汽油机空燃比控制和时间延迟的研究.docx

汽油机空燃比控制和时间延迟的研究刘晓亮1 ,2 , 王生昌1 , 李茂月1(1 . 长安大学 汽车学院 , 陕西 西安 710064 ; 2 . 交通部 公路科学研究院 , 北京 100088)摘 要 : 总结了近年来国内外学者在汽油机空燃比精确控制方面的研究概况 ; 分析了影响汽油机空燃比控制精度的因素 ;着重研究了空燃比闭环控制中的时间反馈延迟 ,并建立了时间延迟 数学模型 。关键词 : 汽车 ; 汽油机 ; 空燃比 ; 时间延迟中图分类号 : U464 . 11文献标识码 : A文章编号 :1671 - 2668 (2008) 02 - 0011 - 04发动机控制是控制系统工程师和研究者们面对的最复杂的问题之一 。随着政府和消费者对汽车性 能要求的提高 ,汽车制造商在希望使汽车的综合性能达到最好的同时 ,努力使汽车的排放性能和燃油 消耗水平降到最低 。为了满足上述要求 ,需要对发 动机的各种变量进行控制 ,如发动机转速 、发动机负 荷 、点火时间 、喷油时间 、进气量 、空燃比 ( A F R) 等 。 而这些变量间存在着复杂的关系 ,使发动机具有高度的非线性动态特性 。在为优化发动机的各项性能 而进行的汽油机控制参数的调整过程中 ,其他参数 的调整也都不同程度地以空燃比的调整为基础和依 据 。因此 ,对空燃比的控制方法和时间延迟的理论 研究能为下一步的试验研究积累理论基础 ,并对设计有效的空燃比控制策略提供一定帮助 。图 1 空燃比闭环控制系统组成快速发展 ,空燃比控制方法越来越多 。当前经常使 用的空燃比控制方法一般有基 于经 典控 制 理论 的 P ID 控制 、基于模型的空燃比控制及人工智能控制 方法 。目前的电喷汽油机中 ,绝大多数采用的是以稳态工况下制取 MA P 图为基础的空燃比控制策略 。 稳态时 ,通过开关型氧传感器进行 P ID 闭环反馈控 制 ,并采用查表方式获取控制参数 ; 瞬态时 ,由于采 用基于查表的开环控制策略 ,并没有考虑进气真空 度波动 、燃油的湿壁效应 、发动机工作过程所固有的时间延迟和进气管压力传感器的响应时间延迟的影 响 ,所以控制精度低 、响应特性差 。2 . 1基于经典控制理论的 PID 控制P ID 控制 (比例 、积分 、微分) 是控制系统控制中 技术最成熟 、应用最广泛的一种控制方法 ,其原理如图 2 所示 。影响空燃比控制精度的因素1在所有发 动 机 控 制 变 量 中 , A F R 与 燃 油 经 济性 、污染物排放量有着密切的关系 。三效催化转化 器 ( T WC) 的应用 ,极大地改善了发动机稳态工况下的排放性能 ,但是空燃比偏离理论空燃比 ( 14 . 7) 超 过 1 % ,将会导致 T WC 转化效率降低 ,严重时甚至 降低 50 % 。为了将实际空燃比控制在理论空燃比 附近 ,在发动机控制系统中普遍采用氧传感器组成 的空燃比控制方式 ,即闭环控制方式 。空燃比闭环控制系统组成如图 1 所示 。影响空燃比精确性的动 态特性主要包括燃油油膜湿壁效应 、进气歧管动态 特性 、空气流量测量后的节气门移动 、传感器延迟和 燃烧延迟 。图 2 PID 控制系统原理空燃比控制方法2P ID 控 制 器 是 一 种 线 性 控 制 器 , 根 据 给 定 值r ( t) 与实际输出值 y ( t) 构成控制偏差 , e ( t) 计算控随着现代控制理论的不断完善及微电子技术的公路与汽运第 2 期2008 年 3 月H i g h w a y s & A ut om ot i ve A p p l i c at i ons12制量 。常规 P ID 控制算法如下 :压力测量 ; 另一种方 法 是基 于节 气门 位 置传 感器 。按照观测器的形式 ,又分为线性观测器和非线性观 测器 。虽然方法不同 ,但目标一致 ,即估计进气歧管压力 、沉积在进气管壁上的油膜质量等不可监测量 。但该控制方法缺乏对环境变化 、发动机老化和个体 特性的自学习能力 。tkp e( t) + ki 0 e( t) d t + kd de( t) / dt u( t) =(1)式中 : u ( t) 为控制量 ; k p 、ki 和 k d 分别为 P ID 控制器的比例 、积分和微分项参数 。P ID 控制的最大优点在于不需了解被控对象的 精确数学模型 ,只需根据经验调整调节器的参数 ,便 可得到比较满意的控制效果 。其缺点是对被控对象 的参数变化比较敏感 ,在某一条件下设计的最优控制参数在其他条件下不一定能取得理想的效果 。传 统的解决方法是根据发动机的转速和输出功率特性 将其运行状态划分成几个不同的区域 ,对每个区域 进行 P ID 参数优化 ,实际运行时查表取值 。如将发 动机工作过程划分为若干工作模式 ,包括起动模式 、暖机模式 、怠速模式 、加速模式和减速模式等 。 根据循序渐进的方法 ,利用 P ID 控制设计的汽车空燃比控制系统如图 3 所示 。图 4 基于模型的空燃比控制结构基于现代控制理论的算法虽然可以较好地解决传感器和传输造成的延时问题 、可以分析控制系统 的零极点 ,但是其控制算法的计算量太大 ,要求采用 高速的微处理器 。同时其系统模型的辨识也要求采用快速收敛的算法 ,若进行在线参数辨识 ,则对微处 理器的要求更高 ,而且模型参数辨识的准确性也对 控制系统的控制精度有很大影响 。因此 ,需开发能 够计算动态系统的控制方法或辨识方法 。2 . 3 人工智能控制智能控制主要是在上述控制方法的基础上 ,采 用基于模糊规则或基于神经网 络的 观测 器 或控 制 器 ,融入自适应 、变结构 、预报 、鲁棒控制等先进控制 方法 ,实际上是一种复合控制策略 。它不仅可提高 空燃比控制精度 ,也可大大改善系统的自适应性和鲁棒性 ,为解决发动机这一非线性 、慢时变 、变时滞 、 多输入/ 多输出复杂系统的控制提供新途径 。发动机的自学习控制是一种闭环控制系统 ,用 于发动机电控汽油喷射系统的空燃比控制原理如图5 所示 。图 3 PID 空燃比控制系统在发动机空燃比控制中 ,当汽车在稳态运行时 ,P ID 控制能使空燃比保持在理论空燃比附近 ,但在 汽车瞬态运行 (节气门开度或外负荷变化) 时 ,由于它 不 能 及 时 提 供 油 膜 瞬 态 补 偿 , 因 而 即 使 采 用Smit h 预估器和固定参数的 P ID 控制器相结合的方 法 ,也不能提供精确的瞬态空燃比 。另外 ,该方法的难点还在于有滤波延时 、传感器响应延时和传感器信号提取延时 ,且需要大量时间来制作 MA P 图 。2 . 2基于模型的现代控制在空燃比控制过程中 ,现代控制主要考虑发动 机的进气流量 、油膜动力学等内部状态信息 ,采用非 线性状态观测器 (估计算法) 和自适应控制来提高空燃比的控制性能 。图 4 为基于模型的空燃比控制结构 。根据使用 的传感器不同 ,采用观测器的空燃比控制方法可以 分为 2 种 :一种方法是基于空气流量或进气歧管的图 5 自学习空燃比控制原理在该控制系统中 ,控制单元 ( ECU ) 自动检测由各组成元件或发动机制造误差 、使用老化等引起的 空燃比偏差 ,并及时修正 。对于由传感器 、执行元件等离散化产生的空燃比偏差 ,将由氧传感器的反馈公路与汽运H i g h w a y s & A ut om ot i v e A p p l i c at i ons总第 125 期13修正 ,同时有一个与该时刻运行工况相对应的学习修正量 ,此学习修正量始终存储在微机的存储器中 ,当下一次出现该运行工况时 ,就根据此学习修正量 对空燃比偏差进行修正 。采用自学习控制策略 ,不 仅可提高空燃比的控制精度 ,还可提高电控喷油系 统在发动机过渡工况的响应性 。综上所述 ,目前汽车发动机空燃比控制研究中应用较多的是以状态空间 、多变量最优控制和自适 应控制技术为主的现代控制理论 ,以及以神经网络 控制和模糊控制为主的智能控制理论 。另外 ,其他 非线性控制理论 (如滑模变结构理论和鲁棒理论) 在 空燃比控制中也得到了应用 。燃比传输图 。图 7 发动机空燃比传输图由图 7 可知 ,延迟时间主要由 4 部分组成 :1) 从燃油喷入进气管到混合气进入发动机气缸所经历 的 时间T1 。发 动机 处于 稳 态工 况时 , T1可由燃油蒸发时间v 和混合气传输时间dv 决定 :T1 =v +dv( 2)式中 :v 为燃油蒸发时间常数 ;dv 为燃油蒸气由喷油处传输到进气门处的传输时间常数 。3空燃比反馈延迟的组成及影响图 6 为发动机空燃比传输控制示意图 。由图 6v 主要由燃油的品质和喷油雾化情况决定 , 对于车用发动机 , 一般为 30 80 ms 。dv 则与进气管内的进气流速 、喷油嘴的位置有关 , 可由下式估算 :可知 ,时间延迟包括喷射延迟 (从进行控制计算到开始喷油的时间) 和传输延迟 (从喷油到排气抵达氧传 感器的时间) 。dv =l A t / mair( 3)式中 :为进气歧管内的气体密度 ; l 为发动机喷油嘴的位置 到 进 气 门 间 的 距 离 ; A t 为 进 气 歧 管 截 面 积 ; mair 为发动机的进气质量流量 。2)混合气在气缸内的滞留时间 T2 。 T2 主要与发动机的转速 n 有关 , 可根据下式计算 :T2 = 120/ n( 4)3) 废 气 由 排 气 门 流 到 氧 传 感 器 所 需 的 时 间T3 。从理论上说 , T3 可由氧传感器的安装位置 ( 设 氧传感器距排气门的距离为 s) 和排气管内的废气平均流速 v 决定 :图 6 发动机空燃比传输控制示意图3 . 1 燃油喷射延迟喷射延迟是指 ECU 对空气流量相关传感器开 始采样到最终形成混合气的时间 。该延迟不能通过控制器进行 补偿 , 因 而会 导致 A F R 的 偏 移 。喷 射 延迟主要依赖于下述参数 : 计算时间 ,主要是指 ECU 计算一步控制策略所需要的时间 ; 喷射时 间 ,指喷油器以恒定速度喷油的脉宽长度 ; 喷射 定时 ,指为了获得低排放 ,必须保证足够的喷射延迟 时间 ,使得燃油喷射尽量延续到关闭进气阀 。因此 ,在 ECU 控制策略计算结束和喷油脉冲开始之间需 要有一个延时 。3 . 2 燃油传输延迟燃油传输延迟是控制变量作用于测量的空燃比 信号的时间 , 即喷油器开始喷油 到 ECU 读取 空 燃 比传感器信号之间的时间 。因此 ,传输延迟仅存在于带有空燃比反馈控制的系统中 。图 7 为发动机空T3 = s/ v( 5)但是 , 由于排气管内的废气流动情况相当复杂 ,很难确定其平均流速 , 目前只知其与发动机转速 、负 荷及排气管的横截面积有关 。因此 , T3 一般根据试验确定 。目前 , 很多研究者认为该时间极其短暂 , 通常加以忽略 。4) 氧传感器的响应时间 T4 。氧传感器是影响T WC 催化净化效果的一个关键元件 ,对 A F R 大小 的影响至关重要 。根据工作原理 ,汽车氧传感器可 分为氧化物半导体型 ( TiO2 氧传感器) 、氧浓差电池 型 (传统 的 Zr O2 电 压 型 氧 传 感 器 ) 和 极 限 电 流 型 (电化学泵氧型) 3 类 。以氧化锆式氧传感 器 为例 。二氧 化锆 ( Zr O2 )是一种固体电解质 ,将其制成试管形状的陶瓷管 ,以 便排气中的氧离子能够均匀扩散与渗透 。锆管内表面通大气 ,外表面通排气 。当氧离子在锆管内扩散公路与汽运第 2 期2008 年 3 月H i g h w a y s & A ut om ot i ve A p p l i c at i ons14时 ,如果一个电极处的氧气浓度发生改变 ,将发生一系列复杂的物质交换和电化学反应 ,然后建立一个 新的平衡 ,最终在靠近电极的氧化锆内部在气相和空间电荷间发生相互交换 。反应可用下式表示 :更快的响应速度 ,对空燃比控制系统而言 ,就是使从获知空燃比发生偏差直到控制目标完成所需的时间 更短 。然而 ,发动机中存在的延迟严重限制了控制系统的带宽 ,从而在很大程度上影响了控制响应特性 。因此 ,无论采用哪一种控制器 ,控制系统能获得 的性能总会有些局限 ,这些局限是由控制器自身结 构造成的 。2O2 -O2 + 4e( 6)如果氧气的浓度减小 , 上述反应向正方向进行 ;反之 , 向负方向进行 。因此 , 锆管内外表面之间的电 位差将随着氧离子浓度的变化而变化 。在电极两端产生的电动势 Es 可由下式 ( Ner n st 公式) 求出 :结语本文在分析影响空燃比控制精度的因素 ( 燃油 油膜湿壁效应 、进气歧管动态特性 、空气流量测量后 的节气门移动 、传感器延迟和燃烧延迟) 的基础上 , 介绍了目前常见的空燃比控制方法 ,包括基于经典 控制理论的 P ID 控制 、基于模型的空燃比控制和人 工智能控制 ,对相关控制方式在空燃比控制中的应 用进行了实例介绍 ; 具体分析了空燃比传输的时间 延迟 (包括喷射延迟和传输延迟) ,并对各部分延迟 进行了数学建模 。通过对这些因素的研究 ,有助于 分析引起空燃比误差的原因 ,为下一步的试验研究 积累理论基础 ,并对设计有效的空燃比控制策略提 供帮助 。4 po 2 内Es = R Tl n ()( 7)4 F po 2 外式中 : R 为气体常数 , 取 8 . 314 J / ( mol K) ; T 为绝对温度 ; F 为 法 拉 第 常 数 , 取 96 500C/ mol ; po 2 内 、po 2 外 分别表示氧化锆管内外侧氧的分压 。空气中的氧气浓度可以看作是一个定值 , 所以传感器的输出信号只与排气有关 。由于氧传感器在 输出电压的过程中需检测内外侧的氧浓度差 , 因此 , 氧传感器工作时需要一定的响应时间 。在发动机控 制系统中 , 为了简化模型 , 一般将传感器视为具有固 定时间常数 T0 的一阶线性系统 。测量值和真实值 之间可按下式确定 :A F Re - A F RsA F Rs =( 8)T 0参考文献 :式中 : A F Rs 为空燃比传感器的指示值 ; A F Re 为发动机测量的空燃比 。按照上述 分 析 , 张 文 海 等 对 某 发 动 机 的 A F R传输时间进行了标定 , 结果见表 1 。表 1 AFR 传输时间标定结果Ball uchi A . ,Benvenuti L . ,Dienedet to M . D. ,et al . A u2to mo tive engi ne co nt rol and hybrid systems :challenge s a nd oppo rt unitie s J . Proceedings of t he IE E E , 2000 ,88 (7) .J . K. Piep er , R. Mehro t ra . Air/ f uel ratio co nt rol using sliding mo de met ho ds A . Proceedings of t he A meri2ca n Co nt rol Co nf erence ,1999 .侯志祥 ,吴义虎 ,申群太 . 车用汽油机过渡工况空燃比 的先进控制策略 J . 内燃机学报 ,2003 ,21 (5) .Sa rawoo t Watechagit M . S. Mo deling and e stimatio n fo r stepp ed a uto m