基于轉速反饋的CNG發動機點火提前角標定

汪勝利 曹姜 薛濤 左承基

（合肥工業大學機械與汽車工程學院安徽合肥230009）

基于轉速反饋的CNG發動機點火提前角標定

汪勝利 曹姜 薛濤 左承基

（合肥工業大學機械與汽車工程學院安徽合肥230009）

點火正時對發動機運行時的動力性、經濟性和排放具有很大影響，因此最佳點火提前角的選取十分重要。以發動機轉速為反饋信號，利用MATLAB/Simulink軟件建立CNG發動機點火提前角標定控制模型，算法實施平臺為dSPACE公司的MicroAutoBox，在實驗室NQ150N型天然氣發動機上進行了算法測試。實驗結果表明，以轉速為反饋信號的點火提前角標定算法簡單可行，并且能較快地找到對應工況下的最佳點火提前角。

點火提前角dSPACE轉速CNG發動機

引言

在發動機電控中，點火正時和空燃比一直是兩大難題，點火正時的控制主要在于點火提前角的控制。點火提前角控制的不合理使混合氣的燃燒過程變差，進而影響發動機的輸出功率，也會使經濟性和排放變差，嚴重時會產生爆震，損壞發動機[1]。

確定點火提前角的傳統方法是根據ECU內部FLASH存儲的點火提前角MAP圖直接查表得到，也被稱為開環控制。該MAP圖是技術人員進行標定后固化在ECU中，在發動機運行時，根據運行工況的不同查表獲得不同的點火提前角。隨著現代控制理論的發展和發動機精確控制的需求，閉環控制已經在發動機電控技術中普及，如空燃比閉環控制等。為了適應不同型號發動機不同工況下點火提前角需求，并且可以在發動機老化磨損的情況下獲得較好的點火效果，目前的發動機電控系統均采用了點火提前角閉環控制以獲得更佳的點火正時，并且還可以幫助技術人員對點火提前角MAP圖進行標定。

本文開發了一種基于轉速反饋的點火提前角標定方法，利用MATLAB/Simulink軟件建立標定控制模型，以德國dSPACE公司開發的MicroAutoBox為控制模型的算法平臺，在實驗室NQ150N天然氣發動機上進行了實驗測試。

1 點火提前角閉環控制

圖1和2分別為點火提前角的開閉環控制原理圖，在引言中已經簡單介紹了點火提前角的開環控制，其缺點是必須根據工況對點火MAP圖進行手動標定，精度較差，并且隨著發動機的老化磨損，最佳點火提前角會發生偏移，此時開環控制就不能滿足點火提前角精確控制的需求。從圖2中看出，閉環與開環控制的不同之處即是加入了傳感器信號的反饋輸入修正，即在原來查表所得基本點火提前角的基礎上加上修正項，得到最終的點火提前角輸出。

圖1 點火提前角開環控制

圖2 點火提前角閉環控制

對于目前的點火提前角閉環控制系統，傳感器反饋信號通常有爆震傳感器信號、氣缸壓力傳感器信號以及發動機轉速信號。以爆震傳感器信號為反饋主要用于汽油機上，是目前較為常用的反饋信號。以氣缸壓力為反饋控制信號的點火提前角尋優能夠基本滿足在不同工況下實際點火提前角對最佳點火角的逼近，但其成本較高使其應用受到了較大的限制。而以轉速為反饋信號的點火提前角尋優方便簡單并且精度也較高[2，3]。

2 基于轉速反饋的提前角標定

2.1 可行性分析

當發動機運行于穩定工況時，可認為發動機負荷與外界阻力矩不變。由于點火提前角的改變引起發動機輸出功率發生變化時，必然會引起發動機轉速的改變。這樣，發動機轉速的變化就可以表征發動機點火提前角的優劣[4]。

如圖3所示，發動機運轉于某一負荷和節氣門開度下，轉速隨點火提前角的變化關系圖。

圖3 轉速與點火提前角關系圖

從圖中可以看到，在一定的負荷和節氣門開度下，可以找到一個最佳的點火提前角，使該負荷和節氣門開度下的轉速達到最大。

根據功率計算公式

其中P為功率，N為轉速，M為輸出扭矩。在輸出扭矩不變的情況下，轉速最大即可獲得最大的輸出功率，并且燃油經濟性也最好。

燃油經濟性的評價指標為燃油消耗量與輸出功率之比，當發動機工作于非最佳點火提前角時，要獲得相同的輸出功率P，即獲得相同的轉速和輸出扭矩，就必須要增加負荷，因此比油耗和小時油耗量相對最佳點火提前角時的會更高[4]。

根據上述分析，以轉速為反饋信號的點火提前角標定方法是可行的。

2.2 標定機理

以轉速為反饋信號的點火提前角標定要求在發動機工作于穩態工況下一段時間，即在某一負荷和節氣門開度下，通過改變點火提前角從而使發動機轉速發生變化，將這些對應的轉速點記錄下來，從中找到轉速最大的一點（Nmax），則該點對應的點火提前角即是這一負荷和節氣門開度（或Nmax和歧管壓力）下的最佳點火提前角。

如圖4所示為基于轉速反饋的點火提前角標定控制流程圖。在開始點火提前角標定時，根據當前點火提前角和上位機確定的角度變化范圍確定出最大點火提前角和最小點火提前角，然后根據點火提前角變化的步長（一般選取1°或2°）改變點火提前角大小（遞增點火提前角或者遞減點火提前角），并且記錄點火提前角改變后的轉速大小，這樣就得出在最大和最小點火提前角范圍內的若干個對應的轉速點，再從中優選出最大的轉速點即可。

圖4 點火提前角標定流程圖

2.3 參數的選取

在基于轉速反饋的點火提前角標定策略中，要注意以下幾個參數的選取[5，6]。

1）初始點火提前角的選取。如果所選取的初始點火提前角與最佳點火提前角相接近或者差值不大，則會加快系統的響應速度，能夠很快地找到最佳的點火提前角，反之則會較慢。本文中選取的初始點火提前角為標定開始工況下的查點火MAP表后所得的角度值（此點火提前角MAP為人工初步標定值，與最佳點火提前角相差不會太大）。

2）點火提前角變化范圍和提前角的變化步長的選取。兩者影響著系統的響應速度，也影響著最佳點火提前角選取的精度。過大的角度變化范圍會使系統確定出的點火提前角標定范圍變寬，延長了系統標定一次最佳點火提前角的時間，過小可能會使標定的角度范圍包含不了最佳點火提前角，因此選取要合適。本文中選取在5°到10°之間。

選擇過大的點火提前角的變化步長雖然會加快系統響應速度，但會導致精度不夠，使標定出的最佳點火提前角與實際的角度存在誤差，過小同樣會使系統響應變慢，本文中選取2°。

3）在每次改變點火提前角后，發動機轉速會發生相應的變化，同時為了消除轉速波動現象，在每次計算轉速前要延遲一定的時間然后取平均轉速。本文中在第一次改變點火提前角后，因為突變角度較大所以延遲4 s，取后2.4 s（60%的延遲時間，比例可變）轉速的平均值（轉速采樣時間為50 ms）作為本次點火提前角下對應的轉速值。以后每改變一次點火提前角，因突變角度較小所以延遲1 s，取后0.6 s的轉速平均值進行儲存。

2.4 點火提前角標定的Simulink框圖

如圖5所示為點火提前角標定的Simulink框圖。

從圖中可以看出，標定控制器的輸入參數有：

1）根據轉速和歧管壓力查點火提前角MAP得到的基本點火提前角，該角度作為標定的初始點火提前角（對于某一個工況進行角度標定時只查取一次）。

2）標定方向，決定提前角的變化方向，即遞增點火提前角或者遞減點火提前角。

圖5 點火提前角標定的Simulink框圖

3）變化步長和角度變化范圍。輸出參數為標定后所得的最佳點火提前角。

3 實驗分析

3.1 實驗裝置

如圖6所示，為本文實驗所用裝置簡圖。

模型的算法實施平臺為德國dSPACE公司生產的MicroAutoBox。dSPACE實時仿真系統是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及測試工作平臺，它實現了與MATLAB/Simulink的完全無縫聯接。dSPACE實時系統擁有高速計算能力的硬件系統，包括處理器、I/O等。這樣，在dSPACE強大能力的支持下，利用其快速控制原型（RCP）功能就可以快速、方便地進行控制算法的開發與測試，并且可以利用代碼自動生成工具將算法轉化成產品代碼。

圖6 實驗裝置簡圖

實驗中使用CW160型電渦流測功機，發動機型號為NQ150N天然氣發動機，其主要技術參數如下表1所示，采用南峰FST2D實驗臺架實現發動機負荷和轉速的控制。

表1 NQ150N天然氣發動機主要技術參數

實驗中，將Simulink模型下載到dSPACE中，通過后臺監控軟件ControlDesk與dSPACE進行實時通訊，以設置、監控和保存相關參數數據，如圖7所示。

3.2 實驗測試

本文在不同工況下對控制策略的模型進行了實驗測試。實驗過程中通過FST2D臺架監控系統將發動機穩定在某一扭矩下，通過ControlDesk后臺監控系統將節氣門穩定于某一開度下，針對幾組不同的節氣門開度和扭矩進行了點火提前角的尋優標定實驗并進行了對比。

如圖8所示為在相同節氣門開度15%，分別在扭矩50 N·m和100 N·m工況下轉速隨點火提前角的變化曲線。

從圖中可以看出在扭矩50 N·m時最佳點火提前角在29°CA；在100 N·m扭矩工況下，最佳點火提前角為23°CA。在相同節氣門開度下，隨著負荷的增大點火推遲。

如圖9所示為在相同負荷100 N·m工況下，分別在節氣門開度15%和20%下的轉速隨點火提前角的變化曲線。

從圖中可以看出在15%節氣門開度時的最佳點火提前角為25°CA；在20%節氣門開度時的最佳點火提前角為18°CA。在相同負荷的條件下，隨著節氣門開度增大，點火推遲。

圖7 ControlDesk監控界面

圖8 不同負荷下點火提前角尋優對比

圖9 不同節氣門開度下點火提前角尋優對比

4 結論

根據上述分析可以看出，基于發動機轉速反饋的點火提前角標定是可行的，操作方便并且能夠較快地找到對應工況下的最佳點火提前角。根據實驗結果分析，在相同的節氣門開度下，隨著負荷的增加，應該推遲點火；在相同的負荷下，隨著節氣門開度增大，應減小點火提前角。

在點火提前角尋優標定控制中，應根據發動機動力性、經濟性和排放綜合考慮，本文中的提前角尋優標定主要是從動力性和經濟性角度出發，沒有考慮到排放方面，但為點火提前角的尋優標定提供了一個切實可行并且操作簡便的方法。

1李國勇.智能控制與MATLAB在電控發動機中的應用[M].北京：電子工業出版社，2007

2劉斌.汽油機點火提前角及電子節氣門控制仿真研究[D].武漢：華中科技大學，2009

3郭志鵬.465Q汽油機電控點火系統的分析與研究[D].太原：太原理工大學，2002

4吳寧.CA488Q發動機多點汽油噴射及點火系統的研究[D].長春：吉林大學，1998

5吳義虎.汽油機最佳點火正時轉速自適應檢測系統的研究[J].內燃機學報，1996，14（3）：270～276

6吳義虎.汽油機點火正時微處理機自適應控制系統的研究[J].汽車工程，1991，13（1）：48～56

7紀永飛.CNG單燃料發動機電控系統開發及應用研究[D].合肥：合肥工業大學，2014

Calibrating of the Ignition Advance Angle of the CNG Engine Based on Speed Feedback

Wang Shengli,Cao Jiang,Xue Tao,Zuo Chengji
School of Machinery and Automotive Engineering,Hefei University of Technology (Hefei,Anhui,230009,China)

Ignition timing has a great influence on the dynamic,economy and emissions of the running engine.So the selection of the optimum ignition advance angle is very important.The paper uses the speed of engine as the feedback signal,and establishes a control model of calibrating the ignition advance angle of the CNG engine by MATLAB/Simulink,the platform of the algorithm is MicroAutoBox,which was designed by the company of dSPACE.The test-experiments have already been done on the NQ150N natural gas engine.The result of experiments show that,the algorithm of calibrating ignition advance angle based on the feedback signal of speed is not only simple and feasible,but also be helpful to find the optimum ignition advance angle of corresponding conditions quickly.

Ignition advance angle,dSPACE,Speed,CNG engine

TK46+4

A

2095-8234（2014）06-0021-05

2014-11-05）

汪勝利（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為內燃機工作過程。

左承基（1955——），男，教授，博士生導師，主要研究方向為內燃機工作過程。