基于模型的GDI增压发动机爆震控制系统设计

刘少飞于潇陈杰

（1.长城汽车股份有限公司技术中心；2.河北省汽车工程技术研究中心）

基于模型的GDI增压发动机爆震控制系统设计

刘少飞1,2于潇1,2陈杰1,2

（1.长城汽车股份有限公司技术中心；2.河北省汽车工程技术研究中心）

为准确检测并有效控制GDI增压发动机的爆震，设计了一种控制系统。该系统通过爆震传感器检测缸体振动情况，通过信号处理提取相应能量值，依据能量值大小判断是否发生爆震及爆震强度，并区分为普通爆震和超级爆震。对前者采取推迟点火角来控制，后者采取燃油加浓、凸轮轴调节和断油措施来控制。HIL和台架测试结果表明，该系统能准确检测并有效控制爆震，以保证发动机的动力性、经济性和安全性。

1 前言

GDI增压发动机具有热效率高、功率扭矩大、油耗低等特点，近年来成为世界各大汽车公司的研究热点[1]。涡轮增压与缸内直喷技术的结合是改善发动机燃油经济性和降低排放的重要措施，但这两项技术的应用使发动机出现了一种新的异常燃烧模式——超级爆震[2]。超级爆震是一种偶发性的、能够自行消失的非正常燃烧现象，其对发动机极具破坏性。因此，ECU准确检测超级爆震并对其及时控制显得尤为重要。

本文通过爆震传感器检测发动机缸体振动情况，并转化为相应变化的电压值，底层通过对信号放大、爆震窗口内的AD采样、滤波、整流、积分后得到各个气缸对应的能量值以用于爆震判决；每个气缸对应两个爆震窗口，得到两个能量值，一个用于普通爆震判决与控制，另一个用于超级爆震判决与控制。上层控制策略采用基于模型的方法设计，利用自动代码生成技术与底层集成，生成可执行文件下载到ECU开发板中，用于硬件在环（HIL）或台架测试。

2 爆震产生机理

2.1 普通爆震产生机理

普通爆震是汽油机运行时一种不正常燃烧的现象，当火焰在传播途中压力异常升高时，一些部位的混合气在火焰到达之前开始自行燃烧，正常和非正常燃烧两个方向相反的压力波相遇时，会产生剧烈的气体震动，并发出特有的金属撞击声[3]。发生爆震会使发动机功率急剧下降，油耗迅速上升，还会损坏气缸壁和其它零件，因此必须进行控制。

普通爆震与点火时刻密切相关，点火提前角越大，气缸压力越大，越容易产生爆震，因此可以通过控制点火提前角来控制爆震。

2.2 超级爆震产生机理

GDI增压发动机出现了一种新的爆震模式——超级爆震[4]。早燃是超级爆震的必要条件，此外末端混合气还要达到发生超级爆震的热力学状态。发生超级爆震时，燃烧室内火焰前锋传播速度极快，缸内压力和温度急剧上升，并伴随剧烈的压力波动与极大的噪声，推迟点火也无法避免，其破坏性要远强于常规爆震，对发动机会造成致命的破坏。正常燃烧、普通爆震和超级爆震之间的关系如图1所示。

由于超级爆震的发生具有偶然性[5]，这更增加了控制难度。综合目前研究结果，有效控制超级爆震的措施包括燃油加浓（调节空燃比，降低缸内混合气压缩终了温度）、凸轮轴调节（扫气）、断油等。

3 爆震信号处理方案

本系统针对的是GDI增压4缸发动机，点火顺序为1-3-4-2，4个气缸共用一个爆震传感器，安装在2缸和3缸之间，传感器分别检测4个缸的振动情况并转化为相应的电压信号，信号通过放大后在爆震窗口内进行AD采样，通过低通滤波器过滤掉高频干扰信号，再经过降采样，利用带通滤波器精确提取爆震信号，然后经过整流和积分，得到爆震窗口内信号的积分值，分别用于普通爆震和超级爆震的判决。爆震信号处理方案如图2所示。

爆震传感器：系统只用到一个非共振型压电式爆震传感器，根据气缸号同步，分别检测各缸的振动情况，并转化为相应的电压值，传感器输出为差分信号，有正有负。

可变增益：爆震传感器检测到的电压信号一般是几百毫伏，需要经过放大处理，系统可选的放大倍数为1、 2和4，具体用哪个放大倍数受上层控制策略控制。

爆震窗口：分为普通爆震窗口和超级爆震窗口，都位于压缩上止点（TDC）之后。根据缸内燃烧压力变化，超级爆震窗口比普通爆震更靠前，底层实际通过增强时间处理单元（ETPU）只开一个总窗口（超级爆震窗口起始角度到普通爆震窗口结束角度），但上层需要向底层传递4个参数两个窗口的起始角度和长度，用于求积分能量值时分开为两个能量值，分别用于普通爆震和超级爆震判决。

ADC：对爆震窗口内的信号进行AD采样，采样电压范围为-2.54～2.54 V，频率为200 kHz。

低通滤波器：基于200 kHz的IIR低通滤波器，截止频率设为35 kHz，通过MATLAB中的数字滤波器设计工具设计，生成的滤波器系数提供给底层，在MPC5634M中，通过配置系数实现。

降采样：采用2∶1降采样，在保证信号精度的前提下减少后面带通滤波器处理时间。

带通滤波器：系统一共有7个不同中心频率（8 kHz、10 kHz、12 kHz、14 kHz、16 kHz、18 kHz和20 kHz）的63阶FIR滤波器，7组系数通过标定得到，储存在处理器中，通过软件实现滤波；具体实际用哪一个滤波器由上层控制策略决定，与气缸号和发动机转速有关，运行过程中会动态转换，实现对爆震信号频率变化的跟随。

整流：从爆震传感器得到的是差分信号，有正有负，通过求绝对值全部转化为正值。

积分：通过上层传递的两个爆震窗口参数，将信号序列分割为3部分，前两部分结合对应超级爆震窗口内的信号，后两部分结合对应普通爆震窗口内的信号，通过信号序列幅值累加分别得到超级爆震能量和普通爆震能量，将其传递给上层控制策略，用于超级爆震和普通爆震的判决。

4 爆震控制策略

4.1 爆震控制系统调度

4缸发动机曲轴每转180°（一个冲程）会点火一次，点完火后需要对该气缸进行爆震检测，因此点火控制和爆震控制应该是基于一个冲程的调度。

由于点完火后气缸压力迅速增大，到TDC之后达到最大值，此时是爆震可能发生的区域，因此爆震窗口开在TDC之后一定角度内，这样爆震控制对应上次点完火的气缸，爆震数据分配（输出）对应于将要点火的当前气缸，如表1所列，其中软件气缸号0-1-2-3对应实际点火气缸1-3-4-2。

表1 爆震与点火气缸号之间的关系

4.2 普通爆震控制策略

爆震控制策略的实现采用基于Simulink模型的设计，其控制策略主要由以下几部分构成：

a.爆震控制功能激活

爆震发生在一定条件下，当发动机起动结束后，发动机温度、转速和负荷同时满足大于相应阈值时，激活爆震控制。

b.爆震窗口产生

爆震窗口起始角度通过发动机转速和负荷查标定表格得到，转速越大，窗口起始角度越小，负荷越大，窗口起始角度越大，最终得出的窗口起始角度被限制在TDC之后一定角度范围内。

爆震窗口长度通过发动机转速查标定表格得到，转速越高，窗口长度越长。

c.带通滤波器序号选择

带通滤波器序号通过发动机转速和气缸号查标定表格得到，共有7个中心频率的滤波器，目前只用了其中的3个，分别对应滤波器中心频率12 kHz、16 kHz和20 kHz，上层向底层传递滤波器序号，底层使用对应的滤波器系数实现相应中心频率的带通滤波。

d.爆震阈值

爆震基本阈值是通过标定表格得到，其值表示转化后的能量值与参考背景噪声的比值。由于爆震传感器安装在2缸和3缸之间，同样振动情况下检测到2缸和3缸的能量值要比1缸和4缸大，因此2缸和3缸的阈值要大于1缸和4缸。基本阈值还需要经过发动机转速动态、负荷动态和滤波器转换的修正。动态工况时缸体振动较大，为了防止误判需要增大爆震阈值，滤波器转换时，从底层获取的能量值也会增大，爆震阈值也需要增大。

e.参考背景噪声计算

发动机起动结束后，上层会对参考背景噪声初始化，然后以此值为基础跟随从底层获得的实际噪声能量来估算当前的参考背景噪声。

f.放大等级控制

底层从爆震传感器获取电压信号后，需要对其进行放大控制，目的是使电压信号保持在合理的范围内。如果电压信号太小，受到AD采样精度影响，信号会失真；如果电压信号太大，会超过AD采样电压上限，信号也会失真。放大倍数受上层控制，实际放大倍数1、2、4对应放大等级0、1、2，上层是根据估算的参考背景噪声来进行放大等级调整的，如果参考背景噪声超过上限，放大等级会减1，低于下限，放大等级会增1。

g.爆震检测

从底层获取各缸对应窗口内的能量值后，转化为0～5 V之间的电压值，能量电压与参考背景噪声电压的比值如果超过阈值，则认为发生了爆震。另一种情况是转化后的能量电压很接近上限5 V，例如大于4.9 V，这样也认为发生了爆震。

h.爆震控制点火角推迟

检测到某一气缸发生爆震后，将此缸的点火角向后推迟一定角度（一般为3°），当此气缸的爆震消失后，点火角每隔一段时间向前恢复一定角度（一般为0.75°）。

4.3 超级爆震控制策略

超级爆震控制策略主要由以下几部分构成：

a.超级爆震控制功能激活

普通爆震控制激活是超级爆震控制激活的必要条件，另外发动机温度和负荷要同时满足大于各自阈值。

b.超级爆震窗口产生

超级爆震窗口起始角度计算方法与普通爆震类似。超级爆震窗口起始角度位于TDC和普通爆震窗口起始角度之间。

超级爆震窗口长度计算方法与普通爆震类似。超级爆震窗口结束位置位于普通爆震窗口结束位置之前。

c.超级爆震阈值

计算方法与普通爆震类似，区别是比普通爆震阈值大很多。

d.参考背景噪声计算

计算方法与普通爆震类似。

e.超级爆震检测

超级爆震检测方法与普通爆震类似。

f.超级爆震控制

当检测到某一气缸发生超级爆震时，首先会对该气缸进行燃油加浓，通过降低气缸内混合气温度来抑制超级爆震；如果在一段时间内，又检测到此气缸发生超级爆震，则进行凸轮轴调节，通过扫气作用来抑制超级爆震；在一定时间内还发生超级爆震的话，最后只能进行断油控制。发生超级爆震时，采取的每种控制措施只作用一段时间，当一定时间内不再发生超级爆震后，控制措施会关闭，然后等待下一次检测到超级爆震时再启动。

4.4 爆震控制总体方案

爆震控制总体方案如图3所示，爆震传感器信号经过底层一系列处理后，传给上层两个能量值：一个用于普通爆震控制，另一个用于超级爆震控制；前者最终结果输出给点火系统，用于推迟点火角；后者最终结果输出给燃油系统和进气系统，用于燃油加浓、凸轮轴调节和断油。

所设计的爆震控制模型包括普通爆震控制模型和超级爆震控制模型，其中普通爆震控制模型包括爆震信号处理、爆震控制运行条件、爆震检测和爆震控制点火角推迟，超级爆震控制模型包括超级爆震信号处理、超级爆震检测和超级爆震控制。

5 爆震控制HIL和台架测试结果

爆震控制模型分别经过定标、仿真测试并通过自动代码生成技术与底层驱动软件一同生成可执行文件，将其下载到ECU开发板中用于HIL和台架测试。表2是台架测试发动机基本参数。

表2 台架测试发动机基本参数

5.1 普通爆震控制测试结果

图4～图6是自主开发的ECU台架测试中普通爆震控制的测试结果。从图中可以看出，某一缸振动能量出现大的尖峰且超过一定限度时，认为发生了普通爆震，普通爆震标志位会置1，对应缸的点火角会推迟（标定为3°）；当该缸出现连续爆震时，会在原来推迟的基础上进一步推迟，但最大推迟角度会限制在4个缸平均推迟量附近，以确保发动机运行的平稳性。当爆震消失后，点火角推迟量每隔一段时间（标定为3 s）恢复一定角度（标定为0.75°），直到恢复到0为止。从缸体振动能量变化可以看出，当某一气缸发生普通爆震后，缸体振动能量出现较大尖峰，通过点火角推迟，爆震消失，振动能量尖峰消失，当点火角恢复到一定程度后（超过爆震限值），又出现了爆震，这种重复出现的爆震是人为将点火角提前引起的。

5.2 超级爆震控制测试结果

超级爆震的测试在HIL上进行，爆震信号及噪声信号由HIL产生，噪声电压设置为0.2 V（上下波动0.08 V），每隔20 s连续提供20个工作循环的爆震信号，爆震信号形式为震荡衰减信号，如图7所示。ECU对信号进行处理后传到上层控制策略，上层将其转化为0～5 V之间的电压值，超级爆震检测及控制情况如图8～图12所示。当某一缸检测到超级爆震时，会向燃油系统输出加浓需求（相应标志位置1，保持10 s）和向进气系统输出凸轮轴调节需求（相应标志位置1，保持10 s）；如果超级爆震依然存在，则会向燃油系统输出断油需求（断油类型的值分别为1、2、4、8时，分别对应0、1、2、3号气缸断油，每次断油需求持续5个工作循环）。

Design of Knock Control System for GDI Turbocharged Engine Based on Model

Liu Shaofei1,2,Yu Xiao1,2,Chen Jie1,2
（1.R&D Center of Great Wall Motor Company;2.Automotive Engineering Technical Research Center of Hebei）

To detect the knock of GDI turbocharged engine correctly and control it effectively,we design a control system,which detects oscillation of every cylinder through knock sensor.The energy of every cylinder is acquired via signal processing and is estimated whether knock happens,if it is the case,the knock intension will be determined and the knock will be divided into common knock or super knock.The former will be controlled by ignition angle retarding and the latter will be controlled by fuel enrichment,camshaft adjustment and fuel cutoff.The results of HIL and test bench tests indicate that this system can detect knock correctly,control it effectively and ensure power,economy and security of the engine.

GDI engine,engine knock,control system

GDI发动机 爆震 控制系统

U464.12

A

1000-3703（2015）11-0015-04