用于柴油机扭矩控制的摩擦扭矩在线修正算法.docx

doi:10.11784/tdxbz201303052用于柴油机扭矩控制的摩擦扭矩在线修正算法赵华，宁锦标，谢辉，凌健(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)摘 要：发动机摩擦扭矩的精确估计对基于扭矩的发动机控制策略有重要意义机械磨损、老化、机油黏度恶化等因素会使发动机摩擦扭矩发生变化固定的摩擦扭矩 map 无法满足 ecu 全生命周期对摩擦扭矩精确估算的要求为解决此问题，建立了面向控制的摩擦扭矩模型，在此基础上设计了发动机运行过程的摩擦扭矩修正算法，选 择停机及高速断油工况用于摩擦扭矩的在线估计和修正离线计算及 ecu 在线测试结果表明，摩擦扭矩在线修正 算法能够有效提高发动机摩擦扭矩的准确性，可用于在线估计与修正柴油机摩擦扭矩 关键词：摩擦扭矩；在线修正；柴油机；电控单元-文章编号：0493-2137(2014)10-849-07中图分类号：tk427文献标志码：aon line correction algorithm of friction torque fordiesel engine torque controlzhao hua，ning jinbiao，xie hui，ling jian(state key laboratory of engines，tianjin university，tianjin 300072，china)abstract：the precise estimation of friction torque is essential for torque-based control in internal combustion en-gines. however，friction torque could vary significantly due to such factors as the wear and aging of the engine and the deterioration of oil viscosity. fixed map of friction torque is beyond the requirement of precise estimation of fric- tion torque in ecu during its full lifetime. to address this issue，an on-line friction torque correction algorithm was designed after a control-orient model of friction torque was built. two typical operation conditions，the engine stop process and injection shut-down process at high speed，were selected to estimate and correct friction torque on line. the results obtained by off-line calculation and on-line test in ecu demonstrated that the on-line adapted algorithm could improve the estimation accuracy of friction torque and showed an availability in estimating and correcting fric- tion torque of diesel engine on line.keywords：friction torque；on-line correction；diesel engine；ecu自 1997 年由 j. gethardt 教授提出了基于扭矩的控制算法后，基于扭矩控制的控制策略在发动机管理 系统(engine management system，ems)开发中逐渐 获得应用1在基于扭矩的发动机控制中，摩擦扭矩估计的准确性对扭矩的精确控制、快速启动控制、高转速负荷回怠速控制、发动机换挡控制的平顺性均有 重要影响因此，国内外均展开了摩擦扭矩模型的研 究，但多数研究均用于指导发动机的设计2或瞬态性能仿真3-6，而对摩擦扭矩实时估计及在线修正的研究相对较少然而发动机机械磨损、老化、机油黏度恶化等因素会使发动机摩擦扭矩发生变化，因而有必要进行摩擦扭矩的在线估计及修正丹麦奥尔堡大 学的 stotsky7在启动和怠速工况计算了实际摩擦扭 矩与参考 map 之间的偏差，并通过递归算法调整摩 擦扭矩 map；另外，他还通过利用傅里叶变换重构发动机转速波动，利用平均转速与转速振幅估计摩擦扭 矩，并利用最小二乘法调整摩擦扭矩 map8然而， 曲轴扭矩动态方程算法在起动工况下计算的摩擦扭矩误差较大，傅里叶变换重构转速波动算法没有在线验证通过平均转速与振幅估计摩擦扭矩的准确性收稿日期：2013-03-25；修回日期：2013-05-13基金项目：国家高技术研究发展计划(863 计划)资助项目(2012aa111706).作者简介：赵 华（1963），男，教授，hua.zhaobrunel.ac.uk.通讯作者：谢 辉，.网络出版时间：2013-11-08. 网络出版地址：http：//kcms/detail/12.1127.n.20131108.1555.012.html850天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 47 卷 第 10 期这两种方法的摩擦扭矩修正算法部分只进行了仿真分析，未通过试验在线验证最终结果的正确性 本文在高压共轨柴油机台架试验的基础上，建立了面向控制的摩擦扭矩模型，并提出了摩擦扭矩在线 估计及修正算法，通过离线计算及在线测试对摩擦扭 矩估计及修正算法进行验证2.1 ecu 中的摩擦扭矩 map 数据在基于扭矩控制的发动机 ecu 中，摩擦扭矩数据通常以固定的 map 形式存在图 2 为试验用的柴 油机出厂时通过倒拖得到的摩擦扭矩 map 数据然而，发动机使用过程中的机械磨损、老化、机油黏度 恶化等因素会使发动机摩擦扭矩发生变化 ，使得 ecu 的摩擦扭矩 map 不能满足发动机的整个生命 周期图 3 所示为通过电力测功机测量的当前摩擦扭矩值与 ecu 中的 map 数据的对比情况1发动机试验台架本文采用的发动机平台是高压共轨柴油机，发动机的主要技术参数如表 1 所示试验过程中采用天 津大学自主研发的电控单元 (ecu) 实现发动机控 制为满足柴油机倒拖工况等的试验需求，采用湘仪 动力测试仪器有限公司的 cac 交流电力测功机，该 测功机转速测量精度为1 r/min，扭矩测量精度为0.1%fs为实现不同温度下柴油机摩擦扭矩的测量，采用 fc2420 冷却液恒温控制装置控制发动机的水温来控制润滑油的温度发动机试验台架如图所示表 1 高压共轨柴油机的主要技术参数tab.1 main parameters of common rail diesel engine1图 2 ecu 控制器中摩擦扭矩 mapfig.2 friction-torque map in ecu图 3 中可以明显看到测量的摩擦扭矩值大于ecu 中的 map 数据，变化的平均值为 34 nm，因 此为了提高发动机 ecu 对摩擦扭矩估计的准确性， 有必要提出能在线修正摩擦扭矩的算法，而算法的核心是建立能够替换 ecu 中摩擦扭矩 map 并能在线 修正的摩擦扭矩模型，并在此基础上设计摩擦扭矩估 计及在线修正算法最高转速/图 1 柴油机试验台架fig.1 test bench of diesel engine图 3 当前的倒拖摩擦扭矩与 ecu 中的 map 的对比fig.3 comparison of friction torque between current dragging data and map2面向控制的摩擦扭矩模型首先分析基于扭矩控制的高压共轨柴油机 ecu中的摩擦扭矩 map 数据与发动机运行过程中实际 摩擦扭矩的偏差，根据摩擦扭矩 map 数据的特点，建立面向控制的基础摩擦扭矩模型，并利用摩擦扭矩map 数据对基础摩擦扭矩模型进行标定与验证2.2 基础摩擦扭矩模型的建立发动机摩擦扭矩主要受到边界润滑(独立于转速)、流体润滑(与转速成正比例关系)和湍流耗散(与 转速的平方成正比例关系)的影响heywood9给出了最基本的能表征发动机摩擦损失随着转速变化的缸数/排量布置形式燃油喷射系统6 缸/11.596 l直列，水冷，增压，中冷bosch 第 2 代共轨系统-(rmin 1)最大功率/kw最高扭矩/(nm)2 310353(2 100 r/min)1 973 (1 2001 500 r/min)2014 年 10 月赵 华等：用于柴油机扭矩控制的摩擦扭矩在线修正算法851tf = (159.27 0.002 986n +摩擦扭矩模型虽然人们也提出了不同的摩擦扭矩模型，但普遍认为摩擦扭矩主要受转速影响10-14因 此综合各类研究结果，摩擦扭矩与转速的关系可总 结为2 0.18 0.04 n )()(5)0 以下的ref100图 4 中利用30 和20 两组map 数据以及 60 、110 两组 20 以上的 map数据进行了验证在图 4 可以看到，模型与 map 数 据在趋势上是一致的，而且数值也比较接近，因此得 到的摩擦扭矩模型可以替代 mapt = c + c n + c n 2(1)ref123式中：c1、c2、c3 为系数；n为发动机转速；tref 为参考摩擦扭矩文献15-16都认为温度对发动机的摩擦扭矩影 响比较大，并且有如下的关系：ytf = tref (）(2)ref式中：y 是一个与润滑油及参考温度相关的系数；tf为摩擦扭矩； 为润滑油黏度；ref 为参考温度下的润 滑油黏度 可以根据不同润滑油的特性获得，本文研究的发动机中使用的润滑等级为 sae30，本文采 用与温度、压力的拟合公式3，即 = 7.849 105 参考温度为 20 时不同温度和转速下摩擦扭矩的map 与模型数据的对比comparison of friction torque between map and model data at different temperatures and speedswhen reference temperature is 20 图 43 2 exp( 8. 670 10 t 1. 531 1t + 1 361 + p )(3)t + 133式中：t 为润滑油温度；p 为润滑油压力105fig.4由于 ecu 的摩擦扭矩 map 数据只考虑了转速与温度的影响，因此基础摩擦扭矩模型也只考虑转速 与温度的影响关系由式(1)和式(2)得到发动机面 向控制的基础摩擦扭矩模型的表达式为同样地，当选择参考温度为 70 时，可以计算得到发动机的基础摩擦扭矩模型为tf = (101.08 + 0.002 648n + 0.04 n 2 )( )0.172 4 y2(6)tf = (c1 + c2 n + c3 n )()(4)ref 100ref2.3 基础摩擦扭矩模型的标定与验证在图 5 中也可以看到，模型与 map 数据有很好的一致性，因此本文建立的摩擦扭矩模型可以替代map 应用于发动机控制器中为了验证所提出的基础摩擦扭矩模型能否有效反映实际的摩擦扭矩数据情况，需验证出厂 map 数 据能否与模型符合因此可以通过 map 数据对基础摩擦扭矩模型进行标定得到发动机初始(出厂时)的 摩擦扭矩模型从式(4)可知，当选择一组参考温度 下的摩擦扭矩时，摩擦扭矩模型简化为只与发动机平 均转速相关的函数，因此可以用最小二乘法计算与转速相关的 3 个系数：c1、c2 和 c3再取另外一组温度 下的摩擦扭矩数据对黏度项的 y 系数进行求解摩擦扭矩 map 数据的温度范围为30120本文以 0 和 20 下的两组摩擦扭矩数据为 例，并以 20 作参考温度，此时式(4)简化为只与转 速相关的函数，可以使用最小二乘法计算系数 c1、c2和 c3另外，通过 0 时的摩擦扭矩数据可以计算式(4)中的 y 值，此时可以得到本文使用的发动机的基 础摩擦扭矩模型 参考温度为 70 时不同温度和转速下摩擦扭矩的map 与模型数据的对比comparison of friction torque between map and model data at different temperatures and speedswhen reference temperature is 70 图 5fig.5天津大学学报(自然科学与工程技术版)852第 47 卷 第 10 期从以上分析可知：采用两组不同温度下的摩擦扭矩数据可以确定发动机的基础摩擦扭矩模型系数，选 择不同的温度作为参考温度可以得到不同的模型系数，但对建模精度没有明显的影响只要在发动机的 动态运行过程中获得两组不同温度下随着转速变化 的摩擦扭矩数据，就可以实现摩擦扭矩模型系数的动 态修正因此，可以利用此模型设计摩擦扭矩动态修正算法运行过程中估计摩擦扭矩发动机扭矩平衡公式为j = ti tf tl(9)式中：j 为发动机的转动惯量；t 为指示扭矩；t 为发il动机的负载扭矩由式(9)可知曲轴的角加速度与指示扭矩、负载扭矩、摩擦扭矩相关，由于在车用发动机运行中无法 预知曲轴的负载扭矩，并且在 ecu 中，指示扭矩的 计算是通过油量与转速来拟合，并不能得到准确的 值若要计算摩擦扭矩，需要排除存在指示扭矩与负载扭矩的工况，因此，停机和高速停油工况是较好的 选择停机时发动机转速较低，而高速停油发生在转 速较高的区域，因此选择在发动机停机和高速停油工 况进行摩擦扭矩的估计，可以得到不同转速下的摩擦扭矩数据 然而，在这两种工况下，发动机的转速是快速下降的，使得计算某一稳定转速下的摩擦扭矩较为困 难因此需要进一步研究在停机或高速停油工况下估计稳定转速摩擦扭矩的方法3.3 摩擦扭矩估计方法在发动机停机或高速停油工况下进行摩擦扭矩的估计，由式(9)可得3摩擦扭矩模型在线修正算法由第 2 节可知，可利用两组不同温度下随转速变化的摩擦扭矩数据设计动态修正摩擦扭矩模型的算 法首先对基础摩擦扭矩模型进行改进，确定在线修正的模型系数，然后确定摩擦扭矩在线估计的工况并 设计摩擦扭矩估计方法，从而实现摩擦扭矩模型的在 线修正3.1 摩擦扭矩模型修正算法由式(4)可知，当发动机摩擦扭矩随时间发生变 化时，系数 c1 、c2 和 c3 可以通过参考温度下的摩擦扭矩值进行重新拟合；黏度项中的 y 值已由 map 数 据标定但同一温度下的润滑油黏度会随时间变化，在发动机运行过程中对摩擦扭矩模型进行修正时，需 要在黏度项中加入一个黏度变化量 (t ) 由于润滑油的黏温特性，黏度变化量 (t ) 可以看作是一个与 温度相关的系数因此，摩擦扭矩模型修正为22t = j = j 1 2(10)f2(2 1 )式中：1 、2 为发动机曲轴转角； 、 分别为 、1122 下的转速由于停机或高速停油工况下转速是快速下降，所以式(10)中的 j 不能适用于稳定转速下的摩擦扭矩 估计，因此需要建立倒拖摩擦扭矩与停机转速的数学 关系，实现在停机工况与高速停油工况估计稳态摩擦扭矩本文通过定义等价倒拖转动惯量来解决以上 的问题，即利用倒拖摩擦扭矩及停机转速波动进行转 动惯量的拟合，从而得到等价倒拖转动惯量yt = (c + c n + c n 2 ) + (t ) (7)f 123 ref + ref 在发动机运行过程中，在确定的时间窗口内，润滑油的黏度特性可看作定值在线修正摩擦扭矩的 目的是为了得到更接近于当时发动机实际的摩擦扭 矩，由此对式(7)进行简化，只取 (t ) 为常数 ，式(7)变化为 t2( 2=1 ) dragj(11)drag 2 212 + tf = (c1 + c2 n + c3 n )(2y)(8)式中 j为等价倒拖转动惯量ref + drag如图 6 所示，通过计算得到等价倒拖转动惯量为式(8)为摩擦扭矩动态修正模型，在线修正方法为：在发动机运行过程中估计两组不同温度下的摩擦 扭矩值，通过参考温度下的摩擦扭矩数据拟合系数j= 7.9 kg m drag2通过等停机或高速停油工况下的转速进行摩擦扭矩的估计在发动机停机或高速停油工况下摩擦扭矩的计算公式为c 、c 和 c ，选择另外一组与参考温度不同的摩擦123扭矩数据拟合y 在初始标定时已经计算出来，是已知的，如参考温度为 70 时 y0.172 43.2 摩擦扭矩在线估计的工况选择为了实现摩擦扭矩在线修正算法，需要在发动机1 222t = j(12)f drag2(2 1 )本文中选择 2 1 = 4 ， 和 分别为循环平122014 年 10 月853赵 华等：用于柴油机扭矩控制的摩擦扭矩在线修正算法均转速况下的转速，离线估计摩擦扭矩，并通过最小二乘法拟合系数 c1 、c2 、c3 可以得到0.025= 126.66 0.005 609 7 n +nt2(13)f,ref100选择参考温度为 70 时的摩擦扭矩模型进行修 + 正，此时黏度项的 y 值为 0.172 4，令 a= (则由式(8)和式(13)可得y) ，ref + t = a(126.66 0.005 609 7 n + 0.025 n 2 )(14)f100图 6 等价倒拖转动惯量fig.6 equivalence of dragging moment of inertia利用另外一组温度下离线估计的摩擦扭矩值对 t黏度项进行修正，本文选择 54 下转速估计的摩擦 扭矩进行模型系数 a 的拟合，此时式(14)是一元线 性方程，利用最小二乘法可以得到 a1.140 5，0.295，因此通过离线修正的摩擦扭矩模型为t = (126.66 0.005 609 7 n +f4摩擦扭矩模型离线及在线测试结果4.1 摩擦扭矩估计离线测试结果在正常停机工况下，转速一般是在怠速转速以下，只能获得比怠速转速小的摩擦扭矩值为了获得 更高转速的摩擦扭矩，需在高速停油工况下进行摩擦 扭矩估计图 7 为 70 时高速停油工况下也利用循环平均 转速法计算的摩擦扭矩值由图 7 可以看到，计算的 摩擦扭矩与倒拖的摩擦扭矩有很好的一致性虽然 有一定的误差，但是绝对偏差小于5 nm对于重型柴油机来说，是可以接受的故上述对比结果表明 在停机或高速停油工况下可以通过等价倒拖转动惯 量来估计稳态转速下的摩擦扭矩0.025 + 0.29520.172 4n )()(15)ref + 0.295100将同一温度下倒拖的摩擦扭矩与离线修正后的模型计算出来的摩擦扭矩进行对比图 8 中为参考 温度分别是 70 、64 、54 、39 时的当前摩擦 扭矩与离线修正模型计算出来的摩擦扭矩对比从图 中可以看出，离线修正后的模型计算出来的摩擦扭矩能够较好地适应实际的摩擦扭矩图 8 实际测量的与离线修正的摩擦扭矩对比fig.8 comparison of friction torque between actual measurement and off-line estimation图 7 摩擦扭矩离线估计fig.7 off-line estimation of friction torque图 9 为提取图 8 中 39 时的摩擦扭矩与前期标定 map 中的摩擦扭矩进行对比，由图中可以看到， 原来 map 与倒拖的摩擦扭矩的平均偏差相对比较 大，平均偏差为 34 nm；而离线修正模型计算的摩擦扭矩与倒拖的摩擦扭矩比较接近，平均偏差小于5 nm，因此离线修正模型比 map 得到更准确的 摩擦扭矩值此结果表明摩擦扭矩修正算法可以使 修正后的摩擦扭矩更接近实际的摩擦扭矩值4.2 修正算法离线测试结果以参考温度为 70 的摩擦扭矩模型为例介绍利用平均转速估计的摩擦扭矩值对摩擦扭矩模型进行 离线修正由式(8)可知，速度项系数 c1 、c2 、c3 的修正可取参考温度下随着发动机转速变化的摩擦扭矩值进行标定在 70 时，利用发动机停机及高速停油工854天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 47 卷 第 10 期为调控算法激活的阈值，即当摩擦扭矩平均偏差大于阀值时才激活摩擦扭矩修正算法5结论发动机摩擦扭矩估计的准确性对基于扭矩的控制策略有重要意义，为提高发动机全生命周期对摩擦 扭矩估计的准确性，本文建立了面向控制的摩擦扭矩 模型，并在此基础上设计了发动机摩擦扭矩在线估计及修正算法主要结论如下(1) 建立了与转速、黏度相关的基础摩擦扭矩模 型，利用摩擦扭矩 map 数据对摩擦扭矩模型进行离线标定及验证，结果表明建立的摩擦扭矩模型可以替 代摩擦扭矩 map(2) 面向控制的摩擦扭矩模型在 ecu 中的运行 时间表明，本文建立的摩擦扭矩模型可应用于 ecu实时控制中(3) 提出了等价倒拖转动惯量，实现在停机及高 速停油工况下估计稳态转速下的摩擦扭矩，摩擦扭矩 估计偏差集中在5 nm，对于重型柴油机，达到了较高精度(4) 基于摩擦扭矩模型设计了摩擦扭矩在线修 正算法，结果表明摩擦扭矩在线修正算法使修正后的摩擦扭矩值更接近于实际的摩擦扭矩，提高了 ecu全生命周期对摩擦扭矩估计的准确性图 9 当前倒拖、修正后的模型与 map 三者的摩擦扭矩对比fig.9 comparison of friction torque among actual meas-urement，corrected model and map4.3 ecu 在线测试结果把摩擦扭矩模型开发为ecu 可执行程序并在ecu 中 执 行 ，每次 通过 100 个循环 的测量 ，测量 1 000 次 得 到 摩擦扭矩模型的平均 执 行时间为 11.41 s，因此认为摩擦扭矩模型是可以在 ecu 中实 时运行的在配备自主研发 ecu 的重型柴油机试验台架上 进行了摩擦扭矩在线估计测试，通过 canape 监控 ecu 发送上来的通过转速估计的摩擦扭矩和转速值. 图 10 为摩擦扭矩在线估计的测试结果从图 10 中可以看到，摩擦扭矩 map 值相对偏 离实际的摩擦扭矩值较大，平均偏差为 34 nm，而 估计的摩擦扭矩在实际的摩擦扭矩附近上下波动，趋势是完全一致的，偏差集中在5 nm对于重型柴 油机，此结果已经达到了较高精度这表明本文提出的摩擦扭矩在线估计及修正算法可有效提高摩擦扭 矩估计精度，并为发动机在运行过程中在线修正摩擦 扭矩提供了可能在实际运行中可以选择 5 nm 作参考文献：1刘巨江. 基于模型的高压共轨柴油机的扭矩算法研究d. 杭州：浙江大学机械与能源工程学院，2007.liu jujiang. model-based torque algorithm for high pressure common-rail diesel enginesd. hangzhou： school of mechanical and energy engineering ， zhejiang university，2007(in chinese).livanos g，kyrtatos n p. a model of the friction losses in diesel enginesc/ sae paper. detroit ， usa ，2006，2006-01-0888.zweiri y h，whidborne j f，seneviratne l d. instanta- neous friction components model for 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