基于氧传感器模型的空燃比精确控制器开发

李捷辉，刘婧，吴兵兵，张隆基，胡立

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

随着我国经济的不断发展，环境保护问题与能源消耗问题日益严重，节能减排已成为各行各业不得不面对的问题。自2009年以来，我国汽车销量一直稳居全球第一，截止2016年底，全国机动车保有量已达2.9亿辆，其中民用汽车1.94亿辆[1]。此外汽车占机动车的比率迅速提高，近5年汽车占机动车比率从50.39%提高到65.97%[2]。可见汽油机在汽车工业发展中所占比例越来越大，与此同时带来的排放等问题也日益严重。

为了推动行业节能减排技术的应用，中国内燃机行业协会与美国环境保护署(EPA)建立了互动机制，对汽油机的排放进行了严格的限制[3]。目前，降低汽油机排放物的机外净化措施普遍采用三效催化器，三效催化器的使用有效地减少了尾气的污染且提高了燃油燃烧效率，然而其最佳工作环境要求空燃比在14.7(1±3%)范围内[4-5]。为提高三效催化器的转化效率，必须通过氧传感器的反馈信号将空燃比控制在理论空燃比(14.7)附近[6]。空燃比控制算法通常有PID控制算法、神经网络算法及模糊控制算法等[7]，这一类算法大多是采用氧传感器的反馈控制。气候条件的变化(温度、湿度、气压的波动)会对氧传感器的稳定性产生不同程度的影响，同时残余电流也会影响到传感器的精度，受电极结构、电解质材料及生产工艺的限制，氧传感器的使用寿命会随着使用时间的增加而下降。软件模型则不受这些因素影响，因此具有更大的优势和潜力，相比于硬件而言，软件模型具有更高的使用寿命及稳定性[8]。

针对汽油机控制特点，本研究开发了一种基于PI控制的空燃比控制器，控制器中用氧传感器模型取代氧传感器实物，在保证空燃比计算精度的同时节约了电控系统开发成本，应用该控制器的发动机能够在不同工况下满足排放法规限值要求[9]。搭建的控制器模型经仿真测试后进行台架试验，在优化控制参数的同时实现空燃比的精确控制。

1 空燃比控制器模型算法设计

空燃比控制器主要通过氧传感器模型输出反馈信号实现空燃比控制，在氧传感器模型中仅考虑对空燃比控制影响最大的两个影响因素，即进气量和燃油量。控制器模型见图1，主要由3个模块组成，分别是氧传感器信号计算模块、模式调度模块和控制算法模块。其中氧传感器信号计算模块包括进气计算子模块、循环喷油量计算子模块、空燃比(AFR)计算子模块以及氧传感器信号值输出子模块。

图1 空燃比控制器模型框图

氧传感器信号计算模块由进气量及燃油量计算得到当前工况下空燃比，并转换成氧传感器信号输入控制算法模块，对燃油量进行二次修正以精确控制空燃比。模式调度模块中，通过进气压力p，发动机转速n，空燃比AFR和节气门开度来判断和调度当前发动机运行状态。同时检测氧传感器信号计算模块输出的信号值是否在正常工作范围内，确保空燃比控制器的正常运行。在控制算法模块中，由氧传感器信号计算模块输出的氧传感器电压信号、发动机转速n和进气压力p得到当喷油脉宽修正量T0，修正后得到最终喷油脉宽Te。

1.1 氧传感器信号计算模块

氧传感器信号计算模块用于计算空燃比以及输出模拟的氧传感器信号。氧传感器信号计算模块由4个子模块组成(见图2)，分别为进气计算子模块、循环喷油量计算子模块、空燃比(AFR)计算子模块以及氧传感器信号值输出子模块。

根据氧传感器工作原理，首先通过进气量和燃油计算模块得到基础空燃比，再通过空燃比反推得到氧传感器信号值，由此来模拟氧传感器信号输出。氧传感器模型计算公式如下：

(1)

图2 氧传感器信号计算模块

1.2 模式调度模块

空燃比控制器在汽油机处于一些特殊工况例如怠速、急加减速或全负荷时需要停止运行，通过建立模式调度模块可以管理空燃比控制器的运行状态。

图3示出模式调度模块Stateflow状态，共设置7个状态：节气门开度检测、进气温度检测、进气压力检测、曲轴转速检测、发动机运行状态检测、传感器失效检测和空燃比运行模式管理。节气门开度检测、进气温度检测、进气压力检测和曲轴转速检测主要用于检测传感器信号是否真实有效，若传感器信号超出限值则设置失效保护值。传感器失效检测通过布尔量fail_Lamp来控制故障灯亮灭。空燃比控制器运行模式分为4个子状态：初始化子状态(Initial)、正常子状态(Normal)、挂起子状态(Suspend)和停止子状态(Stop)。由变量AFR_clc_Switch和AFR _control_ Switch根据发动机运行状态来控制氧传感器信号计算模块及控制算法模块的运行。当发动机处于怠速工况时，需将空燃比控制器设置为初始化状态；当发动机处于急加速或急减速工况时，将空燃比控制器设置为挂起状态，直到发动机处于稳定工况下时再运行；当检测到传感器信号失效时，将停止空燃比控制器的运行。

图3 模式调度模块Stateflow状态

1.3 空燃比控制器控制算法模块

由于控制算法模块所输入的氧传感器信号为开关量信号，无需微分控制来提高动态响应，因此控制算法模块采用PID控制中的PI控制器实现。图4示出控制算法控制过程。首先在Simulink环境下通过软件仿真得到控制参数Kp和Ki初始MAP表，再通过台架试验在各个工况下对控制参数Kp和Ki进行整定和优化，得到最终较为准确的MAP表。

图4 控制算法开发框图

得到控制参数Kp和Ki后，需将其应用至无氧传感器闭环控制算法中。图5示出Simulink环境下搭建的控制算法模块逻辑框图。其中error为当前工况下的的燃油误差量，SW为控制算法模块的复位开关量。Kp和Ki参数由负荷LOAD和发动机转速RPM查询MAP表所得，并输入PI控制算法模块得到最终空燃比修正量Uk。模块中的离散PI控制算法见式(2)。

(2)

图5 控制算法内部逻辑框图

2 模型仿真测试

在Simulink环境下对模型功能性和可靠性进行测试。模型测试环节使用Simulink vertication and validation、Model Advisor和Design Verifier生成测试框架，完成对模型的测试验证。

图6示出氧传感器信号计算模块的单元测试Simulink模型。该测试模型主要输出两种信号，空燃比控制模型所输出的模拟信号以及实际试验输出信号。通常小型汽油机排放测试都采用五工况测试法，5个工况负荷率分别为0%，25%，50%，75%和100%。由于小型汽油机运行工况大多数处于中等负荷，因此在测试模型中，负荷率选取15%，25%，50%，75%和90%，转速在1 000～3 000 r/min范围每隔200 r/min取值。通过input输入模块采集节气门开度、进气温度、进气压力以及有效燃油喷射脉宽，模型输出两个试验数据，分别为空燃比值AFR_result和氧传感器电压信号值O2_result。outputs模块输出实际的试验数据。最后，在Scope模块中比较氧传感器信号计算模块的结果与试验结果。

图6 氧传感器信号计算模块单元测试Simulink模型

图7中以深色线显示氧传感器信号计算模块计算得到的空燃比AFR_Model，可以看出与实际试验结果(浅色线显示)近似吻合。图7中，用深色标记氧传感器信号计算模块所得信号值O2_Result, 若空燃比数值超过14.67，氧传感器输出为80 mV，若空燃比数值低于14.67，氧传感器输出为700 mV，与氧传感器实际数值基本一致，并且与实际氧传感器信号相比抗干扰性更强，误差值更小。测试结果表明氧传感器信号计算模块设计的算法实现了空燃比精确计算和模拟氧传感器信号输出功能。

图7 氧传感器信号计算模块计算结果和试验结果比较

3 台架试验

搭建发动机试验台架(见图8)，验证空燃比控制器控制效果。台架主要由电脑、电控柜、汽油机、以及测功机等组成。

图8 发动机试验台架示意

本研究选择的测试样机为灵敏度及经济性都较高的170F通用小型汽油机，标定功率4 kW，标定功率转速3 600 r/min；选用CWF75电涡流测功器及其测试系统和Horiba MEXA-7200D气体分析仪。

3.1 控制参数整定

在Simulink环境下，设置不同工况进行模型在环仿真，可得到控制参数Kp和Ki的初始值，但控制参数Kp和Ki仍需在台架上进行整定和优化，之后绘制MAP表。

在台架上整定参数Kp和Ki时，首先需要保持氧传感器信号频率呈一定规律并且占空比为50%左右；其次要保证氧传感器信号在正常工作范围0.5～3.5 Hz；最后要保证空燃比控制器对发动机运行无影响，根据170F小型汽油机的工作特性，应保持转速波动在±50 r/min。整定完成后，利用Matlab中的cubic函数，通过立方差值优化方式来将数据中的奇异点剔除，并使整体数据的连续性得到保证。

图9示出控制参数Kp的MAP表。随着发动机转速和负荷的增大，发动机供油量也不断增大，若要将空燃比仍控制在14.7附近，需要增大燃油喷射的修正量。因此，控制参数Kp随发动机转速和负荷的增大而增大。

图10示出控制参数Ki的MAP表。在转速1 000～3 000 r/min、负荷15%～90%的工况下，控制参数Ki的数值从2到7随机变化。

图9 Kp参数MAP表

图10 Ki参数MAP表

3.2 空燃比控制器模型控制结果及精度

台架试验过程中试验环境温度应保持恒定。以2 500 r/min运行发动机并预热20 min，使发动机处于最佳工作温度范围内。通过对比氧传感器信号计算模块估算信号与实际采样信号，并使用Lambda仪实时采集汽油机空燃比，来验证模型对空燃比的控制精度。

标定界面中无氧传感器信号即空燃比控制器模型实时计算出的氧传感器电压信号值，由于氧传感器信号为开关量信号，仅通过判断混合气浓稀来控制空燃比，所以可根据信号频率来判断空燃比控制效果(见图11)。以转速为2 800 r/min，负荷率为25%，50%，75%的工况为例。负荷率为25%的工况下，氧传感器信号值频率在1～1.4 Hz之间，氧传感器模型信号频率在0.8～1.2 Hz ；负荷率为50%的工况下，氧传感器信号频率在0.6～1.2 Hz之间，氧传感器模型信号频率在0.6～1.3 Hz；负荷率为75%的工况下，氧传感器信号频率在0.6～1.2 Hz之间，氧传感器模型信号频率在0.4～1.1 Hz 之间。综上氧传感器模型信号频率变化与氧传感器信号频率变化相似且都在0.6～1.4 Hz变化，且不同工况下频率变化基本一致，表明所开发氧传感器模型基本可替代氧传感器模型完成空燃比控制，并且所设计空燃比控制器可精确将空燃比控制在14.67附近。

图11 氧传感器模型信号值

除通过氧传感器信号变化频率来验证空燃比控制效果外，试验中还利用Lambda仪实时采集当前空燃比来进一步验证所设计空燃比控制器的控制精度。Lambda仪的采样周期为500 ms，共测试12个工况下的2 000个数据，这12个工况为2 000 r/min，2 500 r/min和3 000 r/min转速下负荷率分别为25%，50%，75%和90%的工况。图12示出数据采集结果，2 000个数据点中空燃比在14.31～15.01范围内的有1 955个，占总体的97.75%。由于实际台架试验中温度、湿度及大气压力等因素的影响，存在一定的试验误差，此外测量误差也会影响空燃比控制精度，因此测试中会存在少数奇异点数据，但大部分数据点落在预计范围内且奇异点误差也未超过0.3。综上，测试数据较为准确可信，可进一步验证所设计空燃比控制器的控制精度较高，且可将空燃比控制在14.31～15.01范围内，所设计空燃比控制器基本可以适用于目标发动机。

图12 空燃比数值采集数据

3.3 无氧传感器电控汽油机与原机对比

对使用基于氧传感器模型的空燃比控制器的小型汽油机进行排放测试，并与使用氧传感器闭环控制的原机进行对比。根据三效催化器工作原理，在空燃比14.7附近催化剂转化率最高，随空燃比增加CO和HC化合物排放降低，NOx排放增加[10]。从表1可见，无氧传感器空燃比控制模型可将空燃比稳定在14.31～15.01，汽油机的CO排放值为257.2 g/(kW·h)，HC+NOx排放值为8.18 g/(kW·h)，低于EPAⅢ排放限值，且有足够的劣化余量满足排放法规要求[11]，与通过氧传感器反馈控制的原电控小型汽油机相比排放差异不大。结果表明所设计氧传感器模型可以替代氧传感器实现发动机空燃比的精确控制。

表1 氧传感器模型控制与原电控系统对比

4 结束语

采用软件代替硬件的思想，设计了一种空燃比控制器模型，通过建立氧传感器模型替代氧传感器实物，在保证空燃比计算精度的同时节约电控系统开发成本。模型仿真测试结果表明空燃比控制器计算得到的空燃比及氧传感器模拟信号与实际试验采样结果近似吻合，该模块输出的空燃比和氧传感器模拟信号准确可靠。

在发动机台架中完成Kp和Ki参数整定，并验证控制器控制精度。试验结果表明，空燃比控制器模型可准确输出氧传感器信号，并将空燃比精确控制在14.31～15.01范围内。通过排放测试对比，无氧传感器汽油机与原机排放性能基本相同，所设计氧传感器模型可以替代氧传感器实现发动机空燃比精确控制。