噴油自學習策略在發動機怠速控制中的應用

唐為義，李權，李樹宇

奇瑞汽車股份有限公司, 安徽 蕪湖 241009

0 引言

怠速工況下柴油機進氣量少，缸內壓力小，壓縮溫度低，混合氣不均勻, 燃燒不充分,排放性能差。傳統的降低冷起動階段怠速排放的標定策略主要有減少起動噴油量、提高發動機暖機怠速轉速、改變點火效率、催化劑快速起燃等[1-2]。但是減少噴油可能導致混合氣過稀，高轉速下降低點火效率可能導致燃燒惡化，這使得發動機怠速工況的抗干擾能力和魯棒性降低。此外，工業化產品的質量穩定性，燃油品質特性，發動機應用環境變化如機體溫度、機油黏度特性,地域海拔特征等，也會對怠速時發動機的穩定性產生影響。在減少起動怠速噴油情況下，使空燃比更好地與怠速轉速相匹配對降低冷機怠速排放尤為重要。

諸多學者從不同維度對怠速控制方法、怠速燃燒穩定性和怠速評價開展了一系列的研究。文獻[3-7]主要研究模糊控制、模糊比例積分微分 (proportional integral differential，PID)控制、模糊PID-Smith控制等方法在怠速穩定控制中的應用，結果表明，采用模糊控制能有效改善汽車發動機的怠速運轉穩定性和魯棒性；文獻[8]提出了關于發動機怠速穩定性的動態矩陣預測控制算法,并建立了預測控制模型，試驗表明，該預測控制方法能夠較好地克服各種不確定性因素和復雜變化對怠速穩定性的影響；文獻[9]通過優化進、排氣凸輪型線及相位，調整發動機電控參數，改善發動機的怠速燃燒穩定性；文獻[10]針對怠速工況中經常出現隨機性轉速波動的現象，提出了一種基于“3σ”原則的方法評估發動機不同怠速工況下的轉速波動范圍；文獻[11-12]從轉矩的角度研究分析怠速控制，結果表明，基于轉矩的發動機怠速控制方式能夠獲得良好的控制效果, 發動機實際轉速能夠很好地跟隨目標轉速。

為提高怠速抗干擾能力，降低冷機怠速排放，本文中提出一種基于發動機怠速轉速波動的噴油自學習控制策略，以降低怠速工況的轉速波動，通過實車測試驗證噴油自學習控制策略的效果，對測試結果進行對比分析。

1 怠速控制

1.1 PID控制原理

PID控制是應用最為廣泛的一種控制算法。由于來自外界的各種干擾不斷產生，需連續調節各參數，使控制對象恒定穩定。連續PID控制系統的原理示意如圖1所示，其數學模型為：

圖1 PID控制原理

式中：KP為比例增益；KI為積分時間常數；KD為微分時間常數；u(t)為控制器輸出量；e(t)為給定量與實際測量的差，是調節的輸入函數。

1.2 怠速PID控制原理

怠速PID控制原理如圖2所示。怠速PID控制以目標怠速轉速為導向，一旦監測到發動機轉速脫離目標怠速，系統自動調整相關參數，使轉速回到目標怠速轉速。電子控制單元(electronic control unit，ECU)依據各相關傳感器的輸入信號，判定最終輸出目標怠速轉速，并將傳感器感知的發動機實際怠速轉速與目標轉速進行比較，根據二者偏差確定目標轉速的控制量，驅動控制進氣量的執行機構以及改變點火效能，穩定怠速轉速。

圖2 怠速PID控制示意圖

除了在發動機硬件系統采用的部分優化方案以外，怠速PID控制均受制于調節范圍的限制，如果系統偏差超出怠速控制調節范圍，多數方案不能最優化解決問題。產品開發過程中，通常采用試湊法對PID各參數進行標定，但這種傳統方法一定程度上受限于極端工況下的怠速氣路控制和活路控制調節范圍，同時也受限于標定樣機或樣車的樣本量，難以實現標定結果的全生產線最優覆蓋。如果在達到PID調節范圍極限的情況下仍無法穩定怠速，則過大的轉速波動必將被感知，影響產品質量。

2 噴油自學習策略

發動機空燃比控制分為開環控制和閉環控制，快速進入閉環控制可精確控制空燃比，降低怠速排放。本文中采用兩點式氧傳感器進行反饋檢測實現空燃比閉環控制，空燃比可通過混合氣中氧離子濃度表示，并在氧傳感器端以電壓信號反饋至ECU，ECU基于目標設定的中值閾值辨識當前的空燃比，進行噴油量閉環調節。這一過程的實現受制于氧傳感器露點特性，只有在達到氧傳感器露點溫度之后才能全功率加熱快速進入空燃比閉環控制。ECU辨識傳感器露點溫度，判斷是否可進入空燃比閉環控制，防止暖機過程中水蒸氣在陶瓷體端冷凝導致氧傳感器陶瓷體炸裂。在冷起動及催化劑起燃工況，尤其在極端低溫環境下，燃油霧化較差，摩擦阻力較大，相當一段時間內無法進行空燃比閉環調節，開環控制下混合氣偏稀時易導致怠速轉速波動。

與傳統的PID控制相比，基于怠速轉速波動的噴油自學習策略增加基于轉速波動的噴油調節環節，在監測轉速波動形態的基礎上對噴油脈寬進行修正調節，精確控制實際空燃比，改善燃燒，噴油自學習怠速控制示意圖如圖3所示。

圖3 基于轉速波動的噴油自學習怠速控制示意圖

ECU根據曲軸位置傳感器信號辨識發動機實際轉速，判斷其與設定目標轉速的速差，該速差超出設定范圍后，認為此時混合氣偏稀，ECU對怠速噴油脈寬進行調節，使空燃比保持在穩定燃燒區間?；诎l動機控制單元監測的歧管進氣量、噴油器流量特性、電壓修正等計算得到基礎噴油脈寬u(t)。為確保實際燃燒凈轉矩輸出與摩擦阻力平衡，實現更穩定的燃燒，自學習策略采取混合氣加濃控制，即PID調節以轉速速差e(t)為輸入、噴油脈寬增量Δ(u(t))為輸出，設定增量調節閾值，確保PID調節幅度可控，防止噴油脈寬過度調節導致排放惡化。

基于轉速波動的噴油自學習策略算法在線計算程序框圖如圖4所示。從發動機ECU的控制流程來看，ECU接收發動機曲軸位置的可信信號，初步辨識當前怠速工況下轉速波動，并將轉速波動幅值與設定的自學習調節閾值進行比較，當轉速波動超出設定的閾值后，觸發噴油自學習調節；同時，為降低燃油過濃帶來的燃燒不良及排放超標風險，在噴油調節過程中賦予一定的自學習噴油調節范圍的限值設定，此限制可在實際的標定工作中優化，保證燃燒穩定與排放物水平最優。ECU識別到氧傳感器正常工作以后，自動退出當前噴油自學習調節，進入空燃比閉環控制調節，同時將此次自學習結果在ECU下電后寫入其存儲器中，并在下次工作循環中調用。

圖4 基于怠速轉速波動的噴油自學習算法框圖

3 試驗方法及結果分析

3.1 試驗方法

進行實車對比試驗，驗證基于怠速轉速波動的噴油自學習策略對穩定怠速轉速的效果。為確保試驗結果的可比性，試驗采用新下線樣車，所有樣車零部件狀態一致，零行駛里程，加注同量、同批次燃油，在相同環境中靜置不少于8 h，冷起動條件相同。

3.2 無噴油自學習策略

對樣本車輛進行原狀態測試，在設定的環境邊界下監測起動后怠速穩定性狀態。結果表明，不采用噴油自學習策略時，部分車輛的冷起動怠速轉速波動過大。隨機抽取2輛樣車A、B，冷起動后空燃比開環控制下的怠速轉速波動情況如圖5所示。由圖5可知，在冷起動暖機過程的前500 s內，轉速穩定性較好，但在500～900 s，兩車的轉速逐漸發散，樣車A的轉速波動過大，轉速波動超過±50 r/min。

圖5 無噴油自學習策略的起動怠速轉速情況

分析波動劇烈區域(500～900 s)以目標怠速為中心的怠速波動頻次分布，結果如圖6所示，對應的過量空氣系數曲線如圖7所示。

由圖6可知，樣車B原始狀態的怠速轉速波動較小，優于樣車A。由圖7可知，在轉速波動較大區域，實際的過量空氣系數大于1，混合氣偏稀，導致實際燃燒滯燃期變長，實際燃燒轉矩偏小，不足以平衡摩擦阻力，進而引發轉速波動；極端情況下可造成個別氣缸無法正常燃燒，引發單個或多個氣缸失火。

3.3 噴油自學習策略

保持測試邊界一致，采用噴油自學習策略，以轉速波動為輸入量，調整噴油脈寬輸出，實時調整實際空燃比，消除開環空燃比控制下的噴油控制弊端，進行起動后怠速穩定狀態監測。采用噴油自學習策略后，車輛起動后暖機過程的怠速轉速曲線、500～900 s內怠速轉速波動頻次分布、暖機過程過量空氣系數曲線如圖8～10所示。

圖8 噴油自學習策略暖機過程怠速轉速曲線 圖9 噴油自學習策略500～900 s內怠速轉速波動頻次分布

由圖8可知，采用噴油自學習策略后，暖機過程樣車A、B的怠速轉速穩定且收斂，一致性較好。由圖9可知，采用噴油自學習策略后，怠速波動較小，100%的波動在±20 r/min以內，95%的波動集中在±15 r/min。由圖10可知，采用噴油自學習策略后，實際過量空氣系數與目標過量空氣系數的偏差不超過±3%，表明實際空燃比可很好地追隨目標空燃比，從而保證燃燒的穩定性，避免失火，減少轉速異常波動，也有益于降低排放。

圖10 噴油自學習策略暖機過程過量空氣系數曲線

4 結論

1)發動機起動后空燃比開環控制階段，受產品制造過程一致性分布的影響，空燃比控制的魯棒性較差，缸內混合氣偏稀，燃燒穩定性較差，轉速波動較大。

2)采用噴油自學習控制策略后，基于轉速波動實時進行噴油策略調整，空燃比收斂，燃燒穩定，轉速波動較小，波動控制在±15 r/min以內，滿足工業化生產的要求。

3)采用噴油自學習策略，可以減少怠速轉速異常波動的風險。由于過濃或過稀的混合氣都不利于正常燃燒，后續研究應進一步優化控制策略及改善排放水平的增益。