柳啟元 孫建軍 劉義強 方會詠 張慧君 朱 允

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

目前國內(nèi)汽油發(fā)動機(jī)基本都采用基于轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩控制的精度決定了整車的駕駛性表現(xiàn)、發(fā)動機(jī)與變速器或者電機(jī)的有效配合時機(jī)以及整車怠速控制的平穩(wěn)性，怠速轉(zhuǎn)矩儲備的精度影響怠速控制，從而直接影響對汽車駕駛性能優(yōu)劣的評價[1]。轉(zhuǎn)矩控制精度決定了駕駛員的動力感受和駕駛舒適性。因此，基于轉(zhuǎn)矩控制的控制策略在發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)中逐漸獲得應(yīng)用[2]，發(fā)動機(jī)火路轉(zhuǎn)矩控制精度主要受發(fā)動機(jī)的指示轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩?fù)p失（包括發(fā)動機(jī)泵氣損失和摩擦損失）、最優(yōu)點火角及點火角效率影響。

發(fā)動機(jī)點火提前角對汽油機(jī)的工作性能影響較大，提前角偏離最佳值將會使汽油機(jī)熱效率下降。據(jù)統(tǒng)計，如果點火提前角偏離最佳值10°CA，則熱效率將下降5%[3]，因此，最優(yōu)點火角決定了發(fā)動機(jī)在同一工況下的轉(zhuǎn)矩峰值，對應(yīng)的發(fā)動機(jī)點火角效率最高。當(dāng)發(fā)動機(jī)的最優(yōu)點火角過大或過小時，都會造成點火角效率的偏移。最優(yōu)點火角需根據(jù)轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)與點火角效率曲線共同計算擬合，其中點火角效率的擬合將采用構(gòu)建正弦函數(shù)的方法進(jìn)行離線擬合。而發(fā)動機(jī)的指示轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩?fù)p失可以通過燃燒分析儀測量計算得到。

本文在汽油發(fā)動機(jī)臺架試驗的基礎(chǔ)上，提出了點火角效率曲線、最優(yōu)點火角和發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩的標(biāo)定方法，通過離線計算對發(fā)動機(jī)的火路轉(zhuǎn)矩模型進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化，保證發(fā)動機(jī)的火路轉(zhuǎn)矩精度。

1 標(biāo)定優(yōu)化策略

1.1 計算指示轉(zhuǎn)矩

樣機(jī)指示轉(zhuǎn)矩計算邏輯如式（1）所示，通過發(fā)動機(jī)萬有特性采集發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速工況下的平均指示有效壓力，計算得到發(fā)動機(jī)各工況下的指示轉(zhuǎn)矩。利用Simulink 搭建指示轉(zhuǎn)矩模型，得到指示轉(zhuǎn)矩MAP圖，如圖1 所示。

圖1 指示轉(zhuǎn)矩模型

式中：IMEP_H為平均指示有效壓力，單位為MPa；V為發(fā)動機(jī)排量，單位為mL。

1.2 構(gòu)建點火角效率曲線

由于點火角效率為一條曲線，如圖2 所示，因此很難用數(shù)據(jù)強行擬合后可以覆蓋所有的工況點，參考點火角效率趨勢線，我們認(rèn)為點火角效率線為兩個正弦曲線相加得到，為此我們將點火角效率線用兩個正弦函數(shù)相加重新構(gòu)造，如公式（2）所示，其中a1、b1、c1、d1、e1、f1為求解參數(shù)，決定點火角效率的線型，η點火角為點火角效率，x 為點火角相對最優(yōu)點火角的推遲角度。

圖2 不同汽油機(jī)機(jī)型點火角效率曲線

由點火角效率線可知，當(dāng)點火角為最優(yōu)點火角時，點火角效率為1，即x=0，η點火角=1；此時，點火角效率線的導(dǎo)數(shù)為0，即x=0，η點火角′=0。根據(jù)上述已知解，可以求出如公式（3）所示的η點火角。其中a=b1，b=c1，c=e1，d=f1，通過如上求解過程，我們將點火角效率線由6 個位置參數(shù)簡化為由4 個位置參數(shù)組成的正弦組合函數(shù)。將公式（3）作為點火角效率線函數(shù)重新構(gòu)建simulink 模型，如圖3 所示。

圖3 基于正弦函數(shù)構(gòu)建的點火角效率模型

1.3 構(gòu)建最優(yōu)點火角

最優(yōu)點火角基于基礎(chǔ)點火角搭建，最優(yōu)點火角為發(fā)動機(jī)在各工況下所能輸出最大轉(zhuǎn)矩時的點火角，通常最優(yōu)點火角要大于等于基礎(chǔ)點火角，基礎(chǔ)點火角在發(fā)動機(jī)小負(fù)荷區(qū)域工作時等于最優(yōu)點火角，在發(fā)動機(jī)中大負(fù)荷區(qū)域工作時基礎(chǔ)點火角為爆燃邊界時的點火角，此時無法再增加基礎(chǔ)點火角，否則發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生較強的爆燃現(xiàn)象。因此，我們在擬合最優(yōu)點火角時，構(gòu)建一個基于基礎(chǔ)點火角增加Offset 點火角的模型，用于最優(yōu)點火角的最終輸出。發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)點火角可以通過萬有特性數(shù)據(jù)進(jìn)行填充擬合。Offset 點火角MAP 需約束為正值，如圖4 所示。

圖4 最優(yōu)點火角模型

1.4 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩模型

當(dāng)我們得到發(fā)動機(jī)的最優(yōu)點火角、點火角效率以及指示轉(zhuǎn)矩時，即可構(gòu)建發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型。通過發(fā)動機(jī)的指示轉(zhuǎn)矩與點火角效率、空燃比效率的乘積再減去發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩?fù)p失即可得到發(fā)動機(jī)的實際輸出轉(zhuǎn)矩，如圖5 所示。

圖5 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩模型

將試驗數(shù)據(jù)和Simulink 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩模型導(dǎo)入Matlab MBC 工具箱后，利用擬合優(yōu)化程序得到最優(yōu)點火角優(yōu)化MAP_off 以及點火角正弦函數(shù)的4 個參數(shù)a、b、c、d。再將正弦函數(shù)計算得到的點火角效率曲線和最優(yōu)點火角刷寫到ECU 中，分別進(jìn)行發(fā)動機(jī)萬有特性試驗及各工況的點火角退角試驗，驗證發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩模型精度。

2 試驗結(jié)果

2.1 指示轉(zhuǎn)矩標(biāo)定結(jié)果

發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩標(biāo)定結(jié)果如圖6、圖7 所示，根據(jù)發(fā)動機(jī)萬有特性結(jié)果，得到不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷的燃燒指示轉(zhuǎn)矩輸入，導(dǎo)入MBC 工具箱進(jìn)行MAP標(biāo)定，在保證指示轉(zhuǎn)矩精度的前提下，標(biāo)定MAP 盡量平順。其中發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩的標(biāo)定結(jié)果如圖6 所示，發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩的標(biāo)定偏差通過模型指示轉(zhuǎn)矩減去實際指示轉(zhuǎn)矩得到；通過圖7 可知，標(biāo)定的指示轉(zhuǎn)矩偏差精度均在1 N·m 以內(nèi)，標(biāo)定結(jié)果較好。

圖6 發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩標(biāo)定結(jié)果

圖7 發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩標(biāo)定偏差

2.2 點火角效率標(biāo)定結(jié)果

根據(jù)發(fā)動機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)，將基礎(chǔ)點火角導(dǎo)入MBC 工具箱，進(jìn)行基礎(chǔ)點火角MAP 標(biāo)定，得到基礎(chǔ)點火角MAP，如圖8 所示，根據(jù)不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的推遲點火角的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)點火角及點火角正弦函數(shù)相關(guān)的4 個參數(shù)標(biāo)定，最優(yōu)點火角標(biāo)定結(jié)果如圖9 所示，點火角效率曲線標(biāo)定結(jié)果如圖10 所示。

圖8 基礎(chǔ)點火

圖9 最優(yōu)點火角

圖10 點火角效率曲線標(biāo)定結(jié)果

2.3 轉(zhuǎn)矩模型標(biāo)定結(jié)果

發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型標(biāo)定結(jié)果在圖11～圖13 進(jìn)行展示，圖11 展示了發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)矩模型精度，圖12 展示了發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩模型精度，圖13 展示了發(fā)動機(jī)不同輸出點火角下的轉(zhuǎn)矩模型精度，本次試驗共采集了1 523 個發(fā)動機(jī)工況點，其中1 518 個工況點轉(zhuǎn)矩模型精度在±5 N·m 以內(nèi)，滿足5 N·m 內(nèi)精度數(shù)據(jù)占比達(dá)到99.67%，1 385 個工況點轉(zhuǎn)矩模型精度在±2 N·m 以內(nèi)，滿足2 N·m 內(nèi)精度數(shù)據(jù)占比達(dá)到90.94%。

圖11 發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)矩標(biāo)定結(jié)果

圖12 發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩標(biāo)定結(jié)果

圖13 發(fā)動機(jī)不同輸出點火角下的轉(zhuǎn)矩標(biāo)定結(jié)果

由此可見，通過本文方法構(gòu)建的轉(zhuǎn)矩模型架構(gòu)，并以此為依據(jù)完成發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型標(biāo)定，進(jìn)行標(biāo)定后的轉(zhuǎn)矩模型精度非常高。

3 結(jié)論

通過臺架試驗得到不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的推遲點火角的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，并基于本文正弦函數(shù)構(gòu)建的點火角效率計算公式的方式搭建的轉(zhuǎn)矩模型架構(gòu)，可以在保證較高精度的前提下完成汽油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型標(biāo)定。對轉(zhuǎn)矩模型的精度研究優(yōu)化有較大的指導(dǎo)作用，可推廣應(yīng)用于汽油機(jī)發(fā)動機(jī)的其他項目。