基于扭矩模型的汽油机电控系统怠速控制

余龙

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

发动机怠速工况是指发动机在不对外做功的情况下，以最低转速稳定运转的状态[1]。发动机怠速工况性能的表现，直接影响对汽车驾驶性能优劣的评价，而且也影响到车辆的经济性和尾气排放[2]。因此，对怠速稳定性的控制是发动机控制研究的重要内容。文章基于扭矩模型的怠速控制展开研究，对比传统的以步进电机作为怠速执行器的怠速控制系统，其可以通过对发动机在怠速工况下扭矩需求的控制来实现怠速控制，并通过扭矩储备控制，将发动机转速控制在目标怠速附近。由于怠速系统具有时变性、非线性以及不确定性等特点，采用上述控制方法可以改善发动机在怠速工况下的动态特性，使发动机怠速性能良好[3]。

1 怠速控制方法及策略简介

由于发动机怠速工况的特殊性，电喷控制发动机怠速控制的主要目标为：防止发动机在怠速运转中熄火；发动机怠速转速波动在合理范围且要避免转速波动频率对驾驶员及乘客造成不适的影响；发动机从高转速进入怠速工况，及时将发动机转速平稳控制在目标怠速转速附近。

为了满足电控发动机怠速性能的要求，基于扭矩模型的电控汽油喷射系统对汽油机怠速控制方法采用了目标怠速转速控制：扭矩“比例- 微分、积分”控制（通常称为PID 控制）、扭矩储备控制以及怠速自学习控制。

1.1 比例-微分控制

比例-微分控制的逻辑，如图1 所示。

图1 比例-微分控制逻辑图

根据图1，可以推导出：

其中：u（t）=Ni,t-N（t）

式中：kP，kD——比例、微分放大系数；

y（t）——输出扭矩变化量，N·m；

Ni,t——怠速转速目标值，r/min；

N（t）——发动机转速，r/min。

当自变量u（t）发生突然的变化，比例-微分控制器通过乘以不同的放大系数输出y（t），对u（t）进行控制。也就是说，由于外界因素造成发动机转速发生突然变化，通过比例-微分控制器输出控制扭矩变化量，通过扭矩模型协调，对发动机的输出扭矩进行控制，进而控制发动机转速变化。

比例-微分控制可以通过扭矩干预，对发动机转速的突然变化进行调整，但是对于发动机转速与目标怠速转速的偏差却无法应对，因此需要引入积分控制对转速偏差进行调整。

1.2 积分控制

积分控制的逻辑，如图2 所示。

图2 积分控制逻辑图

图2可以由式（2）表示。

式中：kI——积分控制因子。

根据式（1）及对 u（t）的定义，当 u（t）＞0 时，y（t）逐步增大，进而 u（t）逐渐减小，直至 u（t）=0；反之，当u（t）＜0 时亦然。因此，通过积分控制器，可以逐步减小目标怠速转速设定值与发动机实际转速的偏差，实现怠速转速的精确控制。这里需要注意，kI不能设置过大，否者将会使输出扭矩变化太大，从而导致发动机转速的波动。

1.3 怠速扭矩储备控制

发动机在怠速工况下通过增加发动机的进气量以及推迟点火提前角，从而实现扭矩储备的需求，而此时发动机的输出扭矩保持不变。随着发动机进气量的增加，点火提前角将设置在最佳点火提前角和最小点火提前角之间。当发动机点火提前角处于最小点火提前角时，可以获得最大的扭矩储备。

发动机在怠速工况下，由于设置了一定的扭矩储备，可以通过增加点火提前角来实现发动机扭矩增大的快速响应，从而克服外界负荷的突然增加对发动机怠速转速下跌（严重时甚至造成发动机熄火）的影响。但是随着扭矩储备的增加，发动机怠速油耗会增大。因此需要在发动机怠速油耗和怠速稳定性之间合理设置怠速扭矩储备值。

扭矩储备的设定一般遵循如下原则，如图3 所示。

图3 发动机怠速扭矩储备基本原则

从图3 可以看出，当发动机转速呈现持续下降的趋势且低于目标怠速转速时，需要提供一个相对较大的扭矩储备，使发动机在转速下跌的过程中能迅速输出较大的扭矩。当发动机的输出扭矩大于发动机的外部阻力后，发动机转速不再下跌，随后将逐渐上升。随着发动机转速的升高，逐步地减小发动机怠速扭矩储备，以降低发动机的怠速油耗。通过对发动机怠速扭矩储备的合理设定，使发动机怠速稳定性和经济性达到良好的平衡。

1.4 怠速自学习

汽车在长期使用过程中，随着发动机运动件及各附件、变速箱、空调压缩机的磨损，维持各部件稳定运转的扭矩发生了变化。怠速自学习功能就是为了补偿发动机扭矩损失的变化、空调压缩机扭矩需求的变化以及自动变速箱扭矩需求的变化，不断地自我修正这些扭矩，使得发动机在怠速工况下的运转保持良好的性能。

为了防止在怠速自学习过程中的错误学习，必须要严格设置自学习的条件。只有当满足了所有的学习条件后，怠速自学习才可以进行。通常自学习条件包括：发动机工作在怠速工况；电控系统相关各传感器没有故障；汽车处于停止状态；冷却液温度在自学习设定的范围内。

怠速自学习一般分为3 个独立的类型，分别为手动变速箱怠速自学习、自动变速箱怠速自学习和开空调怠速自学习，其逻辑关系，如图4 所示。

图4 怠速自学习类型判断逻辑图

图5 示出电控汽油喷射系统怠速控制原理[4]。

图5 电控汽油喷射系统怠速控制原理图

2 怠速工况扭矩需求

发动机工作在稳定怠速工况，节气门位置基本保持不变，发动机进气量可以看作是常数，因此发动机的功率也是常数，如式（3）所示。

式中：P——发动机功率，kW；

M——发动机指示扭矩，N·m；

N——发动机转速，r/min。

由于发动机功率是常数，因此，MN 为常数。发动机指示扭矩和发动机转速互成反比关系，可由双曲线来描述两者的关系。怠速工况下，当发动机转速大于目标怠速转速时，发动机输出扭矩减小；反之，发动机输出扭矩增大；当发动机转速与目标怠速转速相等，发动机输出扭矩与发动机扭矩损失相等。

因此引入一个怠速转速稳定因子，通过在发动机指示扭矩上乘以转速稳定因子，来实现发动机转速的自我稳定。当发动机转速大于目标怠速转速，转速稳定因子小于1，此时会减小发动机输出扭矩，发动机转速下降；当发动机转速小于目标怠速转速，转速稳定因子大于1，此时会增加发动机输出扭矩，发动机转速上升；当发动机转速等于目标怠速转速时，转速稳定因子等于1，发动机扭矩维持不变，如图6 所示。通过上述控制，实现发动机转速在怠速工况下的自我稳定。

图6 怠速转速稳定因子曲线

在发动机转速从高转速回落至怠速的过程中，为了防止发动机转速长时间处于高怠速状态（怠速转速挂住），或转速下跌过于迅速，导致发动机转速低于目标怠速过多，造成发动机抖动甚至熄火，需要尽早进入怠速控制。

为了允许怠速控制器及时进入控制，发动机目标怠速转速会跟随实际的发动机转速。通常情况下，这个动态的目标怠速转速用发动机的实际转速与1 个修正因子相乘获得，随后该目标怠速通过一定的时间滤波与当前稳态目标怠速平滑衔接，以确保发动机转速平稳降至稳态目标怠速。

发动机从高转速回落至目标怠速过程中，发动机扭矩需求一般可以分为3 个阶段，如图7 所示。

1）减速断油工况（阶段1），发动机不做功，扭矩需求为发动机的扭矩损失，一般情况下等于发动机当前工况摩擦损失与泵气损失之和（扭矩为负值）。发动机指示扭矩为0。

2）恢复供油进入怠速控制至稳定怠速控制阶段（阶段2），发动机扭矩需求在发动机扭矩损失与稳态怠速扭矩需求之间过渡，确保发动机转速平稳回落（扭矩从负值到0）。发动机指示扭矩从零值到当前工况扭矩损失之间过渡。

3）稳态怠速控制阶段（阶段3），发动机扭矩需求为稳态怠速扭矩需求，扭矩值在目标怠速点为0。指示扭矩为发动机扭矩损失。

3 结论

通过上述控制方法综合作用，发动机获得了良好的怠速稳定性，从而满足了用户对汽车驾驶舒适性的要求。文章仅介绍了在平原及常温下怠速控制的基本策略及方法，由于汽车使用环境及发动机工作温度、压力的变化不同，还需要对控制方法及策略做进一步完善。随着发动机技术的不断更新及控制技术的不断升级，发动机的怠速控制策略及方法也将会不断进步。