基于溫升閉環控制的SBC測試技術研究

（中國汽車技術研究中心北京100176）

基于溫升閉環控制的SBC測試技術研究

肖廣宇 于津濤 田冬蓮

（中國汽車技術研究中心北京100176）

主要針對國V標準臺架循環（SBC）的測試技術進行研究，結合標準中對催化器溫升控制的具體要求，介紹了一種基于催化器溫升閉環控制的SBC測試系統，提出了對二次空氣噴射、燃料加濃的控制方案與策略，完成了基于ALICAT質量流量控制器（MFC）、研華4700系列硬件平臺及DAQNavi軟件平臺的系統搭建，并闡明了BAT方程自動求解的原理與具體算法。最后，對提出的測試系統進行了試驗檢驗，溫升精度達到±10℃，Tr（有效基準溫度）計算精度達±0.001℃，所計算的臺架老化時間誤差在20 s內。

SBC溫升閉環控制質量流量控制器BAT方程

引言

隨著GB18352.5-2015的發布，SBC試驗因可將汽車三元催化器在低成本下快速達到實車道路試驗等同的老化效果而愈來愈受到行業的關注[1]，因而對可以規范、高效地進行SBC試驗測試的技術與設備的需求也越來越迫切。

SBC試驗中對三元催化器溫升的控制是試驗質量的重要保證，直接影響催化器溫升的因素主要有兩方面，一方面是二次空氣噴射，另一方面是發動機燃料加濃。目前國內的SBC試驗中二次空氣噴射的空氣量控制多采用定閥開度，定時長進行噴射的方式，因只能大致控制噴射空氣的體積流量而不是質量流量，難免每周期所提供的氧氣質量不受氣源壓力、溫度波動的擾動影響，并且在發動機燃料加濃方面，也大都是在試驗開始前設置好燃料加濃階段相應的發動機噴油脈寬后，試驗中就不再依每一次溫升來對發動機輸出進行干預控制。綜上兩方面原因，在長時間耐久試驗過程中不易達到催化器溫升的一致性與準確性要求。

同時，BAT方程式的求解值Tr作為評判SBC試驗熱老化是否充分的關鍵指標，其求解的準確度直接影響臺架老化時間的長短要求。一般情況，Tr的求解多通過人工進行迭代運算，反復比對目標值并進行修正，效率與準確度較難保證。

本文在這個背景下，提出了兩方面研究。一方面是構建基于質量流量控制器與研華4700系列硬件和DAQNavi軟件的測試平臺，通過該平臺，可以與二次空氣噴射質量流量計及發動機ECU進行實時通訊及控制，從而實現對二次空氣、燃料濃度的閉環控制，克服試驗中主要擾動因素對溫升的影響，最終實現SBC試驗對催化器溫升的控制精度目標，以提高試驗質量。另一方面是針對BAT方程的求解，開發基于迭代求解方程根的原理來自動求解Tr的具體算法及程序，以取代高重復性與高精度要求的人工操作，提高了試驗效率與水平。

1需求分析

SBC循環是一個60 s的循環，在所要求的時間段內，在老化臺架上按需要重復該循環，以進行老化試驗[2]。根據催化器溫度、發動機空氣/燃料比（A/F）和添加在第一個催化器前面的二次空氣噴射量來規定SBC循環。單一循環的描述如表1所示：

表1 標準臺架循環[3]

單一循環的空燃比、二次空氣噴射的時序如圖1所示：

SBC試驗過程中不斷重復該循環，所需運行的老化時間要由BAT方程計算得出，以實現與SRC相同的催化器老化效果。

根據SBC循環表1、圖1的描述與時序要求，將溫升控制需求分解為燃料加濃與二次空氣噴射兩方面的控制，將老化效果的判斷歸為BAT方程自動求解，具體需求分析如下所述。

1.1 燃料加濃需求分析

1）可控制發動機按SBC循環時序，實現理論空燃比狀態與“加濃”狀態的切換；

2）在加濃狀態中能夠與二次空氣噴射一同作用，實現催化器溫升90℃（±10℃）；

3）可根據催化器上一循環的溫升反饋結果，對照目標溫升的控制上、下限值要求，自動調整當前循環的發動機燃料“加濃”程度。

1.2 二次空氣噴射需求分析

1）可控制空氣噴射執行機構按SBC循環時序，實現在理論空燃比廢氣流中產生3.0%（±0.1%）的氧氣；

2）可克服氣源壓力、溫度變化的擾動，以保證二次空氣噴射量的精度；

3）可在每循環中監測二次空氣噴射的效果，如超限可進行報警處理，人工進行微調操作。

1.3 臺架老化時間計算的需求分析

1）可根據BAT方程，自動求解Tr；

2）可根據BAT方程及1.3.1中解得的Tr，自動計算目標老化時間。

圖1 標準臺架循環[3]

2系統結構設計與選型

基于上述需求分析，為使整個系統更易維護、管理，并具有更好的擴展性，本系統的結構分為五個層次，分別為：用戶層（人機交互的界面）、系統管理層、設備驅動層（軟硬件的接口）、設備硬件層（執行機構）及試件層（三元催化器）。其中系統管理層最為關鍵，一方面接收用戶的操作指令，另一方面將各類信息整合，經各控制策略分析處理后，進一步形成指令經由驅動層發送給執行機構，以實現既定的控制策略，是整個系統的核心。系統的分層結構圖如圖2所示。

根據圖2所示的系統結構，本系統的硬件連接示意圖如圖3所示。

圖2 系統分層結構示意圖

圖3 系統硬件連接示意圖

測功機對發動機進行定轉速、定負荷控制，SBC控制系統通過各采集輸入模塊接收溫度傳感器、寬氧傳感器、按鈕等的輸入信號，遵循通訊協議接收MFC的空氣噴射量的反饋信號，依控制策略動態進行調整，通過相應輸出模塊及通訊協議向發動機ECU及MFC發送燃料加濃與二次空氣噴射的控制指令，以達到對催化器溫升的閉環控制。

根據圖3及相應需求分析，系統硬件的具體型號規格選型如表2所示。

表2 系統硬件選型

3溫升控制策略設計

3.1 燃料加濃控制策略設計

為盡量降低對具體發動機型號及所對應ECU、通訊協議的耦合度，SBC控制系統對發動機ECU燃料加濃的控制途徑盡量考慮選擇通用、開放的方式來實現，而燃料加濃數值的多少與時序則均單獨由SBC控制系統根據控制策略來進行。

圖4為燃料加濃控制時序圖。定義催化器溫度為800℃（低溫度點）時的燃料濃度系數KFCNorm為1，則催化器890℃（高溫度點）時的燃料濃度系數KFCHigh為一個略大于1的數值，利用ECU AI（模擬量輸入）針腳，預先定義好電壓值與燃料加濃系數的標定關系，ECU即可根據輸入電壓值的多少按對應比例關系執行燃料加濃，SBC控制系統將根據上一循環的溫升結果作為下一循環KFCHigh的負反饋輸入，依據溫升的偏離情況，不斷調整修正KFCHigh，以實現對催化器溫升的閉環控制。

圖4 燃料加濃控制時序圖

此外，為避免發動機自帶氧傳感器信號對燃料加濃階段的干預與影響，及反映燃料加濃系數的模擬電壓量可能遇到的干擾，控制系統外加一個控制發動機燃料噴射濃度開/閉環的開關量信號，用以確定發動機燃料加濃的起/止時刻，在DI（開關量輸入）值為高電平時，標志著SBC控制系統進入催化器溫升閉環控制，發動機的燃料加濃（噴油脈寬）只聽從KFCHigh的指令，而不受發動機自身氧傳感器等反饋信號的影響，當DI值為低電平時，發動機燃料加濃回到800℃時的正常水平，依λ為1時的正常工況運轉。燃料加濃控制流程示意圖如圖5所示。

圖5 燃料加濃控制流程圖

表3為SBC控制系統通道與ECU引腳對應關系，為保證較好的抗干擾及安全性，DA選用0～5V中的中間段1～4V對應加濃系數1～1.2，并限定ECU在溫升閉環控制段的加濃系數上、下限分別為1.2與1。

表3 SBC控制系統通道與ECU引腳對應關系

3.2 二次空氣噴射控制策略設計

為克服二次空氣噴射中系統壓力、環境與介質溫度擾動的影響，選擇能夠對空氣質量流量進行閉環控制的MFC作為執行單元[4]。

根據表1對二次空氣噴射需求所進行的描述，需要按時序在理論空燃比廢氣流中產生3.0%（± 0.1%）的氧氣，而標準狀況下空氣中的氧氣質量分數約為23.2%，則二次空氣噴射的質量流量QSBCAir應滿足下式：

式中：QIntake為發動機進氣質量流量，kg/h；QFuel為發動機燃料質量流量kg/h，則有：

因質量流量控制器多采用標準L/min（SLPM）作為設置值的單位，則定義為二次空氣噴射的以SLPM為單位的空氣質量流量，取標準狀態下空氣密度為可得：

若考慮發動機為汽油發動機，則有：

則（3）可寫為：

根據1.2所進行的需求分析，本二次空氣噴射控制策略共分四個步驟。

1）通過催化器800℃時的油耗計算出二次空氣噴射的初始流量，并進行手動微調，使寬氧傳感器的值為1.16，當前的MFC流量值“Qλ=1.16”即作為單循環中45～60 s空氣噴射階段的設置值保存下來；

2）在45 s前，二次空氣流量輸出為0；

3）在第45 s至60 s中，MFC輸出Qλ=1.16的空氣流量；

4）因第45至55 s時間內為加濃燃料氣與二次噴射空氣混合燃燒階段，為等待燃燒反應完全結束，取57 s至60 s為校驗二次空氣是否達到λ=1.16效果的采樣監測階段。二次空氣噴射控制流程如圖6所示。

圖6 二次空氣噴射控制流程

4臺架老化時間的算法設計

國V中規定標準臺架循環老化時間由臺架老化時間（BAT）方程式計算得到，定義SBC目標老化時間為tsbc，則：

其中：∑tesrc為在SRC循環催化器測試時間計算表中所有溫度組te的總和；

A等于1.1，該值校正了計算臺架老化時間過程中非熱老化因素對催化器老化時間的影響；

Tvsrc為在SRC循環催化器測試時間計算表中，汽車道路催化器溫度柱狀圖中溫度框體的中點溫度；

thsrc為在SRC循環催化器測試時間計算表中，將催化器溫度柱狀圖所規定的各溫度框體內測量的時間校正到完整使用壽命的時間的系數。

圖7是通過BAT方程計算臺架老化時間的流程圖。

圖7 臺架老化時間計算流程

同時，國V中規定有效基準溫度Tr也要通過BAT方程來求解得出，該計算要求通過迭代轉換成基準溫度直到計算的老化時間等于或超過催化器溫度柱狀圖所表示的實際時間[3]。最終的計算結果溫度即是催化器系統的老化臺架進行標準臺架循環（SBC）時的有效基準溫度Tr。圖7中紅色框體內的內容就是Tr的求解流程，從圖7中可見，Tr（在催化器試驗臺架上運行臺架老化循環的催化器的有效基準溫度）將與SRC數據一同作為計算輸入，直接影響臺架試驗的目標老化時間tsbc的長短，即BAT方程式中的求解值Tr是決定SBC試驗熱老化效果是否充分的關鍵指標。

對于某一SBC試驗所實際取得的試驗數據，Tr在[700，1 100]℃區間中均勻取50個溫度值并與所分別對應的∑tesbc擬合成的計算老化時間曲線，如圖8所示。

圖8 多點Tr擬合計算老化時間

圖8中紅顏色水平線為臺架試驗實際運行時間∑thsbc，即：計算老化時間∑tesbc需要逼近的目標值，從圖8中可以看出“直到計算的老化時間等于或超過催化器溫度柱狀圖所表示的實際時間”[3]的根本目標（求解Tr）就是求解綠顏色曲線與紅色水平直線交點的過程。可將綠顏色曲線垂直下移∑thsbc，則求解Tr的過程即轉變為求解垂直下移后的曲線的方程∑tesbc（T）-∑thsbc=0根的過程，因SBC試驗數據的特性，并結合觀察曲線規律，可知以下三點：

1）曲線必連續且單調遞減（計算老化時間與Tr成反比）；

2）唯一單實根區間應為[790，900]℃（SBC的典型工作溫度區間：800±10℃至890±10℃）；

3）可在曲線方程未知的情況下精確求得∑tesbc（T）-∑th的值，其中：

式中R為催化器熱反應性系數，等于17 500；

∑thsbc為在催化器試驗臺架上運行臺架老化循環的各溫度區間的時間th之和；

∑te（T）為以某一溫度T作為Tr所計算出的計算老化時間。

可利用SBC試驗數據的特性與曲線的以上三點特征，基于數值方法原理來求解方程的根。綜合考慮數值方法中方程根的牛頓迭代與二分迭代的適用性與優、缺點，因牛頓迭代雖然成平方收斂，迭代次數少于二分法迭代，但因該曲線上點的導數求解過程更為復雜，且曲線擬合多項式也會帶來進一步的誤差，最后確定跳過擬合曲線多項式的求解過程，直接使用迭代求解方程根的原理來進行迭代求解，即用迭代方法生成一個溫度T的收斂序列，由序列的極限得到方程的根。

4.1 利用迭代法求根原理求解Tr的算法描述

設Tr的精度要求為ε，在有效基準溫度Tr=T時的總計算老化時間∑te為∑t（eT），對于給定區間[Tlow，Thigh]的兩端點，對應的∑te分別表示為∑t（eTlow）與∑t（eThig）h，則：

1）令Tr=（Thigh+Tlow）/2；

2）如：Thigh-Tlow≤2ε，停止迭代計算，到第4步，否則執行第3步；

3）如：（∑t（eTlow）-∑t）h×（∑t（eThigh）-∑t）h＜0，則令Thigh=Tr，否則令Tlow=Tr，返回第1步；

4）依標準要求：所得出的計算老化時間需大于或等于催化器臺架實際時間∑thsbc，取Tr=Tlow并輸出。

4.2 利用迭代法求根原理求解Tr的算法的誤差分析

設：迭代n步后所得Tr的近似值為Trn，Tr精確解為，則第n步迭代的有根區間為：[Tlown，Thighn]，可得式（8）

對給定Tr的精度要求ε及此方法所需的迭代次數n應滿足式（9）：

可得

設ε=10-m，則式（10）可以寫為

從式（11）中可得，對Tr的精度每提高一個數量級，迭代次數也只需要增加log210即約4次運算，而因Thigh-Tlow的值在百位數范圍，則log2（Thigh-Tlow）≤10。

綜合考慮計算機的迭代運算能力及區間擴大所帶來的計算負荷，可適當加大有根區間的范圍，使算法的代表性與通用性更強，如對于700℃～1 100℃催化器臺架老化溫度區間，精度要求：ε=0.1、0.01、0.001℃所分別對應的迭代次數為：

綜上：此求解方法對于快捷求得高精度的Tr完全可行。

5測試系統驗證與結果分析

5.1 溫升控制的驗證與結果分析

依照SBC試驗需求與溫升控制策略的設計，開發了一套SBC試驗控制系統，取控制溫度限為±5℃，加濃系數調整步進值為0.01，并針對溫升控制進行了驗證，部分測試結果見圖9、表4，

圖9 SBC試驗數據曲線

表4 SBC試驗數據

通過分析可知，在MFC的質量流量控制下，二次空氣噴射可以穩定在λ=1.16附近，為催化器溫升提供穩定的二次空氣定質量流量保障。所采集的6個循環中，在第1、2、3、5循環分別出現了溫升超控制限（≥95℃或≤85℃）的情況，燃料加濃系數都依控制策略進行了修正補償，使溫升控制在90±10℃的范圍內，有效避免了開環控制導致連續、大量溫升超限現象的發生。

5.2 臺架老化時間計算功能驗證與結果分析

對某次SBC試驗，給定催化器臺架實際時間∑thsbc=518.340 h，對∑thsbc的逼近與對Tr的求解具體迭代運算過程如表5所示。

最終，Tr取825.601℃，所得計算老化時間僅超過催化器臺架實際時間0.005 h，即18 s。結果表明，基于迭代求根算法的計算機程序較好地解決了BAT方程的自動求解問題，計算迅速、準確，替代了原手工不斷調整、修正輸入溫度值，反復求解BAT方程的繁復過程，提高了催化器SBC老化時間指標的客觀性與可靠性。

表5 迭代求解精確到0.001℃的Tr計算

6結論

所開發的測試控制系統能夠實現既定控制策略，并通過具體試驗驗證了系統的可行性，能夠滿足SBC試驗要求，提升了SBC試驗質量水平，可對以后的SBC臺架設計與開發提供實際參考價值，現將結論總結如下：

1）SBC試驗對溫升的控制要求可轉換為以溫升為負反饋輸入，以ECU、MFC為執行機構的閉環控制加以實現。

2）采用DA/AD和DI/DO作為控制系統與ECU之間傳遞信息的途徑，可有效減少對ECU的耦合度及后期開發的復雜程度。

3）燃料加濃系數以0.01為步進值、溫升控制限值以±5℃為限，既可保證標準中對催化器溫升±10℃的精度要求，也可避免頻繁超調導致的溫升振蕩現象。

4）使用MFC可根據相應控制策略達到二次空氣的高精度噴射，并且可有效避免環境溫度、氣源壓力擾動的影響。

5）可采用迭代逼近求解方程根的原理對BAT方程進行自動求解，迭代18次后，Tr的精度可達± 0.001℃，以此計算出的臺架老化時間精度可達20s內。

1陸紅雨，付鐵強，李菁元.歐Ⅴ/Ⅵ標準臺架循環老化時間的計算方法[J].汽車工程，2011，33（12）：1084-1087，1091

2劉慶，侯獻軍，李菁元.歐5/6輕型車耐久性試驗研究[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程板），2012，34（3）：317-321

3國家環境保護部，國家質量監督檢驗檢疫總局．GB 18352.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）[S].北京：中國標準出版社，2013

4胡紅紅，師樹恒，陳富強.基于質量流量控制器的動態配氣系統設計[J].自動化與儀表，2013，28（4）：14-16，25

Research on Test Technology of SBC Based on the Temperature Rise Closed-loop Control

Xiao Guangyu,Yu Jintao,Tian Donglian
China Automotive Technology&Research Center(Beijing,100176,China)

Measuring techniques of State-Ⅴstandard bench cycle(SBC)were studied.In accordance with control requirements of catalyst temperature rise,a temperature rise closed-loop controlled SBC test system together with control strategies of secondary air injection and fuel enrichment were presented.The system is composed of ALICAT mass flow controller,the Advantech 4700 series hardware platform and the DAQNavi software platform.Automatic solution theory and detailed algorithms of BAT equation were proposed. Futher,validation experiments on the system were conducted.Results show that the control strategies can be realized.Resolution of temperature rise is±10℃.Tr(reference temperature)calculation accuracy can be as good as±0.001℃.Calculated experiment time error is smaller than 20 s.

SBC,Temperature rise closed-loop control,MFC,BAT equation

U467.5+25

A

2095-8234（2016）06-0030-09

2016-09-21）

肖廣宇（1975-），男，高級工程師，主要研究方向為汽車試驗技術與檢測設備開發。