电控柴油机分缸均衡控制算法及试验

李学民，刘羽飞，张宁，苗玉松，马修真，于秀敏

（1.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2.吉林大学汽车工程学院，吉林长春130001）

电控柴油机分缸均衡控制算法及试验

李学民1，刘羽飞1，张宁1，苗玉松1，马修真1，于秀敏2

（1.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2.吉林大学汽车工程学院，吉林长春130001）

柴油机各个气缸的进气量、喷油量、燃烧等存在差异，导致气缸间存在做功差异，直接影响柴油机转速的平稳性以及排放性能等。针对位置式电控柴油机，采用PI闭环控制，通过瞬时转速信号识别并计算各缸的工作差异，利用分缸均衡控制算法对油量进行补偿修正。试验结果显示低转速稳态工况转速波动由7 r／min降至3 r／min，各缸工作不均匀度由±5 r／min降至±2 r／min，在瞬态过程和高转速3 400 r／min时该算法仍然适用有效。

电控柴油机；分缸均衡控制；算法；瞬态；高速；试验

在汽油机和柴油机中各个气缸工作不均匀是普遍存在的，对转速波动甚至经济性和排放性都会产生不利影响［1⁃3］，采用分缸均衡控制技术是消除多缸柴油机各缸工作差异性的有效措施。在汽油机上将扭矩作为反馈信号，以点火提前角和油量补偿方法对各缸实施平衡控制，可以将多缸机的各缸转矩控制在较均衡的水平［4⁃5］；在柴油机上采用分缸控制，通过模型仿真计算，可以将柴油机的扭振降低90%以上［6⁃9］，在第二代时间式电控柴油机上进行的分缸均衡控制试验表明，柴油机排放性能得到了较大改善［10⁃12］。

在柴油机的分缸控制方面，对于时间控制式电控柴油机来说，每个气缸的喷油执行机构都是独立可控的，分缸控制较易实现［13］，而位置控制式电控柴油机通常都是多个气缸共用一个高压油泵，用油泵供油机构的位置来不断控制各个气缸的精准喷油量，因此分缸控制较难实现。作者曾采用分缸控制技术实现了位置控制式多缸电控柴油机怠速工况下的分缸控制，取得了较好的转速稳定效果［14］。

上述文献的分缸均衡控制研究基本上停留在发动机怠速工况，而发动机的实际运行工况还包括加减速瞬态工况和高转速运行工况，这2个工况存在转速信号分析和处理以及算法的实时响应问题，因此将重点介绍分缸均衡控制在位置式电控柴油机高速及过渡工况下的应用试验情况。

1 试验条件

试验用柴油机参数如下：缸数×缸径×行程为4× 98 mm×105 mm，功率为66 kW／3 400r·min-1，最大扭矩为210 N·m／2 000 r·min-1。

燃油系统采用位置式电控VE泵，电控系统自行设计开发，标定系统通过CAN总线协议可以在PC机上对电控系统内部的参数和数据进行修改和标定。为适应在高转速下工作，电控系统将双ECU工作方式调整为单ECU，以提高其控制输出的响应特性。系统及台架组成如图1所示。

图1 试验台架布置图Fig.1 Arrangement of test bench

2 各缸工作不均匀特征

图2为采用常规控制方法，在柴油机稳定运转时利用标定系统监测的转速曲线。该转速曲线的特点是，通过判缸传感器，以气缸工作周期为单位绘制，图中可以清晰看到整个转速曲线是以4个气缸为周期的有规律曲线，且转速为瞬态转速。

图2 柴油机转速曲线Fig.2 Speed curve of diesel engine

另外，从上图可以看到，第2个着火气缸（按照1-3-4-2发火次序，实际为第3缸）转速在每个工作周期都低于其他3缸转速。这说明系统在控制过程中，油量的计算和修正是参照上一个气缸或上几个气缸的工作情况及转速效果来进行调整的，没有考虑到气缸个体的差异，从而造成了气缸工作不均匀的现象，如果不采取控制补偿措施，则这种转速波动情况将持续存在。

由此可以推断：1）整个柴油机的转速输出是不均匀的；2）这种不均匀性是以气缸为单位有规律变化的；3）这样有规律的转速波动是因为气缸之间存在性能参数的差异而导致的。因此，分缸均衡控制的实质是通过测量各缸燃烧的不均匀性，计算并调节各缸喷油量，补偿各缸工作偏差，从而减小各缸差异造成的转速波动。

3 分缸控制算法

3.1 判缸信号的确定

分缸控制需要正确识别每个气缸，从而对其进行工作状况的监测，为分缸控制提供依据。通过第1缸喷油器针阀升程信号和转速信号可以实现判缸。针阀升程传感器能检测到第1缸的喷油时刻，对应到第1缸的燃烧做功期，依次通过转速传感器就可以判断每个转速信号所对应的气缸工作状态以及其他的缸号。针阀升程传感器的引用，为正确识别每个气缸的序号提供了最直接而可靠的依据，在软件和硬件对转速信号进行有效滤噪的同时，即使偶然出现一个转速信号干扰，缸号也会在针阀升程传感器的矫正下在一个工作循环内得到正确恢复，从而可以保证分缸控制的持续工作。在转速信号中，将一个工作循环用8个转速点来表示，对应着n1，n2……n8。n2和n3对应一缸的上升段和下降段，同理，n4和n5对应3缸，n6和n7对应四缸，n8和n1对应第2缸的上升段和下降段。

3.2 气缸工作均匀性测量

柴油机各个气缸的工作差异主要由喷油系统差异（如喷油量的不均）、燃烧系统差异（缸内燃烧条件差异）、进气系统差异（如进排气门相位差异、间隙差异、进气量差异等），这些差异最终都体现在燃烧做功输出差异。要实现柴油机的分缸控制，首先需要进行气缸的工作情况判别，从而为各缸的油量补偿计算提供依据。对于本实验来说，在飞轮上安装4个转速信号，即可测得间隔90°CA的柴油机瞬时转速，而单个气缸的工作状况表现就可以通过180°CA间的曲轴转速来衡量［15］。

从图1实测的转速曲线上可以看到，单个气缸的工作转速分为上升段和下降段，上升段时该气缸处于燃烧做功初期，其所做正功大于其他气缸的压缩负功和机械损失功，柴油机呈加速状态，其加速能力由该气缸的做功能力决定；下降段时气缸处于燃烧做功后期，所做正功无法平衡其他气缸的压缩负功和机械损失功，柴油机的转速呈减速状态。

将每个气缸燃烧做功时转速上升段作为衡量各缸工作的差异尺度，即每个气缸的加速贡献，在转速曲线上表现为波峰与前一波谷之间的差值，用Δni＝nknk-1（i＝1，2，3，4，k＝2i）公式计算，nk对应柴油机一个工作循环的8个即时转速。4个气缸的平均加速贡献用Δn-＝（Δn1+Δn2+Δn3+Δn4）／4计算。

各个气缸燃烧工作情况的好坏评价用Δξi＝Δni-Δn-（i＝1，2，3，4）来计算，即各缸的工作不均匀度，并以此作为各缸油量修正的根据。

3.3 分缸均衡控制具体算法

分缸控制后，仍然采用PI控制算法，油量的补偿实际上是控制脉宽的修正，控制脉宽的大小与实际的供油量成正比，控制脉宽通过以下算式来计算：

M＝M（0）-KP1（ni-n-

（i-1））-KI1（nk-n0）Mr＝M-KP（Δnj-Δnj（0））-KI·Δξj（j＝i+2）式中：M为不分缸控制的PI控制器调整后脉宽，M（0）为上个气缸工作的控制脉宽，Mr为分缸控制修正后的控制脉宽，ni为第i缸的平均转速，n-（i-1）为第i-1缸的平均转速，n0为目标转速，Δnj为第j缸在此循环的加速贡献，Δnj（0）为第j缸在上个循环的加速贡献，Δξj为第j缸的不均匀程度，KP1为正常油量调整PI控制器的比例系数，KI1为正常油量调整PI控制器的积分系数，KP为油量修正PI控制器的比例系数，KI为油量修正PI控制器的积分系数。

4 试验验证

4.1 有效性试验

图3和图4分别为柴油机采用不分缸控制和分缸均衡控制的转速波动对比曲线。采用分缸均衡控制后，通过各缸控制脉宽的补偿调整，即时转速已无明显的周期性变化，达到了消除各缸工作差异的目的，平均转速（180°CA计算间隔）波动较小，转速波动（峰峰值）由7 r／min减小至3 r／min。

图3 不分缸控制转速曲线Fig.3 Speed curve without cylinder balancing control

图4 分缸控制转速曲线Fig.4 Speed curve of cylinder balancing control

图5 用曲线记录了开始进行分缸控制后，各个气缸的加速贡献变化历程曲线。经历了大概30个工作循环左右，各缸的工作差异经过控制算法修正趋于一致。

图5 各缸加速贡献曲线Fig.5 Each cylinder accelerating contribution curve

图6 用曲线表示了各个气缸间工作不均匀程度变化历程曲线，经历了30个工作循环（总的工作气缸数为120个，每个完整工作循环包括4个气缸工作），气缸间的工作不均匀度基本得到消除，各缸工作不均匀度由最大的±5 r／min减小至±2 r／min。

图6 各缸工作不均匀度曲线Fig.6 Difference degree curve of each cylinder working

4.2 油量修正限值优化

在分缸控制算法中，气缸的工作不均匀程度越大，其油量的修正就越大。但油量调整不能无限大，防止因误算或其他因素导致油量大幅修正带来的转速大幅波动，因此需要对各缸的修正油量进行限制。图7～10为不同的修正脉宽限值时转速及不均匀度曲线。

图7 修正限值为10的试验结果Fig.7 Adjustment limit of the test results of 10

图8 修正限值为30的试验结果Fig.8 Adjustment limit of the test results of 30

图9 修正限值为50的试验结果Fig.9 Adjustment limit of the test results of 50

图10 修正限值为70的试验结果Fig.10 Adjustment limit of the test results of 70

试验结果表明，修正的脉宽限值太小，各缸工作不均匀程度不能完全消除，就本系统而言，脉宽修正限值为50时，可以将柴油机自身存在的不均匀程度降低到最小，再大的限值已无明显效果。对于柴油机机型，此限值应进行试验标定。

4.3 瞬态及高速工况试验验证

上述试验是在低速稳定运转时通过开关来实现是否采用分缸控制。为了验证在其他工况分缸均衡控制算法的可行性，首先进行了减速情况下瞬态分缸均衡控制试验。图11和图12分别表示了稳态工况（设定转速为1 500 r／min）下和减速工况（1 400 r／min～ 1 500 r／min）下的转速和控制脉宽曲线图。

图11 稳定运转时转速及控制脉宽曲线Fig.11 Curve of speed and control pulse width in steady condition

图12 减速过程转速及控制脉宽曲线Fig.12 Curve of speed and control pulse width in re⁃ducing speed process

从图中可以看到，稳态时油量修正主要针对3缸（在1缸工作时输出控制信号），3缸的控制脉宽明显高于其他各缸。减速过程中，系统对各个气缸的工作均匀性仍然跟踪计算，并进行油量修正，油量修正的对象仍始终主要针对3缸，而且各个气缸的瞬时转速呈现较均匀状态。可见，减速瞬态过程并没有干扰系统对各缸工作不均匀度的识别，这说明，该算法在瞬态过程中是适用的。

高速工况下的试验主要是为了验证该算法在高速时的实时响应特性。图13为转速3 400 r／min时的试验曲线。试验结果表明，高转速下该算法仍然适用有效，通过油量的分缸调整，转速实现了稳定控制。图11和图13在部分区域转速仍有波动，主要是由于高压油泵在每个循环喷射油量的不稳定性以及循环燃烧波动等因素造成，而且这种不稳定性具有随机特点，分缸均衡控制对这种随机性原因造成的转速波动难以预测和控制。但就其在柴油机各工况下的试验表现而言，该分缸均衡控制算法能够应用到柴油机的实时控制中。

图13 高转速时转速及控制脉宽曲线Fig.13 Curve of speed and control pulse width in high speed condition

5 结论

1）通过瞬时转速、加速贡献及各缸不均匀度的测量计算及对单缸油量修正等手段可以对柴油机实施分缸均衡控制。

2）利用转速进行气缸工作不均匀程度计算并应用分缸均衡控制，可以有效降低柴油机的转速波动。

3）文中所述的分缸均衡控制方法经过试验验证不但可以应用在低速稳定工况，还可以应用在瞬态过渡过程及高速工况。

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Algorithm and test of cylinder⁃by⁃cylinder balanced control in a electronically controlled diesel engine

LI Xuemin1，LIU Yufei1，ZHANG Ning1，MIAO Yusong1，MA Xiuzhen1，YU Xiumin2
（1.School of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.College of Automobile Engi⁃neering，Jilin University，Changchun 130001，China）

The differences of air inflow，oil injection and combustion produce working differences among the cylin⁃ders，which directly affect the speed stability and emission performance of the diesel engine.In this paper，based on PI closed⁃loop control over the position controlled diesel engine，the difference of work contributions to cylinders was identified and calculated with the transient speed signal.The oil mass was also adjusted by a cylinder⁃by⁃cylin⁃der balanced control algorithm.Test results showed that the speed wave is reduced to 3 r／min from 7 r／min on steady and low⁃speed condition.The differences of working cylinders reduce to±2 r／min from±5 r／min and the al⁃gorithm adapts to transient situation in addition to 3 400 r／min high speed situation.

electronically controlled diesel engine；cylinder⁃by⁃cylinder balanced control；algorithm；transient state；high speed；test

10.3969／j.issn.1006⁃7043.201310084

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006⁃7043.201310084.html

TK421

A

1006⁃7043（2015）02⁃0161⁃05

2013⁃10⁃28.网络出版时间：2014⁃11⁃27.基金项目：国家自然科学基金资助项目（51305089）.

李学民（1972⁃），男，研究员.

李学民，E⁃mail：lxm＠hrbeu.edu.cn.