dòng)還原，觀察ICFC系統(tǒng)收斂情況，ICFC收斂學(xué)習(xí)穩(wěn)定后結(jié)束試驗(yàn)。圖9為無偏置時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。圖中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在1 200r/min、70kPa進(jìn)氣壓力的工況下，ICFFMPO1～I(xiàn)CFFMPO4分別代表第1～4缸的ICFC學(xué)習(xí)值。

由圖9可見：(1)50s發(fā)散學(xué)習(xí)和200s收斂學(xué)習(xí)區(qū)域中，各缸均有明顯“過度學(xué)習(xí)”情況；(2)在學(xué)習(xí)穩(wěn)定后，ICFC的學(xué)習(xí)值抖動(dòng)也相對(duì)明顯。這兩點(diǎn)說明，在標(biāo)定的窗口位置，虛擬氧傳感器受到了缸間信號(hào)的相互干擾。

圖9 非偏置試驗(yàn)結(jié)果

圖10為在第2，3缸向前移動(dòng)一位時(shí)間窗口的偏置對(duì)齊結(jié)果(式(19))，其去干擾效果明顯：(1)沒有“過度學(xué)習(xí)”情況，發(fā)散和收斂學(xué)習(xí)迅速；(2)穩(wěn)態(tài)學(xué)習(xí)抖動(dòng)小。實(shí)際項(xiàng)目中，將對(duì)所有工況點(diǎn)做發(fā)散和收斂試驗(yàn)，確定虛擬氧傳感器與各缸準(zhǔn)確對(duì)齊，ICFC工作穩(wěn)定可靠。

圖10 偏置試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況，通過發(fā)散和收斂試驗(yàn)確定偏置時(shí)間。由此，式(14)可以更新為

tali=fali(ne,pim)+fofs(ne,pim)

(21)

3.4 ICFC的第4步：反饋和修正各缸的不均勻性

得到各缸的不均勻性信號(hào)后，需要根據(jù)該信號(hào)來反饋和修正各缸的不均勻性。如圖11所示，輸入為各缸不均勻性信號(hào)和前饋學(xué)習(xí)值，輸出為各缸燃油偏置量。

圖11 反饋和修正各缸不均勻性的輸入和輸出

反饋和修正各缸不均勻性包括3個(gè)主要任務(wù)：(1)通過比例項(xiàng)和積分項(xiàng)修正不均勻信號(hào)；(2)輸出燃油偏置量需要繼續(xù)保持平均值為1的特性，避免對(duì)閉環(huán)燃油控制產(chǎn)生負(fù)面影響；如圖9和圖10中，ICFFMPAVG為4缸ICFC偏置量的平均值，可以看到系統(tǒng)始終在努力將其控制在1附近；(3)采用自適應(yīng)前饋學(xué)習(xí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從一個(gè)工況進(jìn)入另外一個(gè)工況時(shí)，系統(tǒng)將從當(dāng)前ICFC修正值，過度到前饋學(xué)習(xí)值。

3.5 ICFC的第5步：前饋學(xué)習(xí)

如圖12所示，前饋學(xué)習(xí)步驟的輸入為各缸燃油偏置量，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷；輸出為各缸的前饋學(xué)習(xí)值。

圖12 前饋學(xué)習(xí)的輸入和輸出

如上所述，燃燒的不均勻性源于燃料噴射的不均勻和進(jìn)入氣缸新鮮氣體的不均勻(空氣、廢氣再循環(huán)和炭罐電磁閥的流量分布等)等。由于這種不均勻性在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷時(shí)有顯著不同，長期前饋學(xué)習(xí)功能的加入可以使發(fā)動(dòng)機(jī)電控管理系統(tǒng)快速適應(yīng)各種不均勻的情況，使得ICFC的每次學(xué)習(xí)不必從零開始。

3.6 ICFC的第6步：模式控制

如圖13所示，模式控制步驟的輸入是各缸燃油偏置量和發(fā)動(dòng)機(jī)工況；輸出為各缸噴油脈寬的偏置量。

圖13 模型控制的輸入和輸出

模式控制根據(jù)各缸噴油偏置量和發(fā)動(dòng)機(jī)工況，控制ICFC運(yùn)行在以下4種模式下。

(1) ICFC復(fù)位模式

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到不恰當(dāng)?shù)奶匦詳?shù)據(jù)抽取、閉環(huán)反饋或前饋學(xué)習(xí)，ICFC將復(fù)位。通常出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)失火、氧傳感器故障和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的存儲(chǔ)器被重置等情況下。

(2) ICFC閉環(huán)運(yùn)行模式

閉環(huán)運(yùn)行是ICFC的正常運(yùn)行模式，其條件包括：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在前置氧傳感器正常振蕩工況下，沒有過濃或過稀；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在前置氧傳感器能夠可靠地用于提取不均勻信息的工況下，沒有失火、氧傳感器故障等干擾發(fā)生；(3)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定工況下；(4)ICFC各缸噴油偏置量沒有被限制到極值。

(3) ICFC保持模式

該模式下不要求完全復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到氧傳感器不能可靠提供不均勻信息時(shí)，ICFC修正保持當(dāng)前值直到問題清除或滿足ICFC復(fù)位模式為止。

(4) ICFC限制模式

ICFC已運(yùn)行閉環(huán)模式，但至少一個(gè)ICFC修正系數(shù)已經(jīng)達(dá)到了限值，則系統(tǒng)將運(yùn)行在限制模式。

4 極限環(huán)境對(duì)ICFC的影響

4.1 氧傳感器老化對(duì)ICFC的影響

氧傳感器的老化將導(dǎo)致氧傳感器對(duì)排氣系統(tǒng)濃稀變化的反應(yīng)速度降低，即式(13)中的tsor時(shí)間變長。本文中首次在試驗(yàn)中加裝了極限老化氧傳感器，通過標(biāo)定控制發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)人為制造不均勻性，觀察老化氧傳感器對(duì)ICFC工作的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明氧傳感器老化對(duì)ICFC算法沒有明顯影響，tosr時(shí)間的變化在tali中所占比例較小。具體數(shù)據(jù)見第5節(jié)ICFC排放試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2 高原環(huán)境對(duì)ICFC的影響

之前的ICFC開發(fā)中，在接近海平面的實(shí)驗(yàn)室以進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力(pim)為負(fù)荷大小的坐標(biāo)軸，標(biāo)定虛擬氧傳感器與各缸對(duì)齊窗口。由式(15)可知，隨著海拔的上升環(huán)境壓力下降，輸出相同轉(zhuǎn)矩、相同排氣流量下的tev-os將發(fā)生改變，并導(dǎo)致tali變化。需要找到一個(gè)對(duì)等負(fù)荷量，將發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔高度下運(yùn)行的負(fù)荷對(duì)應(yīng)到海平面的水平上。本文中導(dǎo)入一個(gè)進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力高原修正量來補(bǔ)償tali的變化，實(shí)現(xiàn)高原環(huán)境下的虛擬氧傳感器信號(hào)與各缸時(shí)間對(duì)齊。

定義高原壓力修正系數(shù)為

(22)

式中:pa為當(dāng)前大氣壓力，pmc為最小歧管壓力修正。則高原等效進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力可定義為

paeim=(pim-pmc)capc+pmc

(23)

式中:pim為當(dāng)前實(shí)測進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力。本文中標(biāo)定pmc為12kPa，則paeim在不同大氣壓力下的值如圖14所示。

由此，式(21)更新為

tali=fali(ne,paeim)+foffset(ne,paeim)

(24)

圖15和圖16為實(shí)際高原試驗(yàn)(大氣壓力約72kPa，地點(diǎn)：中國格爾木)中ICFC的閉環(huán)工作結(jié)果。圖15為加入高原修正前的ICFC閉環(huán)工作，圖15中沒有高原修正，在5s左右時(shí)，手工重置了ICFC修正，使系統(tǒng)從原點(diǎn)開始工作，但時(shí)間對(duì)齊出現(xiàn)偏移導(dǎo)致系統(tǒng)完全發(fā)散。

圖16為加入高原修正后的ICFC閉環(huán)工作，加入了0.95-1.05-0.95-1.05的發(fā)散收斂試驗(yàn)，確認(rèn)了該工況下時(shí)間對(duì)齊正確，ICFC可以正確修正發(fā)動(dòng)機(jī)的不均勻性。

圖15 高原修正前的ICFC閉環(huán)工作

圖16 高原修正后的ICFC閉環(huán)工作

5 ICFC排放試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證ICFC的性能和前氧傳感器老化的影響。設(shè)計(jì)了一系列排放試驗(yàn)，通過標(biāo)定控制噴嘴流量偏置模擬各缸的不均勻性。表1為本次試驗(yàn)的具體規(guī)劃，表中0.9-1-1-1代表第1缸噴嘴稀10%，0.9-1-0.9-1代表第1，3缸噴嘴稀10%，0.9-1-1-0.9代表第1，4缸噴嘴稀10%。每種試驗(yàn)，均先重置燃油閉環(huán)和ICFC學(xué)習(xí)值后再進(jìn)行一次預(yù)運(yùn)行，以保證閉環(huán)和ICFC進(jìn)行充分學(xué)習(xí)，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

表1 ICFC排放試驗(yàn)規(guī)劃

圖17為氮氧化合物(NO，國五限值0.06g/km)、非甲烷烴類化合物(NMHC，國五限值0.068g/km)、一氧化碳(CO，國五限值1g/km)和碳?xì)浠衔?THC，國五限值0.1g/km)的排放試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比Test 4B和Test 4、Test 4AB和Test 4A的結(jié)果，明顯可以看出氮氧化合物的排放對(duì)于缸間不均勻性非常敏感，當(dāng)ICFC功能開啟后大幅降低了氮氧化合物的排放，基本上將排放水平控制在限值內(nèi)。一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧艑?duì)缸間不均勻性不敏感，各個(gè)試驗(yàn)中的碳?xì)浠衔锱欧艣]有明顯變化。同時(shí)，老化氧傳感器對(duì)ICFC功能沒有影響。

圖17 排放試驗(yàn)的污染物結(jié)果

圖18為百公里油耗試驗(yàn)結(jié)果，由圖可見，ICFC功能開啟后油耗有所降低。

圖18 排放試驗(yàn)的油耗結(jié)果

6 結(jié)論

本文中詳細(xì)論述了基于虛擬氧傳感器的ICFC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體過程。該系統(tǒng)通過分析前置氧傳感器信號(hào)，為各缸虛擬增加一個(gè)氧傳感器，以修正各缸噴油脈寬，實(shí)現(xiàn)各缸的均勻燃燒。該系統(tǒng)在不增加車輛制造成本的條件下，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放水平并改善駕駛性。本文中根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用環(huán)境，在非等長排氣系統(tǒng)、高原環(huán)境和傳感器老化3個(gè)方面做了深入研究，使得該系統(tǒng)可以補(bǔ)償非等長排氣系統(tǒng)的干擾，可以修正和克服極限工作環(huán)境的影響。

本系統(tǒng)在德爾福(中國)科技研發(fā)中心排放試驗(yàn)室的不同測試車輛上進(jìn)行了超過100次常溫排放試驗(yàn)以驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)，在不同測試車輛上由軟件加入各缸的濃稀干擾，并通過排放結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能。在實(shí)車試驗(yàn)中，本系統(tǒng)在不同測試車輛上進(jìn)行了大量海平面(試驗(yàn)地點(diǎn)：上海)的道路驗(yàn)證，和不同海拔高度下(試驗(yàn)路線：從吐魯番(低于海平面)到敦煌(海拔約1 100m)，再到格爾木(海拔約2 800m)，最后到昆侖山口(海拔約4 700m)的長途道路驗(yàn)證。在實(shí)車試驗(yàn)中，由軟件加入各缸的濃稀干擾，以確定系統(tǒng)在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況和外界環(huán)境下的實(shí)時(shí)響應(yīng)和系統(tǒng)可靠性。所有這些試驗(yàn)的結(jié)果都證明本系統(tǒng)已經(jīng)滿足開發(fā)要求，通過了項(xiàng)目驗(yàn)收。目前本系統(tǒng)已經(jīng)在江淮汽車的1.5L自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)上得到量產(chǎn)應(yīng)用。

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Individual Cylinder Fuel Control System of Engine Based on Virtual Oxygen Sensor

Wei Shaohua

DelphiShanghaiDynamics&PropulsionSystemsCo.,Ltd.,Shanghai200131

An individual-cylinder fuel control system is presented based on virtual oxygen sensor in this paper for improving the unevenness between cylinders of engine. By virtually installing an oxygen sensor on each cylinder of engine, analyzing their signals to monitor combustion unevenness, and by adjusting the fuel injection pulse width of each cylinde to improve the combustion evenness between cylinders. The test results show that the system can enhance the fuel economy, lower the emission level and improve the driveability of vehicle without increasing its manufacturing costs.

engine; virtual oxygen sensor; individual cylinder fuel control

*原稿收到日期為2014年6月20日，修改稿收到日期為2014年9月15日。