基于轉矩安全的歧管泄漏研究和監控系統開發

付亞豪，楊帥，2*，劉海然，鄒超，何棟明

1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.南昌智能新能源汽車研究院，江西 南昌 330000； 3.上海電子信息職業技術學院，上海 201411；4.菲亞特克萊斯勒動力科技研發(上海)有限公司，上海 201821

0 引言

隨著汽車工業的不斷發展，高效節能的新型汽油發動機已經得到廣泛應用，但突發性的車輛異常加速問題時有發生，車輛的轉矩安全越來越受到重視。文獻[1]于2011年發布并于2018年更新[2]，成為世界范圍內汽車產業遵守的產品安全標準。

汽油發動機的歧管泄漏是影響車用動力轉矩安全的核心因素之一。車用發動機有一部分工況處于歧管真空度大于0的情況，即使采用可變氣門升程的配氣機構，怠速和低負荷時也需要通過節氣門限流實現穩定的轉矩輸出，如果該工況下節氣門截流失效導致轉矩輸出時進氣量過多，可造成車輛異常加速或者混動車輛電池過載，影響行車安全，因此輸出轉矩安全性受到當前各大汽車廠家重點關注。雖然文獻[1]發布時間較久，但目前國內關于輸出轉矩安全的研究較少。因此，為保障人員和車輛安全，監控車用動力系統的輸出轉矩，基于理論模型、文獻[2]和工程實踐，結合發動機進氣和燃燒的控制系統，建立具有實際應用價值的工程控制模型對行車轉矩安全具有重大意義。

本文中分析影響發動機轉矩的因素，根據節氣門控制原理，分析發動機主、次充模型原理，設計節氣門開度控制策略，針對碳罐低壓脫附管路脫落故障開發泄漏監控系統，準確、穩定地監控岐管泄漏，保障行車安全。

1 功能安全分析

文獻[2]從人員安全與工程應用的角度出發，通過危害分析與風險評估對車輛功能安全提出了開發標準和流程，涵蓋汽車產品的整個生命周期，最大限度降低事故發生的可能性，得到國際社會廣泛的認可，成為各大汽車公司設計安全監控系統的準則。

根據文獻[2]，分析輸出轉矩的控制流程，確定發動機歧管泄漏對實際輸出轉矩的影響。影響發動機輸出轉矩的因素如圖1所示。

根據歧管泄露導致的動力裝置失效模式和文獻[2]中的功能安全設計流程，分別對3種失效模式做出相應的功能安全定義，如表1所示。

表1 文獻[2]中的功能安全設計分析

2 發動機進氣控制

2.1 發動機循環公式

當前市場上主流的汽油發動機采用奧拓循環，以工質燃燒推動活塞做功的方式把燃料的化學能轉換為發動機的機械能。在現代汽油發動機實際控制中，噴油和點火響應迅速、精確，而充氣響應較慢且需要間接測量，因此必須優先控氣，然后以當前循環估算的實際進氣量適配當量的燃油，通過控制點火角的方式在氣路指示轉矩的基礎上產生最終的指示轉矩。

計算發動機的指示轉矩時，可以根據曲柄活塞連桿機構的工作原理，將燃燒產生的內能轉化為做功沖程氣體對活塞的做功，計算公式[3]為：

Wi=piVS=pi(πD2/4)sp×10-6，

(1)

式中：Wi為平均指示壓力在一個沖程內做的功，kJ；pi為平均指示壓力，MPa；VS為氣缸工作容積，mm3；D為活塞直徑，mm；sp為活塞行程，mm。

發動機指示功率的計算式為：

Pi=Win/30，

(2)

式中：Pi為發動機指示功率，kW；n為發動機轉速，r/min。

發動機指示轉矩的計算式為：

Ti=9550Pi/n,

(3)

式中:Ti為發動機指示轉矩，N·m。

根據燃燒學定律，單次循環燃燒沖程氣體對單次循環的做功又可以表示為：

Wi=HUmfuelηi，

(4)

式中：HU為燃料熱值，kJ/kg；ηi為循環效率；mfuel為單缸每次循環噴油質量，kg。

為了實現最優油耗和最低排放，現代汽油發動機通過使過量空氣系數接近1實現燃料充分燃燒和適配催化器最佳轉化效率，所以單次循環的當量空燃比

Kstoi=mair/mfuel，

(5)

式中mair為單缸每次循環進氣質量，kg。

綜上，以當前循環為參考基準，平均氣路指示轉矩可以轉化為進氣質量，當前循環發動機指示轉矩

Ti/cyl=Kmi/cylηi，

(6)

式中:mi/cyl為當前循環發動機進氣質量，kg；K為無量綱因數。

實際發動機控制中，通過掃點插值的方法在不同的發動機工況(負載和轉速)下直接得到當前循環系數，可將式(6)轉化為：

mi/cyl=f(n,pint)·TIMT/cyl，

(7)

式中:TIMT/cyl為當前循環平均指示轉矩，N·m；pint為進氣歧管壓力，kPa；f(n,pint)為循環系數，mg/(N·m)。

在測功機臺架上進行轉矩測試，可以計算得到發動機不同工況下的循環系數，如圖2所示。

圖2 發動機循環系數map圖

2.2 節氣門節流原理和主、次充模型

2.2.1 節流原理

單次循環的進氣量直接決定了發動機循環功，當汽車低負荷運行時，控制進氣質量流量就可以控制發動機轉矩輸出，所以需要控制節氣門部分打開進行進氣節流。節氣門開啟50%時空氣流速分布如圖3所示[4]。由圖3可知：節氣門可以有效控制進氣流速，從而控制進氣質量流量。

圖3 節氣門開啟50%時的空氣流速分布 圖4 節氣門節流簡化模型

可將通過節氣門的氣流看作是同縮放噴管相似的一種流動形式[5]，將節氣門節流模型進行簡化，如圖4所示。

2.2.2 次充模型

利用流體力學進行推理，壓比流量系數

(8)

式中：p1為節氣門前進氣壓力，kPa；p2為進氣歧管的壓力，kPa；γ為絕熱因數。

根據速度密度方程可得當前循環的進氣質量流量[6]

(9)

式中：Sthr為電子節氣門的有效流通面積，mm2；T1為節氣門前進氣溫度，K；R為氣體常數。

消除復雜因子的影響，式(9)可進行簡化為：

(10)

圖5 壓比修正系數插值曲線

節氣門開度和節氣門喉口面積存在著物理關系[7]

(11)

式中：d為節氣門閥片直徑，mm；αCIB為節氣門最小開度；α為當前節氣門開度。

用插值曲線代替難以確定的復雜因子并且通過試驗進行參數辨識，式(11)可簡化為當前節氣門開度的函數：

Sthr=f(α)。

(12)

函數關系可以通過數值代入的方法計算得到，節氣門開度和節氣門喉口面積轉換曲線如圖6所示。對發動機進行節流控制時，可以將節氣門前饋控制策略簡化，節氣門前饋控制策略如圖7所示。

圖6 節氣門開度和節氣門喉口面積轉換曲線 圖7 節氣門開度控制策略

綜上所述，可以通過次充模型控制節氣門的位置，即給定需求的進氣質量流量，通過控制節氣門進行限流。當進氣岐管泄漏時，節氣門限流失效，導致實際的進氣流量超過需求，所以監控泄漏的關鍵在于如何精確計算出實際的進氣質量流量。

2.3 主充模型

在發動機工作中，存在進氣遲滯現象，需求的進氣量不一定能夠及時響應，因此采用理想氣體的狀態方程計算實際進氣流量，適配當量的燃油來保證油耗和排放滿足要求。

標準狀態下的單缸每循環最大進氣量[8]

m0/cyl=p0V0/RT0，

(13)

式中：p0為標準狀態下進氣壓力，kPa；V0為單缸最大容積，mm3；T0為標準狀態下氣體熱力學溫度，K。

某工況下的單缸循環進氣量(即主充模型)

m1/cly=psV0/RTs，

(14)

式中：ps為實際狀態下進氣壓力，kPa；Ts為實際狀態下氣體熱力學溫度，K。

根據式(13)(14)可知：主充模型計算得到的進氣質量流量和節氣門開度無關，節氣門后泄漏的氣體質量流量可等效為節氣門多開導致的增加的實測質量流量；實測的進氣質量流量大于需求的進氣質量流量，導致發動機實際輸出轉矩大于需求轉矩，帶來轉矩失控風險，因此根據文獻[2]的要求應設計影響發動機轉矩安全的歧管泄漏監控系統。

3 轉矩安全監控系統設計和標定

3.1 故障現象

根據當前發動機結構和實際用戶使用情況統計，導致發動機歧管泄漏的關聯件故障主要有4種:碳罐低壓脫附管路脫落、機油蓋打開、曲軸箱通風管路脫落、機油尺脫落。本文中僅進行碳罐低壓脫附管路脫落標定試驗，其余故障的監控可利用相同的原理進行類推。

由于發動機需要把碳罐積累的油氣引入到歧管進行燃燒，如果管道發生脫落，就會導致大氣通過脫附管路直接進入歧管，進氣量增加。怠速工況(發動機轉速為750 r/min)下，正常情況和碳罐脫附管路脫落故障時，需求和實際的進氣質量流量關系曲線分別如圖8、9所示。

圖8 正常的進氣質量流量關系曲線 圖9 管路脫落時進氣質量流量關系曲線

由圖8、9可知：正常情況下實際和需求的進氣質量流量非常接近，故障情況下實際的進氣質量流量明顯大于需求，而且故障情況下進氣質量流量趨于平緩，這是因為泄漏量較大，比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制無法通過反饋調節對氣路進行精確控制。

3.2 監控策略設計

根據節氣門控制原理，可以由當前需求轉矩確定節氣門開度[9-10]，通過電動機將節氣門直接打開至需求開度。

如果節氣門后發生泄漏，導致歧管壓力增大、充氣效率增加，即實際的進氣質量流量大于需求的進氣質量流量。不同工況下、不同泄漏量導致實際與需求的進氣質量流量偏差不同，如果泄漏量達到一定程度，大氣就會把氣流通過泄漏點壓入進氣歧管，導致2個進氣質量流量的偏差過大[11-13]。

根據發動機現有的傳感器布置和已經存在的模型，設計進氣歧管泄漏診斷策略，如圖10所示。以10 Hz為采樣頻率進行誤差采集并且積分，以5 s為周期進行一次故障判斷。

圖10 進氣歧管泄漏診斷策略

監控發動機歧管泄漏時，應根據實測和需求的進氣質量流量計算瞬態誤差，在每5 s的監控周期內，對進氣質量流量的誤差進行累積。對圖8、9中的質量流量誤差計算，得到怠速工況(發動機轉速為750 r/min)下正常和管路脫落時需求和實際進氣質量流量的瞬態誤差和累積誤差，如圖11、12所示。

由圖11、12可知：進氣岐管泄漏時累積誤差和正常情況存在明顯差別。當管路脫落后，二者的累積誤差平緩穩定上漲，趨于線性，這是由于進氣岐管泄漏導致氣路PID控制失效、進氣質量流量趨于穩定，這種穩定誤差累積有利于故障診斷。

圖11 正常時需求和實際的進氣質量流量誤差 圖12 管路脫落時需求和實際的進氣質量流量誤差

3.3 診斷結果統計和限值標定

控制發動機在怠速下進行多次試驗并計算，得到不同工況下正常和碳罐脫附管路脫落時的進氣質量流量積累試驗結果，如表2所示。

表2 不同工況下正常和管路脫落時的進氣質量流量10次試驗累積結果 g/s

正態隨機變量x的概率密度函數

(15)

式中：u為均值，σ為均方差。

根據經驗和數據分析，累積的進氣質量流量誤差服從正態隨機分布。可設積累的進氣質量流量為隨機變量x、均值為u、均方差為σ，進行正態分布數據處理，以保障轉矩安全為標定原則，診斷限值應當保證故障能夠被準確識別，故診斷限值設置為20 g/s，診斷結果分布如圖13所示。

圖13 診斷結果分布圖

由圖13可知：診斷限值能明顯區分2組數據，對診斷結果具有非常好的辨識度。根據充氣模型解耦和文獻[2]要求，設計的安全監控系統具有非常好的收斂特征，可以準確、穩定地監控歧管泄漏。

4 結論

1)基于文獻[2]分析發動機節氣門后泄漏帶來的風險，引入監控系統的開發思路和構想；對節氣門泄漏進行安全評估和設計，定義安全等級和安全風險。

2)研究了節流裝置的工作原理和數學模型，并且根據電控發動機目前具有的成熟模型設計了發動機歧管泄漏監控策略。

3)通過標定試驗在怠速工況下調校了碳罐脫附管路脫落導致的發動機歧管泄漏安全監控關鍵參數，設置診斷限值，準確、穩定地監控歧管泄漏，保障發動機轉矩安全。

由于標定需要采集大量試驗數據，因此基于智能算法的監控系統將成為本課題的下一個研究方向。