发动机怠速进气量计算控制策略的实现

朱 敏，郑建波，徐 凤，王 恺，张春娇，张凡武，田丰民

(东风汽车公司技术中心，武汉 430056)

前言

怠速是发动机运行时的一种重要工况，汽车在交通密度大的道路上行驶时，约有30%的燃油消耗在怠速工况，在汽车工况法排放测试中，怠速排放的CO和HC通常占总排放量的70%左右，因此怠速控制的好坏直接关系到车辆性能的高低。怠速转速过高，将使燃料消耗增加，造成不必要的浪费;而怠速转速过低，则使废气对缸内混合气的稀释作用明显增强，若负荷或阻力稍有变化将导致发动机运转不稳定甚至熄火。对怠速工况进行有效的控制，不仅可降低尾气排放，还能提高汽车的燃油经济性［1］。

目前发动机怠速控制多为电子控制系统，主要通过控制进气量、点火角和喷油量使发动机怠速稳定，本文中介绍了一种怠速进气量的闭环控制算法，通过进气量控制节气门的开度，使发动机实际转速与目标转速一致。

1 怠速进气量的工作原理

怠速控制主要包括发动机起动控制、正常怠速控制(无负荷运行)和负荷变化时的怠速控制。本文的控制策略以使用电子节气门的系统为基础，首先计算正常怠速下的进气量，并由电控系统将算得的怠速进气量转换为发动机有效转矩输出比，然后通过各种电气负荷和点火角的修正得到请求的转矩输出比，请求转矩输出和转速共同决定节气门开度［2］，使实际发动机转速和目标转速一致。

具体的工作原理见图1，其中有效转矩输出比、请求转矩输出比和节气门目标开度的确定可通过发动机标定得到，这里只进行进气量的计算分析。

2 怠速进气量计算的系统设计

正常怠速进气量主要通过闭环控制，由基本进气量、PID修正和自学习修正3部分组成。其中基本进气量根据发动机状态(冷却水温、进气温度等)确定;PID修正由发动机转速的波动决定，主要功能是使实际转速跟随目标值的变化而变化;此外，为减小发动机零部件和制造过程差异带来的进气量需求偏差，增加了进气量自学习的过程，从而减小静态误差。具体的实现过程如图2所示。

其中学习值的计算过程基于闭环控制中的I项，主要学习过程是根据实际转速偏移目标转速的差值，在I项的基础上按照一定的步进量对进气量进行累加或递减，修正制造和零部件差异，从而减小I项的波动，学习值的计算流程如图3所示。

3 基于Simulink的功能实现

根据上述进气量的计算过程，基于Simulink设计了一套怠速进气量计算的控制策略。在整个过程中首先确定闭环控制的使能条件，然后根据实际转速和目标值的差值进行PID调节和自学习值修正。

3.1 闭环控制使能条件

进气量闭环使能至少须满足下列任何一个条件:(1)加速踏板处于释放状态(APPS_r=APPS_rRelease)且发动机转速(Eng_n)与其目标值(Eng_nDes)的差值在一定范围内;(2)加速踏板处于释放状态且车速(VSS_vs)低于某个范围。

禁止闭环控制至少须满足下列任何一个条件:(1)制动踏板踩下;(2)ABS使能;(3)系统处于断油状态;(4)不满足闭环使能条件。

实现过程如图4所示，在这个过程中为了防止系统在闭环和开环之间频繁切换，当闭环使能的条件满足后，要稳定一段时间(ISC_tiCloseLoop)才能真正使能闭环控制，另外发动机转速和车速的变化都引入了迟滞，同样用于消除使能条件的频繁跳变，使进气量的控制变得更加平滑。

3.2 进气量PID闭环控制的实现

PID控制过程如图5所示，主要通过实际转速和目标转速的差值计算得到，其中P项(ISC_mProportional)的计算基于转速的差值;D项的计算基于50ms内转速差值的变化量(Eng_nDelta50ms);I项的计算也是基于转速的差值，为了精准控制，将转速差值的范围分为多个部分(Axis_nIdlSpd6)，同时按照实际转速高于目标值还是低于目标值分别控制。如果需求进气量大于最大值(ISC_mMax)或者小于最小值(ISC_mMin)，I项将不再增加，如果系统从开环进入闭环(ISC_stCloseTransit=1)则I项复位为积分基本值(ISC_mIntegBase)，防止积分量过大或饱和，导致闭环控制无法正常工作。3个修正量只在闭环情况下起作用，当系统开环时均递减为0，PID控制为维持怠速的稳定起到了重要的作用。

3.3 进气量学习值算法的实现

为减小系统的静态误差在I项的基础上进行进气量的自学习，主要过程是通过发动机的负荷状态，每过一定的时间，根据发动机实际转速和目标值的差值对气量进行累加或者递减。图6为当发动机负荷状态(ISC_stDelSel)不同时，选择不同的进气量的学习值作为最终学习值(ISC_mLrnFinal)。其中每一种工况的学习过程如图7所示，当自学习使能条件满足后(ISC_stLrn=1)，由转速偏差得到两个学习值的递变量(ISC_mLrnDecrease、ISC_mLrnIncrease)，进而累计计算进气量学习值，如果学习条件不满足则学习值表示不变。当学习禁止转变为学习使能的瞬间状态(ISC_stLrnTransit)，用于对学习值的初始化，初始值是基于积分量计算得到的。

自学习使能条件必须同时满足:(1)闭环使能条件;(2)冷却水温大于设定值。

3.4 正常怠速下进气量计算的实现

最终进气量(ISC_mReq)通过基本进气量(ISC_mBas)、PID修正和自学习修正求和得到。当求和结束后，为防止怠速进气量无限增大或者减小导致的怠速失控，要对需求进气量进行最大值和最小值的限定，如果超过限值表明标定或者控制算法不完善，须重新试验和调试，主要实现过程如图8所示。其中基本进气量由冷却水温(CTS_t)和进气温度(MAT_s)决定。

3.5 策略验证

为保证控制算法的正确性，进行了实车验证，结果如图9所示。

由图可见，发动机转速在未踩加速踏板和松开踏板时能够跟随目标转速运行，且静态误差较小，由非怠速向怠速变化的过程中转速波动较小，实际值和目标值的差值小于50r/min，符合设计要求。

4 结论

通过对发动机正常怠速控制的分析，设计了正常怠速下计算进气量的控制策略，并在实车上进行了验证。结果表明，该控制策略能满足设计要求，使发动机实际转速稳定跟随目标转速运行，失速在合理的范围内。

［1］ 原霞，张翠平，杨庆佛．发动机怠速稳定性控制方法的分析研究［J］．太原理工大学学报，2003，34(2):181 －183．

［2］ 韩玉敏，金延军．基于80C196KC单片机的汽车发动机怠速控制系统设计［J］．佳木斯大学学报(自然科学版)，2007，25(2):155－157．