基于氧傳感器模型的空燃比精確控制器開發

李捷輝，劉婧，吳兵兵，張隆基，胡立

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

隨著我國經濟的不斷發展，環境保護問題與能源消耗問題日益嚴重，節能減排已成為各行各業不得不面對的問題。自2009年以來，我國汽車銷量一直穩居全球第一，截止2016年底，全國機動車保有量已達2.9億輛，其中民用汽車1.94億輛[1]。此外汽車占機動車的比率迅速提高，近5年汽車占機動車比率從50.39%提高到65.97%[2]。可見汽油機在汽車工業發展中所占比例越來越大，與此同時帶來的排放等問題也日益嚴重。

為了推動行業節能減排技術的應用，中國內燃機行業協會與美國環境保護署(EPA)建立了互動機制，對汽油機的排放進行了嚴格的限制[3]。目前，降低汽油機排放物的機外凈化措施普遍采用三效催化器，三效催化器的使用有效地減少了尾氣的污染且提高了燃油燃燒效率，然而其最佳工作環境要求空燃比在14.7(1±3%)范圍內[4-5]。為提高三效催化器的轉化效率，必須通過氧傳感器的反饋信號將空燃比控制在理論空燃比(14.7)附近[6]。空燃比控制算法通常有PID控制算法、神經網絡算法及模糊控制算法等[7]，這一類算法大多是采用氧傳感器的反饋控制。氣候條件的變化(溫度、濕度、氣壓的波動)會對氧傳感器的穩定性產生不同程度的影響，同時殘余電流也會影響到傳感器的精度，受電極結構、電解質材料及生產工藝的限制，氧傳感器的使用壽命會隨著使用時間的增加而下降。軟件模型則不受這些因素影響，因此具有更大的優勢和潛力，相比于硬件而言，軟件模型具有更高的使用壽命及穩定性[8]。

針對汽油機控制特點，本研究開發了一種基于PI控制的空燃比控制器，控制器中用氧傳感器模型取代氧傳感器實物，在保證空燃比計算精度的同時節約了電控系統開發成本，應用該控制器的發動機能夠在不同工況下滿足排放法規限值要求[9]。搭建的控制器模型經仿真測試后進行臺架試驗，在優化控制參數的同時實現空燃比的精確控制。

1 空燃比控制器模型算法設計

空燃比控制器主要通過氧傳感器模型輸出反饋信號實現空燃比控制，在氧傳感器模型中僅考慮對空燃比控制影響最大的兩個影響因素，即進氣量和燃油量。控制器模型見圖1，主要由3個模塊組成，分別是氧傳感器信號計算模塊、模式調度模塊和控制算法模塊。其中氧傳感器信號計算模塊包括進氣計算子模塊、循環噴油量計算子模塊、空燃比(AFR)計算子模塊以及氧傳感器信號值輸出子模塊。

圖1 空燃比控制器模型框圖

氧傳感器信號計算模塊由進氣量及燃油量計算得到當前工況下空燃比，并轉換成氧傳感器信號輸入控制算法模塊，對燃油量進行二次修正以精確控制空燃比。模式調度模塊中，通過進氣壓力p，發動機轉速n，空燃比AFR和節氣門開度來判斷和調度當前發動機運行狀態。同時檢測氧傳感器信號計算模塊輸出的信號值是否在正常工作范圍內，確保空燃比控制器的正常運行。在控制算法模塊中，由氧傳感器信號計算模塊輸出的氧傳感器電壓信號、發動機轉速n和進氣壓力p得到當噴油脈寬修正量T0，修正后得到最終噴油脈寬Te。

1.1 氧傳感器信號計算模塊

氧傳感器信號計算模塊用于計算空燃比以及輸出模擬的氧傳感器信號。氧傳感器信號計算模塊由4個子模塊組成(見圖2)，分別為進氣計算子模塊、循環噴油量計算子模塊、空燃比(AFR)計算子模塊以及氧傳感器信號值輸出子模塊。

根據氧傳感器工作原理，首先通過進氣量和燃油計算模塊得到基礎空燃比，再通過空燃比反推得到氧傳感器信號值，由此來模擬氧傳感器信號輸出。氧傳感器模型計算公式如下：

(1)

圖2 氧傳感器信號計算模塊

1.2 模式調度模塊

空燃比控制器在汽油機處于一些特殊工況例如怠速、急加減速或全負荷時需要停止運行，通過建立模式調度模塊可以管理空燃比控制器的運行狀態。

圖3示出模式調度模塊Stateflow狀態，共設置7個狀態：節氣門開度檢測、進氣溫度檢測、進氣壓力檢測、曲軸轉速檢測、發動機運行狀態檢測、傳感器失效檢測和空燃比運行模式管理。節氣門開度檢測、進氣溫度檢測、進氣壓力檢測和曲軸轉速檢測主要用于檢測傳感器信號是否真實有效，若傳感器信號超出限值則設置失效保護值。傳感器失效檢測通過布爾量fail_Lamp來控制故障燈亮滅。空燃比控制器運行模式分為4個子狀態：初始化子狀態(Initial)、正常子狀態(Normal)、掛起子狀態(Suspend)和停止子狀態(Stop)。由變量AFR_clc_Switch和AFR _control_ Switch根據發動機運行狀態來控制氧傳感器信號計算模塊及控制算法模塊的運行。當發動機處于怠速工況時，需將空燃比控制器設置為初始化狀態；當發動機處于急加速或急減速工況時，將空燃比控制器設置為掛起狀態，直到發動機處于穩定工況下時再運行；當檢測到傳感器信號失效時，將停止空燃比控制器的運行。

圖3 模式調度模塊Stateflow狀態

1.3 空燃比控制器控制算法模塊

由于控制算法模塊所輸入的氧傳感器信號為開關量信號，無需微分控制來提高動態響應，因此控制算法模塊采用PID控制中的PI控制器實現。圖4示出控制算法控制過程。首先在Simulink環境下通過軟件仿真得到控制參數Kp和Ki初始MAP表，再通過臺架試驗在各個工況下對控制參數Kp和Ki進行整定和優化，得到最終較為準確的MAP表。

圖4 控制算法開發框圖

得到控制參數Kp和Ki后，需將其應用至無氧傳感器閉環控制算法中。圖5示出Simulink環境下搭建的控制算法模塊邏輯框圖。其中error為當前工況下的的燃油誤差量，SW為控制算法模塊的復位開關量。Kp和Ki參數由負荷LOAD和發動機轉速RPM查詢MAP表所得，并輸入PI控制算法模塊得到最終空燃比修正量Uk。模塊中的離散PI控制算法見式(2)。

(2)

圖5 控制算法內部邏輯框圖

2 模型仿真測試

在Simulink環境下對模型功能性和可靠性進行測試。模型測試環節使用Simulink vertication and validation、Model Advisor和Design Verifier生成測試框架，完成對模型的測試驗證。

圖6示出氧傳感器信號計算模塊的單元測試Simulink模型。該測試模型主要輸出兩種信號，空燃比控制模型所輸出的模擬信號以及實際試驗輸出信號。通常小型汽油機排放測試都采用五工況測試法，5個工況負荷率分別為0%，25%，50%，75%和100%。由于小型汽油機運行工況大多數處于中等負荷，因此在測試模型中，負荷率選取15%，25%，50%，75%和90%，轉速在1 000～3 000 r/min范圍每隔200 r/min取值。通過input輸入模塊采集節氣門開度、進氣溫度、進氣壓力以及有效燃油噴射脈寬，模型輸出兩個試驗數據，分別為空燃比值AFR_result和氧傳感器電壓信號值O2_result。outputs模塊輸出實際的試驗數據。最后，在Scope模塊中比較氧傳感器信號計算模塊的結果與試驗結果。

圖6 氧傳感器信號計算模塊單元測試Simulink模型

圖7中以深色線顯示氧傳感器信號計算模塊計算得到的空燃比AFR_Model，可以看出與實際試驗結果(淺色線顯示)近似吻合。圖7中，用深色標記氧傳感器信號計算模塊所得信號值O2_Result, 若空燃比數值超過14.67，氧傳感器輸出為80 mV，若空燃比數值低于14.67，氧傳感器輸出為700 mV，與氧傳感器實際數值基本一致，并且與實際氧傳感器信號相比抗干擾性更強，誤差值更小。測試結果表明氧傳感器信號計算模塊設計的算法實現了空燃比精確計算和模擬氧傳感器信號輸出功能。

圖7 氧傳感器信號計算模塊計算結果和試驗結果比較

3 臺架試驗

搭建發動機試驗臺架(見圖8)，驗證空燃比控制器控制效果。臺架主要由電腦、電控柜、汽油機、以及測功機等組成。

圖8 發動機試驗臺架示意

本研究選擇的測試樣機為靈敏度及經濟性都較高的170F通用小型汽油機，標定功率4 kW，標定功率轉速3 600 r/min；選用CWF75電渦流測功器及其測試系統和Horiba MEXA-7200D氣體分析儀。

3.1 控制參數整定

在Simulink環境下，設置不同工況進行模型在環仿真，可得到控制參數Kp和Ki的初始值，但控制參數Kp和Ki仍需在臺架上進行整定和優化，之后繪制MAP表。

在臺架上整定參數Kp和Ki時，首先需要保持氧傳感器信號頻率呈一定規律并且占空比為50%左右；其次要保證氧傳感器信號在正常工作范圍0.5～3.5 Hz；最后要保證空燃比控制器對發動機運行無影響，根據170F小型汽油機的工作特性，應保持轉速波動在±50 r/min。整定完成后，利用Matlab中的cubic函數，通過立方差值優化方式來將數據中的奇異點剔除，并使整體數據的連續性得到保證。

圖9示出控制參數Kp的MAP表。隨著發動機轉速和負荷的增大，發動機供油量也不斷增大，若要將空燃比仍控制在14.7附近，需要增大燃油噴射的修正量。因此，控制參數Kp隨發動機轉速和負荷的增大而增大。

圖10示出控制參數Ki的MAP表。在轉速1 000～3 000 r/min、負荷15%～90%的工況下，控制參數Ki的數值從2到7隨機變化。

圖9 Kp參數MAP表

圖10 Ki參數MAP表

3.2 空燃比控制器模型控制結果及精度

臺架試驗過程中試驗環境溫度應保持恒定。以2 500 r/min運行發動機并預熱20 min，使發動機處于最佳工作溫度范圍內。通過對比氧傳感器信號計算模塊估算信號與實際采樣信號，并使用Lambda儀實時采集汽油機空燃比，來驗證模型對空燃比的控制精度。

標定界面中無氧傳感器信號即空燃比控制器模型實時計算出的氧傳感器電壓信號值，由于氧傳感器信號為開關量信號，僅通過判斷混合氣濃稀來控制空燃比，所以可根據信號頻率來判斷空燃比控制效果(見圖11)。以轉速為2 800 r/min，負荷率為25%，50%，75%的工況為例。負荷率為25%的工況下，氧傳感器信號值頻率在1～1.4 Hz之間，氧傳感器模型信號頻率在0.8～1.2 Hz ；負荷率為50%的工況下，氧傳感器信號頻率在0.6～1.2 Hz之間，氧傳感器模型信號頻率在0.6～1.3 Hz；負荷率為75%的工況下，氧傳感器信號頻率在0.6～1.2 Hz之間，氧傳感器模型信號頻率在0.4～1.1 Hz 之間。綜上氧傳感器模型信號頻率變化與氧傳感器信號頻率變化相似且都在0.6～1.4 Hz變化，且不同工況下頻率變化基本一致，表明所開發氧傳感器模型基本可替代氧傳感器模型完成空燃比控制，并且所設計空燃比控制器可精確將空燃比控制在14.67附近。

圖11 氧傳感器模型信號值

除通過氧傳感器信號變化頻率來驗證空燃比控制效果外，試驗中還利用Lambda儀實時采集當前空燃比來進一步驗證所設計空燃比控制器的控制精度。Lambda儀的采樣周期為500 ms，共測試12個工況下的2 000個數據，這12個工況為2 000 r/min，2 500 r/min和3 000 r/min轉速下負荷率分別為25%，50%，75%和90%的工況。圖12示出數據采集結果，2 000個數據點中空燃比在14.31～15.01范圍內的有1 955個，占總體的97.75%。由于實際臺架試驗中溫度、濕度及大氣壓力等因素的影響，存在一定的試驗誤差，此外測量誤差也會影響空燃比控制精度，因此測試中會存在少數奇異點數據，但大部分數據點落在預計范圍內且奇異點誤差也未超過0.3。綜上，測試數據較為準確可信，可進一步驗證所設計空燃比控制器的控制精度較高，且可將空燃比控制在14.31～15.01范圍內，所設計空燃比控制器基本可以適用于目標發動機。

圖12 空燃比數值采集數據

3.3 無氧傳感器電控汽油機與原機對比

對使用基于氧傳感器模型的空燃比控制器的小型汽油機進行排放測試，并與使用氧傳感器閉環控制的原機進行對比。根據三效催化器工作原理，在空燃比14.7附近催化劑轉化率最高，隨空燃比增加CO和HC化合物排放降低，NOx排放增加[10]。從表1可見，無氧傳感器空燃比控制模型可將空燃比穩定在14.31～15.01，汽油機的CO排放值為257.2 g/(kW·h)，HC+NOx排放值為8.18 g/(kW·h)，低于EPAⅢ排放限值，且有足夠的劣化余量滿足排放法規要求[11]，與通過氧傳感器反饋控制的原電控小型汽油機相比排放差異不大。結果表明所設計氧傳感器模型可以替代氧傳感器實現發動機空燃比的精確控制。

表1 氧傳感器模型控制與原電控系統對比

4 結束語

采用軟件代替硬件的思想，設計了一種空燃比控制器模型，通過建立氧傳感器模型替代氧傳感器實物，在保證空燃比計算精度的同時節約電控系統開發成本。模型仿真測試結果表明空燃比控制器計算得到的空燃比及氧傳感器模擬信號與實際試驗采樣結果近似吻合，該模塊輸出的空燃比和氧傳感器模擬信號準確可靠。

在發動機臺架中完成Kp和Ki參數整定，并驗證控制器控制精度。試驗結果表明，空燃比控制器模型可準確輸出氧傳感器信號，并將空燃比精確控制在14.31～15.01范圍內。通過排放測試對比，無氧傳感器汽油機與原機排放性能基本相同，所設計氧傳感器模型可以替代氧傳感器實現發動機空燃比精確控制。