点燃式发动机瞬态空燃比自适应控制策略研究

严浩铭，孙仁云，陈德刚，汪科任

（1.西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039；2.成都安美科燃气技术有限公司，四川 成都 610039）

点燃式发动机瞬态空燃比自适应控制策略研究

严浩铭1，孙仁云1，陈德刚2，汪科任1

（1.西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039；2.成都安美科燃气技术有限公司，四川 成都 610039）

阐述发动机稳态工况闭环控制的特点，分析导致瞬态空燃比匹配不当的原因，设计空燃比加性误差与乘性误差模型，提出自适应补偿的方案，最后基于Matlab/Simunlink建立空燃比控制系统模型并验证自适应补偿控制策略。结果表明：当出现误差时，自动改变空燃比修正值调整燃料喷射量，空燃比波动＜1%。

发动机；瞬态；空燃比；自适应

0　引　言

汽车行驶过程中，瞬态工况占有很大比例，同时排出大量环境污染物，它是发动机空燃比控制中最为核心与困难的部分。对瞬态空燃比的补偿，多数学者集中利用卡尔曼滤波、神经网络、遗传算法等对瞬态空燃比进行预测[1-4]。发动机的实时性要求非常高，而上述算法由于微处理器瓶颈导致计算速度过慢，在实际工程中应用很少；因此，有待开发性能更好、处理速度更快的瞬态空燃比补偿策略。

1　发动机稳态闭环控制分析

传统的点燃式发动机空燃比控制主要分为两种：1）稳态闭环PI控制；2）瞬态前馈开环控制。稳态工况要求过量空气系数均值（500个工作循环）波动范围平均值＜0.1%，瞬态工况允许短时间内3%以内的偏差，短时间几个百分点的空燃比偏差不会使经过催化剂转化后的发动机排放恶化。某4缸天然气发动机（CNG）闭环控制简图如图1所示。

图1　闭环控制系统简图

根据PID控制理论，积分时间常数越小，积分速度越快，系统响应速度就越快，调节时间缩短，系统的最大超调量增大；反之，亦然。然而，这个积分时间常数的大小在实际应用中是有限度的。有关研究[5]发现：由于氧化锆传感器特性和发动机延迟时间等影响，闭环PI控制中的积分时间常数有一个最小值，致使闭环控制环路对工况点之间转换的响应较慢，若时间较长，过量空气系数会偏离3%的范围。

在发动机使用的过程中，导致空燃比偏差的主要原因如下：

1）整车和发动机在批量生产装配时存在的装配误差、制造误差等导致发动机之间的差异；

2）发动机使用中的不断磨损、疲劳、老化；

3）燃油密度、品质的变化。

此时，需要通过自学习控制[6-8]修正基本喷油脉宽（BPW）。发动机空燃比自学习控制的首要条件是发动机处于闭环控制，通过一定的自学习使能条件、积分延时、自学习延时等实时修正基本喷油脉宽MAP图，达到对空燃比的精确控制。

发动机空燃比闭环PI控制过程中，上述积分时间常数的最小值受到限制。因此，闭环PI控制将过量空气系数范围限定在[0.8，1.2]，如果偏离范围过大，则闭环控制时间过长，会导致排放的恶化。通过设定这个范围，超出这个范围可以启动自学习。

闭环控制时间过长将导致排放恶化。所以，空燃比闭环PI控制并不适合瞬态工况。瞬态采用闭环控制空燃比修正因子变化图如图2所示。

图2　瞬态采用闭环控制空燃比修正因子变化图

2　发动机瞬态空燃比误差分析

目前，发动机瞬态工况普遍采用前馈开环控制。稳态工况时，闭环PI控制环路通过乘性修正因子对BPW进行偏差补偿，然后将这些修正因子储存在发动机全工况点的前馈控制MAP图中。瞬态工况时，不需要采用闭环控制进行的误差补偿，根据当前时刻采集到瞬时转速、节气门开度等信号，可以通过从前馈MAP图中选择正确的修正因子（没有延迟）。因此，瞬变工况出现的空燃比匹配不当也得到了解决。

上述前馈控制的精确性取决于前馈MAP图中修正因子的精确性。但是，由于个人驾驶习惯的不同，存在某些很少使用到的发动机工况，很长一段时间不会在这个工况进行稳态运行，便不能实时更新前馈MAP图，而且不会进行空燃比自学习，可以说此时的前馈控制MAP图中的空燃比修正因子已经过时了。所以，瞬态工况时的问题关键是如何选取正确的空燃比修正因子。

在发动机控制的过程中，误差在所难免，如何进行误差补偿是控制的核心。导致空燃比误差的因素有进气系统漏气，喷油嘴老化等。这些误差可以看成是进气质量流量的误差，对发动机系统在全工况范围内的影响具有一致性，为简化误差模型，将引起空燃比偏差归结为加性偏差和乘性偏差，由于加性误差在高功率与低功率时对空燃比的影响不同，所以设定一个加性偏移误差标准评价指标ξ：

1）空燃比加性偏移误差

在发动机工况全部范围内，加性偏移误差的绝对值是相同的，例如进气系统漏气。当发动机低功率输出时，空气流量值越小，约a，L=6kg/h（视发动机型号而定），此时加性偏移误差不可忽略；在中、高功率输出时，空气流量可达a，H=600kg/h，ξ很小可以忽略。

2）空燃比乘性误差

简化空燃比特性误差模型如图3所示。理想状态下，过量空气系数即图中直线斜率，乘性误差对发动机任何工况的影响效果相同，例如空气流量计密度误差。

图3　简化的空燃比特性误差模型

3　全局有效空燃比自适应补偿方案

李道飞等[5]研究发现，可以采用全局有效空燃比补偿的自适应控制策略。现对发动机的加性误差和乘性误差加以补偿。正确进入气缸的空气质量流量a，0为

式中：λ0——不含误差的过量空气系数；

λ——包含误差的过量空气系数；

Lst——理论空燃比；

3.1乘性误差补偿

在发动机稳态高功率输出时，可忽略加性误差，则有

剩下的空燃比乘性误差可以通过常规闭环控制环路产生的修正因子来补偿，取其平均值得到（与成反比）。当没有误差时，即：

由上式可知，忽略加性偏移误差后，乘性偏差得到了补偿。此时，将发动机高功率输出时，令并将其储存在EEPROM中，以便以后使用。修正的空气流量可以通过测量值a计算得到，即：

3.2加性误差补偿

结合式（6）、式（7），可得到正确的空气质量流量：

在发动机稳态低功率输出时，空燃比闭环控制环路也会产生一个乘性修正因子，将它取平均值得到令正确的空气质量流量为

通过以上分析，联合式（8）、式（9）得到公式如下：

图4　积分控制修正加性误差

通过乘性补偿因子FHi和加性误差补偿的Δa，corr对空燃比进行修正，修正后的空燃比特性如下：

发动机ECU将得到更新后的FHi（消除乘性误差）、Δa，corr（消除加性偏移误差），存储在EEPROM中，再根据实时得到的a，便补偿修正得到非常接近实际空气质量流量a，0。

因此，即使在瞬态工况下，当转速越过非常用工况的过程中，经过前馈补偿后，也能得到正确的空燃比。这种误差补偿解决了前文所述的空燃比匹配不当的问题，达到对排放的有效控制。

4　空燃比补偿策略验证及结果分析

根据上述空燃比自适应补偿控制策略，在平均值模型[9]的基础上，基于Matlab/Simulink搭建控制策略模型进行策略验证实验。

为模拟发动机加性误差，保持节气门开度、发动机转速等不变，人为减小进气量，即增大进气歧管压力。发动机处于低功率稳态工况运行，控制过程如图5所示，当第3 min（第6 min）出现漏气（没有漏气），通过减小（增大）空燃比修正因子，直至空燃比回到理论值附近时不再改变，低通滤波得到此时的空燃比修正因子；然后，自适应过程通过附加积分控制慢慢补偿偏差，与此同时闭环控制修正因子也开始慢慢回到平均值1附近；当修正因子在1附近振荡时，停止积分补偿将补偿值保存在EEPROM中。

图5　进气系统存在旁通漏气时修正因子变化

经过自适应空燃比补偿后，发动机处于瞬态工况时，根据事先存储的FHi、Δa，corr修正进气量，空燃比修正因子不会发生很大变化，表明经过补偿后空燃比匹配良好。瞬态工况下（见图6），无自适应与有自适应时仿真结果如图7、图8所示。

图6　发动机转速

图7　有无自适应空燃比修正因子

图8　有无自适应空燃比

根据上述空燃比补偿控制策略，当经过多个发动机瞬变工况后，可以看出：无自适应时，由于不能对误差进行补偿，空燃比修正因子波动较大，造成了空燃比大幅度波动；有自适应时，空燃比修正因子不会出现较大波动，对应的空燃比也没有出现大的波动，波动幅度＜1%，达到了对误差的自适应补偿，此时空燃比匹配效果很好。

5　结束语

本文提出了全局有效空燃比自适应补偿控制策略，并建立了相应的模型进行验证，它是基于模型设计的一个关键阶段，为代码自动生成、模型测试奠定基础。该策略结构简单、易于实现、效果良好，可为点燃式发动机瞬态空燃比补偿提供参考。

[1]吴义虎，侯志祥，申群太.基于神经网络的车用汽油机过渡工况空燃比辨识[J].车用发动机，2007（2）：40-43.

[2]李国勇.智能控制与在电控发动机中的应用[M].北京：电子工业出版社，2001：147-154.

[3]CHEVALIER A，VIGILD C W，HENDRICKS E.Predicting the port air mass flow of SI engines in Air/Fuel ratio control application[C]∥SAE Paper，2000-01-0260.

[4]洪伟，杨晓萍，赵梅，等.天然气发动机空燃比的自适应控制研究[J].燃烧科学与技术，2003（1）：85-87.

[5]李道飞，俞小莉.汽车控制系统：发动机、传动系和整车控制[M].北京：高等教育出版社，2010：91-99.

[6]唐岚，孟武强，甘海云，等.基于开关型EGO的A/F自学习控制策略研究[J].西华大学（自然科学版），2010（2）：122-126.

[7]孟武强，甘海云，唐岚.基于UEGO传感器的空燃比自学习控制策略研究[J].车用发动机，2010（6）：33-36.

[8]哈奇，等.汽车发动机计算机控制系统解析[M].北京：机械工业出版社，2007：71-76.

[9]CHEVALIERA，HENDRICKSE.Onthe validity of mean value engine models during transient operation[C]∥SAE Paper，2000-01-0260.

（编辑：刘杨）

Study on self-adaption control strategy of transient air-fuel ratio of spark ignition engines

YAN Haoming1，SUN Renyun1，CHEN Degang2，WANG Keren1
（1.School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.Amico Gas Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610039，China）

The closed-loop control characteristics of engines under steady-state operating conditions areexplainedinthispaper.First，thecausesofmismatchedtransientair-fuelratioare investigated.Second，an additive error model and a multiplicative error model of air-fuel ratio is designed.Third，an adaptive compensation scheme is proposed accordingly.According to Matlab/ Simulink，a simulation model of air-fuel ratio control system is established and the adaptive compensation scheme is verified.The results show that when an error occurs，the fluctuation in air-fuel ratio is lower than 1%after the modified value of air-fuel ratio correction value is automatically changed to adjust fuel injection.

engine;transient;air-fuel ratio;self-adaption

A

1674-5124（2016）03-0109-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.025

2015-02-10；

2015-04-25

严浩铭（1988-），男，四川广安市人，硕士研究生，专业方向为发动机电子控制技术。