多点电喷气体发动机空燃比闭环控制系统设计

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(上海工程技术大学 汽车工程学院，上海 201620)

多点电喷气体发动机空燃比闭环控制系统设计

孙恋敏，吴长水，庞鲁杨，黄剑其

(上海工程技术大学汽车工程学院，上海201620)

空燃比控制是发动机性能实现中最重要的控制之一;基于玉柴某大型六缸单点气体发动机改多点电喷的基础上进行研究，在开放式ECU基础上针对燃气发动机瞬态变化过程中的反馈时间延迟，构建了一种基于前馈PID算法的空燃比闭环控制策略，用来预判和补偿空燃比超调和反馈时间延迟；解决了发动机瞬变工况下空气与燃气的精确匹配问题;通过对台架模型和发动机试验的数据分析，结果表明基于前馈PID控制算法的空燃比闭环控制策略能够进一步提高燃气发动机的排放效率和动力性。

空燃比闭环控制；前馈PID算法；瞬变工况

0 引言

随着发动机效率和排放控制法规日趋严格，在保证天然气发动机动力性和经济性的前提下，降低有害气体排放是天然气发动机开发研究的主要问题之一。鉴于发动机的排放性能是通过发动机实时空燃比反应的；对空燃比的实时精确控制显得尤为重要。

氧传感器是发动机空燃比控制系统中的主要部件，用于实时检测发动机排气中氧含量，反馈给电控单元(ECU)，ECU通过控制喷油脉宽调节天然气发动机的混合气空燃比，从而达到排放优化的目的[1]。

基于对玉柴某大型六缸单点天然气发动机改多点电喷的研究。多点电控喷射方式控制是内燃机的主要发展方向之一，通过优化电控策略，使喷气避开气门重叠角，从而精确控制空燃比。

改动后的发动机多点喷射顺序为1、5、3、6、2、4，由于每缸需要单独的控制路线，所以控制策略的方式和结构都比单点控制更加精细，但是多点电喷使得各缸喷油时间均为最佳时刻，因此混合气质量更加均匀，有利于提高车机燃油经济性和降低污染物的排放。

1 空燃比控制系统组成

1.1 空燃比控制机理

图1为天然气发动机空燃比闭环电控系统示意图，进气歧管上的压力传感器实时的将压力信号传递给ECU；ECU通过对转速、节气门开度、冷却水温以及进气歧管压力等与天然气发动机理论空燃比17.2比较分析判断得出目标空燃比。

图1 空燃比闭环电控系统

另一方面，宽域氧传感器实时地将实际空燃比传递给ECU，ECU将实际空燃比与目标空燃比比较判断混合气的浓稀状态，通过PID调节器实时调节喷油器的喷油脉宽，从而实现空燃比闭环控制[2]。

1.2 空气质量流量计算

发动机空燃比控制过程中，空气质量流量的精确计算也是非常重要的，节气门流量法和速度密度法是计算空气质量流量的常用方法[3]。采用速度密度法来计算进入气缸的空气流量。计算公式如下：

注：Ma为进入气缸空气流量；pim[Pa]为歧管绝对压力；R为气体常数；Tm为歧管平均温度；Ve为容积效率；n为发动机转速。

速度密度法是通过采集进气歧管绝对压力和平均温度，估算容积效率，结合发动机转速，计算空气质量流量。

2 空燃比预适应调节

ECU根据发动机不同的运行状态其空燃比控制策略是不一样的。当发动机处于起动、暖机阶段时，发动机不进行空燃比的控制，但通过Lambda适应调节对空燃比进行修正，使发动机工作在怠速和部分负荷等工况时实际空燃比能更好地适应目标空燃比[4]。

发动机处于起动、暖机工况时，ECU通过Lambda预适应调节加强Lambda适应功能使得在冷却水温度较低(小于50 ℃)时获得一个更加精确的Lambda修正。

ECU通过冷却水温度、进气歧管压力等因素确定燃气喷射量和节气门开度，使燃气量与空气量能够准确匹配，并能通过适当的油门调节进行加浓控制，使发动机尽快达到暖机的目的。

3 空燃比闭环控制策略

3.1 控制系统策略设计

发动机空燃比控制过程中，ECU通过发动机的运行工况、氧传感器参数等判断选择空燃比控制状态为开环或闭环控制，再根据节气门开度等判断是否采用瞬态空燃比控制，如图2所示。

图2 空燃比控制策略

空燃比闭环控制中一个比较重要的环节就是目标空燃比的计算，如图2中目标空燃比控制模块，ECU通过对发动机转速和进气歧管压力查目标空燃比的三维Map确定目标空燃比。如图3目标空燃比三维Map，在稳态工况下为了满足经济性的要求，理想化学当量比在1～1.5之间，使得目标空燃比范围为1.72～25.8之间，ECU调节目标空燃比偏大使发动机达到稀薄燃烧的目的[5]。

图3 目标空燃比三维Map

3.2 空燃比开环控制

当氧传感器工作温度滞后于发动机空燃比控制运行工况或氧传感器出现故障时，ECU为保证发动机运行正常，通过Lambda有效标志位选择进行空燃比开环控制。

对于空燃比开环控制，确定目标空燃比后，ECU通过空气质量流量与目标空燃比确定喷油量，根据不同燃气压力下的流量特性得出喷油脉宽。

3.3 空燃比闭环控制

三元催化转换器(TWC)只有在理论空燃比附近狭小的范围内，才能够将排气中的THC、CO、NOx等转化成水、CO2、N2等的效率达到最佳。空燃比闭环就是ECU通过自动调节，使发动机工作在理论空燃比附近，因此，内燃机控制系统中最重要的闭环控制之一就是空燃比闭环控制系统。

对于满足空燃比闭环控制的工况，选择图2中的空燃比闭环子系统，其内部控制策略原理如图4空燃比闭环控制策略所示，过量空气系数目标值与宽域氧传感器实时提供的实际Lambda进行比较做差；ECU以此比较判断混合气浓稀状态，并且对差值进行PID控制，对于微分控制，本策略采用差分形式的正向欧拉算法。通过空燃比闭环控制策略可以实时的得出空燃比闭环控制过程中的天然气喷射量[6-7]。

图4 空燃比闭环控制策略

3.4 瞬态空燃比闭环控制

发动机瞬态空燃比控制系统主要控制发动机在瞬态工况下仍然能够保证实际输出值快速跟踪期望输出值。当急加减等工况节气门位置发生较大的变动时，发动机废气传输和氧传感器信号滤波等造成时间延迟， ECU无法及时的跟踪空气质量流量变化，使得急加减速时过调节导致混合气过浓或过稀，导致发动机工作不稳定甚至熄火。

瞬态工况下，空燃比闭环控制中加入前馈环节是非常有必要的。ECU可以根据节气门开度和Lambda的变化幅度，通过前馈环节实时确定天然气喷射量。瞬态工况通过前馈环节控制喷油脉宽的同时，ECU后续通过发动机运行影响因素查节气门修正Map对节气门开度进行修正，使进气量更加稳定[8]。

4 试验结果及分析

4.1 台架试验测试

为验证所设计的基于模型的空燃比闭环PID控制的实际控制效果，将设计的ECU控制策略进行Sil和Hil等软硬件在环测试，通过Sil测试验证自动生成的代码和用于代码生成的模型是否一致；通过Hil测试控制器系统是否能正常稳定的工作[9]。

测试成功之后在基于玉柴某六缸单点改多点电喷气体发动机进行台架实际性能标定测试，以验证策略的稳定性。

Vector公司的CANape主要用于参数优化，在控制系统运行过程中同时采集测量信号和标定参数值。CANape可使用CAN标定协议的CAN总线与ECU进行通信。CANape可进行离线数据分析，评估测量数据，自动生成分析报告；CANape集成的CDMstudio可提供图形化的检测与标定视图，使标定更加直观方便。

如图5为发动机恒定转速(1100 rpm/min)的检测界面，在恒定转速下通过油门不断增加扭矩，利用空燃比闭环控制控制燃气量，小负荷时，转速能够很好的稳定在目标转速下；大负荷时，转速由于燃气压力随喷油脉宽的增大会产生油车现象，通过后期对燃气压力的匹配发动机能够稳定工作。

图5 发动机标定测试

图6为发动机在瞬态控制过程中，通过实际Lambda反馈进行闭环空燃比控制，在急加速过程中，节气门开度瞬间增加13%，Lambda发生跳变由1.4到1.83，并且在2.5秒后经过空燃比闭环控制回到1.5以下，证明采用瞬态空燃比闭环控制后动态响应提高。

图6 发动机瞬态控制

4.2 实验结果分析

空燃比控制的最终目的是提高发动机动力性、燃油经济性和排放性能。通过发动机台架对空燃比控制策略的标定验证，对发动机试验数据进行拟合分析[10]。

图7为原机与经过空燃比控制的多点电喷发动机各个转速下扭矩、功率对比。发动机转速为1300 ～ 1700 rpm时，扭矩最大达到1037 N·m，功率提高10%以上。

图7 扭矩、功率性能对比

通过图8燃气消耗量的对比可以得出经过空燃比闭环策略优化的发动机转速为1100 rpm以上时，燃油消耗量减少了2 kg/h,发动机燃油经济性在原机的基础上得到了大幅的提高。

图8 燃气消耗量对比

对比各转速下的扭矩、功率和燃油消耗量，可以看到单点天然气发动机改多点电喷后，通过不断优化空燃比闭环控制策略在相同转速下的功率、扭矩都要优于原机。

5 结论

1)分析了发动机电控基于模型设计的方法，为多点电喷天然气发动机的空燃比闭环控制打下了良好的理论基础。

2)根据发动机不同的工作模式建立了空燃比开环和闭环控制模型。对于急加减速等瞬态工况提出的基于PID前馈控制的发动机瞬态空燃比控制策略，通过空燃比闭环控制预调节喷油量，尽快地稳定发动机运行状态。

3)在天然气发动机台架上对多点电喷气体发动机进行了空燃比控制试验，试验结果表明应用空燃比闭环控制算法的燃气发动机瞬态工况收敛时间缩短，空燃比动态响应性提高，可以实现提高燃气发动机的动力性和燃油经济性。

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AirFuelRatioClosed-loopControlSystemDesignofMulti-pointGasInjectionEngine

Sun Lianmin，Wu Changshui，Pang Luyang，Huang Jianqi

(School of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Air-fuel-ratio control is one of the most important part to achieve engine performance.This electronic control system is based on a large six-cylinder gas engine of YuChai. Based on open ECU, it propose a kind of forward PID algorithm for the feedback time delay about transient change process in air-fuel-ratio closed-loop control system of Gas engine. This PID control algorithm is applied to estimate the overstrike of AFR and compensate the feedback time delay，which solved the exactly match problem of air and gas in the transient condition. The data analysis of simulation and the results of engine test show that the AFR closed-loop control system based on forward PID algorithm can be used to improve the discharge efficiency and the power performance of gas engine.

air-fuel-ratio closed-loop control; forward PID algorithm; transient condition

2016-12-08；

2017-05-26。

上海市科委“创新行动计划”项目(17030501300)。

孙恋敏(1990-)，男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事发动机电子控制策略方向的研究。

1671-4598(2017)11-0081-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.021

TP3

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