高压共轨柴油机工作不均匀性信号控制仿真研究*

王伟超 韩继光 黄峻伟 胡 鸾 高胜松

（1-云南农业大学机电工程学院 云南 昆明 650500 2-云南工程职业学院汽车机电学院）

引言

高压共轨柴油机在低怠速、小转矩的工况下运行时，由于出厂时各缸的制造误差，使用过程中各缸磨损状况不同，各缸喷油的循环变动、进气的循环变动、燃烧的循环变动以及缸内密封情况不一致等原因，使发动机的输出转矩出现差异，从而造成发动机转速小范围的波动，出现工作不均匀的情况。随着柴油机高压共轨技术、精密传感器技术的发展，已有效地控制各缸进气、喷油以及燃烧循环变动所产生的工作不均匀性[1]。

各缸不均匀工作可导致工作振动和噪声增大，恶化发动机的声振粗糙度（NVH）特性，甚至影响发动机的使用寿命[2-3]。当发动机在低怠速工况运行时，由各缸不均匀性所产生的规律性抖动表现得尤为明显，极大地影响了高端乘用车的怠速舒适性。在电控柴油机中，针对由各缸的制造误差或使用过程中磨损不一致所产生的各缸工作不均匀，相应增加或减少不均匀缸的喷油量[4-5]，是消除不均匀性的有效方法。因此，实时、有效的油量修正控制策略的制定显得尤为重要。

1 不均匀信号数据流及物理意义研究

不均匀性信号数据流处理流程如图1所示。

图1 不均匀性信号数据流处理流程图

转速传感器从飞轮的信号齿处提取瞬时转速信号，并将瞬时转速信号转化为正弦电压信号，经过比较电路将正弦信号处理成方波信号，再精确测量各方波所对应的时间长短（定义为时段，此时的信号定义为时段信号），时段信号经过低通滤波、重采样、信号放大等数字信号处理过程，获取准确的曲轴信号齿时段变化信息。过程如图1a所示。

将凸轮轴的旋转频率定义为基频，以800 r/min为例，基频约为6.67 Hz。依据往复式发动机动力学特性可知，当各缸均匀工作时，各缸所受的摩擦阻力基本一致，瞬时转速的波动只受缸内爆发压力和活塞连杆组、曲轴飞轮组的往复惯性力的影响[1]。此时的转速波动频率所对应的幅值较大，转速波动频率约为 4倍基频（26.67 Hz）、8倍基频（53.33 Hz）等，此时的1倍、2倍基频对应的幅值非常小。频域信号研究[6]表明，四缸发动机工作不均匀时，频域信号在1倍基频和2倍基频上会出现较大幅值。可用2个中心频率分别为1倍基频和2倍基频的带通滤波器滤出2阶次下不均匀性的波动情况，将2个滤波结果叠加在一起，可以体现发动机的工作不均匀性[7]。

各缸工作不均匀性的检测[8]和油量修正控制是一个高精度的动态信号采集和数字信号处理过程。周泉等人[7]对不均匀信号的提取以及信号物理特征进行了研究。不均匀信号的精确提取以及在不同工况对信号特征的准确描述，为研究消除发动机工作不均匀性控制策略提供了依据。针对不均匀信号与修正油量之间的量化关系，结合不均匀性信号特征研究成果，采用功能划分法将油量修正策略划分为5个功能模块进行研究。包括不均匀性结果输出的峰值界定模块研究、不均匀性工作范围的划分模块研究、油量计算模块（PI积分器）研究、转速-油量权值计算模块研究和积分结果输出限制模块研究等。过程如图1b所示。结果如图2所示。

图2 信号提取数据流结果

2 不均匀性控制策略研究

2.1 不均匀信号的峰值界定模块研究

在信号特征研究中发现，检测到的不均匀信号不是所有情况都要转化为修正油量。较小的不均匀信号有2种情况：一种是不均匀信号很小，对发动机的转矩输出影响很小，可忽略不计；另一种是传感器从信号齿采集原始数据时，由于齿形误差以及干扰等原因，不能保证零采集误差，采集误差会产生较小的信号。当这2种小信号的峰值在设定最小峰值之间（-dMemin,dMemin）时，认为此时发动机工作是均匀的，程序会把这个均匀指令传递给控制单元（ECU），关闭控制功能；当信号峰值大于最大设定峰值（-dMemax或dMemax）时，如图3中的A点，此时发动机已处在非正常运行工况或者存在故障，如拉缸等，程序会输出engine_error指令，并且关闭控制功能。

图3 不均匀性的界定范围图

2.2 工作不均匀范围划分模块研究

根据前期各缸不均匀信号物理意义以及信号特征的研究可知，各缸工作不均匀性信号特征在一定工况范围内主要受当前转速和主喷油量等2个条件限制。根据不同当前转速和主喷油量的信号特征，不均匀性控制范围主要划分为3个大区域：闭环控制区、开环控制区和冻结控制区。根据当前油量与转速等2个坐标，开环控制区又细分为8个小区域。具体划分如图4所示。在闭环1区，PI积分器会对检测到的信号直接积分；在开环6、7、8、9区，控制功能会根据相应的控制策略，调用相应闭环区边界上的点A、B、C、D的积分值，然后乘以相应的权值，得到最终的修正油量；在开环2、3、4、5区，控制功能会调用通过插值法得到的闭环区边界相应线段AD、BC、CD、AB上的积分值，然后乘以相应的权值，得到最终的修正油量；在冻结控制区（开闭环区域以外的区域），控制功能关闭。

2.3 PI积分器的设计

图4 工作不均匀性区域划分图

PI积分器是不均性控制功能的主要部件，它可以把不均匀性检测功能的结果量化为修正油量，同时为开环区的修正油量提供可调用的数据。鉴于修正油量相对于主喷油量要少很多，一般不会出现超调的现象，所以选用PI积分器可实现对各缸不均匀性结果精确量化。选取PI积分器的公式如下：

式中：FBC_q为在某一缸内PI积分器对此缸不均匀性所对应时段偏差的积分结果，即某一缸不均匀性的修正油量，mg/cyc；kp、ki为 PI积分器的调节参数；ei反映了目标时段偏差dMe=0和实测时段偏差dMe（i）之间的偏差；ec（i）反映了 ei变化率。

把不均匀结果图（图2g、图2h）中的齿数作为自变量x，把时段偏差所对应的修正油量作为函数值，则有：

2.4 转速-油量权值计算模块

控制功能在开闭环区都存在权值的计算，权值分为转速权值和油量权值。闭环区内的转速权值和油量权值都等于1；开环区内的转速权值和油量权值根据相应的公式计算得到。具体的计算逻辑如图5所示。开环区的修正油量是用调用值乘以转速权值，再乘以油量权值。其中，油量q的单位为mg/cyc，转速n的单位为r/min。

2.5 积分结果输出限制模块

在PI积分器运行时，为防止特殊工况时积分结果过大，使得过多的修正油量修正到气缸中，在控制策略的设计中，会考虑对PI积分器相应的部件进行限制。

图5 转速-油量权值计算图

在设计过程中，考虑到I部件是积分部件，特殊工况时会出现修正油量累加过多的情况，因此必须对其输出结果进行限制；此外，设计时还要对P部件和I部件的输出总和进行限制。2个限制都是通过限制曲线FBC_qLim_CUR实现的。限制曲线和限制图分别如图6和图7所示。

图6 油量限制曲线

图7 修正油量输出限制图

3 控制策略的程序实现

根据图4中闭环区的边缘线段AD上的点对应的不均匀性曲线，对当前油量为20 mg/cyc，几个不同的转速点进行积分。所得不均匀性曲线及修正油量结果如图8所示，每一缸在这几个工况点都会得出相应的修正油量，将这些修正油量连接成一条曲线，供开环区的工况点以差值的方法调用。

图8 当前油量为20 mg/cyc时各转速下的不均匀曲线及修正油量图

在不同转速下，4个气缸的修正油量如表1所示。其中，FBC_q-i为第i缸的修正油量，mg/cyc。

表1 当前油量为20 mg/cyc时不同转速对应的修正油量 mg/cyc

当发动机处在开环6区某一工况点时，例如：转速为760 r/min，当前油量为22 mg/cyc。根据图5中的逻辑运算，转速权值等于0.6，油量权值等于0.4。其积分值是调用A点（800 r/min，20 mg/cyc）的值。4个气缸的修正油量都是用这个积分值乘以转速权值和油量权值，最终4个气缸当前所需要的修正油量都为 0.23×0.6×0.4=0.06 mg/cyc。同理可得开环 7、8、9区各缸的修正油量。

当发动机处在开环2区某一工况点E点时，例如：转速为850 r/min，当前油量为23 mg/cyc。根据图5中的逻辑运算，转速权值等于1，油量权值等于0.6。转速权值的积分值是调用线段AD上对应的E′点（转速为850 r/min，当前油量为20 mg/cyc）的积分值；各缸的修正油量是4个气缸分别在E′点的积分值，该值是由线性插值法得到的，即1缸-0.375mg/cyc、3缸0.15 mg/cyc、4缸-0.51 mg/cyc、2 缸 0.76 mg/cyc。然后将它们分别乘以转速权值和油量权值，得到各缸的修正油量分别为：1缸-0.23 mg/cyc、3缸0.09 mg/cyc、4 缸-0.31 mg/cyc、2 缸 0.46 mg/cyc。同理，可得开环4、5、6区各缸的修正油量。

4 结论

1）通过不均匀信号的峰值界定模块的设计，可以关闭由数据采集引起的很小的不均匀信号所对应的油量修正和正常采集到的很小的不均匀信号所对应的油量修正，还可以关闭如拉缸等恶劣工况时的油量修正。

2）通过积分结果输出限制模块的设计，可限制在正常的不均匀工况下对应的修正油量，使修正油量控制在限制范围内。

3）PI积分器的设计，既考虑到I模块对修正油量偏差积累，又考虑到P模块对不均匀性趋势判断及修正功能，可以提高油量修正的时效性。

4）工作不均匀性范围划分模块和转速-油量权值计算模块，可使控制功能在开闭环区及时切换以及平稳过渡，通过修正油量体现出不均匀性是随着转速、油量的不同而变化的。