大功率天然氣發動機怠速控制策略研究

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(上海工程技術大學大學 車輛工程系，上海 201620)

大功率天然氣發動機怠速控制策略研究

黃劍其，吳長水，孫戀敏，龐魯陽

(上海工程技術大學大學車輛工程系，上海201620)

為提高大功率天然氣發動機怠速時的穩態和動態效果，以V模式為研究手段，基于一款六缸天然氣多點電噴發動機，實現了發動機怠速控制策；首先針對不同的怠速工況設計了不同的目標怠速轉速值的計算，并根據發動機特性確定了PI控制模式；利用目標怠速轉速和瞬時轉速的差值確定不同PI控制參數，通過PI控制調節電子節氣門的開度，從而實現對發動機怠速轉速的控制；然后根據實際發動機參數搭建了發動機MATLAB/SIMULINK仿真模型，用于對怠速控制策略進行軟件在環仿真測試以及PI控制參數預標定；最后在天然氣發動機試驗臺架上對控制策略進行了進一步的試驗和標定；試驗結果表明：該怠速控制策略，可讓發動機轉速響應時間控制在1秒左右，轉速穩定時間在2秒左右，發動機轉速穩態誤差控制在±5 rpm范圍之內，實現了對怠速的良好穩定控制。

天然氣發動機；多點電噴；怠速控制；比例積分控制

0 引言

發動機怠速工況是發動機的重要工況，約有30%的油耗在怠速工況下[1]，因此若發動機的怠速工況能得到有效的控制，那么對油耗和排放的降低以及整車舒適性的提高都有很大的幫助。本文研究內容是基于多點電噴的大功率天然氣發動機的項目，旨在開發基于多點電噴大功率天然氣發動機的怠速閉環控制策略。怠速閉環控制策略目的是在保證油耗和排放的情況下，在各種不確定因素的影響下，盡可能的降低發動機怠速轉速，并且能夠保證發動機轉速對目標怠速的良好穩態性能及動態性能。為了提高本文研究的效率以及降低開發成本，文本采用了當前在汽車電控領域應用極為廣泛的V開發模式作為研究手段[2]。

1 天然氣發動機怠速工況分析

怠速工況是發動機運行的重要工況之一。其控制系統的好壞將很大程度上影響發動機的各項性能。目前怠速閉環控制算法種類較多，有PID控制，模糊控制，預測控制，主動抗干擾控制等[3-6]。

由于本項目試驗發動機為多點噴射,且電磁閥和節氣門均為電子控制，具有極高的響應速度，可以提高怠速閉環的控制效果。因此，在保障控制系統的穩定性和實時性的情況下，本系統以轉速為控制對象，以節氣門和噴嘴閥為執行器來實現發動機的怠速閉環。本系統根據發動機目標怠速與瞬時轉速的差值做計算，通過PID控制得到目標節氣門開度，再由目標節氣門開度和瞬時節氣門開度的差值做計算，來控制步進電機以實現對節氣門的控制。同時，由傳感器得到節氣門當前開度以便計算出當前進氣量，再根據空燃比閉環控制由當前進氣量計算出每缸每循環的天然氣噴氣量，最后根據電磁噴射閥的流量特性將天然氣噴氣量換算為噴氣脈寬。在設計怠速閉環控制系統時，需要考慮蓄電池、空調、音響等用電設備對發動機功率的需求，同時還要考慮根據冷卻水溫度的高低來設定合適的轉速以達到暖機的效果。當發動機負載需求出現變化時，需要發動機轉速的控制能及時響應。當負載變化過大，為避免發動機轉速變化劇烈，因此需要對節氣門開度進行限值。最后，為了確保發動機轉速能在一個合理的范圍內運行，因此需要對發動機怠速參考轉速進行限值[7-8]。

2 怠速控制策略設計

2.1 目標怠速轉速的計算

如圖1所示，在目標怠速轉速計算模型中，輸入量有3個，分別為蓄電池電壓，空調開關信號以及冷卻水溫度。控制程序通過對這3個輸入信號做判斷及計算，得到一個最終的目標怠速。

圖1 目標怠速計算控制策略

在目標怠速計算程序中，對蓄電池電壓值大小進行了邏輯判斷。當蓄電池電壓小于一個設定值23 V時，需要使目標怠速增大，從而提供額外的功率給蓄電池充電。當蓄電池電壓高于正常值26 V時，則輸出一個較小的目標轉速，以保證發動機正常運轉即可。

在車用發動機上，空調的開啟與否對怠速時轉速的穩定也有較大影響。當空調開啟時，會給發動機增加額外增加的1.5 kw左右的功率需求，因此控制程序經過判斷給輸出一個較高的目標怠速，以提供足夠的扭矩來驅動空調壓縮機。當關閉空調時，則怠速恢復正常。

暖機怠速計算值是由冷卻水溫來判斷的。當發動機長時間未啟動，或者啟動時的環境溫度較低，都會導致發動機冷卻水溫溫度較低。為了使發動機盡快達到一個較好的工況，因此當冷卻水溫度過低時，需要適當的提高發動機轉速從而使冷卻水溫度較快的提升到一個合適的溫度。在本系統中，將冷卻水溫度和暖機轉速做成MAP表，見表1，利用Simulink的查表模塊由冷卻水溫線性插值查得暖機轉速。當冷卻水溫度較小時，根據邁普表查得的目標怠速值較高，隨著冷卻水溫的上升，暖機轉速逐漸降低，當冷卻水溫度高于一定值后，目標怠速則保持一個較小的值以保證發動機正常運轉即可。

表1 發動機冷卻水溫查轉速MAP

2.2 目標節氣門開度計算

當通過計算得到目標怠速后，需要將其與瞬時怠速作差值得到一個偏差量，通過對這個怠速偏差量做PID控制，達到控制怠速的效果。基于試驗發動機的電控特性，本系統采用PI控制進行怠速閉環的基本控制。在控制過程中，PI控制效果主要取決于Kp值和Ki值的選擇，因此需要對Kp和Ki的參數整定進行優化研究。

在本系統中，發動機工況的切換由Stateflow狀態機功能實現。當發動機處于啟動工況時，若滿足條件[Eng_speed(發動機瞬時轉速)>Crk_start_ok_spd(啟動成功轉速)+Crank_to_idle_espd_offset_apv(啟動至怠速工況切換轉速偏移量)]，則系統從啟動工況進入怠速工況。當發動機處于油門工況時，若滿足條件[(Eng_speed(發動機瞬時轉速)<(Idle_ref_speed-Running_to_Idle_espd_offset_apv(目標怠速-油門工況至怠速工況轉速偏移量)))&&(Pedal_value(油門踏板值)

目標節氣門計算時以當前時刻的目標怠速轉速減去此時刻的瞬時轉速的差值為PI控制的輸入量，通過公式(1)計算求得目標節氣門開度。

(1)

式中，t為Simulink離散仿真下從進入怠速工況開始算的步數。E(t)為某一仿真時刻的目標怠速轉速與瞬時轉速的差值。在積分控制中，節氣門開度初始值由轉速差值和冷卻水溫度查詢二維MAP表得到，記做y0。Kp為比例系數，Ki為積分系數。

通過PI控制計算出目標節氣門后，需要對目標節氣門開度進行限值，以免節氣門開度過大或過小從而導致發動機在怠速工況大功游車或是熄火。同時，在每次進入到怠速工況的時候，會觸發積分清零標示位給PI控制中的積分器一個清零重置的信號，以免出現積分飽和的情況。

2.3 PI控制參數整定方法選擇及優化

目前來說，PID參數整定方法有Ziegler- Nicholas法，CHR方法，遺傳算法，神經網絡法等。但大多整定方法其計算過程都較為繁復，而Ziegler-Nicholas方法只要根據相應轉速曲線，就能方便對Kp，Ki參數進行整定[9]。

Ziegler-Nicholas參數整定方法為：

1)斷開積分控制，僅通過比例放大對系統進行控制。當轉速曲線達到臨界值，即轉速出現等幅振幅時，記下臨界比例系數Kc，以及此時振幅的周期Tc。

2)根據Ziegler-Nicholas參數整定經驗公式計算得到比例系數以及積分系數Ziegler- Nicholas經驗公式：PI控制中Kp=0.45*Kc，Ki=Kp/(0.85*Tc)，Kd=0。

對于本系統的PI控制來說，單一的Kp，Ki值難以滿足發動機在各種不同的怠速工況下都能保持良好的響應和穩定能力。因此，本系統采用查表的方式，通過輸入量E(t)根據Kp，Ki的邁普表查得各個轉速差范圍下的Kp，Ki的值，所以需要將Kp，Ki值做成標定量。利用Canape標定工具可以實現標定量的在線標定，根據SImulink可以對Kp，Ki值進行預標定，然后在實機試驗時進行最后的標定修正。當目標怠速與瞬時轉速差值較大時，說明需要較大的比例系數Kp以提高系統的響應速度。當目標怠速與瞬時轉速差值較小時，就需要減小比例系數Kp以降低系統的超調量減小系統到達穩定的時間，同時增加Ki以減小系統的靜態誤差。

3 Simulink控制策略的軟件在環仿真

為了驗證怠速閉環控制策略的邏輯性，首先需要在Simulink上進行仿真驗證。根據柴油機平均值模型以及內燃機工作過程仿真技術[10-12]，基于試驗用大功率天然氣發動機的發動機參數，在Simulink上搭建了天然氣發動機的模型。如圖2所示，發動機模型分為四大部分：進氣系統，供油系統，扭矩計算以及發動機動力輸出。

圖2 發動機仿真模型

3.1 進氣系統計算

在進氣系統中，有5個輸入量，分別是節氣門開度，進氣增壓壓力，進氣溫度，進氣歧管壓力以及空燃比。其中，為了方便計算，我們取空燃比為天然氣發動機理論空燃比17.2。同時，由于文本中研究的是怠速閉環控制，不會涉及到大負荷的工況，因此根據試驗發動機的臺架試驗數據，可以認為進氣增壓壓力為常量一個大氣壓，進氣溫度為常量310 K，進氣歧管壓力為41 kPa。

根據輸入量，可以利用節氣門流量模型計算公式得出流經節氣門的空氣流量[13-14]，如式(2)所示。

(2)

式中，Qma為通過節氣門的的空氣質量流量，單位kg/s；A為節氣門流通面積，m2；k為天然氣絕熱指數，這里取定值1.41；Rg為天然氣的氣體常數，Rg=287 J/kg*K；T0為進氣溫度，K；P1為進氣增壓壓力，Pa；P0為進氣歧管壓力，Pa。

3.2 供油系統計算

供油系統共有3個輸入量，為發動機轉速，空氣流量以及空燃比。首先，根據節氣門空氣流量可以計算出每缸每循環的供氣流量，如式(3)。

(3)

式中，Qmi為每缸每循環空氣量，mg/ms;為容積效率;Qma為發動機轉速，單位：round/min;然后根據空燃比可以根據公式(4)計算得到每缸每循環的天然氣量。

Qmf=Qmi/λ

(4)

這里計算得出的天然氣流量單位為mg/ms，以便于在仿真時觀察天然氣的流量，并根據試驗發動機電磁噴氣閥的流量特性對仿真進行適當的修正，從而使仿真結果更加貼近真實值。

3.3 扭矩計算

在扭矩計算模型中，將扭矩分成了3個部分計算。其中，指示扭矩的計算是根據試驗發動機臺架試驗數據擬合得到的關于轉速和噴氣量的經驗公式，見公式(5)。

Tqti=KQmf·f(Qmf,n)

(5)

摩擦扭矩的計算是以顧宏中等人由柴油實驗數據得到的回歸公式，經過與本試驗發動機數據對比修正后得到的。

負載扭矩則利用Step模塊，置一個階躍值，作為突然增加的發動機負載，以觀察轉速的響應及穩定情況。

3.4 動力輸出計算計算

根據達朗貝爾原理，通過對扭矩與轉動慣量的比值也就是角加速度做積分，得到曲軸的角速度，從而進一步換算得到曲軸的轉速。

3.5 仿真測試結果

本文仿真了不同工況時，發動機轉速的控制響應速度和穩定性。在仿真的第五步的時候給目標怠速一個仿真信號，使目標怠速轉速由700 r/min階躍至900 r/min，此時發動機的仿真負載輸出值為0 Nm。當仿真到第十步的時候，給扭矩施加一個100 Nm的負載，此時仿真模型目標轉速維持在900 r/min不變。根據發動機模型得到的仿真曲線如圖3所示。

圖3 發動機怠速閉環仿真

圖3通過模型仿真，驗證了怠速閉環PI控制時，當目標怠速轉速發生改變時，發動機瞬時轉速的響應速度及穩定情況。從圖中可以得知，不論是目標怠速發生變化活是發動機負載突變，轉速均能在一個仿真步數內便能響應，在兩個仿真步數附近已經能穩定。在本文所實驗中，一個步長對應OpenEcu上時間為1秒。

4 發動機臺架試驗結果

試驗用發動機為某六缸天然氣多點噴射發動機，ECU采用Pi Snoop公司的M670，標定工具為Vector公司的基于Can總線標定的Canape軟件。通過上文所提的Ziegler-Nicholas法，觀察標定界面上的轉速曲線變化情況進行PI控制的參數整定。

當試驗發動機穩定在怠速轉速700 rpm時，給ECU一個空調開關信號，從而使發動機目標怠速轉速上升到900 rpm，得到轉速跟隨及穩定情況如圖4所示。

5 結論

1)對某六缸天然氣多點電噴發動機的怠速控制策略進行了設計和優化。并利用V開發模式，依托于OpenEcu的強大硬件功能以及Canape的在線標定工具，大大提高了控制策略研究的效率。

2)基于電控節氣和電控噴嘴閥的高響應速度，僅通過PI控制以及MAP形式的Kp，Ki參數整定方法足以完成良好的發動機怠速閉環控制。

圖4 發動機臺架實驗數據

3)通過仿真及發動機臺架實驗得出：怠速工況下，其轉速穩態誤差保持在±5 rpm之內；目標轉速突變時發動機轉速能在1 s內響應跟隨，2 s內穩定在目標轉速上；當發動機被突然施加一個100 Nm的負載時，轉速能在1 s內響，2 s內恢復回目標轉速。

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StudyonIdleControlStrategyofHigh-PowerNaturalGasEngine

Huang Jianqi, Wu Changshui，Sun Lianmin, Pang Luyang

(Department of Automobile Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620, China)

To improve the stable and dynamic characteristic of high-power natural gas engine idle speed, an idle speed control strategy was accomplished by V-model based on a six-cylinder natural gas engine with electric controlled multi-point injection system. First, the target idle speed was designed to be calculated in different ways according to different engine working conditions, and PI control was determined by engine characteristics. In order to realize an excellent control effect, the electronic throttle angle was controlled by different PI control parameters which was looked up by the difference between target idle speed and engine transient speed. Then, using the software MATLAB/SIMULINK, a simulation engine model was set up based on the test engine which was used for software in the loop test of idle control strategy and for pre-calibration. Finally, the idle control strategy was further verified and calibrated by engine bench test. The test result shows that: the responding speed of engine speed is about 1s, the transient time is about 2 s, and the steady state error is less than ±5r/min, which has an excellent control on the test engine by the idle speed control strategy.

natural gas engine; electric controlled multi-point injection system; idle control; PI control

2017-03-01；

2017-05-26。

上海市科委“創新行動計劃”項目(17030501300)。

黃劍其(1992-)，男，上海人，碩士研究生，主要從事發動機電控開發方向的研究。

吳長水(1964-)，男，福建莆田人，副教授，碩士研究生導師，主要從事發動機ECU軟件開發，發動機測試，機械CAE/CFD等方向的研究。

1671-4598(2017)11-0078-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.020

TK432

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