降低各缸进气不一致影响的怠速控制优化方法

魏倩雯 鞠 敏 黄玉平 王 腾

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

0 引言

发动机在运行过程中有不同的工作状态，分为启动工况、怠速工况、加速工况、减速工况和匀速工况等。其中怠速工况是指发动机在对外不做功的情况下，以最低稳定的转速运行的状态。该状态下，发动机与传动系统完全脱离，不对外输出功率，产生的功率仅维持本体各部件及车辆辅助装置（如空调、风扇）运行使用，发动机自身维持在在较低的稳定的转速下运行。

发动机在怠速工况下对抗扭矩干扰因素的能力是评价发动机性能的一个重要的指标。如果发动机的怠速稳定性较差，易造成怠速的波动，直接影响驾驶员驾驶体验的舒适性，同时怠速不稳定易造成燃烧室的空燃比偏离最佳区间，导致排放指标的恶化。随着国家排放法规不断逐步加严，对发动机的排放性能提出了更高的要求，对怠速控制的要求也随之增加。

当前的发动机大都配备了电控单元（ECU），能够采集各传感器输入的进气量、温度和压力等信息，进而精确控制燃料供给量、空燃比、加电时间和正时信号等发动机运行的关键参数。ECU通过调节上述参数可以令发动机的时实际转速趋近于目标怠速设定值，使怠速控制的稳定性得到进一步提高。

1 电控发动机怠速控制

1.1 怠速

怠速有低怠速和高怠速之分。当发动机的油门踏板开度为0，发动机维持正常运转的状态，此时发动机所需要的最小转速为低怠速，发动机处于低怠速工况。电喷发动机上，发动机能够稳定运转维持的最大发动机转速是高怠速。发动机的转速被限制在低怠速和高怠速之间，转速降低时，其最小值受低怠速的限制，防止由转速过低造成的熄火；当发动机的转速升高时，转速的最大值会受到高怠速的限制，防止发生转速过高导致的超出发动机机体能够承受的范围或者飞车的情况。高低怠速的控制是发动机控制的重要技术点。

1.2 发动机转速计算

发动机转速作为一个必不可少的输入，在发动机的怠速控制中起重要作用，其与发动机的曲轴位置相关，对位置的获取及发动机转速的计算是发动机控制架构中基础且必要的模块。

在发动机运行过程中，ECU通过曲轴位置传感器获得位置信号，并根据其来设定点火正时、气门正时以及喷油正时。借助凸轮轴位置传感器可以得到凸轮轴的位置，来确定气缸上气门的开启时机。通常采用曲轴位置同时结合凸轮轴位置来得到发动机位置信息。控制系统中具有精确的时钟，根据时钟信息与采样获得的位置变化信号便能计算出发动机的转速。

考虑发动机工况的复杂性，通常选用平均转速作为发动机转速反馈，为保证转速计算的准确性，一般需要对采集信号进行滤波处理。信号采样点越多，滤波的效果越好，但相对应的数据的处理时间也会增加，对发动机控制系统来说，这会影响系统的响应速度。为兼顾滤波效果与计算时间，可以选用滑动均值滤波算法对发动机转速滤波，即先确定用于计算的采样点的个数，以范围内的采样点构成队列计算平均值，队列新增加采样点后移除队首的采样点，保持采样点个数不变，然后进行后续计算。

1.3 怠速状态判断及控制

通常发动机存在启动、暖机、加减速与怠速等几种状态，控制系统需要根据工况类型执行对应的工作模式，即在根据实际反馈信息确定期望状态后，调用控制系统中对应的控制策略。其中发动机的怠速状态是常见且重要的工况，需要对其特别考虑及分析。

在怠速状态下，发动机需要精确地输出扭矩以平衡负载扭矩及摩擦等，进而将转速稳定在设定的怠速值上。ECU的怠速控制策略可以避免在怠速状态下发动机出现失速，以及在空调压缩机等耗电设备启动时发动机熄火，使发动机平稳运行。期望的控制策略应能尽可能地减小转速的波动，能够对负载变化迅速作出响应，保证发动机的运行状态。

当节气门开关检测到开度为零，即节气门完全关闭，发动机的转速也低于最小值时，可以判断发动机处于怠速工况，ECU会切换至怠速控制模式。在这种状态下，ECU会依据当前的发动机转速信息进行分析，结合负载情况，通过发送一定的准确脉冲来控制节气门旁通阀调整空气的输入，进而控制发动机的转速。

在怠速控制模式下，根据发动机当前运行状态计算目标怠速，在与实际转速进行对比后对转速进行控制。通常会考虑的是发动机温度条件不同的情况下目标怠速的设置，当发动机温度较低时，高怠速能够较快地提升温度，保证发动机平稳工作。空调等负载运行时的状态也会影响怠速的计算，控制策略在对不同条件下的怠速进行计算后，以最高的怠速计算结果作为目标怠速。

1.4 PID闭环控制

有启机需求时，通常采用启动机倒拖发动机的方式进行启动，在该过程中，发动机会进行点火和喷油动作，随着转速的提升，缸内燃气开始燃烧，转速会先冲高超过怠速设定值，随后在电控单元的主动控制之下回落至怠速以下，并逐渐趋于稳定。

上述分析假定一个养殖场提供的生鲜乳与一个加工厂的加工能力是相匹配的。而实践中，往往是一个加工厂收购加工多个养殖场的生鲜乳[注]2009年国家发改委出台《乳制品工业产业政策》(修订)规定，在全国重要的奶源基地，乳品加工项目的加工能力应在日处理生鲜乳能力300吨及以上。。假定乳企日处理能力为300吨生鲜乳，需要配套的奶牛存栏量大约3万头，按照一个奶牛场平均存栏500头计算，需要60个养牛场。这时候，人力资本的计量和监督问题就更加突出。如果要实现买方合并，投资的边际成本会上升很快，从而扭曲投资激励[注]从这个角度也可以解释中国乳企的自建牧场往往是万头牧场。。

启动过程转速波动示意曲线如图1所示。

图1 发动机启动过程转速波动情况

当车辆启动完毕，处于怠速运行条件下时，驾驶员不会通过油门踏板对发动机进行扭矩输入，发动机需要自行计算自身运行所需要的扭矩，用来克服自身的摩擦扭矩以及变速箱、水泵等运行辅件的负载扭矩，以便发动机能够以稳定的转速运行。该过程中辅件的负载扭矩不是一成不变的，可能会因为整车状态的改变而产生变化，例如空调的启动、变速器档位变换等，在负载改变的情况下，发动机需要采取调整进气量、喷油量等措施来维持当前转速的稳定性。在实际使用过程中，通常采用PID闭环控制的方式来维持怠速的稳定性。

PID控制模型中包括比例项、积分项和微分项系数，通过对各项系数的调整可以简单地实现对发动机复杂系统的有效控制。对怠速控制，获得当前实际转速目标怠速的偏差之后，通过转速PID闭环控制即可得到燃气喷射量的修正值，修正之后的喷射量便可以使发动机平稳地以目标怠速运行。

1.5 怠速稳定性

怠速控制的核心是稳定性的控制，在怠速工况下，发动机的转速在怠速设定值上下波动。通常按照发动机转速偏离怠速设定值的大小进行划分，当发动机转速在怠速上下波动范围在10 r/min之内，为正常怠速波动；当发动机转速在怠速上下波动范围在10 r/min～20 r/min之间，为怠速控制不稳定；当发动机转速在怠速上下波动范围超过20 r/min，或者发动机某一侧发生剧烈抖动，为怠速验证不稳。怠速不稳会影响驾驶员的驾驶感受，严重还会造成发动机的熄火等现象。

发动机怠速工况的工作过程比较复杂，点火提前角、加电时间、进气量、燃气供给量等因素对怠速稳定性都有显著的影响，可以分为物理因素和控制因素。

物理因素，例如进气系统中空气滤清器故障、进气管/阀门堵塞或者泄露，造成混合气空燃比偏离最优范围，使缸内燃烧不充分；排气系统中EGR阀故障、排气管路废气杂质堆积堵塞以及颗粒补给器积碳再生不充分形成堵塞等均会造成排气不充分，使发动机各缸工作不均匀；燃料供给系统中喷油器泄露或堵塞、加电时间不准、喷油器一致性差以及喷油压力偏高或偏低，导致燃料供给量不准确，造成发动机燃烧过程出现问题。控制因素，例如电子控制单元中怠速闭环、扭矩需求、喷油量计算和轨压控制等策略逻辑错误或者数据标定不佳等，造成发动机不能工作在最优点。

2 问题分析

发动机怠速时所需的空气量和燃气量较少，当因机械原因或其他原因导致各缸进气不均匀时，常规的转速闭环控制和空燃比闭环控制无法很好地解决单一缸的转速波动问题，容易造成发动机在怠速时转速的波动现象。

目前柴油机怠速控制方法多为基于目标怠速值的PID闭环控制，对天然气发动机，其怠速控制方法除了上述的转速PID闭环控制，还有基于氧传感器信号的空燃比闭环控制方法，其中氧传感器通常安装在排气总管上，只能测量各缸空燃比的平均值，无法测量各缸实时的空燃比。如果由发动机机械或其他原因导致各个缸进气不均匀时会造成某一缸混合气过浓或过稀，此时氧传感器测量的结果是平均值，通过闭环控制将各缸的混合气往浓或稀调节，不管哪一种都会导致某一缸工作更恶劣，使发动机怠速不稳定，波动过大。但是如果在每缸均安装氧传感器或者缸压传感器来监控各缸燃烧情况的方式，又会导致发动机成本的增加。

3 怠速控制优化方法

该文提出了一种发动机怠速控制方法，在不增加传感器的情况下实现发动机怠速的稳定控制，提高发动机的可靠性。通过ECU计算各个缸的缸号以及缸号对应的曲轴齿转速来识别各个缸对应的转速情况，根据各个缸的实际平均转速与目标转速进行闭环控制获得各个缸的燃气喷射量，或者直接用各缸实际转速与目标转速的差值查预设CURVE获得各个缸的燃气喷射修正量，以此在一定程度上解决不同缸因进气不一致引起的怠速时转速波动问题。同时考虑整车负荷对怠速的影响，加入该功能的使能条件，发动机需要处在怠速工况且与整车传动系断开。

控制方法流程如图2所示。

图2 控制流程图

步骤如下：1） 获取发动机转速、怠速状态、怠速设定目标转速、空挡信号、ECU计算的发动机缸号以及各曲轴齿的转速等参数。2） 判断发动机当前工况是否满足预设条件：发动机怠速状态等于1；空挡信号等于1，表征当前整车传动系与发动机断开，去除整车负载对发动机怠速的影响；如果满足预设条件则执行第三步，否则重新执行第一步等待下一步判断。3） 计算各个缸号对应的曲轴齿的平均转速。4） 计算各个缸平均转速与怠速设定的目标转速差值。5） 判断该计算的差值的绝对值是否大于等于预设值，如果是则执行第6步，如果否则执行第8步。该步骤的意思是当实际转速与设定转速偏差大于一定数值后才进行各缸的喷射量修正，如果转速偏差很小则不进行修正，其中预设值为标定量，可以根据实际应用进行具体数据的标定。6） 根据各缸平均值与目标值进行转速PID闭环控制获得对应缸的燃气喷射量修正值或者通过各缸差值查预设CURVE获得对应缸的燃气喷射量修正值。7） 将该修正量累加到对应缸的喷射量上获得最终执行的喷射量。8） 对各缸喷射量进行修正。

4 试验数据

试验完成后，该文对采集的测试数据进行了分析、整理，如图3所示。波动较大的曲线Method1为原始曲线，波动较小的曲线Method2为增加怠速优化策略的试验曲线。从图3可以看出，150该发动机在加入优化控制策略之后，怠速波动情况有明显好转。

图3 添加怠速优化算法前后怠速波动对比图

5 结论

该文在当前常用的怠速控制方法的基础上提出了一种优化方法，在不增加额外的传感器、执行器等零部件，同时不对发动机机体进行改动的情况下，使用当前已经能够采集到的发动机各的参数计算各缸燃料喷射量的补偿值，对原有燃料喷射量进行修正，在一定程度上解决了发动机因各缸进气不均匀导致的发动机怠速不稳定的问题，进一步提高了发动机的性能。