嚴浩銘，孫仁云，陳德剛，汪科任

（1.西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039；2.成都安美科燃氣技術(shù)有限公司，四川 成都 610039）

點燃式發(fā)動機瞬態(tài)空燃比自適應(yīng)控制策略研究

嚴浩銘1，孫仁云1，陳德剛2，汪科任1

（1.西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039；2.成都安美科燃氣技術(shù)有限公司，四川 成都 610039）

闡述發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況閉環(huán)控制的特點，分析導致瞬態(tài)空燃比匹配不當?shù)脑颍O(shè)計空燃比加性誤差與乘性誤差模型，提出自適應(yīng)補償?shù)姆桨?，最后基于Matlab/Simunlink建立空燃比控制系統(tǒng)模型并驗證自適應(yīng)補償控制策略。結(jié)果表明：當出現(xiàn)誤差時，自動改變空燃比修正值調(diào)整燃料噴射量，空燃比波動＜1%。

發(fā)動機；瞬態(tài)；空燃比；自適應(yīng)

0　引　言

汽車行駛過程中，瞬態(tài)工況占有很大比例，同時排出大量環(huán)境污染物，它是發(fā)動機空燃比控制中最為核心與困難的部分。對瞬態(tài)空燃比的補償，多數(shù)學者集中利用卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等對瞬態(tài)空燃比進行預(yù)測[1-4]。發(fā)動機的實時性要求非常高，而上述算法由于微處理器瓶頸導致計算速度過慢，在實際工程中應(yīng)用很少；因此，有待開發(fā)性能更好、處理速度更快的瞬態(tài)空燃比補償策略。

1　發(fā)動機穩(wěn)態(tài)閉環(huán)控制分析

傳統(tǒng)的點燃式發(fā)動機空燃比控制主要分為兩種：1）穩(wěn)態(tài)閉環(huán)PI控制；2）瞬態(tài)前饋開環(huán)控制。穩(wěn)態(tài)工況要求過量空氣系數(shù)均值（500個工作循環(huán)）波動范圍平均值＜0.1%，瞬態(tài)工況允許短時間內(nèi)3%以內(nèi)的偏差，短時間幾個百分點的空燃比偏差不會使經(jīng)過催化劑轉(zhuǎn)化后的發(fā)動機排放惡化。某4缸天然氣發(fā)動機（CNG）閉環(huán)控制簡圖如圖1所示。

圖1　閉環(huán)控制系統(tǒng)簡圖

根據(jù)PID控制理論，積分時間常數(shù)越小，積分速度越快，系統(tǒng)響應(yīng)速度就越快，調(diào)節(jié)時間縮短，系統(tǒng)的最大超調(diào)量增大；反之，亦然。然而，這個積分時間常數(shù)的大小在實際應(yīng)用中是有限度的。有關(guān)研究[5]發(fā)現(xiàn)：由于氧化鋯傳感器特性和發(fā)動機延遲時間等影響，閉環(huán)PI控制中的積分時間常數(shù)有一個最小值，致使閉環(huán)控制環(huán)路對工況點之間轉(zhuǎn)換的響應(yīng)較慢，若時間較長，過量空氣系數(shù)會偏離3%的范圍。

在發(fā)動機使用的過程中，導致空燃比偏差的主要原因如下：

1）整車和發(fā)動機在批量生產(chǎn)裝配時存在的裝配誤差、制造誤差等導致發(fā)動機之間的差異；

2）發(fā)動機使用中的不斷磨損、疲勞、老化；

3）燃油密度、品質(zhì)的變化。

此時，需要通過自學習控制[6-8]修正基本噴油脈寬（BPW）。發(fā)動機空燃比自學習控制的首要條件是發(fā)動機處于閉環(huán)控制，通過一定的自學習使能條件、積分延時、自學習延時等實時修正基本噴油脈寬MAP圖，達到對空燃比的精確控制。

發(fā)動機空燃比閉環(huán)PI控制過程中，上述積分時間常數(shù)的最小值受到限制。因此，閉環(huán)PI控制將過量空氣系數(shù)范圍限定在[0.8，1.2]，如果偏離范圍過大，則閉環(huán)控制時間過長，會導致排放的惡化。通過設(shè)定這個范圍，超出這個范圍可以啟動自學習。

閉環(huán)控制時間過長將導致排放惡化。所以，空燃比閉環(huán)PI控制并不適合瞬態(tài)工況。瞬態(tài)采用閉環(huán)控制空燃比修正因子變化圖如圖2所示。

圖2　瞬態(tài)采用閉環(huán)控制空燃比修正因子變化圖

2　發(fā)動機瞬態(tài)空燃比誤差分析

目前，發(fā)動機瞬態(tài)工況普遍采用前饋開環(huán)控制。穩(wěn)態(tài)工況時，閉環(huán)PI控制環(huán)路通過乘性修正因子對BPW進行偏差補償，然后將這些修正因子儲存在發(fā)動機全工況點的前饋控制MAP圖中。瞬態(tài)工況時，不需要采用閉環(huán)控制進行的誤差補償，根據(jù)當前時刻采集到瞬時轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等信號，可以通過從前饋MAP圖中選擇正確的修正因子（沒有延遲）。因此，瞬變工況出現(xiàn)的空燃比匹配不當也得到了解決。

上述前饋控制的精確性取決于前饋MAP圖中修正因子的精確性。但是，由于個人駕駛習慣的不同，存在某些很少使用到的發(fā)動機工況，很長一段時間不會在這個工況進行穩(wěn)態(tài)運行，便不能實時更新前饋MAP圖，而且不會進行空燃比自學習，可以說此時的前饋控制MAP圖中的空燃比修正因子已經(jīng)過時了。所以，瞬態(tài)工況時的問題關(guān)鍵是如何選取正確的空燃比修正因子。

在發(fā)動機控制的過程中，誤差在所難免，如何進行誤差補償是控制的核心。導致空燃比誤差的因素有進氣系統(tǒng)漏氣，噴油嘴老化等。這些誤差可以看成是進氣質(zhì)量流量的誤差，對發(fā)動機系統(tǒng)在全工況范圍內(nèi)的影響具有一致性，為簡化誤差模型，將引起空燃比偏差歸結(jié)為加性偏差和乘性偏差，由于加性誤差在高功率與低功率時對空燃比的影響不同，所以設(shè)定一個加性偏移誤差標準評價指標ξ：

1）空燃比加性偏移誤差

在發(fā)動機工況全部范圍內(nèi)，加性偏移誤差的絕對值是相同的，例如進氣系統(tǒng)漏氣。當發(fā)動機低功率輸出時，空氣流量值越小，約a，L=6kg/h（視發(fā)動機型號而定），此時加性偏移誤差不可忽略；在中、高功率輸出時，空氣流量可達a，H=600kg/h，ξ很小可以忽略。

2）空燃比乘性誤差

簡化空燃比特性誤差模型如圖3所示。理想狀態(tài)下，過量空氣系數(shù)即圖中直線斜率，乘性誤差對發(fā)動機任何工況的影響效果相同，例如空氣流量計密度誤差。

圖3　簡化的空燃比特性誤差模型

3　全局有效空燃比自適應(yīng)補償方案

李道飛等[5]研究發(fā)現(xiàn)，可以采用全局有效空燃比補償?shù)淖赃m應(yīng)控制策略。現(xiàn)對發(fā)動機的加性誤差和乘性誤差加以補償。正確進入氣缸的空氣質(zhì)量流量a，0為

式中：λ0——不含誤差的過量空氣系數(shù)；

λ——包含誤差的過量空氣系數(shù)；

Lst——理論空燃比；

3.1乘性誤差補償

在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)高功率輸出時，可忽略加性誤差，則有

剩下的空燃比乘性誤差可以通過常規(guī)閉環(huán)控制環(huán)路產(chǎn)生的修正因子來補償，取其平均值得到（與成反比）。當沒有誤差時，即：

由上式可知，忽略加性偏移誤差后，乘性偏差得到了補償。此時，將發(fā)動機高功率輸出時，令并將其儲存在EEPROM中，以便以后使用。修正的空氣流量可以通過測量值a計算得到，即：

3.2加性誤差補償

結(jié)合式（6）、式（7），可得到正確的空氣質(zhì)量流量：

在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)低功率輸出時，空燃比閉環(huán)控制環(huán)路也會產(chǎn)生一個乘性修正因子，將它取平均值得到令正確的空氣質(zhì)量流量為

通過以上分析，聯(lián)合式（8）、式（9）得到公式如下：

圖4　積分控制修正加性誤差

通過乘性補償因子FHi和加性誤差補償?shù)摩，corr對空燃比進行修正，修正后的空燃比特性如下：

發(fā)動機ECU將得到更新后的FHi（消除乘性誤差）、Δa，corr（消除加性偏移誤差），存儲在EEPROM中，再根據(jù)實時得到的a，便補償修正得到非常接近實際空氣質(zhì)量流量a，0。

因此，即使在瞬態(tài)工況下，當轉(zhuǎn)速越過非常用工況的過程中，經(jīng)過前饋補償后，也能得到正確的空燃比。這種誤差補償解決了前文所述的空燃比匹配不當?shù)膯栴}，達到對排放的有效控制。

4　空燃比補償策略驗證及結(jié)果分析

根據(jù)上述空燃比自適應(yīng)補償控制策略，在平均值模型[9]的基礎(chǔ)上，基于Matlab/Simulink搭建控制策略模型進行策略驗證實驗。

為模擬發(fā)動機加性誤差，保持節(jié)氣門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等不變，人為減小進氣量，即增大進氣歧管壓力。發(fā)動機處于低功率穩(wěn)態(tài)工況運行，控制過程如圖5所示，當?shù)? min（第6 min）出現(xiàn)漏氣（沒有漏氣），通過減小（增大）空燃比修正因子，直至空燃比回到理論值附近時不再改變，低通濾波得到此時的空燃比修正因子；然后，自適應(yīng)過程通過附加積分控制慢慢補償偏差，與此同時閉環(huán)控制修正因子也開始慢慢回到平均值1附近；當修正因子在1附近振蕩時，停止積分補償將補償值保存在EEPROM中。

圖5　進氣系統(tǒng)存在旁通漏氣時修正因子變化

經(jīng)過自適應(yīng)空燃比補償后，發(fā)動機處于瞬態(tài)工況時，根據(jù)事先存儲的FHi、Δa，corr修正進氣量，空燃比修正因子不會發(fā)生很大變化，表明經(jīng)過補償后空燃比匹配良好。瞬態(tài)工況下（見圖6），無自適應(yīng)與有自適應(yīng)時仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖6　發(fā)動機轉(zhuǎn)速

圖7　有無自適應(yīng)空燃比修正因子

圖8　有無自適應(yīng)空燃比

根據(jù)上述空燃比補償控制策略，當經(jīng)過多個發(fā)動機瞬變工況后，可以看出：無自適應(yīng)時，由于不能對誤差進行補償，空燃比修正因子波動較大，造成了空燃比大幅度波動；有自適應(yīng)時，空燃比修正因子不會出現(xiàn)較大波動，對應(yīng)的空燃比也沒有出現(xiàn)大的波動，波動幅度＜1%，達到了對誤差的自適應(yīng)補償，此時空燃比匹配效果很好。

5　結(jié)束語

本文提出了全局有效空燃比自適應(yīng)補償控制策略，并建立了相應(yīng)的模型進行驗證，它是基于模型設(shè)計的一個關(guān)鍵階段，為代碼自動生成、模型測試奠定基礎(chǔ)。該策略結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、效果良好，可為點燃式發(fā)動機瞬態(tài)空燃比補償提供參考。

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（編輯：劉楊）

Study on self-adaption control strategy of transient air-fuel ratio of spark ignition engines

YAN Haoming1，SUN Renyun1，CHEN Degang2，WANG Keren1
（1.School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.Amico Gas Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610039，China）

The closed-loop control characteristics of engines under steady-state operating conditions areexplainedinthispaper.First，thecausesofmismatchedtransientair-fuelratioare investigated.Second，an additive error model and a multiplicative error model of air-fuel ratio is designed.Third，an adaptive compensation scheme is proposed accordingly.According to Matlab/ Simulink，a simulation model of air-fuel ratio control system is established and the adaptive compensation scheme is verified.The results show that when an error occurs，the fluctuation in air-fuel ratio is lower than 1%after the modified value of air-fuel ratio correction value is automatically changed to adjust fuel injection.

engine;transient;air-fuel ratio;self-adaption

A

1674-5124（2016）03-0109-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.025

2015-02-10；

2015-04-25

嚴浩銘（1988-），男，四川廣安市人，碩士研究生，專業(yè)方向為發(fā)動機電子控制技術(shù)。