基于虚拟氧传感器的发动机分缸燃油控制系统

魏少华

(德尔福(上海)动力推进系统有限公司，上海 200131)

2016005

基于虚拟氧传感器的发动机分缸燃油控制系统

魏少华

(德尔福(上海)动力推进系统有限公司，上海 200131)

本文中基于虚拟氧传感器论述了一个可以改善发动机缸间不均匀性的分缸燃油控制系统。该系统通过为发动机的每缸虚拟安装一个氧传感器分析其信号来监控燃烧的均匀性，并通过控制发动机各缸的喷油脉宽，改善各缸燃烧的均匀性。试验结果表明，该系统可在不增加车辆制造成本的条件下，提高车辆的燃油经济性、降低排放水平并改善驾驶性。

发动机；虚拟氧传感器；分缸燃油控制

前言

发动机分缸燃油控制系统的策略探讨最早由德尔福公司在1999年的SAE论文上发表[1]，并在2002年获得美国专利[2]；2010年，德尔福公司基于美国法规要求完善了该控制系统的策略算法[3]，并将其应用到灵活燃料项目上[4]；2014年，德尔福公司进一步探索了该系统在涡轮增压发动机上的应用[5]。本文中根据中国市场实际应用环境，通过优化算法首次将该系统应用到四缸非等长排气歧管的汽油发动机上，并首次论述了高原环境、老化零部件等极限环境对该控制系统的影响。

1 汽油发动机的各缸燃烧不均匀性

1.1 汽油发动机各缸燃烧不均匀性的由来

汽油发动机各缸的不均匀性主要由以下3个方面引起：

(1)发动机在硬件设计和制造上难以保证各缸的进气、排气系统在截面、长度和散热上一致，造成发动机各缸的实际进气量不一致；

(2) 各缸安装的喷油器的静态流量特性、响应时间和喷嘴工作温度等的差别，造成在相同喷油脉宽下各缸实际喷出的燃油质量不一致；

(3) 各缸喷油器在实际使用中，老化过程及其对各个喷油器流量的影响的差异，也造成在相同喷油脉宽下各缸实际喷出的燃油质量不一致。

1.2 发动机各缸燃烧不均匀性的影响

当不均匀性到达一定程度时，敏感的驾驶员可以觉察到发动机在低转速的轻微抖动，同时发动机的排放剧烈恶化特别是氮氧化合物[6]，油耗也会有小幅上升。

1.3 分缸燃油控制的功能

分缸燃油控制的功能是根据分析前置氧传感器信号的结果，来监测、修正和诊断各缸的不均匀性，从而改善排放、驾驶性和燃油经济性[7]。

2 分缸燃油控制系统总览

一台发动机上的各缸燃烧总是会存在或多或少的差异性，最为理想的硬件状态是在每个缸的排气歧管上装一颗氧传感器来监控，但这样会显著增加发动机管理系统的成本。本文中将通过分缸燃油控制系统(individual cylinder fuel control,ICFC)，在每组燃油系统只有一颗氧传感器(宽域或跃变式氧传感器均可)的情况下，虚拟实现为每个缸装一颗氧传感器，用以监测、修正和诊断发动机燃油系统在各缸的不均匀性。

图1为一个四缸发动机的ICFC系统算法总览。ICFC系统的6个工作步骤如下：

第1步，特性数据抽取；

第2步，创建虚拟传感器；

第3步，虚拟氧传感器信号与各缸时间对齐；

第4歩，反馈和修正各缸的不均匀性；

第5歩，前馈学习；

第6歩，模式控制。

图1 四缸发动机的ICFC系统算法总览

3 基于虚拟氧传感器的ICFC工作步骤

3.1 ICFC的第1步：特性数据抽取

ICFC的第1个步骤是绘制氧传感器信号的频率成分和设计合适的滤波器来剥离较低频率的波动“噪声”；即以最小的衰减，获取不均匀信息。如图2，输入是发动机转速和前置氧传感器信号；输出的是发动机不均匀信息；其功能是从前氧传感器信号中抽取不均匀信息。

图2 特征数据抽取的输入输出

本文中选择创建一个自适应数字高通滤波器，其滤波系数将基于发动机转速[2]，原因如下。

第1，抽样必须与点火事件同步,因此速率不是固定不变的,而是与发动机转速、排气系统布置、气缸数和点火次序相关。

发动机点火频率为

(1)

式中：ne为发动机转速;Nec为发动机缸数。

最大不均匀性频率为

(2)

式中：ffifMax为发动机每组燃油系统的最大点火频率。

根据采样定理，对于每次不均匀性事件至少需要执行两次数据提取。但定理只表明此采样率是必要的，没有告诉它是否足够(是否“足够”将在发散和收敛试验中证明)。这里定义ICFC的采样频率为

fICFC=2×ffif=

(3)

第2，发动机缸间不均匀性和燃油控制频率都与转速相关，所以滤波器截止频率必须随发动机转速改变而改变，且该滤波器将尽力去除低频干扰。这里采用了2阶巴特沃斯高通滤波器作为自适应高通过滤器[1]，其滤波过程如图3和图4所示。输入的前氧传感器信号基于点火频率采样，输出的数据解析结果是一个只包含发动机缸间不均匀性信息的数据流。

图3 氧传感器输入信号

图4 ICFC数据解析结果

3.2 ICFC的第2步：通过状态预估创建虚拟氧传感器

自适应高通滤波器提取的数据流提供了一连串的原始不均匀信息；然而ICFC需要的是单独每缸的不均匀信号，每个信号通过误差项的形式表征各缸相对总体平均值的浓或稀。因此，这个原始数据流必须通过状态预估将其虚拟为多个传感器的信号，实现对各个缸的独立采样。如图5所示，通过状态预估创建虚拟传感器的输入是不均匀性信息；输出为2N个(N是在每组燃油系统上的发动机气缸数)依据曲轴转角均匀间隔开的独立信号数据，每组燃油系统将各有一套ICFC控制；图5基于4缸发动机，数据流被分为8个独立不均匀信号。这些信号将通过进一步滤波，除去了部分来自氧传感器的非线性噪音。

图5 通过状态预估创建虚拟传感器的输入输出

以下方程为针对四缸发动机的ICFC状态预估方程。该方程假设发动机运行在稳定工况，且各缸之间的排气在到达前氧传感器之前没有混合。

(4)

(5)

(6)

其对应的截止频率为

ωc=2πfc=1/τ

(7)

定义a=-b=1/τ，由式(6)可得

sX(s)=aX(s)+bU(s)

(8)

在连续时间上：

(9)

定义

gs=exp(-aTs)

(10)

式中:Ts为氧信号的采样周期。

则离散时间上：

x(k+1)=gsx(k)+hu(k)

(11)

其中:h=1-gs。由于发动机每转滤波一次，Ts等于发动机每转的时间，则可以根据式(1)得

(12)

本文中通过实际试验，确定fc=0.53Hz。

3.3 ICFC的第3步：虚拟氧传感器与各缸时间对齐

3.3.1 虚拟氧传感器信号与各缸时间对齐

创建了各缸虚拟氧传感器后，必须实现虚拟氧信号与各缸的时间对齐。该步骤的输入是2N个独立不均匀信号；输出是各缸不均匀信号。图6基于四缸发动机，输入为8个独立不均匀信号、输出为4个缸的不均匀信号。

图6 虚拟氧传感器信号与各缸时间对齐的输入输出

虚拟氧传感器信号与各缸的时间对齐可以定义为

tali=tfi-evo+tev-os+tosr

(13)

式中:tfi-evo为喷油开始到排气门开启的时间；tev-os为排气从排气门流到氧传感器的时间；tosr为氧传感器的响应时间。单独测量每个工况下的三个时间量，工作量大且复杂。而在实际对齐工作中，没有必要准确知道每个单独的时间量，只需要知道所有时间总和即可完成对齐的工作。由此，设计了一个开环的扰动试验来建立一个可视的“时间对齐”校准器。该开环扰动试验通过在点火顺序相邻的两缸上各加上相对应的燃油偏浓、偏稀的方波扰动；这两个方波的周期设计为10s，振幅设计为±5% 。由于点火顺序相邻的两缸的燃烧过程在曲轴相位上相差180°，该角度可以做为各缸不均匀性的标记点，由此校准器可以以可视的方式识别虚拟传感器的各缸对齐。

图7是一个四缸发动机的扰动试验结果，该试验对点火顺序的第1和2缸(即物理顺序的第1和3缸)进行了试验。试验结果由Sync0～Sync7，共8个时间窗口组成；每个窗口反映了各自90°CA内的不均匀性，8个时间窗口组成了720°CA内(即一个做功循环)的不均匀性如图8所示。每个窗口上面的波形是虚拟传感器不均性的信号；下面的方波是1缸的扰动波。可以看出Sync6，Sync7，Sync0和Sync1与扰动波的方向是相反的，Sync2，Sync3，Sync4和Sync5与扰动波的方向是相同的。考虑到之前定义的“标记点”，寻找的窗口需要满足两个要求：(1)能反映第1缸的浓稀变化；(2)180°CA后(相隔一个窗口)，能反映第2缸的浓稀变化。故8个窗口中，只有Sync4和Sync5能满足要求。

图7 四缸发动机的扰动试验结果

图8 时间窗口定义

考虑到不同工况下的tali不同，通过在不同转速(ne)、不同进气歧管压力(pim)下做该扰动试验,可以实现虚拟氧传感器与各缸时间对齐的工作。即虚拟氧传感器信号与各缸时间对齐的tali可以标定为一个和转速与进气歧管压力相关的时间量：

tali=f(ne,pim)

(14)

3.3.2 非等长排气系统的偏置时间对齐

以上各缸对齐的工作是基于各缸排气的流动路径等长，发动机各缸排气从排气口到氧传感器的时间是相同的，且各缸排气间没有相互干扰的假设下实现的。但目前大多数发动机配置了紧耦合催化器，发动机排气管布置非常紧凑；对于四缸横置的发动机通常物理的第2，3缸的长度比第1，4缸短。这样各缸排气到达氧传感器的时间不一致，由此会带来缸间的信号干扰。在之前的研究中遇到这种问题时，通常禁止该区域的ICFC工作[4]。为了明确排气歧管长度对时间对齐的影响，需要对式(13)中的tev-os做进一步分析：

(15)

其中：

(16)

(17)

可以看出，排气歧管长度lem对tev-os有很大影响。本文提出通过一个基于各缸的窗口偏置量(第2，3缸向前偏置，或第1，4缸向后偏置)补偿lem的变化，实现各缸虚拟氧传感器与各缸的偏置时间对齐。则式(13)可以更新为

(18)

或

(19)

其中窗口偏置时间为

(20)

具体采用式(18)或(19)的偏置对齐，可以直接通过发散和收敛试验来决定。在图9和图10的发散和收敛试验中，首先让ICFC在没有扰动的情况学习系统本身的偏差，然后通过手动标定制造第1缸稀5%、第2缸浓5%、第3缸稀5%、第4缸浓5%的扰动(即0.95-1.05-0.95-1.05发散收敛试验)，观察ICFC系统发散学习情况；在ICFC发散学习稳定后将标定制造的扰动还原，观察ICFC系统收敛情况，ICFC收敛学习稳定后结束试验。图9为无偏置时的试验结果。图中，发动机工作在1 200r/min、70kPa进气压力的工况下，ICFFMPO1～ICFFMPO4分别代表第1～4缸的ICFC学习值。

由图9可见：(1)50s发散学习和200s收敛学习区域中，各缸均有明显“过度学习”情况；(2)在学习稳定后，ICFC的学习值抖动也相对明显。这两点说明，在标定的窗口位置，虚拟氧传感器受到了缸间信号的相互干扰。

图9 非偏置试验结果

图10为在第2，3缸向前移动一位时间窗口的偏置对齐结果(式(19))，其去干扰效果明显：(1)没有“过度学习”情况，发散和收敛学习迅速；(2)稳态学习抖动小。实际项目中，将对所有工况点做发散和收敛试验，确定虚拟氧传感器与各缸准确对齐，ICFC工作稳定可靠。

图10 偏置试验结果

根据发动机的不同工况，通过发散和收敛试验确定偏置时间。由此，式(14)可以更新为

tali=fali(ne,pim)+fofs(ne,pim)

(21)

3.4 ICFC的第4步：反馈和修正各缸的不均匀性

得到各缸的不均匀性信号后，需要根据该信号来反馈和修正各缸的不均匀性。如图11所示，输入为各缸不均匀性信号和前馈学习值，输出为各缸燃油偏置量。

图11 反馈和修正各缸不均匀性的输入和输出

反馈和修正各缸不均匀性包括3个主要任务：(1)通过比例项和积分项修正不均匀信号；(2)输出燃油偏置量需要继续保持平均值为1的特性，避免对闭环燃油控制产生负面影响；如图9和图10中，ICFFMPAVG为4缸ICFC偏置量的平均值，可以看到系统始终在努力将其控制在1附近；(3)采用自适应前馈学习，当发动机从一个工况进入另外一个工况时，系统将从当前ICFC修正值，过度到前馈学习值。

3.5 ICFC的第5步：前馈学习

如图12所示，前馈学习步骤的输入为各缸燃油偏置量，发动机转速和负荷；输出为各缸的前馈学习值。

图12 前馈学习的输入和输出

如上所述，燃烧的不均匀性源于燃料喷射的不均匀和进入气缸新鲜气体的不均匀(空气、废气再循环和炭罐电磁阀的流量分布等)等。由于这种不均匀性在发动机不同转速、负荷时有显著不同，长期前馈学习功能的加入可以使发动机电控管理系统快速适应各种不均匀的情况，使得ICFC的每次学习不必从零开始。

3.6 ICFC的第6步：模式控制

如图13所示，模式控制步骤的输入是各缸燃油偏置量和发动机工况；输出为各缸喷油脉宽的偏置量。

图13 模型控制的输入和输出

模式控制根据各缸喷油偏置量和发动机工况，控制ICFC运行在以下4种模式下。

(1) ICFC复位模式

当系统监测到不恰当的特性数据抽取、闭环反馈或前馈学习，ICFC将复位。通常出现在发动机失火、氧传感器故障和发动机控制器的存储器被重置等情况下。

(2) ICFC闭环运行模式

闭环运行是ICFC的正常运行模式，其条件包括：(1)发动机运行在前置氧传感器正常振荡工况下，没有过浓或过稀；(2)发动机运行在前置氧传感器能够可靠地用于提取不均匀信息的工况下，没有失火、氧传感器故障等干扰发生；(3)发动机运行在稳定工况下；(4)ICFC各缸喷油偏置量没有被限制到极值。

(3) ICFC保持模式

该模式下不要求完全复位，当系统监测到氧传感器不能可靠提供不均匀信息时，ICFC修正保持当前值直到问题清除或满足ICFC复位模式为止。

(4) ICFC限制模式

ICFC已运行闭环模式，但至少一个ICFC修正系数已经达到了限值，则系统将运行在限制模式。

4 极限环境对ICFC的影响

4.1 氧传感器老化对ICFC的影响

氧传感器的老化将导致氧传感器对排气系统浓稀变化的反应速度降低，即式(13)中的tsor时间变长。本文中首次在试验中加装了极限老化氧传感器，通过标定控制发动机管理系统人为制造不均匀性，观察老化氧传感器对ICFC工作的影响。试验结果表明氧传感器老化对ICFC算法没有明显影响，tosr时间的变化在tali中所占比例较小。具体数据见第5节ICFC排放试验验证。

4.2 高原环境对ICFC的影响

之前的ICFC开发中，在接近海平面的实验室以进气歧管绝对压力(pim)为负荷大小的坐标轴，标定虚拟氧传感器与各缸对齐窗口。由式(15)可知，随着海拔的上升环境压力下降，输出相同转矩、相同排气流量下的tev-os将发生改变，并导致tali变化。需要找到一个对等负荷量，将发动机在不同海拔高度下运行的负荷对应到海平面的水平上。本文中导入一个进气歧管绝对压力高原修正量来补偿tali的变化，实现高原环境下的虚拟氧传感器信号与各缸时间对齐。

定义高原压力修正系数为

(22)

式中:pa为当前大气压力，pmc为最小歧管压力修正。则高原等效进气歧管绝对压力可定义为

paeim=(pim-pmc)capc+pmc

(23)

式中:pim为当前实测进气歧管绝对压力。本文中标定pmc为12kPa，则paeim在不同大气压力下的值如图14所示。

由此，式(21)更新为

tali=fali(ne,paeim)+foffset(ne,paeim)

(24)

图15和图16为实际高原试验(大气压力约72kPa，地点：中国格尔木)中ICFC的闭环工作结果。图15为加入高原修正前的ICFC闭环工作，图15中没有高原修正，在5s左右时，手工重置了ICFC修正，使系统从原点开始工作，但时间对齐出现偏移导致系统完全发散。

图16为加入高原修正后的ICFC闭环工作，加入了0.95-1.05-0.95-1.05的发散收敛试验，确认了该工况下时间对齐正确，ICFC可以正确修正发动机的不均匀性。

图15 高原修正前的ICFC闭环工作

图16 高原修正后的ICFC闭环工作

5 ICFC排放试验验证

为了验证ICFC的性能和前氧传感器老化的影响。设计了一系列排放试验，通过标定控制喷嘴流量偏置模拟各缸的不均匀性。表1为本次试验的具体规划，表中0.9-1-1-1代表第1缸喷嘴稀10%，0.9-1-0.9-1代表第1，3缸喷嘴稀10%，0.9-1-1-0.9代表第1，4缸喷嘴稀10%。每种试验，均先重置燃油闭环和ICFC学习值后再进行一次预运行，以保证闭环和ICFC进行充分学习，提高试验的准确性。

表1 ICFC排放试验规划

图17为氮氧化合物(NO，国五限值0.06g/km)、非甲烷烃类化合物(NMHC，国五限值0.068g/km)、一氧化碳(CO，国五限值1g/km)和碳氢化合物(THC，国五限值0.1g/km)的排放试验结果。对比Test 4B和Test 4、Test 4AB和Test 4A的结果，明显可以看出氮氧化合物的排放对于缸间不均匀性非常敏感，当ICFC功能开启后大幅降低了氮氧化合物的排放，基本上将排放水平控制在限值内。一氧化碳和碳氢化合物的排放对缸间不均匀性不敏感，各个试验中的碳氢化合物排放没有明显变化。同时，老化氧传感器对ICFC功能没有影响。

图17 排放试验的污染物结果

图18为百公里油耗试验结果，由图可见，ICFC功能开启后油耗有所降低。

图18 排放试验的油耗结果

6 结论

本文中详细论述了基于虚拟氧传感器的ICFC系统实现的具体过程。该系统通过分析前置氧传感器信号，为各缸虚拟增加一个氧传感器，以修正各缸喷油脉宽，实现各缸的均匀燃烧。该系统在不增加车辆制造成本的条件下，提高车辆的燃油经济性、降低排放水平并改善驾驶性。本文中根据实际项目的应用环境，在非等长排气系统、高原环境和传感器老化3个方面做了深入研究，使得该系统可以补偿非等长排气系统的干扰，可以修正和克服极限工作环境的影响。

本系统在德尔福(中国)科技研发中心排放试验室的不同测试车辆上进行了超过100次常温排放试验以验证系统的可靠性，同时，在不同测试车辆上由软件加入各缸的浓稀干扰，并通过排放结果验证系统的实时响应性能。在实车试验中，本系统在不同测试车辆上进行了大量海平面(试验地点：上海)的道路验证，和不同海拔高度下(试验路线：从吐鲁番(低于海平面)到敦煌(海拔约1 100m)，再到格尔木(海拔约2 800m)，最后到昆仑山口(海拔约4 700m)的长途道路验证。在实车试验中，由软件加入各缸的浓稀干扰，以确定系统在不同的发动机运行工况和外界环境下的实时响应和系统可靠性。所有这些试验的结果都证明本系统已经满足开发要求，通过了项目验收。目前本系统已经在江淮汽车的1.5L自然进气发动机上得到量产应用。

[1] KAINZ J L, SMITH J C. Individual Cylinder Fuel Control with a Switching Oxygen Sensor[C]. SAE Paper 1999-01-0546.

[2] SMITH J C, KAINZ J L. Individual Cylinder Air/Fuel Ratio Control Based on a Single Exhaust Gas Sensor: US06382198B1[P]. May 7, 2002.

[3] SMITH James C, SCHULTE Charles W, CABUSH David D. Individual Cylinder Fuel Control for Imbalance Diagnosis[C]. SAE Paper 2010-01-0157.

[4] KRENUS R, COSTA H. Individual Cylinder Fuel Control Application with a Switching Oxygen Sensor[C]. SAE Paper 2010-36-0028.

[5] JAMES F Burkhard. Individual Cylinder Fuel Control for a Turbocharged Engine[C]. SAE Paper 2014-01-1167.

[6] SHINJI Nakagawa, EISAKU Fukuchi, AKIHITO Numata. A New Diagnosis Method for an Air-Fuel Ratio Cylinder Imbalance[C]. SAE Paper 2012-01-0718.

[7] WU Z, WASACZ B. Estimation of Individual Cylinder Fuel Air Ratios from a Switching or Wide Range Oxygen Sensor for Engine Control and On-Board Diagnosis[C]. SAE Paper 2011-01-0710.

Individual Cylinder Fuel Control System of Engine Based on Virtual Oxygen Sensor

Wei Shaohua

DelphiShanghaiDynamics&PropulsionSystemsCo.,Ltd.,Shanghai200131

An individual-cylinder fuel control system is presented based on virtual oxygen sensor in this paper for improving the unevenness between cylinders of engine. By virtually installing an oxygen sensor on each cylinder of engine, analyzing their signals to monitor combustion unevenness, and by adjusting the fuel injection pulse width of each cylinde to improve the combustion evenness between cylinders. The test results show that the system can enhance the fuel economy, lower the emission level and improve the driveability of vehicle without increasing its manufacturing costs.

engine; virtual oxygen sensor; individual cylinder fuel control

*原稿收到日期为2014年6月20日，修改稿收到日期为2014年9月15日。