李捷輝，劉婧，吳兵兵，張隆基，胡立

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境保護(hù)問題與能源消耗問題日益嚴(yán)重，節(jié)能減排已成為各行各業(yè)不得不面對(duì)的問題。自2009年以來，我國(guó)汽車銷量一直穩(wěn)居全球第一，截止2016年底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)2.9億輛，其中民用汽車1.94億輛[1]。此外汽車占機(jī)動(dòng)車的比率迅速提高，近5年汽車占機(jī)動(dòng)車比率從50.39%提高到65.97%[2]?？梢娖蜋C(jī)在汽車工業(yè)發(fā)展中所占比例越來越大，與此同時(shí)帶來的排放等問題也日益嚴(yán)重。

為了推動(dòng)行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，中國(guó)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)與美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)建立了互動(dòng)機(jī)制，對(duì)汽油機(jī)的排放進(jìn)行了嚴(yán)格的限制[3]。目前，降低汽油機(jī)排放物的機(jī)外凈化措施普遍采用三效催化器，三效催化器的使用有效地減少了尾氣的污染且提高了燃油燃燒效率，然而其最佳工作環(huán)境要求空燃比在14.7(1±3%)范圍內(nèi)[4-5]。為提高三效催化器的轉(zhuǎn)化效率，必須通過氧傳感器的反饋信號(hào)將空燃比控制在理論空燃比(14.7)附近[6]。空燃比控制算法通常有PID控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及模糊控制算法等[7]，這一類算法大多是采用氧傳感器的反饋控制。氣候條件的變化(溫度、濕度、氣壓的波動(dòng))會(huì)對(duì)氧傳感器的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響，同時(shí)殘余電流也會(huì)影響到傳感器的精度，受電極結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)材料及生產(chǎn)工藝的限制，氧傳感器的使用壽命會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而下降。軟件模型則不受這些因素影響，因此具有更大的優(yōu)勢(shì)和潛力，相比于硬件而言，軟件模型具有更高的使用壽命及穩(wěn)定性[8]。

針對(duì)汽油機(jī)控制特點(diǎn)，本研究開發(fā)了一種基于PI控制的空燃比控制器，控制器中用氧傳感器模型取代氧傳感器實(shí)物，在保證空燃比計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)約了電控系統(tǒng)開發(fā)成本，應(yīng)用該控制器的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在不同工況下滿足排放法規(guī)限值要求[9]。搭建的控制器模型經(jīng)仿真測(cè)試后進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，在優(yōu)化控制參數(shù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)空燃比的精確控制。

1 空燃比控制器模型算法設(shè)計(jì)

空燃比控制器主要通過氧傳感器模型輸出反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)空燃比控制，在氧傳感器模型中僅考慮對(duì)空燃比控制影響最大的兩個(gè)影響因素，即進(jìn)氣量和燃油量?？刂破髂Ｐ鸵妶D1，主要由3個(gè)模塊組成，分別是氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊、模式調(diào)度模塊和控制算法模塊。其中氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊包括進(jìn)氣計(jì)算子模塊、循環(huán)噴油量計(jì)算子模塊、空燃比(AFR)計(jì)算子模塊以及氧傳感器信號(hào)值輸出子模塊。

圖1 空燃比控制器模型框圖

氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊由進(jìn)氣量及燃油量計(jì)算得到當(dāng)前工況下空燃比，并轉(zhuǎn)換成氧傳感器信號(hào)輸入控制算法模塊，對(duì)燃油量進(jìn)行二次修正以精確控制空燃比。模式調(diào)度模塊中，通過進(jìn)氣壓力p，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，空燃比AFR和節(jié)氣門開度來判斷和調(diào)度當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)檢測(cè)氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊輸出的信號(hào)值是否在正常工作范圍內(nèi)，確?？杖急瓤刂破鞯恼＿\(yùn)行。在控制算法模塊中，由氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊輸出的氧傳感器電壓信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n和進(jìn)氣壓力p得到當(dāng)噴油脈寬修正量T0，修正后得到最終噴油脈寬Te。

1.1 氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊

氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊用于計(jì)算空燃比以及輸出模擬的氧傳感器信號(hào)。氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊由4個(gè)子模塊組成(見圖2)，分別為進(jìn)氣計(jì)算子模塊、循環(huán)噴油量計(jì)算子模塊、空燃比(AFR)計(jì)算子模塊以及氧傳感器信號(hào)值輸出子模塊。

根據(jù)氧傳感器工作原理，首先通過進(jìn)氣量和燃油計(jì)算模塊得到基礎(chǔ)空燃比，再通過空燃比反推得到氧傳感器信號(hào)值，由此來模擬氧傳感器信號(hào)輸出。氧傳感器模型計(jì)算公式如下：

(1)

圖2 氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊

1.2 模式調(diào)度模塊

空燃比控制器在汽油機(jī)處于一些特殊工況例如怠速、急加減速或全負(fù)荷時(shí)需要停止運(yùn)行，通過建立模式調(diào)度模塊可以管理空燃比控制器的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3示出模式調(diào)度模塊Stateflow狀態(tài)，共設(shè)置7個(gè)狀態(tài)：節(jié)氣門開度檢測(cè)、進(jìn)氣溫度檢測(cè)、進(jìn)氣壓力檢測(cè)、曲軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、傳感器失效檢測(cè)和空燃比運(yùn)行模式管理。節(jié)氣門開度檢測(cè)、進(jìn)氣溫度檢測(cè)、進(jìn)氣壓力檢測(cè)和曲軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)主要用于檢測(cè)傳感器信號(hào)是否真實(shí)有效，若傳感器信號(hào)超出限值則設(shè)置失效保護(hù)值。傳感器失效檢測(cè)通過布爾量fail_Lamp來控制故障燈亮滅?？杖急瓤刂破鬟\(yùn)行模式分為4個(gè)子狀態(tài)：初始化子狀態(tài)(Initial)、正常子狀態(tài)(Normal)、掛起子狀態(tài)(Suspend)和停止子狀態(tài)(Stop)。由變量AFR_clc_Switch和AFR _control_ Switch根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)來控制氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊及控制算法模塊的運(yùn)行。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況時(shí)，需將空燃比控制器設(shè)置為初始化狀態(tài)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于急加速或急減速工況時(shí)，將空燃比控制器設(shè)置為掛起狀態(tài)，直到發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定工況下時(shí)再運(yùn)行；當(dāng)檢測(cè)到傳感器信號(hào)失效時(shí)，將停止空燃比控制器的運(yùn)行。

圖3 模式調(diào)度模塊Stateflow狀態(tài)

1.3 空燃比控制器控制算法模塊

由于控制算法模塊所輸入的氧傳感器信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，無需微分控制來提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此控制算法模塊采用PID控制中的PI控制器實(shí)現(xiàn)。圖4示出控制算法控制過程。首先在Simulink環(huán)境下通過軟件仿真得到控制參數(shù)Kp和Ki初始MAP表，再通過臺(tái)架試驗(yàn)在各個(gè)工況下對(duì)控制參數(shù)Kp和Ki進(jìn)行整定和優(yōu)化，得到最終較為準(zhǔn)確的MAP表。

圖4 控制算法開發(fā)框圖

得到控制參數(shù)Kp和Ki后，需將其應(yīng)用至無氧傳感器閉環(huán)控制算法中。圖5示出Simulink環(huán)境下搭建的控制算法模塊邏輯框圖。其中error為當(dāng)前工況下的的燃油誤差量，SW為控制算法模塊的復(fù)位開關(guān)量。Kp和Ki參數(shù)由負(fù)荷LOAD和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速RPM查詢MAP表所得，并輸入PI控制算法模塊得到最終空燃比修正量Uk。模塊中的離散PI控制算法見式(2)。

(2)

圖5 控制算法內(nèi)部邏輯框圖

2 模型仿真測(cè)試

在Simulink環(huán)境下對(duì)模型功能性和可靠性進(jìn)行測(cè)試。模型測(cè)試環(huán)節(jié)使用Simulink vertication and validation、Model Advisor和Design Verifier生成測(cè)試框架，完成對(duì)模型的測(cè)試驗(yàn)證。

圖6示出氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊的單元測(cè)試Simulink模型。該測(cè)試模型主要輸出兩種信號(hào)，空燃比控制模型所輸出的模擬信號(hào)以及實(shí)際試驗(yàn)輸出信號(hào)。通常小型汽油機(jī)排放測(cè)試都采用五工況測(cè)試法，5個(gè)工況負(fù)荷率分別為0%，25%，50%，75%和100%。由于小型汽油機(jī)運(yùn)行工況大多數(shù)處于中等負(fù)荷，因此在測(cè)試模型中，負(fù)荷率選取15%，25%，50%，75%和90%，轉(zhuǎn)速在1 000～3 000 r/min范圍每隔200 r/min取值。通過input輸入模塊采集節(jié)氣門開度、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力以及有效燃油噴射脈寬，模型輸出兩個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別為空燃比值A(chǔ)FR_result和氧傳感器電壓信號(hào)值O2_result。outputs模塊輸出實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后，在Scope模塊中比較氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊單元測(cè)試Simulink模型

圖7中以深色線顯示氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊計(jì)算得到的空燃比AFR_Model，可以看出與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果(淺色線顯示)近似吻合。圖7中，用深色標(biāo)記氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊所得信號(hào)值O2_Result, 若空燃比數(shù)值超過14.67，氧傳感器輸出為80 mV，若空燃比數(shù)值低于14.67，氧傳感器輸出為700 mV，與氧傳感器實(shí)際數(shù)值基本一致，并且與實(shí)際氧傳感器信號(hào)相比抗干擾性更強(qiáng)，誤差值更小。測(cè)試結(jié)果表明氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊設(shè)計(jì)的算法實(shí)現(xiàn)了空燃比精確計(jì)算和模擬氧傳感器信號(hào)輸出功能。

圖7 氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較

3 臺(tái)架試驗(yàn)

搭建發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架(見圖8)，驗(yàn)證空燃比控制器控制效果。臺(tái)架主要由電腦、電控柜、汽油機(jī)、以及測(cè)功機(jī)等組成。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意

本研究選擇的測(cè)試樣機(jī)為靈敏度及經(jīng)濟(jì)性都較高的170F通用小型汽油機(jī)，標(biāo)定功率4 kW，標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速3 600 r/min；選用CWF75電渦流測(cè)功器及其測(cè)試系統(tǒng)和Horiba MEXA-7200D氣體分析儀。

3.1 控制參數(shù)整定

在Simulink環(huán)境下，設(shè)置不同工況進(jìn)行模型在環(huán)仿真，可得到控制參數(shù)Kp和Ki的初始值，但控制參數(shù)Kp和Ki仍需在臺(tái)架上進(jìn)行整定和優(yōu)化，之后繪制MAP表。

在臺(tái)架上整定參數(shù)Kp和Ki時(shí)，首先需要保持氧傳感器信號(hào)頻率呈一定規(guī)律并且占空比為50%左右；其次要保證氧傳感器信號(hào)在正常工作范圍0.5～3.5 Hz；最后要保證空燃比控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行無影響，根據(jù)170F小型汽油機(jī)的工作特性，應(yīng)保持轉(zhuǎn)速波動(dòng)在±50 r/min。整定完成后，利用Matlab中的cubic函數(shù)，通過立方差值優(yōu)化方式來將數(shù)據(jù)中的奇異點(diǎn)剔除，并使整體數(shù)據(jù)的連續(xù)性得到保證。

圖9示出控制參數(shù)Kp的MAP表。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)供油量也不斷增大，若要將空燃比仍控制在14.7附近，需要增大燃油噴射的修正量。因此，控制參數(shù)Kp隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增大而增大。

圖10示出控制參數(shù)Ki的MAP表。在轉(zhuǎn)速1 000～3 000 r/min、負(fù)荷15%～90%的工況下，控制參數(shù)Ki的數(shù)值從2到7隨機(jī)變化。

圖9 Kp參數(shù)MAP表

圖10 Ki參數(shù)MAP表

3.2 空燃比控制器模型控制結(jié)果及精度

臺(tái)架試驗(yàn)過程中試驗(yàn)環(huán)境溫度應(yīng)保持恒定。以2 500 r/min運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)并預(yù)熱20 min，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作溫度范圍內(nèi)。通過對(duì)比氧傳感器信號(hào)計(jì)算模塊估算信號(hào)與實(shí)際采樣信號(hào)，并使用Lambda儀實(shí)時(shí)采集汽油機(jī)空燃比，來驗(yàn)證模型對(duì)空燃比的控制精度。

標(biāo)定界面中無氧傳感器信號(hào)即空燃比控制器模型實(shí)時(shí)計(jì)算出的氧傳感器電壓信號(hào)值，由于氧傳感器信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，僅通過判斷混合氣濃稀來控制空燃比，所以可根據(jù)信號(hào)頻率來判斷空燃比控制效果(見圖11)。以轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，負(fù)荷率為25%，50%，75%的工況為例。負(fù)荷率為25%的工況下，氧傳感器信號(hào)值頻率在1～1.4 Hz之間，氧傳感器模型信號(hào)頻率在0.8～1.2 Hz ；負(fù)荷率為50%的工況下，氧傳感器信號(hào)頻率在0.6～1.2 Hz之間，氧傳感器模型信號(hào)頻率在0.6～1.3 Hz；負(fù)荷率為75%的工況下，氧傳感器信號(hào)頻率在0.6～1.2 Hz之間，氧傳感器模型信號(hào)頻率在0.4～1.1 Hz 之間。綜上氧傳感器模型信號(hào)頻率變化與氧傳感器信號(hào)頻率變化相似且都在0.6～1.4 Hz變化，且不同工況下頻率變化基本一致，表明所開發(fā)氧傳感器模型基本可替代氧傳感器模型完成空燃比控制，并且所設(shè)計(jì)空燃比控制器可精確將空燃比控制在14.67附近。

圖11 氧傳感器模型信號(hào)值

除通過氧傳感器信號(hào)變化頻率來驗(yàn)證空燃比控制效果外，試驗(yàn)中還利用Lambda儀實(shí)時(shí)采集當(dāng)前空燃比來進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)空燃比控制器的控制精度。Lambda儀的采樣周期為500 ms，共測(cè)試12個(gè)工況下的2 000個(gè)數(shù)據(jù)，這12個(gè)工況為2 000 r/min，2 500 r/min和3 000 r/min轉(zhuǎn)速下負(fù)荷率分別為25%，50%，75%和90%的工況。圖12示出數(shù)據(jù)采集結(jié)果，2 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中空燃比在14.31～15.01范圍內(nèi)的有1 955個(gè)，占總體的97.75%。由于實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)中溫度、濕度及大氣壓力等因素的影響，存在一定的試驗(yàn)誤差，此外測(cè)量誤差也會(huì)影響空燃比控制精度，因此測(cè)試中會(huì)存在少數(shù)奇異點(diǎn)數(shù)據(jù)，但大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)落在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)且奇異點(diǎn)誤差也未超過0.3。綜上，測(cè)試數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確可信，可進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)空燃比控制器的控制精度較高，且可將空燃比控制在14.31～15.01范圍內(nèi)，所設(shè)計(jì)空燃比控制器基本可以適用于目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖12 空燃比數(shù)值采集數(shù)據(jù)

3.3 無氧傳感器電控汽油機(jī)與原機(jī)對(duì)比

對(duì)使用基于氧傳感器模型的空燃比控制器的小型汽油機(jī)進(jìn)行排放測(cè)試，并與使用氧傳感器閉環(huán)控制的原機(jī)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)三效催化器工作原理，在空燃比14.7附近催化劑轉(zhuǎn)化率最高，隨空燃比增加CO和HC化合物排放降低，NOx排放增加[10]。從表1可見，無氧傳感器空燃比控制模型可將空燃比穩(wěn)定在14.31～15.01，汽油機(jī)的CO排放值為257.2 g/(kW·h)，HC+NOx排放值為8.18 g/(kW·h)，低于EPAⅢ排放限值，且有足夠的劣化余量滿足排放法規(guī)要求[11]，與通過氧傳感器反饋控制的原電控小型汽油機(jī)相比排放差異不大。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)氧傳感器模型可以替代氧傳感器實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的精確控制。

表1 氧傳感器模型控制與原電控系統(tǒng)對(duì)比

4 結(jié)束語

采用軟件代替硬件的思想，設(shè)計(jì)了一種空燃比控制器模型，通過建立氧傳感器模型替代氧傳感器實(shí)物，在保證空燃比計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)約電控系統(tǒng)開發(fā)成本。模型仿真測(cè)試結(jié)果表明空燃比控制器計(jì)算得到的空燃比及氧傳感器模擬信號(hào)與實(shí)際試驗(yàn)采樣結(jié)果近似吻合，該模塊輸出的空燃比和氧傳感器模擬信號(hào)準(zhǔn)確可靠。

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架中完成Kp和Ki參數(shù)整定，并驗(yàn)證控制器控制精度。試驗(yàn)結(jié)果表明，空燃比控制器模型可準(zhǔn)確輸出氧傳感器信號(hào)，并將空燃比精確控制在14.31～15.01范圍內(nèi)。通過排放測(cè)試對(duì)比，無氧傳感器汽油機(jī)與原機(jī)排放性能基本相同，所設(shè)計(jì)氧傳感器模型可以替代氧傳感器實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比精確控制。