點燃式發動機瞬態空燃比自適應控制策略研究

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有限公司，四川 成都 610039）

點燃式發動機瞬態空燃比自適應控制策略研究

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有限公司，四川 成都 610039）

闡述發動機穩態工況閉環控制的特點，分析導致瞬態空燃比匹配不當的原因，設計空燃比加性誤差與乘性誤差模型，提出自適應補償的方案，最后基于Matlab/Simunlink建立空燃比控制系統模型并驗證自適應補償控制策略。結果表明：當出現誤差時，自動改變空燃比修正值調整燃料噴射量，空燃比波動＜1%。

發動機；瞬態；空燃比；自適應

0　引　言

汽車行駛過程中，瞬態工況占有很大比例，同時排出大量環境污染物，它是發動機空燃比控制中最為核心與困難的部分。對瞬態空燃比的補償，多數學者集中利用卡爾曼濾波、神經網絡、遺傳算法等對瞬態空燃比進行預測[1-4]。發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，在實際工程中應用很少；因此，有待開發性能更好、處理速度更快的瞬態空燃比補償策略。

1　發動機穩態閉環控制分析

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

圖1　閉環控制系統簡圖

根據PID控制理論，積分時間常數越小，積分速度越快，系統響應速度就越快，調節時間縮短，系統的最大超調量增大；反之，亦然。然而，這個積分時間常數的大小在實際應用中是有限度的。有關研究[5]發現：由于氧化鋯傳感器特性和發動機延遲時間等影響，閉環PI控制中的積分時間常數有一個最小值，致使閉環控制環路對工況點之間轉換的響應較慢，若時間較長，過量空氣系數會偏離3%的范圍。

在發動機使用的過程中，導致空燃比偏差的主要原因如下：

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

2）發動機使用中的不斷磨損、疲勞、老化；

3）燃油密度、品質的變化。

此時，需要通過自學習控制[6-8]修正基本噴油脈寬（BPW）。發動機空燃比自學習控制的首要條件是發動機處于閉環控制，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。

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

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

圖2　瞬態采用閉環控制空燃比修正因子變化圖

2　發動機瞬態空燃比誤差分析

目前，發動機瞬態工況普遍采用前饋開環控制。穩態工況時，閉環PI控制環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動機全工況點的前饋控制MAP圖中。瞬態工況時，不需要采用閉環控制進行的誤差補償，根據當前時刻采集到瞬時轉速、節氣門開度等信號，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動機工況，很長一段時間不會在這個工況進行穩態運行，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過時了。所以，瞬態工況時的問題關鍵是如何選取正確的空燃比修正因子。

在發動機控制的過程中，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漏氣，噴油嘴老化等。這些誤差可以看成是進氣質量流量的誤差，對發動機系統在全工況范圍內的影響具有一致性，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

在發動機工況全部范圍內，加性偏移誤差的絕對值是相同的，例如進氣系統漏氣。當發動機低功率輸出時，空氣流量值越小，約a，L=6kg/h（視發動機型號而定），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。理想狀態下，過量空氣系數即圖中直線斜率，乘性誤差對發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補償方案

李道飛等[5]研究發現，可以采用全局有效空燃比補償的自適應控制策略。現對發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量流量a，0為

式中：λ0——不含誤差的過量空氣系數；

λ——包含誤差的過量空氣系數；

Lst——理論空燃比；

3.1乘性誤差補償

在發動機穩態高功率輸出時，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閉環控制環路產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

結合式（6）、式（7），可得到正確的空氣質量流量：

在發動機穩態低功率輸出時，空燃比閉環控制環路也會產生一個乘性修正因子，將它取平均值得到令正確的空氣質量流量為

通過以上分析，聯合式（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和加性誤差補償的Δa，corr對空燃比進行修正，修正后的空燃比特性如下：

發動機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，再根據實時得到的a，便補償修正得到非常接近實際空氣質量流量a，0。

因此，即使在瞬態工況下，當轉速越過非常用工況的過程中，經過前饋補償后，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的問題，達到對排放的有效控制。

4　空燃比補償策略驗證及結果分析

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

為模擬發動機加性誤差，保持節氣門開度、發動機轉速等不變，人為減小進氣量，即增大進氣歧管壓力。發動機處于低功率穩態工況運行，控制過程如圖5所示，當第3 min（第6 min）出現漏氣（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，自適應過程通過附加積分控制慢慢補償偏差，與此同時閉環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　進氣系統存在旁通漏氣時修正因子變化

經過自適應空燃比補償后，發動機處于瞬態工況時，根據事先存儲的FHi、Δa，corr修正進氣量，空燃比修正因子不會發生很大變化，表明經過補償后空燃比匹配良好。瞬態工況下（見圖6），無自適應與有自適應時仿真結果如圖7、圖8所示。

圖6　發動機轉速

圖7　有無自適應空燃比修正因子

圖8　有無自適應空燃比

根據上述空燃比補償控制策略，當經過多個發動機瞬變工況后，可以看出：無自適應時，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；有自適應時，空燃比修正因子不會出現較大波動，對應的空燃比也沒有出現大的波動，波動幅度＜1%，達到了對誤差的自適應補償，此時空燃比匹配效果很好。

5　結束語

本文提出了全局有效空燃比自適應補償控制策略，并建立了相應的模型進行驗證，它是基于模型設計的一個關鍵階段，為代碼自動生成、模型測試奠定基礎。該策略結構簡單、易于實現、效果良好，可為點燃式發動機瞬態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，專業方向為發動機電子控制技術。