基于转速反馈的CNG发动机点火提前角标定

汪胜利 曹姜 薛涛 左承基

（合肥工业大学机械与汽车工程学院安徽合肥230009）

基于转速反馈的CNG发动机点火提前角标定

汪胜利 曹姜 薛涛 左承基

（合肥工业大学机械与汽车工程学院安徽合肥230009）

点火正时对发动机运行时的动力性、经济性和排放具有很大影响，因此最佳点火提前角的选取十分重要。以发动机转速为反馈信号，利用MATLAB/Simulink软件建立CNG发动机点火提前角标定控制模型，算法实施平台为dSPACE公司的MicroAutoBox，在实验室NQ150N型天然气发动机上进行了算法测试。实验结果表明，以转速为反馈信号的点火提前角标定算法简单可行，并且能较快地找到对应工况下的最佳点火提前角。

点火提前角dSPACE转速CNG发动机

引言

在发动机电控中，点火正时和空燃比一直是两大难题，点火正时的控制主要在于点火提前角的控制。点火提前角控制的不合理使混合气的燃烧过程变差，进而影响发动机的输出功率，也会使经济性和排放变差，严重时会产生爆震，损坏发动机[1]。

确定点火提前角的传统方法是根据ECU内部FLASH存储的点火提前角MAP图直接查表得到，也被称为开环控制。该MAP图是技术人员进行标定后固化在ECU中，在发动机运行时，根据运行工况的不同查表获得不同的点火提前角。随着现代控制理论的发展和发动机精确控制的需求，闭环控制已经在发动机电控技术中普及，如空燃比闭环控制等。为了适应不同型号发动机不同工况下点火提前角需求，并且可以在发动机老化磨损的情况下获得较好的点火效果，目前的发动机电控系统均采用了点火提前角闭环控制以获得更佳的点火正时，并且还可以帮助技术人员对点火提前角MAP图进行标定。

本文开发了一种基于转速反馈的点火提前角标定方法，利用MATLAB/Simulink软件建立标定控制模型，以德国dSPACE公司开发的MicroAutoBox为控制模型的算法平台，在实验室NQ150N天然气发动机上进行了实验测试。

1 点火提前角闭环控制

图1和2分别为点火提前角的开闭环控制原理图，在引言中已经简单介绍了点火提前角的开环控制，其缺点是必须根据工况对点火MAP图进行手动标定，精度较差，并且随着发动机的老化磨损，最佳点火提前角会发生偏移，此时开环控制就不能满足点火提前角精确控制的需求。从图2中看出，闭环与开环控制的不同之处即是加入了传感器信号的反馈输入修正，即在原来查表所得基本点火提前角的基础上加上修正项，得到最终的点火提前角输出。

图1 点火提前角开环控制

图2 点火提前角闭环控制

对于目前的点火提前角闭环控制系统，传感器反馈信号通常有爆震传感器信号、气缸压力传感器信号以及发动机转速信号。以爆震传感器信号为反馈主要用于汽油机上，是目前较为常用的反馈信号。以气缸压力为反馈控制信号的点火提前角寻优能够基本满足在不同工况下实际点火提前角对最佳点火角的逼近，但其成本较高使其应用受到了较大的限制。而以转速为反馈信号的点火提前角寻优方便简单并且精度也较高[2，3]。

2 基于转速反馈的提前角标定

2.1 可行性分析

当发动机运行于稳定工况时，可认为发动机负荷与外界阻力矩不变。由于点火提前角的改变引起发动机输出功率发生变化时，必然会引起发动机转速的改变。这样，发动机转速的变化就可以表征发动机点火提前角的优劣[4]。

如图3所示，发动机运转于某一负荷和节气门开度下，转速随点火提前角的变化关系图。

图3 转速与点火提前角关系图

从图中可以看到，在一定的负荷和节气门开度下，可以找到一个最佳的点火提前角，使该负荷和节气门开度下的转速达到最大。

根据功率计算公式

其中P为功率，N为转速，M为输出扭矩。在输出扭矩不变的情况下，转速最大即可获得最大的输出功率，并且燃油经济性也最好。

燃油经济性的评价指标为燃油消耗量与输出功率之比，当发动机工作于非最佳点火提前角时，要获得相同的输出功率P，即获得相同的转速和输出扭矩，就必须要增加负荷，因此比油耗和小时油耗量相对最佳点火提前角时的会更高[4]。

根据上述分析，以转速为反馈信号的点火提前角标定方法是可行的。

2.2 标定机理

以转速为反馈信号的点火提前角标定要求在发动机工作于稳态工况下一段时间，即在某一负荷和节气门开度下，通过改变点火提前角从而使发动机转速发生变化，将这些对应的转速点记录下来，从中找到转速最大的一点（Nmax），则该点对应的点火提前角即是这一负荷和节气门开度（或Nmax和歧管压力）下的最佳点火提前角。

如图4所示为基于转速反馈的点火提前角标定控制流程图。在开始点火提前角标定时，根据当前点火提前角和上位机确定的角度变化范围确定出最大点火提前角和最小点火提前角，然后根据点火提前角变化的步长（一般选取1°或2°）改变点火提前角大小（递增点火提前角或者递减点火提前角），并且记录点火提前角改变后的转速大小，这样就得出在最大和最小点火提前角范围内的若干个对应的转速点，再从中优选出最大的转速点即可。

图4 点火提前角标定流程图

2.3 参数的选取

在基于转速反馈的点火提前角标定策略中，要注意以下几个参数的选取[5，6]。

1）初始点火提前角的选取。如果所选取的初始点火提前角与最佳点火提前角相接近或者差值不大，则会加快系统的响应速度，能够很快地找到最佳的点火提前角，反之则会较慢。本文中选取的初始点火提前角为标定开始工况下的查点火MAP表后所得的角度值（此点火提前角MAP为人工初步标定值，与最佳点火提前角相差不会太大）。

2）点火提前角变化范围和提前角的变化步长的选取。两者影响着系统的响应速度，也影响着最佳点火提前角选取的精度。过大的角度变化范围会使系统确定出的点火提前角标定范围变宽，延长了系统标定一次最佳点火提前角的时间，过小可能会使标定的角度范围包含不了最佳点火提前角，因此选取要合适。本文中选取在5°到10°之间。

选择过大的点火提前角的变化步长虽然会加快系统响应速度，但会导致精度不够，使标定出的最佳点火提前角与实际的角度存在误差，过小同样会使系统响应变慢，本文中选取2°。

3）在每次改变点火提前角后，发动机转速会发生相应的变化，同时为了消除转速波动现象，在每次计算转速前要延迟一定的时间然后取平均转速。本文中在第一次改变点火提前角后，因为突变角度较大所以延迟4 s，取后2.4 s（60%的延迟时间，比例可变）转速的平均值（转速采样时间为50 ms）作为本次点火提前角下对应的转速值。以后每改变一次点火提前角，因突变角度较小所以延迟1 s，取后0.6 s的转速平均值进行储存。

2.4 点火提前角标定的Simulink框图

如图5所示为点火提前角标定的Simulink框图。

从图中可以看出，标定控制器的输入参数有：

1）根据转速和歧管压力查点火提前角MAP得到的基本点火提前角，该角度作为标定的初始点火提前角（对于某一个工况进行角度标定时只查取一次）。

2）标定方向，决定提前角的变化方向，即递增点火提前角或者递减点火提前角。

图5 点火提前角标定的Simulink框图

3）变化步长和角度变化范围。输出参数为标定后所得的最佳点火提前角。

3 实验分析

3.1 实验装置

如图6所示，为本文实验所用装置简图。

模型的算法实施平台为德国dSPACE公司生产的MicroAutoBox。dSPACE实时仿真系统是一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试工作平台，它实现了与MATLAB/Simulink的完全无缝联接。dSPACE实时系统拥有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、I/O等。这样，在dSPACE强大能力的支持下，利用其快速控制原型（RCP）功能就可以快速、方便地进行控制算法的开发与测试，并且可以利用代码自动生成工具将算法转化成产品代码。

图6 实验装置简图

实验中使用CW160型电涡流测功机，发动机型号为NQ150N天然气发动机，其主要技术参数如下表1所示，采用南峰FST2D实验台架实现发动机负荷和转速的控制。

表1 NQ150N天然气发动机主要技术参数

实验中，将Simulink模型下载到dSPACE中，通过后台监控软件ControlDesk与dSPACE进行实时通讯，以设置、监控和保存相关参数数据，如图7所示。

3.2 实验测试

本文在不同工况下对控制策略的模型进行了实验测试。实验过程中通过FST2D台架监控系统将发动机稳定在某一扭矩下，通过ControlDesk后台监控系统将节气门稳定于某一开度下，针对几组不同的节气门开度和扭矩进行了点火提前角的寻优标定实验并进行了对比。

如图8所示为在相同节气门开度15%，分别在扭矩50 N·m和100 N·m工况下转速随点火提前角的变化曲线。

从图中可以看出在扭矩50 N·m时最佳点火提前角在29°CA；在100 N·m扭矩工况下，最佳点火提前角为23°CA。在相同节气门开度下，随着负荷的增大点火推迟。

如图9所示为在相同负荷100 N·m工况下，分别在节气门开度15%和20%下的转速随点火提前角的变化曲线。

从图中可以看出在15%节气门开度时的最佳点火提前角为25°CA；在20%节气门开度时的最佳点火提前角为18°CA。在相同负荷的条件下，随着节气门开度增大，点火推迟。

图7 ControlDesk监控界面

图8 不同负荷下点火提前角寻优对比

图9 不同节气门开度下点火提前角寻优对比

4 结论

根据上述分析可以看出，基于发动机转速反馈的点火提前角标定是可行的，操作方便并且能够较快地找到对应工况下的最佳点火提前角。根据实验结果分析，在相同的节气门开度下，随着负荷的增加，应该推迟点火；在相同的负荷下，随着节气门开度增大，应减小点火提前角。

在点火提前角寻优标定控制中，应根据发动机动力性、经济性和排放综合考虑，本文中的提前角寻优标定主要是从动力性和经济性角度出发，没有考虑到排放方面，但为点火提前角的寻优标定提供了一个切实可行并且操作简便的方法。

1李国勇.智能控制与MATLAB在电控发动机中的应用[M].北京：电子工业出版社，2007

2刘斌.汽油机点火提前角及电子节气门控制仿真研究[D].武汉：华中科技大学，2009

3郭志鹏.465Q汽油机电控点火系统的分析与研究[D].太原：太原理工大学，2002

4吴宁.CA488Q发动机多点汽油喷射及点火系统的研究[D].长春：吉林大学，1998

5吴义虎.汽油机最佳点火正时转速自适应检测系统的研究[J].内燃机学报，1996，14（3）：270～276

6吴义虎.汽油机点火正时微处理机自适应控制系统的研究[J].汽车工程，1991，13（1）：48～56

7纪永飞.CNG单燃料发动机电控系统开发及应用研究[D].合肥：合肥工业大学，2014

Calibrating of the Ignition Advance Angle of the CNG Engine Based on Speed Feedback

Wang Shengli,Cao Jiang,Xue Tao,Zuo Chengji
School of Machinery and Automotive Engineering,Hefei University of Technology (Hefei,Anhui,230009,China)

Ignition timing has a great influence on the dynamic,economy and emissions of the running engine.So the selection of the optimum ignition advance angle is very important.The paper uses the speed of engine as the feedback signal,and establishes a control model of calibrating the ignition advance angle of the CNG engine by MATLAB/Simulink,the platform of the algorithm is MicroAutoBox,which was designed by the company of dSPACE.The test-experiments have already been done on the NQ150N natural gas engine.The result of experiments show that,the algorithm of calibrating ignition advance angle based on the feedback signal of speed is not only simple and feasible,but also be helpful to find the optimum ignition advance angle of corresponding conditions quickly.

Ignition advance angle,dSPACE,Speed,CNG engine

TK46+4

A

2095-8234（2014）06-0021-05

2014-11-05）

汪胜利（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为内燃机工作过程。

左承基（1955——），男，教授，博士生导师，主要研究方向为内燃机工作过程。