基于硬件在环的发动机燃油蒸发控制系统策略设计

2017-11-08赵志国ZhaoZhiguoShaoJunXuMengZhangYin

北京汽车 2017年5期

赵志国，邵军，徐蒙，张寅 Zhao Zhiguo，Shao Jun，Xu Meng，Zhang Yin

赵志国，邵军，徐蒙，张寅 Zhao Zhiguo，Shao Jun，Xu Meng，Zhang Yin

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

设计合理的燃油蒸发污染物系统控制策略不仅能有效地控制蒸发污染物的排放，而且在保证发动机原机性能的条件下还可以达到节油的效果。针对燃油蒸发污染物的主要来源和形成机理，对燃油蒸发控制系统进行分析及研究，设计出燃油蒸发控制系统控制使能条件判断模块和控制算法模块，并在硬件在环（Hardware in the Loop，HIL）系统上模拟运行验证；结果表明该燃油蒸发控制系统控制策略的设计原理能够合理有效地控制炭罐清洗电磁阀的开启和关闭，满足燃油蒸发污染物控制系统的基本要求，为汽油机ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）控制策略的总体开发提供参考。

硬件在环；燃油蒸发；策略设计

1 燃油蒸发控制系统作用

燃油蒸发污染是指从燃油系统的通气口逸散出的汽油蒸气产生的污染[1-2]。这部分汽油蒸气占THC（Total Hydro Carbons，碳氢化合物总量）污染物的15%～20%；因此，控制该污染物已成为降低汽油车排放污染物的一项重要举措。燃油蒸发控制系统主要用于防止油箱内的燃油蒸气溢出进入大气中，使燃油蒸气通过油箱压力控制阀和蒸气管路被临时存储在炭罐内。燃油蒸发控制系统的工作原理是当发动机熄火后，汽油蒸气与新鲜空气在罐内混合并贮存在活性炭罐中，而当发动机启动后，车辆运行状态满足燃油蒸发控制系统控制策略运行条件时，装在活性炭罐与进气歧管之间的电磁阀门打开，如图1所示，这时活性炭罐内的汽油蒸气在进气管的真空度作用下被洁净空气带入气缸内参与燃烧，这样既降低了排放又降低了油耗[3]。发动机燃油蒸发控制系统利用活性炭罐收集油箱内蒸发产生的汽油蒸气，并在合适的工况下开启炭罐阀将适量的汽油蒸气排入进气管路进而导入气缸参与燃烧，防止挥发的汽油蒸气直接排入大气，最大限度地降低车辆的蒸发排放，并尽量减少对发动机性能的影响[4]。通过炭罐阀进入进气管路的蒸气流率由炭罐阀的开度控制，并对经炭罐阀进入气缸的蒸气流量进行估算，修正燃油供应系统的喷油量。

注：1. 管路；2. 节气门体；3 管路；4. 空气入口；5. 炭罐；6-油箱管路；7. 油箱阻尼器；8. TPCV阀；9. 油箱。

2 燃油蒸发控制系统设计原理

燃油蒸发系统主要包括控制使能条件判断模块和控制算法模块2部分。

燃油蒸发控制系统控制使能条件判断模块的主要功能为：当炭罐阀打开时，燃油蒸气被吸入进气歧管，燃油蒸发控制系统阀的开启会产生不确定的空气流量和燃油流量，为减少燃油蒸气进入气缸对发动机正常燃烧做功的影响，尤其是对空燃比闭环控制功能的影响，炭罐阀开启时必须满足一定条件；燃油蒸发控制系统控制使能条件判断如图2所示，只有图中所示4个条件同时满足时，才会开启炭罐阀，将活性炭罐收集的燃油蒸气导入气缸。

注：ECT（Engine Coolant Temperature，发动机冷却水温）。

控制算法模块主要功能为计算炭罐阀开度信号并估算流经炭罐阀的燃气流量。

2.1 炭罐阀开度计算和清洗气流流量估算原理

流经炭罐阀的清洗气流流量为

为控制清洗气流中燃气流量，首先要确定清洗气流中燃油蒸气的浓度。炭罐阀开启时，发动机实际空燃比为

流过炭罐阀的清洗气流包括新鲜空气和燃油蒸气两部分

由式（2）～（3）可得，流过炭罐阀的燃油质量流量为

清洗燃油比率为

定义

综合以上各式，流过炭罐阀的气体质量流量目标值purge，reqd为

确定流过炭罐阀的气体流量目标值后，再利用式（1），根据（Δ，）对温度及压力修正，将流量转化为标准状态下的目标质量流量值，依据标定的阀门开度控制信号与标准状态下质量流量关系，查表确定阀门开度控制信号。

2.2 燃油蒸发控制系统控制模块计算流程及仿真设计

燃油蒸发控制系统控制模块计算流程如图3所示。根据当前的炭罐阀开度信息计算实际的清洗气流流量，然后与空燃比、喷油量、进气流量计算得出清洗气流中的燃气流量及清洗气流的空燃比。清洗气流中的燃气流量根据转速、负荷和喷油量确定，用来对喷油量进行修正。清洗气流的目标流量由清洗气流的空燃比与清洗气流中燃气流量的目标值来确定，然后经过温度、压力修正后得到对应状态下的目标流量及炭罐阀的目标占空比。

图3 燃油蒸发控制系统控制信号计算流程图

清洗气流出口压力计算模型主要用来计算炭罐清洗气流出口的压力值。计算方法简单，直接来自于计算或者采集的进气压力值。

清洗气流流量计算模型主要用来计算清洗气流流量的理论值和实际值，其中实际清洗气流流量是根据进气流量与进气压力的查表值乘以炭罐电磁阀控制信号中占空比确定的系数而得到。理论清洗气流流量首先根据空燃比、喷油量、进气流量、炭罐电磁阀的实际开度，根据式（4）计算得出炭罐阀清洗气流中燃油流量，进而计算出清洗气流燃油比率，最后把清洗气流燃油比率、喷油量以及查表得到的清洗气流燃油比率目标值带入式（7）得到清洗气流流量的理论值。

炭罐阀控制信号计算模块用来计算炭罐电磁阀占空比，主要通过炭罐电磁阀流量需求值和实际值拟合模块计算的炭罐电磁阀目标开度，在进行温度、压力、压差等修正后查表得到最终的占空比。

3 硬件在环环境验证

硬件在环仿真系统是指将部分实际被控对象或系统部件用高速运行的实时仿真模型来代替，而控制系统则采用实物（硬件ECU、执行器及传感器）构成的系统。HIL可对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估，有助于对炭罐控制策略进行验证。

3.1 硬件在环系统的搭建

设计的硬件在环仿真系统主要由3部分组成，包括实时仿真系统、PC机监控系统和ECU。其中实时仿真系统的硬件部分包括基于PC的测量和自动化平台系统、I/O模块及仿真器等；软件部分包括LabView和发动机模型系统。通过模拟运转的发动机，I/O模块相当于发动机的传感器输入及执行器输出。仿真器工具能够简便地测试和仿真控制器生成的信号，以及将信号输入给控制器，是进行硬件在环测试必需的信号输入/输出工具。

PC机监控系统主要利用LabView界面及INCA软件来监控ECU的运行情况，作为人机交互平台，既可以方便地修改系统仿真模型的参数，又能及时地监控系统实时仿真模型在控制系统实物作用下运行状态的变化情况。

ECU硬件采用ECU565-128。控制策略的编写转换选择MotoHawk。将采用MotoHawk编译的控制策略下载到ECU565-128中，连接到发动机仿真系统，直接对模拟的发动机进行控制。

硬件在环集成如图4所示。

图4 硬件在环系统

3.2 炭罐控制策略的验证

为验证控制策略的有效性，运行模拟市区驾驶循环的测试工况，并与实车对比，通过硬件在环上微机监控界面采集数据，如图5所示。从硬件在环模拟采集燃油蒸发控制系统控制曲线可以看出，当车速（Vehicle_Speed）＞20 km/h，发动机水温（ECT）处于40～100℃，空燃比闭环控制标志位（O2_ CloseLoop_Engine）置位，闭环控制时间>5 s，怠速使能条件标志位（P_IdleState）不置位即发动机脱离怠速控制状态，4个条件同时满足后，燃油蒸发控制系统电磁阀使能条件（P_EVAP_Eable_Flag）即被触发，并可根据工况需求正常开启和关闭，与实车INCA软件采集的燃油蒸发控制系统控制曲线（图6）对比可以看出，硬件在环模拟汽油机燃油蒸发控制系统的炭罐占空比控制信号与实车采集数据具有良好的同步性，能够合理有效地控制炭罐清洗电磁阀的开启和关闭，满足汽油车燃油蒸发污染物控制系统控制策略的有效性。