基于转矩安全的歧管泄漏研究和监控系统开发

付亚豪，杨帅，2*，刘海然，邹超，何栋明

1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.南昌智能新能源汽车研究院，江西 南昌 330000； 3.上海电子信息职业技术学院，上海 201411；4.菲亚特克莱斯勒动力科技研发(上海)有限公司，上海 201821

0 引言

随着汽车工业的不断发展，高效节能的新型汽油发动机已经得到广泛应用，但突发性的车辆异常加速问题时有发生，车辆的转矩安全越来越受到重视。文献[1]于2011年发布并于2018年更新[2]，成为世界范围内汽车产业遵守的产品安全标准。

汽油发动机的歧管泄漏是影响车用动力转矩安全的核心因素之一。车用发动机有一部分工况处于歧管真空度大于0的情况，即使采用可变气门升程的配气机构，怠速和低负荷时也需要通过节气门限流实现稳定的转矩输出，如果该工况下节气门截流失效导致转矩输出时进气量过多，可造成车辆异常加速或者混动车辆电池过载，影响行车安全，因此输出转矩安全性受到当前各大汽车厂家重点关注。虽然文献[1]发布时间较久，但目前国内关于输出转矩安全的研究较少。因此，为保障人员和车辆安全，监控车用动力系统的输出转矩，基于理论模型、文献[2]和工程实践，结合发动机进气和燃烧的控制系统，建立具有实际应用价值的工程控制模型对行车转矩安全具有重大意义。

本文中分析影响发动机转矩的因素，根据节气门控制原理，分析发动机主、次充模型原理，设计节气门开度控制策略，针对碳罐低压脱附管路脱落故障开发泄漏监控系统，准确、稳定地监控岐管泄漏，保障行车安全。

1 功能安全分析

文献[2]从人员安全与工程应用的角度出发，通过危害分析与风险评估对车辆功能安全提出了开发标准和流程，涵盖汽车产品的整个生命周期，最大限度降低事故发生的可能性，得到国际社会广泛的认可，成为各大汽车公司设计安全监控系统的准则。

根据文献[2]，分析输出转矩的控制流程，确定发动机歧管泄漏对实际输出转矩的影响。影响发动机输出转矩的因素如图1所示。

根据歧管泄露导致的动力装置失效模式和文献[2]中的功能安全设计流程，分别对3种失效模式做出相应的功能安全定义，如表1所示。

表1 文献[2]中的功能安全设计分析

2 发动机进气控制

2.1 发动机循环公式

当前市场上主流的汽油发动机采用奥拓循环，以工质燃烧推动活塞做功的方式把燃料的化学能转换为发动机的机械能。在现代汽油发动机实际控制中，喷油和点火响应迅速、精确，而充气响应较慢且需要间接测量，因此必须优先控气，然后以当前循环估算的实际进气量适配当量的燃油，通过控制点火角的方式在气路指示转矩的基础上产生最终的指示转矩。

计算发动机的指示转矩时，可以根据曲柄活塞连杆机构的工作原理，将燃烧产生的内能转化为做功冲程气体对活塞的做功，计算公式[3]为：

Wi=piVS=pi(πD2/4)sp×10-6，

(1)

式中：Wi为平均指示压力在一个冲程内做的功，kJ；pi为平均指示压力，MPa；VS为气缸工作容积，mm3；D为活塞直径，mm；sp为活塞行程，mm。

发动机指示功率的计算式为：

Pi=Win/30，

(2)

式中：Pi为发动机指示功率，kW；n为发动机转速，r/min。

发动机指示转矩的计算式为：

Ti=9550Pi/n,

(3)

式中:Ti为发动机指示转矩，N·m。

根据燃烧学定律，单次循环燃烧冲程气体对单次循环的做功又可以表示为：

Wi=HUmfuelηi，

(4)

式中：HU为燃料热值，kJ/kg；ηi为循环效率；mfuel为单缸每次循环喷油质量，kg。

为了实现最优油耗和最低排放，现代汽油发动机通过使过量空气系数接近1实现燃料充分燃烧和适配催化器最佳转化效率，所以单次循环的当量空燃比

Kstoi=mair/mfuel，

(5)

式中mair为单缸每次循环进气质量，kg。

综上，以当前循环为参考基准，平均气路指示转矩可以转化为进气质量，当前循环发动机指示转矩

Ti/cyl=Kmi/cylηi，

(6)

式中:mi/cyl为当前循环发动机进气质量，kg；K为无量纲因数。

实际发动机控制中，通过扫点插值的方法在不同的发动机工况(负载和转速)下直接得到当前循环系数，可将式(6)转化为：

mi/cyl=f(n,pint)·TIMT/cyl，

(7)

式中:TIMT/cyl为当前循环平均指示转矩，N·m；pint为进气歧管压力，kPa；f(n,pint)为循环系数，mg/(N·m)。

在测功机台架上进行转矩测试，可以计算得到发动机不同工况下的循环系数，如图2所示。

图2 发动机循环系数map图

2.2 节气门节流原理和主、次充模型

2.2.1 节流原理

单次循环的进气量直接决定了发动机循环功，当汽车低负荷运行时，控制进气质量流量就可以控制发动机转矩输出，所以需要控制节气门部分打开进行进气节流。节气门开启50%时空气流速分布如图3所示[4]。由图3可知：节气门可以有效控制进气流速，从而控制进气质量流量。

图3 节气门开启50%时的空气流速分布 图4 节气门节流简化模型

可将通过节气门的气流看作是同缩放喷管相似的一种流动形式[5]，将节气门节流模型进行简化，如图4所示。

2.2.2 次充模型

利用流体力学进行推理，压比流量系数

(8)

式中：p1为节气门前进气压力，kPa；p2为进气歧管的压力，kPa；γ为绝热因数。

根据速度密度方程可得当前循环的进气质量流量[6]

(9)

式中：Sthr为电子节气门的有效流通面积，mm2；T1为节气门前进气温度，K；R为气体常数。

消除复杂因子的影响，式(9)可进行简化为：

(10)

图5 压比修正系数插值曲线

节气门开度和节气门喉口面积存在着物理关系[7]

(11)

式中：d为节气门阀片直径，mm；αCIB为节气门最小开度；α为当前节气门开度。

用插值曲线代替难以确定的复杂因子并且通过试验进行参数辨识，式(11)可简化为当前节气门开度的函数：

Sthr=f(α)。

(12)

函数关系可以通过数值代入的方法计算得到，节气门开度和节气门喉口面积转换曲线如图6所示。对发动机进行节流控制时，可以将节气门前馈控制策略简化，节气门前馈控制策略如图7所示。

图6 节气门开度和节气门喉口面积转换曲线 图7 节气门开度控制策略

综上所述，可以通过次充模型控制节气门的位置，即给定需求的进气质量流量，通过控制节气门进行限流。当进气岐管泄漏时，节气门限流失效，导致实际的进气流量超过需求，所以监控泄漏的关键在于如何精确计算出实际的进气质量流量。

2.3 主充模型

在发动机工作中，存在进气迟滞现象，需求的进气量不一定能够及时响应，因此采用理想气体的状态方程计算实际进气流量，适配当量的燃油来保证油耗和排放满足要求。

标准状态下的单缸每循环最大进气量[8]

m0/cyl=p0V0/RT0，

(13)

式中：p0为标准状态下进气压力，kPa；V0为单缸最大容积，mm3；T0为标准状态下气体热力学温度，K。

某工况下的单缸循环进气量(即主充模型)

m1/cly=psV0/RTs，

(14)

式中：ps为实际状态下进气压力，kPa；Ts为实际状态下气体热力学温度，K。

根据式(13)(14)可知：主充模型计算得到的进气质量流量和节气门开度无关，节气门后泄漏的气体质量流量可等效为节气门多开导致的增加的实测质量流量；实测的进气质量流量大于需求的进气质量流量，导致发动机实际输出转矩大于需求转矩，带来转矩失控风险，因此根据文献[2]的要求应设计影响发动机转矩安全的歧管泄漏监控系统。

3 转矩安全监控系统设计和标定

3.1 故障现象

根据当前发动机结构和实际用户使用情况统计，导致发动机歧管泄漏的关联件故障主要有4种:碳罐低压脱附管路脱落、机油盖打开、曲轴箱通风管路脱落、机油尺脱落。本文中仅进行碳罐低压脱附管路脱落标定试验，其余故障的监控可利用相同的原理进行类推。

由于发动机需要把碳罐积累的油气引入到歧管进行燃烧，如果管道发生脱落，就会导致大气通过脱附管路直接进入歧管，进气量增加。怠速工况(发动机转速为750 r/min)下，正常情况和碳罐脱附管路脱落故障时，需求和实际的进气质量流量关系曲线分别如图8、9所示。

图8 正常的进气质量流量关系曲线 图9 管路脱落时进气质量流量关系曲线

由图8、9可知：正常情况下实际和需求的进气质量流量非常接近，故障情况下实际的进气质量流量明显大于需求，而且故障情况下进气质量流量趋于平缓，这是因为泄漏量较大，比例积分微分(proportional integral differential,PID)控制无法通过反馈调节对气路进行精确控制。

3.2 监控策略设计

根据节气门控制原理，可以由当前需求转矩确定节气门开度[9-10]，通过电动机将节气门直接打开至需求开度。

如果节气门后发生泄漏，导致歧管压力增大、充气效率增加，即实际的进气质量流量大于需求的进气质量流量。不同工况下、不同泄漏量导致实际与需求的进气质量流量偏差不同，如果泄漏量达到一定程度，大气就会把气流通过泄漏点压入进气歧管，导致2个进气质量流量的偏差过大[11-13]。

根据发动机现有的传感器布置和已经存在的模型，设计进气歧管泄漏诊断策略，如图10所示。以10 Hz为采样频率进行误差采集并且积分，以5 s为周期进行一次故障判断。

图10 进气歧管泄漏诊断策略

监控发动机歧管泄漏时，应根据实测和需求的进气质量流量计算瞬态误差，在每5 s的监控周期内，对进气质量流量的误差进行累积。对图8、9中的质量流量误差计算，得到怠速工况(发动机转速为750 r/min)下正常和管路脱落时需求和实际进气质量流量的瞬态误差和累积误差，如图11、12所示。

由图11、12可知：进气岐管泄漏时累积误差和正常情况存在明显差别。当管路脱落后，二者的累积误差平缓稳定上涨，趋于线性，这是由于进气岐管泄漏导致气路PID控制失效、进气质量流量趋于稳定，这种稳定误差累积有利于故障诊断。

图11 正常时需求和实际的进气质量流量误差 图12 管路脱落时需求和实际的进气质量流量误差

3.3 诊断结果统计和限值标定

控制发动机在怠速下进行多次试验并计算，得到不同工况下正常和碳罐脱附管路脱落时的进气质量流量积累试验结果，如表2所示。

表2 不同工况下正常和管路脱落时的进气质量流量10次试验累积结果 g/s

正态随机变量x的概率密度函数

(15)

式中：u为均值，σ为均方差。

根据经验和数据分析，累积的进气质量流量误差服从正态随机分布。可设积累的进气质量流量为随机变量x、均值为u、均方差为σ，进行正态分布数据处理，以保障转矩安全为标定原则，诊断限值应当保证故障能够被准确识别，故诊断限值设置为20 g/s，诊断结果分布如图13所示。

图13 诊断结果分布图

由图13可知：诊断限值能明显区分2组数据，对诊断结果具有非常好的辨识度。根据充气模型解耦和文献[2]要求，设计的安全监控系统具有非常好的收敛特征，可以准确、稳定地监控歧管泄漏。

4 结论

1)基于文献[2]分析发动机节气门后泄漏带来的风险，引入监控系统的开发思路和构想；对节气门泄漏进行安全评估和设计，定义安全等级和安全风险。

2)研究了节流装置的工作原理和数学模型，并且根据电控发动机目前具有的成熟模型设计了发动机歧管泄漏监控策略。

3)通过标定试验在怠速工况下调校了碳罐脱附管路脱落导致的发动机歧管泄漏安全监控关键参数，设置诊断限值，准确、稳定地监控歧管泄漏，保障发动机转矩安全。

由于标定需要采集大量试验数据，因此基于智能算法的监控系统将成为本课题的下一个研究方向。