四缸汽油发动机点火正时控制策略与仿真研究

雷 霖， 赖真良， 赵永鑫， 李 凯

(1.成都大学 信息科学与工程学院， 四川 成都 610106；2.西华大学 电气与电子信息学院， 四川 成都 610039；3.成都茵普精密机械有限公司， 四川 成都 610500)

四缸汽油发动机点火正时控制策略与仿真研究

雷 霖1,2， 赖真良1,2， 赵永鑫1， 李 凯3

(1.成都大学 信息科学与工程学院， 四川 成都 610106；2.西华大学 电气与电子信息学院， 四川 成都 610039；3.成都茵普精密机械有限公司， 四川 成都 610500)

以某型汽油发动机为原型机，在GT-Power软件中搭建仿真模型.仿真结果表明，仿真模型在输出功率、力矩上与原型机误差在3%以内.以该模型为基准，仿真分析点火提前角对输出功率、力矩的影响，以及不同工况对发动机输出性能的影响.并以输出力矩为优化目标，以输出力矩变化量、上一采样时刻点火提前角变化量为模糊控制算法输入，以当前点火提前角变化量为模糊控制算法输出，采用模糊控制算法寻找输出力矩极大值点的点火提前角.采用GT-Power和Simulink联合仿真，仿真实验结果表明，该控制策略修正了点火提前角，提高了发动机的输出力矩，且具有快速、稳定、精度高的特性.

点火提前角；力矩；模糊控制；仿真

0 引 言

目前，汽油发动机点火正时控制(开环控制策略)多采用经典的查表法，该表多为二维表并采用离线标定，输入一般为负荷大小、发动机转速，输出采用插值法[1-2].但是，发动机的点火提前角对温度、负荷、转速较为敏感，且其他因素如外界压力、发动机空燃比、压缩比、发动机散热条件等也对点火提前角存在一定影响[3-4].当发动机工作在不同地区、不同季节以及发动机自身磨损时，发动机离线标定的点火提前角的Map已经偏离发动机在满足各种约束条件下的最佳工作点.因此，发动机的点火提前角的标定需要更多的输入参量，且标定不仅需要在实验室离线确定基本的Map图(二维或多维)，更需要在线修正Map图，使发动机工作处于性能最佳点.基于此，本研究设计了一种在线寻找最佳点火提前角使发动机输出力矩最佳的控制策略.

1 仿真模型的搭建及各因子对发动机性能影响分析

1.1 仿真模型的搭建

本研究以某型直列四冲程缸内直喷汽油发动机为原型机，其参数如表1所示，以GT-Power软件搭建仿真计算的模型[5-6]，为了研究点火提前角对发动机的性能影响，采用EngCylCombSITurb燃烧模型来模拟缸内燃烧过程.进气系统的离散长度取缸径的0.4倍，排气系统的离散长度取缸径的0.55倍，环境参数取温度为300 K，压强为1.01 bar.系统的仿真模型如图1所示.

表1某型发动机参数

参数名参 量参数名参 量额定功率/kW95/600排量/L1.997最大扭矩/(N.m)172/2800-4500进气间隙/排气间隙0.2/0.25额定转速/(r/min)5500进气门直径/排气门直径/mm40/35压缩比10∶1进气凸轮正时角/deg239缸径×行程/mm85×88排气凸轮正时角/deg126曲柄连杆比0.33

在仿真模型中，将发动机转速设定在1 500～5 500 r/min间，每500 r/min为一个间隔，工作在全负荷下，得到仿真模型下的功率特性曲线、力矩特性曲线，并将这些仿真特性曲线和实验特性曲线比较，结果如图2所示.

从图2可知，转矩输出的仿真计算值与实验值最大误差为2.97%，功率输出的仿真计算值与实验值最大误差为2.92%.仿真与实验误差在3%以内，表明本仿真模型可行.

图1发动机仿真模型示意图

图2仿真特性曲线与实验特性行曲线

1.2 各因子对发动机性能影响分析

1.2.1 不同转速下点火提前角对发动机性能影响.

保持发动机、进排气系统其他参数不变，节气门开度为0.35，转速取[1 000,6 000]r/min区间等间距6个点(步长为1 000 r/min)，点火提前角取[-45,0]区间等间距的46个点(步长为1 deg)，分别仿真计算不同点火提前角、转速对发动机输出力矩的影响，结果如图3所示.

图3转速、点火提前角对发动机的性能影响

从图3可知，在不同转速下存在动力性最佳的点火提前角，转速1 000～6 000 r/min间等间距的6个点的最佳点火提前角分别为-3、-9、-11、-15、-20、-21 deg.随着转速的增加，最佳点火提前角的角度绝对值逐渐增大.

1.2.2 不同负荷下点火提前角对发动机性能影响.

保持发动机、进排气系统其他参数不变，转速取5 000 r/min，节气门开度取[0.25,0.5]区间等间距的6个点(步长为0.05)，点火提前角取[-90,-3]区间等间距的30个点(步长为3 deg)，分别仿真计算不同点火提前角、负荷对发动机输出力矩的影响，结果如图4所示.

图4负荷、点火提前角对发动机的性能影响

从图4可知，在不同的负荷下也存在动力性最佳的点火提前角，0.25～0.5间6个节气门开度点的最佳点火提前角分别为-34.5、-24、-19.5、-18、-15、-15 deg.不同的负荷下，最佳点火提前会发生偏移，随着负荷增大最佳点火提前角向上止点偏移.

1.2.3 不同外界环境温度下点火提前角对发动机性能影响.

保持发动机、进排气系统其他参数不变，转速取5 000 r/min，节气门开度0.5 Pu，外界环境温度取230 K、300 K、350 K的3个点，[-45,-3]区间等间距的22个点(步长为2 deg)，分别仿真计算不同点火提前角、环境温度对发动机输出力矩的影响，结果如图5所示.

图5环境温度、点火提前角对发动机的性能影响

从图5可知，不同外界环境温度下，发动机存在动力性最佳的点火提前角.3个最佳点火提前角分别是-29、-19、-9 deg.不同外界环境温度下，最佳点火提前角会发生较大幅度的偏移，且偏移方向是随着温度上升向上止点偏移.

1.2.4 结 论.

综上分析可知，负荷、转速与外界环境温度的变化都会导致最佳点火提前角发生偏移，且最佳点火提前角对转速、环境温度很敏感.此外，还有其他外在因子和内在因子使发动机的最佳点火提前角发生偏移.

2 模糊控制算法在线标定点火提前角

2.1 模糊控制算法在线标定前提

模糊控制算法在线标定的前提条件为发动机必须工作在亚稳态，即发动机转速、节气门开度必须稳定在某一工况，其采样点满足下式，

(1)

式中，nK、nK-1分别为当前采样时刻的转速、上一采样时刻的转速，aL为转速改变量限值，αK、αK-1分别为当前采样时刻的节气门开度、上一采样时刻的节气门开度，bL为节气门开度改变量限值.

式(1)即是控制模糊控制算法在线标定的前提，也是其启动条件.

2.2 模糊控制算法设计

点火提前角(φdeg)、输出力矩(Tm)所构成的函数Tm=f(φdeg)是非线性函数，且为光滑的凸函数，其输出力矩先增大后减小，在一定区间内存在最大值.

2.2.1 模糊控制算法输入输出确定.

模糊控制器输入量选择为力矩的变化量ΔTm、上一个采样周期的修正点火提前角量增量Δφdeg0，模糊控制器输出量为点火提前角修正量增量Δφdeg.3个输入输出量的论域分别为[-4,4]、[-1,1]、[-1,1]，输入输出量化因子分别为20、z(离散采样且延迟一个周期)、0.25，隶属度函数选择高斯隶属度函数.ΔTm在论域中划分为9级，分别为NB、NM、NMM、NS、ZE、PS、PMM、PM、PB.输入Δφdeg0划分为6级，分别为NF、NM、NS、PS、PM、PF.输出Δφdeg划分为9级，分别为NB、NM、NMM、NS、ZE、PS、PMM、PM、PB.其输入输出论域、自然语言、隶属度函数如图6所示.

2.2.2 模糊控制算法模糊规则库设计.

模糊控制规则库设计基于如下思路：当点火提前角Δφdeg发生改变时，输出力矩ΔTm发生改变.Δφdeg改变为正，对应的ΔTm也为正，则继续输出正的Δφdeg；Δφdeg改变为正，对应的ΔTm为负，则输出负的Δφdeg.Δφdeg改变为负，对应的ΔTm为正，则输出负的Δφdeg；Δφdeg改变为负，对应的ΔTm为负，则输出正的Δφdeg.Δφdeg改变较大，对应的ΔTm改变较小，则输出Δφdeg减小.根据上述设计规则思想，点火提前角在远离最佳点火提前角时，点火提前角的修正量增量步长较大，能够快速向最佳点火提前角靠拢.当点火提前角距最佳点火提前角较近时，点火提前角的修正量增量步长较小，且越靠近最佳点火提前角，修正量增量步长越小，最终点火提前角稳定在最佳点火提前角，输出力矩最大.模糊规则库设计如表2所示.

(a)输入ΔTm隶属度函数

(b)输入Δφdeg0隶属度函数

(c)输出Δφdeg隶属度函数

图6输入输出隶属度函数

2.2.3 模糊推理及反模糊化设计.

模糊推理采用两输入单输出的近似推理法中的Mamdani sup-min推理法.假设有如下n条推理规则(T=ΔTm，φ0=Δφdeg0，φ1=Δφdeg)R1,R2…，Rn：

ifTisA1andφ0isB1,thenφ1isC1，即，

R1=(A1×B1)×C1

ifTisA2andφ0isB2,thenφ1isC2，即，

R2=(A2×B2)×C2

…

ifTisAnandφ0isBn,thenφ1isCn，即，

Rn=(An×Bn)×Cn

则全部的模糊规则的总模糊蕴含关系为，

(2)

对于任意的输入向量(T，φ0)，则有如下输出，

Δφdeg=(T×φ0)∘R

(3)

反模糊化采用重心法得到清晰化的修正量增量输出如下式，

(4)

综上，以发动机输出的力矩增量、点火提前角增量修正量为反馈量，在MATLAB的Simulink中建立得到仿真模型，其模型如图7所示.

图7模糊控制器仿真模型示意图

3 仿真实验

3.1 输入ΔTm的量化因子整定

发动机节气门开度为0.6，转速为3 000 r/min，温度为300 K，仿真时采样时间取0.1 s.输入ΔTm的量化因子取1、80、160，仿真结果如图8所示.

从图8可知，当输入量化因子过小为1时，模糊控制器寻优得到的点火提前角稳定在距离最佳点火提前角约1.5 deg处，寻优达到稳定状态所花时间为0.4 s；当输入量化因子过大为160时，模糊控制器寻优得到的点火提前角在不停震荡，震荡区间为[-14.2,

图8输入量化因子影响

10.3] deg；当输入量化因子为15时，点火提前角稳定在最佳点火提前角附近，寻优达到稳定状态所花时间为1.2 s.

同理，可以得到不同转速、不同输入量化因时，模糊控制器寻优得到的点火提前角以及对应的力矩，结果如表3所示.

表3 输入量化因子影响

在表3中，φdeg为寻优后的点火提前角，t为寻优达到稳定状态所花费时间.转速2 000～3 000 r/min时，点火提前角震荡区间分别为[-14.7,-7.9]、[-14.2,10.3]、[-15.8,-12.1].

综上，输入量化因子过小导致点火提前角距离最佳点火提前角存在一定角度差，过大会导致点火提前角输出震荡，寻优所花费时间与量化因子正相关.综合大量仿真实验可以得到，输入量化因子取值20时较为合理.

3.2 不同外界温度下在线标定仿真

发动机工作在节气门开度0.6下，转速为3 000 r/min，温度为300 K和230 K，输入量化因子取值20，仿真时采样时间取0.1，仿真结果如图9所示.

从图9可知，相对于初始点火提前角，300 K时减少了3.2 deg,稳定在-13.2 deg，力矩从157 N.m增加到160.3 N.m，增加了2.6 N.m；230 K时点火提前角减小了11.9 deg，稳定在-21.9 deg，力矩从162.3 N.m增加到171.2 N.m，增加8.8 N.m.

4 结 论

模糊控制器能够快速、稳定地在线寻优与输入量化因子相关：输入量化因子大，则寻优时间快，容易发生震荡；输入量化因子小，则寻优时间长，且容易在距离函数Tm=f(φdeg)极大值点较远的点稳定下来，达不到寻优目的.合理地选择输入量化因子，能够使模糊控制器稳定，从而快速寻优.仿真实验结果表明，本研究所提模糊控制算法，具有快速、稳定以及精度高的优点，能够在线寻找复杂工况下发动机的最佳点火提前角.

(a)不同温度下寻优点火提前角

(b)不同温度下寻优点最大力矩

图9不同外界温度寻优结果

[1]刘振闻，谢习华.车用汽油机点火正时的模糊控制仿真[J].中国公路学报，2000，13(1)：118-121.

[2]李冰林，魏民祥.二冲程煤油发动机整机建模与初始点火提前角计算分析[J].机械科学与技术，2013，32(5)：704-708.

[3]胡春明，马帅，等.基于缸内净压力的直喷发动机最佳点火正时[J].燃烧科学与技术，2017，23(1)：15-21.

[4]王丽君，司爱国，等.氢燃料发动机点火正时控制优化[J].农业机械学报，2008，39(3):19-22.

[5]刘金武.龚金科，等.基于多维模型的电喷汽油机MAP图的数值生成[J].汽车工程，2006，28(8)：719-724.

[6]王银燕，杜剑维，王贺春，等.基于GT-power与Simulink的发动机及其控制系统仿真[J].系统仿真学报，2008，20(16)：4379-4382.

Abstract：A gasoline engine is used as a prototype,and a simulation model is built in GT-Power.The simulation results show that the simulation model has less than 3% error in the output power and torque compared with the prototype.Based on the model,the influence of ignition advance angle on the output power and torque is simulated and analyzed,and the influence of different working conditions on the output performance of the engine is simulated and analyzed.The output torque is used as the optimization target,and meanwhile the output torque change amount and the ignition advance angle change amount at the last sampling time are used as the fuzzy control algorithm input.The current ignition advance angle change amount is used as the fuzzy control algorithm output,and the fuzzy control algorithm is used to find the ignition advance angle of the output torque max point.The GT-Power and Simulink joint simulation results show that the control strategy modifies the ignition advance angle,improves the output torque of the engine,and has the characteristics of being fast,stable and highly precise.

Keywords:ignition advance angle;torque;fuzzy control;simulation

IgnitionTimingControlStrategyandSimulationResearchonFourCylinderGasolineEngine

LEILin1,2,LAIZhenliang1,2,ZHAOYongxing1,LIKai3

(1.School of Information Science and Engineering, Chengdu University， Chengdu 610106, China；2.School of Electrical Engineering and Electronic Information, Xihua University, Chengdu 610039, China；3.Chengdu Yinpu Precision Mechanism Co., Ltd., Chengdu 610500, China)

U463.64；TK413.9

A

1004-5422(2017)03-0276-05

2017-05-24.

四川省科技厅科技支撑计划(2011GZ0194)资助项目.

雷 霖(1962 — )， 男， 博士， 教授， 从事汽车电子关键技术研究.