汽油发动机转矩模型标定方法策略研究

柳启元 孙建军 刘义强 方会咏 张慧君 朱 允

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

目前国内汽油发动机基本都采用基于转矩控制的发动机管理系统，转矩控制的精度决定了整车的驾驶性表现、发动机与变速器或者电机的有效配合时机以及整车怠速控制的平稳性，怠速转矩储备的精度影响怠速控制，从而直接影响对汽车驾驶性能优劣的评价[1]。转矩控制精度决定了驾驶员的动力感受和驾驶舒适性。因此，基于转矩控制的控制策略在发动机管理系统开发中逐渐获得应用[2]，发动机火路转矩控制精度主要受发动机的指示转矩、转矩损失（包括发动机泵气损失和摩擦损失）、最优点火角及点火角效率影响。

发动机点火提前角对汽油机的工作性能影响较大，提前角偏离最佳值将会使汽油机热效率下降。据统计，如果点火提前角偏离最佳值10°CA，则热效率将下降5%[3]，因此，最优点火角决定了发动机在同一工况下的转矩峰值，对应的发动机点火角效率最高。当发动机的最优点火角过大或过小时，都会造成点火角效率的偏移。最优点火角需根据转矩表现与点火角效率曲线共同计算拟合，其中点火角效率的拟合将采用构建正弦函数的方法进行离线拟合。而发动机的指示转矩及转矩损失可以通过燃烧分析仪测量计算得到。

本文在汽油发动机台架试验的基础上，提出了点火角效率曲线、最优点火角和发动机指示转矩的标定方法，通过离线计算对发动机的火路转矩模型进行标定优化，保证发动机的火路转矩精度。

1 标定优化策略

1.1 计算指示转矩

样机指示转矩计算逻辑如式（1）所示，通过发动机万有特性采集发动机各转速工况下的平均指示有效压力，计算得到发动机各工况下的指示转矩。利用Simulink 搭建指示转矩模型，得到指示转矩MAP图，如图1 所示。

图1 指示转矩模型

式中：IMEP_H为平均指示有效压力，单位为MPa；V为发动机排量，单位为mL。

1.2 构建点火角效率曲线

由于点火角效率为一条曲线，如图2 所示，因此很难用数据强行拟合后可以覆盖所有的工况点，参考点火角效率趋势线，我们认为点火角效率线为两个正弦曲线相加得到，为此我们将点火角效率线用两个正弦函数相加重新构造，如公式（2）所示，其中a1、b1、c1、d1、e1、f1为求解参数，决定点火角效率的线型，η点火角为点火角效率，x 为点火角相对最优点火角的推迟角度。

图2 不同汽油机机型点火角效率曲线

由点火角效率线可知，当点火角为最优点火角时，点火角效率为1，即x=0，η点火角=1；此时，点火角效率线的导数为0，即x=0，η点火角′=0。根据上述已知解，可以求出如公式（3）所示的η点火角。其中a=b1，b=c1，c=e1，d=f1，通过如上求解过程，我们将点火角效率线由6 个位置参数简化为由4 个位置参数组成的正弦组合函数。将公式（3）作为点火角效率线函数重新构建simulink 模型，如图3 所示。

图3 基于正弦函数构建的点火角效率模型

1.3 构建最优点火角

最优点火角基于基础点火角搭建，最优点火角为发动机在各工况下所能输出最大转矩时的点火角，通常最优点火角要大于等于基础点火角，基础点火角在发动机小负荷区域工作时等于最优点火角，在发动机中大负荷区域工作时基础点火角为爆燃边界时的点火角，此时无法再增加基础点火角，否则发动机会产生较强的爆燃现象。因此，我们在拟合最优点火角时，构建一个基于基础点火角增加Offset 点火角的模型，用于最优点火角的最终输出。发动机的基础点火角可以通过万有特性数据进行填充拟合。Offset 点火角MAP 需约束为正值，如图4 所示。

图4 最优点火角模型

1.4 发动机转矩模型

当我们得到发动机的最优点火角、点火角效率以及指示转矩时，即可构建发动机的转矩模型。通过发动机的指示转矩与点火角效率、空燃比效率的乘积再减去发动机转矩损失即可得到发动机的实际输出转矩，如图5 所示。

图5 发动机转矩模型

将试验数据和Simulink 发动机转矩模型导入Matlab MBC 工具箱后，利用拟合优化程序得到最优点火角优化MAP_off 以及点火角正弦函数的4 个参数a、b、c、d。再将正弦函数计算得到的点火角效率曲线和最优点火角刷写到ECU 中，分别进行发动机万有特性试验及各工况的点火角退角试验，验证发动机转矩模型精度。

2 试验结果

2.1 指示转矩标定结果

发动机指示转矩标定结果如图6、图7 所示，根据发动机万有特性结果，得到不同转速和不同负荷的燃烧指示转矩输入，导入MBC 工具箱进行MAP标定，在保证指示转矩精度的前提下，标定MAP 尽量平顺。其中发动机指示转矩的标定结果如图6 所示，发动机指示转矩的标定偏差通过模型指示转矩减去实际指示转矩得到；通过图7 可知，标定的指示转矩偏差精度均在1 N·m 以内，标定结果较好。

图6 发动机指示转矩标定结果

图7 发动机指示转矩标定偏差

2.2 点火角效率标定结果

根据发动机万有特性数据，将基础点火角导入MBC 工具箱，进行基础点火角MAP 标定，得到基础点火角MAP，如图8 所示，根据不同发动机转速和负荷下的推迟点火角的转矩数据进行最优点火角及点火角正弦函数相关的4 个参数标定，最优点火角标定结果如图9 所示，点火角效率曲线标定结果如图10 所示。

图8 基础点火

图9 最优点火角

图10 点火角效率曲线标定结果

2.3 转矩模型标定结果

发动机的转矩模型标定结果在图11～图13 进行展示，图11 展示了发动机不同转矩下的转矩模型精度，图12 展示了发动机不同转速下的转矩模型精度，图13 展示了发动机不同输出点火角下的转矩模型精度，本次试验共采集了1 523 个发动机工况点，其中1 518 个工况点转矩模型精度在±5 N·m 以内，满足5 N·m 内精度数据占比达到99.67%，1 385 个工况点转矩模型精度在±2 N·m 以内，满足2 N·m 内精度数据占比达到90.94%。

图11 发动机不同转矩下的转矩标定结果

图12 发动机不同转速下的转矩标定结果

图13 发动机不同输出点火角下的转矩标定结果

由此可见，通过本文方法构建的转矩模型架构，并以此为依据完成发动机的转矩模型标定，进行标定后的转矩模型精度非常高。

3 结论

通过台架试验得到不同发动机转速和负荷下的推迟点火角的转矩数据，并基于本文正弦函数构建的点火角效率计算公式的方式搭建的转矩模型架构，可以在保证较高精度的前提下完成汽油发动机的转矩模型标定。对转矩模型的精度研究优化有较大的指导作用，可推广应用于汽油机发动机的其他项目。