電子節(jié)氣門動(dòng)力失控工況診斷及故障模式管理

漆正剛，Gary Spring，許勻峰，王 聰，詹 迅，趙新慶

(重慶長安偉世通發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)有限公司產(chǎn)品研發(fā)部，重慶 401122)

電子節(jié)氣門(electronic throttle body，ETB)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。相較于傳統(tǒng)的機(jī)械式節(jié)氣門，在發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(engine management system，EMS)中引入電子節(jié)氣門控制，為實(shí)現(xiàn)從動(dòng)力源發(fā)動(dòng)機(jī)到變速傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力控制提供了新的控制維度，通過綜合控制節(jié)氣門開度、點(diǎn)火提前角、噴油脈寬與變速器速比為車輛實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工況提供了更多可能性［1－2］。在實(shí)現(xiàn)更優(yōu)、更精準(zhǔn)控制的同時(shí)，電子節(jié)氣門的引入也增加了EMS硬件的復(fù)雜性，降低了硬件系統(tǒng)的可靠性，包括增加了測量節(jié)氣門實(shí)時(shí)位置的節(jié)氣門位置傳感器(throttle position sensor，TPS)、驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門軸轉(zhuǎn)動(dòng)的直流伺服電機(jī)及其相關(guān)的連接線路等，這些都可能成為引發(fā)電子節(jié)氣門控制失效的誘發(fā)因素。

目前國內(nèi)學(xué)界對于電子節(jié)氣門的失效方式基本都劃分為節(jié)氣門位置傳感器線路的斷路和短路故障、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制線路的斷路和短路故障，以及采用冗余設(shè)計(jì)時(shí)兩路節(jié)氣門位置傳感器的校核一致性故障等［3－5］。對于在線路連接狀態(tài)良好的情況下由于傳感器內(nèi)部部件損傷導(dǎo)致的傳感器信號(hào)偏移而引起的信號(hào)測量失準(zhǔn)，以及直流伺服電機(jī)勵(lì)磁線圈老化、碳刷磨損、電磁干擾等導(dǎo)致的電機(jī)工作狀態(tài)發(fā)生突變等情況［6－8］，目前尚無較好的識(shí)別和應(yīng)對策略。雖然發(fā)生上述嚴(yán)重故障的概率較低，但是一旦發(fā)生大幅度信號(hào)偏移或者電機(jī)工作狀態(tài)突變，導(dǎo)致電子節(jié)氣門開度發(fā)生階躍性激增，將會(huì)直接引發(fā)車輛瞬時(shí)加速度的激增，出現(xiàn)動(dòng)力失控，影響行車安全。如果不能及時(shí)識(shí)別并做出主動(dòng)性干預(yù)，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人車安全事故。本文以某自主品牌微型商用車型為研究對象，在其搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上，提出一種以發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量為測量判斷指標(biāo)識(shí)別電子節(jié)氣門動(dòng)力失控工況的方法，對故障模式下的節(jié)氣門動(dòng)作實(shí)現(xiàn)有效管理。

1 TPS信號(hào)偏移及影響

EMS系統(tǒng)采用雙路節(jié)氣門位置傳感器，冗余設(shè)計(jì)方式可以提高控制系統(tǒng)零部件的可靠性，當(dāng)其中一路信號(hào)失效時(shí)，另一路信號(hào)仍然可以發(fā)揮作用。如圖1所示:①處為死點(diǎn)，由限位螺釘限制節(jié)氣門最小開度，對應(yīng)的絕對角度為7°，并作為相對角度的零點(diǎn);②處為2號(hào)傳感器測量角度飽和點(diǎn)，對應(yīng)絕對角度大約為56°，相對角度約為49°;③處為節(jié)氣門最大開度，約為絕對90°，相對83°。2號(hào)TPS在中小角度范圍內(nèi)(0°～46°)具有較高的測量精度，1號(hào)TPS在中大角度范圍內(nèi)(46°～90°)具有較高的測量精度，因此在未診斷出TPS信號(hào)故障時(shí)，EMS將分段采用較高精度的TPS輸出信號(hào)作為主要控制依據(jù)。

圖1 節(jié)氣門位置傳感器輸入－輸出特性

當(dāng)節(jié)氣門位置傳感器受到強(qiáng)烈撞擊等外在因素影響時(shí)，內(nèi)部滑動(dòng)變阻器發(fā)生變形(針對變阻器式TPS)，或者霍爾器件破損、安裝位置偏移(針對霍爾式TPS)等，會(huì)直接改變節(jié)氣門位置傳感器的輸入輸出特性，使測量反饋給控制系統(tǒng)電控單元的節(jié)氣門位置與實(shí)際位置之間產(chǎn)生較大偏差。圖2為較為極端的雙路TPS均遭受特性偏移的情況。

偏差產(chǎn)生之后，由于輸出信號(hào)仍然在上下限合理范圍之內(nèi)，傳統(tǒng)的電壓診斷方式無法識(shí)別，并且在②與③位置之間，由于TPS2信號(hào)已達(dá)飽和，TPS1信號(hào)失去了相互比對校核的依據(jù)，使1號(hào)傳感器的特性偏移更加難以識(shí)別。圖2中，在輸出電壓為2.5 V時(shí)，TPS2的輸出特性由a點(diǎn)偏移至b點(diǎn)，TPS1的輸出特性由c點(diǎn)偏移至d點(diǎn)。圖示的信號(hào)偏移方向會(huì)使系統(tǒng)獲知的當(dāng)前節(jié)氣門開度比實(shí)際開度小，系統(tǒng)將錯(cuò)誤地指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)加大節(jié)氣門開度，使實(shí)際進(jìn)氣量遠(yuǎn)超目標(biāo)進(jìn)氣量，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩劇烈增加，將導(dǎo)致車輛動(dòng)力失控。如果傳感器特性呈反方向偏移，系統(tǒng)獲知的節(jié)氣門開度比實(shí)際開度大，將錯(cuò)誤指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)減小開度，造成車輛加速無力，但不至于發(fā)生危險(xiǎn)駕駛情況。

圖2 節(jié)氣門位置傳感器特性偏移

在現(xiàn)實(shí)情況中，傳感器特性偏移極少呈現(xiàn)整體偏移現(xiàn)象，更多的是偏移發(fā)生在某一個(gè)或者某幾個(gè)區(qū)間內(nèi)。輸入輸出特性的不穩(wěn)定性將會(huì)導(dǎo)致在駕駛車輛時(shí)反復(fù)出現(xiàn)劇烈聳動(dòng)，特別是在低速擋大扭矩輸出時(shí)極易發(fā)生危險(xiǎn)駕駛工況。

2 駕駛動(dòng)力需求轉(zhuǎn)換

電子節(jié)氣門控制使節(jié)氣門實(shí)際開度與加速踏板開度之間不再呈現(xiàn)固定關(guān)系。節(jié)氣門目標(biāo)開度指令的發(fā)出需要經(jīng)過一個(gè)“加速踏板開度—目標(biāo)扭矩—修正扭矩—目標(biāo)進(jìn)氣量—目標(biāo)開度”的轉(zhuǎn)換過程。在轉(zhuǎn)換過程中，自動(dòng)變速箱扭矩請求、巡航控制請求、牽引力控制請求等均可以適時(shí)介入，極大地體現(xiàn)了電子節(jié)氣門對于扭矩控制的靈活性。

由駕駛員通過加速踏板開度βped請求提出基本動(dòng)力需求，經(jīng)過加速踏板特性轉(zhuǎn)換為基本扭矩需求Tbase。為了提高扭矩控制的平順性與穩(wěn)定性，與通常的加速踏板特性相比增加了1個(gè)維度，這是關(guān)于踏板開度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的三維函數(shù)，如圖3所示。調(diào)整加速踏板特性可以改變整車對于駕駛員需求的響應(yīng)性能，直接影響駕乘主觀感受。

基本需求扭矩提出后，系統(tǒng)將考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失Tfric、發(fā)電機(jī)動(dòng)力損失Talt、空調(diào)動(dòng)力損失Tac、冷卻風(fēng)扇動(dòng)力損失Tvsf以及機(jī)油泵動(dòng)力損失Tpump等因附件工作造成的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩消耗，以及汽車行駛過程中的迎風(fēng)阻力Tdrag等，見式(1)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)不可能始終工作在標(biāo)準(zhǔn)工況下，因此還將對扭矩進(jìn)行海拔自適應(yīng)補(bǔ)償、水溫修正和進(jìn)氣溫度修正(見式(2))，用以精確比對臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)恒標(biāo)準(zhǔn)工況下標(biāo)定出的發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩。

圖3 加速踏板特性

式中:Pair為當(dāng)前實(shí)測的大氣壓力;Kect為當(dāng)前實(shí)測的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫;Kact為當(dāng)前實(shí)測的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度。

在恒標(biāo)準(zhǔn)工況下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，測量出在化學(xué)當(dāng)量空燃比條件下發(fā)動(dòng)機(jī)處于爆震臨界點(diǎn)火角時(shí)的指示扭矩Tind，它是關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷Lload的三維函數(shù)。定義負(fù)荷為當(dāng)前工況下發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣量Acurr與標(biāo)準(zhǔn)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量Astan的比值，見式(3)。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)－車體一體化后，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)并非始終處于爆震臨界點(diǎn)火角，實(shí)際空燃比也會(huì)偏離化學(xué)當(dāng)量空燃比，4缸機(jī)的各噴油器也并非全時(shí)工作，因此發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出扭矩Tactu并不等于指示扭矩，而是相較于標(biāo)準(zhǔn)工況下輸出扭矩呈現(xiàn)比例下降的趨勢，見式(4)。因此，當(dāng)前工況下發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)進(jìn)氣量需要經(jīng)過一個(gè)反算過程得出:首先由當(dāng)前工況下實(shí)際點(diǎn)火角、實(shí)際空燃比和噴油器工作數(shù)量求出發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)指示扭矩Tind_des，見式(5);再由轉(zhuǎn)速和目標(biāo)指示扭矩查如圖4所示關(guān)系的三維表得出目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷Lload_des;最后，由式(6)計(jì)算出目標(biāo)進(jìn)氣量Ades。

式中:Δω表示當(dāng)前點(diǎn)火角偏離爆震臨界點(diǎn)火角的絕對角度;λ表示實(shí)際空燃比控制值;Ninj表示處于工作狀態(tài)的噴油器數(shù)量比例。

圖4 扭矩－負(fù)荷轉(zhuǎn)換曲線

根據(jù)流體質(zhì)量流量方程，可以得出如式(7)所示的通過節(jié)氣門閥片的進(jìn)氣質(zhì)量流量Mair，再根據(jù)氣體狀態(tài)方程將式(7)變形為式(8)。方程變形過程主要考慮將節(jié)氣門閥片前后的氣體壓力比Pratio作為一個(gè)整體變量，以便于通過試驗(yàn)標(biāo)定的方法將復(fù)雜繁冗的計(jì)算過程轉(zhuǎn)換為查表計(jì)算方式，從而簡化了控制過程。這使得某一特定型號(hào)的電子節(jié)氣門大批量生產(chǎn)應(yīng)用具有較好的實(shí)用性。

式中:ρa(bǔ)ir表示通過節(jié)氣門閥片的氣體密度;vair表示氣體流速;Deff表示電子節(jié)氣門有效截面積;Putm為節(jié)氣門閥片前端壓力;Pman為節(jié)氣門閥片后端壓力;C1為氣體常數(shù)。

將式(8)變形為式(11)，即得出節(jié)氣門閥片有效截面積。根據(jù)特定型號(hào)的電子節(jié)氣門流速特性將式(11)中所有關(guān)于氣體壓力比Pratio的量通過試驗(yàn)標(biāo)定方法做成曲線，如圖5所示。再根據(jù)圖6所示節(jié)氣門閥片特性曲線將有效截面積轉(zhuǎn)換為目標(biāo)節(jié)氣門開度βthro_des，即完成了駕駛員動(dòng)力需求到電子節(jié)氣門目標(biāo)開度的完整轉(zhuǎn)換過程。給出目標(biāo)節(jié)氣門開度以后，以節(jié)氣門位置傳感器實(shí)時(shí)位置作為反饋，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作對節(jié)氣門開度作閉環(huán)PID控制。

圖5 氣體壓力比相關(guān)輸出

3 動(dòng)力失控工況識(shí)別

TPS信號(hào)偏移致使PID閉環(huán)控制反饋量失真。在圖2所示的嚴(yán)重失真情況下，反饋給控制系統(tǒng)的節(jié)氣門開度比實(shí)際開度小，造成閉環(huán)控制的最終結(jié)果是實(shí)際開度比目標(biāo)開度大，供應(yīng)給發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量比駕駛需求的進(jìn)氣量大。基于進(jìn)氣量的燃油量噴射原理如式(12)所示。由于系統(tǒng)無法檢測到TPS故障，所以系統(tǒng)無法進(jìn)入電子節(jié)氣門故障管理模式，也不會(huì)對燃油噴射進(jìn)行干預(yù)。在由未失真的TPS運(yùn)行工作區(qū)間突然轉(zhuǎn)入嚴(yán)重失真的TPS運(yùn)行工作區(qū)間時(shí)，將會(huì)有瞬時(shí)的輸出扭矩爆發(fā)，并可能持續(xù)一段時(shí)間，造成車輛動(dòng)力失控。

圖6 節(jié)氣門開度特性

式中:Mfuel為目標(biāo)噴油量;Mtran為瞬態(tài)燃油補(bǔ)償量;Mpurg為燃油蒸發(fā)系統(tǒng)來油量;Amap為基于進(jìn)氣壓力傳感器信號(hào)計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣量。

節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)偏移造成節(jié)氣門控制位置偏差，節(jié)氣門位置控制偏差最終反映為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量偏差。實(shí)際進(jìn)氣量的測量計(jì)算可以從進(jìn)氣壓力傳感器信號(hào)快速得出，因此可以從目標(biāo)進(jìn)氣量與實(shí)際進(jìn)氣量的差異角度來識(shí)別車輛動(dòng)力失控工況，以便在故障出現(xiàn)時(shí)及時(shí)識(shí)別并主動(dòng)干預(yù)。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)充氣計(jì)算

試驗(yàn)車輛使用進(jìn)氣壓力傳感器作為測量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的基礎(chǔ)信號(hào)。傳感器輸出為電壓信號(hào)，因而發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣量的獲取需要經(jīng)過一個(gè)換算過程。圖7為進(jìn)氣壓力傳感器輸入輸出特性，可見標(biāo)準(zhǔn)工況下在其有效測量區(qū)間內(nèi)，輸入輸出呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，表達(dá)為式(13)。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，在標(biāo)準(zhǔn)工況下進(jìn)氣壓力與充氣質(zhì)量流量成正比關(guān)系。將式(13)改寫為式(14)，再將式(14)變形為式(15)，即可以通過進(jìn)氣壓力傳感器的輸出信號(hào)Vmap求得充氣質(zhì)量流量中間值A(chǔ)ful。

將當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的斜率a3經(jīng)過進(jìn)氣密度修正φ8、工況條件修正φ9和容積效率修正φ10(見式(16))，截距b3經(jīng)過工況修正φ11和大氣壓力修正φ12(見式(17))，最后由式(18)得出最終的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣質(zhì)量流量Aactu，式中Ncyl為發(fā)動(dòng)機(jī)總的氣缸數(shù)量。

圖7 進(jìn)氣壓力傳感器輸入輸出特性

3.2 動(dòng)力失控工況判定

目標(biāo)進(jìn)氣量與實(shí)際進(jìn)氣量的計(jì)算以曲軸位置傳感器信號(hào)缺齒周期的1/2為軟件任務(wù)執(zhí)行調(diào)用周期，能夠快速、有效、及時(shí)地進(jìn)行信號(hào)更新，真實(shí)反映當(dāng)前狀態(tài)下進(jìn)氣量的變化。采用目標(biāo)進(jìn)氣量與實(shí)際進(jìn)氣量之間的偏差量判定動(dòng)力失控工況的流程如圖8所示。

圖8 動(dòng)力失控判定流程

死區(qū)外進(jìn)氣量偏差計(jì)算按式(19)。死區(qū)Ahyst的設(shè)置在不同的轉(zhuǎn)速下有所區(qū)別，轉(zhuǎn)速越大死區(qū)范圍越大，用以對應(yīng)不同的基本扭矩需求，即在大扭矩需求下允許目標(biāo)進(jìn)氣量與實(shí)際進(jìn)氣量之間的偏差稍大，在小扭矩需求時(shí)允許目標(biāo)進(jìn)氣量與實(shí)際進(jìn)氣量之間的偏差稍小，并根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)對每個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)標(biāo)定修正，以消除固有誤差的影響。修正結(jié)果如圖9所示。

圖9 進(jìn)氣偏差量死區(qū)

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部環(huán)境相對復(fù)雜，加之傳感器本身的原因可能產(chǎn)生噪聲干擾信號(hào)，信號(hào)毛刺尖峰會(huì)使信號(hào)本身嚴(yán)重失真，因此對式(19)計(jì)算出的死區(qū)外進(jìn)氣量偏差使用Spike函數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)過濾處理［9－10］。Spike算法包含一個(gè)自適應(yīng)窗口和一個(gè)自適應(yīng)增益系數(shù)，增益系數(shù)為大于1的常量。當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)尖峰時(shí)，超出自適應(yīng)窗口的值將被過濾掉，并使用窗口上/下限值作為有效值，同時(shí)自適應(yīng)窗口會(huì)利用增益系數(shù)隨著信號(hào)的變化逐步放大或者逐步收斂。Spike算法流程如圖10所示。

經(jīng)過Spike算法處理后的進(jìn)氣量偏差值A(chǔ)err_new以16 ms的任務(wù)執(zhí)行周期進(jìn)行積分處理，得到Aerr_int，并且將其值與判定限值實(shí)時(shí)比較。一旦超過限值A(chǔ)err_thr立即置位于動(dòng)力失控標(biāo)志位Fpocflg(見式(20))，判定為發(fā)生動(dòng)力失控工況。此標(biāo)志位將傳遞給EMS系統(tǒng)其他工作模塊，立即對節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)和噴油進(jìn)行干預(yù)，防止動(dòng)力失控工況長時(shí)間持續(xù)，避免危險(xiǎn)駕駛情形的發(fā)生。

圖10 Spike算法流程

4 動(dòng)力失控故障管理

當(dāng)發(fā)生動(dòng)力失控工況時(shí)，電機(jī)進(jìn)行正常響應(yīng)的參考信號(hào)已經(jīng)嚴(yán)重失真，應(yīng)該禁止電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功能。因此，通過電控單元內(nèi)部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使電機(jī)勵(lì)磁線圈斷電，節(jié)氣門閥片軸由于電子節(jié)氣門體內(nèi)部的兩根復(fù)位彈簧的作用回到并始終維持在一個(gè)固定角度。試驗(yàn)車輛使用的電子節(jié)氣門對應(yīng)的固定角度為相對8°，絕對15°。當(dāng)駕駛車輛出現(xiàn)動(dòng)力失控時(shí)，對驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接干預(yù)優(yōu)于對燃油噴射進(jìn)行干預(yù)，前者既能夠及時(shí)制止危險(xiǎn)駕駛工況又能夠較好控制發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，而后者極易造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，導(dǎo)致車輛失去輔助制動(dòng)的動(dòng)力源，造成新的危險(xiǎn)工況。

變速器在前進(jìn)擋并且踩下加速踏板時(shí)，EMS進(jìn)入“跛行回家”模式，相對8°的固定角度進(jìn)氣量足以維持車輛“跛行回家”的動(dòng)力需求，但加速踏板開度信號(hào)無法再靈活提出動(dòng)力需求，只有踩下加速踏板與未踩下加速踏板兩種請求狀態(tài)，車輛的加速能力受到極大程度的制約，從而避免了本次駕駛循環(huán)再次發(fā)生動(dòng)力失控工況的可能性。

變速器處于空擋狀態(tài)且未踩下加速踏板時(shí)，EMS進(jìn)入“游車怠速”控制模式。“游車怠速”與普通怠速控制有所不同，它要求在怠速狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高低起伏波動(dòng)，但不會(huì)熄火，既能夠滿足“跛行回家”功能需求，也能起到提醒駕駛者的作用。因此，將“游車怠速”模式的基本目標(biāo)怠速設(shè)置為1 000 r/min，高于普通怠速模式的750 r/min。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速n小于1 000 r/min時(shí)，要求所有4缸噴油器均正常工作。由于節(jié)氣門開度為相對8°，因此其提供的能量足以使轉(zhuǎn)速上升到1 000 r/min以上。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min時(shí)，切斷2個(gè)氣缸噴油器以使轉(zhuǎn)速回復(fù)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速;當(dāng)轉(zhuǎn)速大于(1 000+n1)r/min以后，切斷3個(gè)氣缸噴油器;當(dāng)轉(zhuǎn)速大于(1 000+n2)r/min時(shí)，切斷所有4缸噴油器，如圖11所示。最終達(dá)到“游車怠速”的主觀駕乘感受，并且在儀表盤上的發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈會(huì)閃爍顯示。

圖11 “游車怠速”控制基本原理

5 試驗(yàn)研究

5.1 動(dòng)力失控工況識(shí)別功能驗(yàn)證

對提出的控制策略在試驗(yàn)車輛上進(jìn)行實(shí)車駕駛試驗(yàn)驗(yàn)證，并主要針對1擋和2擋等傳動(dòng)系統(tǒng)大扭矩輸出工作區(qū)間進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖12～15所示。為模擬由于TPS信號(hào)偏移造成的控制電機(jī)工作狀態(tài)突變，在控制電機(jī)輸入控制信號(hào)上外加一個(gè)持續(xù)擾動(dòng)βadd，用以觸發(fā)動(dòng)力失控工況。在圖12～15中:aace為車輛加速度;Vmotor表示電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電壓;Ades為目標(biāo)進(jìn)氣量;Aactu為實(shí)際進(jìn)氣量。

在圖12中未打開動(dòng)力失控工況識(shí)別功能，在使用1擋中等油門踏板開度進(jìn)行車輛加速的過程中，突然外加持續(xù)擾動(dòng)。此后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2.3 s內(nèi)由3 100 r/min被急速拉升至6 000 r/min，車輛加速度也急劇增加，駕駛員能夠感受到十分明顯的車輛前沖，本能驅(qū)使采取松油門和踩剎車的制動(dòng)措施。但在駕駛員大腦決策并主動(dòng)采取措施之前的3～4 s，整個(gè)車輛仍然具有相當(dāng)大的加速度，車輛難以控制。在圖13中則打開了動(dòng)力失控工況識(shí)別功能，在外加擾動(dòng)后的大約1.2 s內(nèi)，系統(tǒng)迅速檢測到實(shí)際進(jìn)氣量比目標(biāo)進(jìn)氣量過多的危險(xiǎn)情況，并立即對節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)采取斷電措施(Vmotor=0)，使實(shí)際進(jìn)氣量被限制在安全范圍內(nèi)，有效避免了車輛動(dòng)力繼續(xù)失控。進(jìn)入故障管理模式后，目標(biāo)進(jìn)氣量請求命令失效，系統(tǒng)不再對其值進(jìn)行更新。

圖12 1擋行車動(dòng)力失控情況(無故障管理介入)

在圖14中未打開動(dòng)力失控工況識(shí)別功能，使用2擋中大油門踏板開度進(jìn)行車輛加速試驗(yàn)，突然外加持續(xù)擾動(dòng)。此后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速提升，車輛加速度也有一定程度的增加，只是由于變速器速比較1擋小，因此動(dòng)力失控程度相對較輕。但是此種相對較輕程度的動(dòng)力失控也會(huì)使低速擋車速無法維持在一個(gè)較小的平衡車速位置，車輛會(huì)始終處于加速狀態(tài)。由于加速度較大，也存在極大的安全隱患。在試驗(yàn)過程中，擁有豐富駕駛經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)駕駛?cè)藛T在維持原來的駕駛狀態(tài)情況下，對于2擋動(dòng)力失控的情況均表示難以駕馭。在圖15中打開識(shí)別功能，在擾動(dòng)發(fā)生后的大約1.5 s內(nèi)系統(tǒng)就完成了對動(dòng)力失控工況的判定，并對控制電機(jī)采取斷電措施。

圖13 1擋行車動(dòng)力失控情況(有故障管理介入)

圖14 2擋行車動(dòng)力失控情況(無故障管理介入)

統(tǒng)計(jì)多次從外加擾動(dòng)開始到電機(jī)斷電之間的時(shí)間間隔，結(jié)果見表1，可見該時(shí)間間隔均能控制在1.6 s以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明:在發(fā)生動(dòng)力失控工況后，系統(tǒng)能在很短的時(shí)間內(nèi)識(shí)別故障并及時(shí)采取主動(dòng)干預(yù)措施，有效避免了危險(xiǎn)駕駛狀況的發(fā)生。

圖15 2擋行車動(dòng)力失控情況(有故障管理介入)

表1 消除動(dòng)力失控時(shí)間統(tǒng)計(jì) s

5.2 “游車怠速”功能驗(yàn)證

在正常怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)平穩(wěn)，基本在目標(biāo)轉(zhuǎn)速±20 r/min以內(nèi)波動(dòng)，偶有±30 r/min的波動(dòng)，20 s內(nèi)的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.8 r/min，駕駛者主觀感受幾無不舒適感，如圖16所示。當(dāng)在動(dòng)力失控被識(shí)別并觸發(fā)故障管理模式的怠速狀態(tài)下時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min上下作更大幅度、更高頻率的波動(dòng)，波動(dòng)幅度達(dá)到±60～100 r/min，波動(dòng)頻率明顯快于正常怠速，20 s內(nèi)轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到39.7 r/min，駕駛者能非常明顯地感受到發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，聽到高低起伏的“游車”聲音，如圖17所示。同時(shí)，從儀表盤上可以觀察到發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈有規(guī)律地閃爍，從而起到提示駕駛員當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)處于危險(xiǎn)工作狀態(tài)。

圖16 正常怠速時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)

圖17 “游車怠速”時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)

6 結(jié)束語

分析了電子節(jié)氣門重要部件TPS信號(hào)偏移對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量控制的影響，指出嚴(yán)重信號(hào)偏移會(huì)導(dǎo)致車輛動(dòng)力失控。分析推導(dǎo)了基于扭矩需求的從駕駛動(dòng)力需求到目標(biāo)節(jié)氣門開度的完整轉(zhuǎn)換過程，基于進(jìn)氣壓力信號(hào)演算了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣量。通過監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)氣量與實(shí)際進(jìn)氣量之間的差異來識(shí)別動(dòng)力失控工況，并利用Spike函數(shù)設(shè)計(jì)了識(shí)別算法和動(dòng)力失控被識(shí)別后的故障管理策略。通過實(shí)車駕駛試驗(yàn)進(jìn)行功能試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明:所提出的策略能夠迅速、有效地識(shí)別動(dòng)力失控工況，并主動(dòng)采取干預(yù)措施避免危險(xiǎn)駕駛狀況的出現(xiàn)，同時(shí)提示駕駛者當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)處于危險(xiǎn)工作狀態(tài)。

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