基于氧傳感器模型的空燃比精確控制器開發(fā)

李捷輝，劉婧，吳兵兵，張隆基，胡立

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境保護(hù)問題與能源消耗問題日益嚴(yán)重，節(jié)能減排已成為各行各業(yè)不得不面對的問題。自2009年以來，我國汽車銷量一直穩(wěn)居全球第一，截止2016年底，全國機(jī)動車保有量已達(dá)2.9億輛，其中民用汽車1.94億輛[1]。此外汽車占機(jī)動車的比率迅速提高，近5年汽車占機(jī)動車比率從50.39%提高到65.97%[2]?？梢娖蜋C(jī)在汽車工業(yè)發(fā)展中所占比例越來越大，與此同時帶來的排放等問題也日益嚴(yán)重。

為了推動行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，中國內(nèi)燃機(jī)行業(yè)協(xié)會與美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)建立了互動機(jī)制，對汽油機(jī)的排放進(jìn)行了嚴(yán)格的限制[3]。目前，降低汽油機(jī)排放物的機(jī)外凈化措施普遍采用三效催化器，三效催化器的使用有效地減少了尾氣的污染且提高了燃油燃燒效率，然而其最佳工作環(huán)境要求空燃比在14.7(1±3%)范圍內(nèi)[4-5]。為提高三效催化器的轉(zhuǎn)化效率，必須通過氧傳感器的反饋信號將空燃比控制在理論空燃比(14.7)附近[6]。空燃比控制算法通常有PID控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及模糊控制算法等[7]，這一類算法大多是采用氧傳感器的反饋控制。氣候條件的變化(溫度、濕度、氣壓的波動)會對氧傳感器的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響，同時殘余電流也會影響到傳感器的精度，受電極結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)材料及生產(chǎn)工藝的限制，氧傳感器的使用壽命會隨著使用時間的增加而下降。軟件模型則不受這些因素影響，因此具有更大的優(yōu)勢和潛力，相比于硬件而言，軟件模型具有更高的使用壽命及穩(wěn)定性[8]。

針對汽油機(jī)控制特點(diǎn)，本研究開發(fā)了一種基于PI控制的空燃比控制器，控制器中用氧傳感器模型取代氧傳感器實(shí)物，在保證空燃比計算精度的同時節(jié)約了電控系統(tǒng)開發(fā)成本，應(yīng)用該控制器的發(fā)動機(jī)能夠在不同工況下滿足排放法規(guī)限值要求[9]。搭建的控制器模型經(jīng)仿真測試后進(jìn)行臺架試驗(yàn)，在優(yōu)化控制參數(shù)的同時實(shí)現(xiàn)空燃比的精確控制。

1 空燃比控制器模型算法設(shè)計

空燃比控制器主要通過氧傳感器模型輸出反饋信號實(shí)現(xiàn)空燃比控制，在氧傳感器模型中僅考慮對空燃比控制影響最大的兩個影響因素，即進(jìn)氣量和燃油量?？刂破髂Ｐ鸵妶D1，主要由3個模塊組成，分別是氧傳感器信號計算模塊、模式調(diào)度模塊和控制算法模塊。其中氧傳感器信號計算模塊包括進(jìn)氣計算子模塊、循環(huán)噴油量計算子模塊、空燃比(AFR)計算子模塊以及氧傳感器信號值輸出子模塊。

圖1 空燃比控制器模型框圖

氧傳感器信號計算模塊由進(jìn)氣量及燃油量計算得到當(dāng)前工況下空燃比，并轉(zhuǎn)換成氧傳感器信號輸入控制算法模塊，對燃油量進(jìn)行二次修正以精確控制空燃比。模式調(diào)度模塊中，通過進(jìn)氣壓力p，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n，空燃比AFR和節(jié)氣門開度來判斷和調(diào)度當(dāng)前發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。同時檢測氧傳感器信號計算模塊輸出的信號值是否在正常工作范圍內(nèi)，確保空燃比控制器的正常運(yùn)行。在控制算法模塊中，由氧傳感器信號計算模塊輸出的氧傳感器電壓信號、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n和進(jìn)氣壓力p得到當(dāng)噴油脈寬修正量T0，修正后得到最終噴油脈寬Te。

1.1 氧傳感器信號計算模塊

氧傳感器信號計算模塊用于計算空燃比以及輸出模擬的氧傳感器信號。氧傳感器信號計算模塊由4個子模塊組成(見圖2)，分別為進(jìn)氣計算子模塊、循環(huán)噴油量計算子模塊、空燃比(AFR)計算子模塊以及氧傳感器信號值輸出子模塊。

根據(jù)氧傳感器工作原理，首先通過進(jìn)氣量和燃油計算模塊得到基礎(chǔ)空燃比，再通過空燃比反推得到氧傳感器信號值，由此來模擬氧傳感器信號輸出。氧傳感器模型計算公式如下：

(1)

圖2 氧傳感器信號計算模塊

1.2 模式調(diào)度模塊

空燃比控制器在汽油機(jī)處于一些特殊工況例如怠速、急加減速或全負(fù)荷時需要停止運(yùn)行，通過建立模式調(diào)度模塊可以管理空燃比控制器的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3示出模式調(diào)度模塊Stateflow狀態(tài)，共設(shè)置7個狀態(tài)：節(jié)氣門開度檢測、進(jìn)氣溫度檢測、進(jìn)氣壓力檢測、曲軸轉(zhuǎn)速檢測、發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測、傳感器失效檢測和空燃比運(yùn)行模式管理。節(jié)氣門開度檢測、進(jìn)氣溫度檢測、進(jìn)氣壓力檢測和曲軸轉(zhuǎn)速檢測主要用于檢測傳感器信號是否真實(shí)有效，若傳感器信號超出限值則設(shè)置失效保護(hù)值。傳感器失效檢測通過布爾量fail_Lamp來控制故障燈亮滅。空燃比控制器運(yùn)行模式分為4個子狀態(tài)：初始化子狀態(tài)(Initial)、正常子狀態(tài)(Normal)、掛起子狀態(tài)(Suspend)和停止子狀態(tài)(Stop)。由變量AFR_clc_Switch和AFR _control_ Switch根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)來控制氧傳感器信號計算模塊及控制算法模塊的運(yùn)行。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于怠速工況時，需將空燃比控制器設(shè)置為初始化狀態(tài)；當(dāng)發(fā)動機(jī)處于急加速或急減速工況時，將空燃比控制器設(shè)置為掛起狀態(tài)，直到發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定工況下時再運(yùn)行；當(dāng)檢測到傳感器信號失效時，將停止空燃比控制器的運(yùn)行。

圖3 模式調(diào)度模塊Stateflow狀態(tài)

1.3 空燃比控制器控制算法模塊

由于控制算法模塊所輸入的氧傳感器信號為開關(guān)量信號，無需微分控制來提高動態(tài)響應(yīng)，因此控制算法模塊采用PID控制中的PI控制器實(shí)現(xiàn)。圖4示出控制算法控制過程。首先在Simulink環(huán)境下通過軟件仿真得到控制參數(shù)Kp和Ki初始MAP表，再通過臺架試驗(yàn)在各個工況下對控制參數(shù)Kp和Ki進(jìn)行整定和優(yōu)化，得到最終較為準(zhǔn)確的MAP表。

圖4 控制算法開發(fā)框圖

得到控制參數(shù)Kp和Ki后，需將其應(yīng)用至無氧傳感器閉環(huán)控制算法中。圖5示出Simulink環(huán)境下搭建的控制算法模塊邏輯框圖。其中error為當(dāng)前工況下的的燃油誤差量，SW為控制算法模塊的復(fù)位開關(guān)量。Kp和Ki參數(shù)由負(fù)荷LOAD和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速RPM查詢MAP表所得，并輸入PI控制算法模塊得到最終空燃比修正量Uk。模塊中的離散PI控制算法見式(2)。

(2)

圖5 控制算法內(nèi)部邏輯框圖

2 模型仿真測試

在Simulink環(huán)境下對模型功能性和可靠性進(jìn)行測試。模型測試環(huán)節(jié)使用Simulink vertication and validation、Model Advisor和Design Verifier生成測試框架，完成對模型的測試驗(yàn)證。

圖6示出氧傳感器信號計算模塊的單元測試Simulink模型。該測試模型主要輸出兩種信號，空燃比控制模型所輸出的模擬信號以及實(shí)際試驗(yàn)輸出信號。通常小型汽油機(jī)排放測試都采用五工況測試法，5個工況負(fù)荷率分別為0%，25%，50%，75%和100%。由于小型汽油機(jī)運(yùn)行工況大多數(shù)處于中等負(fù)荷，因此在測試模型中，負(fù)荷率選取15%，25%，50%，75%和90%，轉(zhuǎn)速在1 000～3 000 r/min范圍每隔200 r/min取值。通過input輸入模塊采集節(jié)氣門開度、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力以及有效燃油噴射脈寬，模型輸出兩個試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別為空燃比值A(chǔ)FR_result和氧傳感器電壓信號值O2_result。outputs模塊輸出實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后，在Scope模塊中比較氧傳感器信號計算模塊的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 氧傳感器信號計算模塊單元測試Simulink模型

圖7中以深色線顯示氧傳感器信號計算模塊計算得到的空燃比AFR_Model，可以看出與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果(淺色線顯示)近似吻合。圖7中，用深色標(biāo)記氧傳感器信號計算模塊所得信號值O2_Result, 若空燃比數(shù)值超過14.67，氧傳感器輸出為80 mV，若空燃比數(shù)值低于14.67，氧傳感器輸出為700 mV，與氧傳感器實(shí)際數(shù)值基本一致，并且與實(shí)際氧傳感器信號相比抗干擾性更強(qiáng)，誤差值更小。測試結(jié)果表明氧傳感器信號計算模塊設(shè)計的算法實(shí)現(xiàn)了空燃比精確計算和模擬氧傳感器信號輸出功能。

圖7 氧傳感器信號計算模塊計算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較

3 臺架試驗(yàn)

搭建發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架(見圖8)，驗(yàn)證空燃比控制器控制效果。臺架主要由電腦、電控柜、汽油機(jī)、以及測功機(jī)等組成。

圖8 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架示意

本研究選擇的測試樣機(jī)為靈敏度及經(jīng)濟(jì)性都較高的170F通用小型汽油機(jī)，標(biāo)定功率4 kW，標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速3 600 r/min；選用CWF75電渦流測功器及其測試系統(tǒng)和Horiba MEXA-7200D氣體分析儀。

3.1 控制參數(shù)整定

在Simulink環(huán)境下，設(shè)置不同工況進(jìn)行模型在環(huán)仿真，可得到控制參數(shù)Kp和Ki的初始值，但控制參數(shù)Kp和Ki仍需在臺架上進(jìn)行整定和優(yōu)化，之后繪制MAP表。

在臺架上整定參數(shù)Kp和Ki時，首先需要保持氧傳感器信號頻率呈一定規(guī)律并且占空比為50%左右；其次要保證氧傳感器信號在正常工作范圍0.5～3.5 Hz；最后要保證空燃比控制器對發(fā)動機(jī)運(yùn)行無影響，根據(jù)170F小型汽油機(jī)的工作特性，應(yīng)保持轉(zhuǎn)速波動在±50 r/min。整定完成后，利用Matlab中的cubic函數(shù)，通過立方差值優(yōu)化方式來將數(shù)據(jù)中的奇異點(diǎn)剔除，并使整體數(shù)據(jù)的連續(xù)性得到保證。

圖9示出控制參數(shù)Kp的MAP表。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增大，發(fā)動機(jī)供油量也不斷增大，若要將空燃比仍控制在14.7附近，需要增大燃油噴射的修正量。因此，控制參數(shù)Kp隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增大而增大。

圖10示出控制參數(shù)Ki的MAP表。在轉(zhuǎn)速1 000～3 000 r/min、負(fù)荷15%～90%的工況下，控制參數(shù)Ki的數(shù)值從2到7隨機(jī)變化。

圖9 Kp參數(shù)MAP表

圖10 Ki參數(shù)MAP表

3.2 空燃比控制器模型控制結(jié)果及精度

臺架試驗(yàn)過程中試驗(yàn)環(huán)境溫度應(yīng)保持恒定。以2 500 r/min運(yùn)行發(fā)動機(jī)并預(yù)熱20 min，使發(fā)動機(jī)處于最佳工作溫度范圍內(nèi)。通過對比氧傳感器信號計算模塊估算信號與實(shí)際采樣信號，并使用Lambda儀實(shí)時采集汽油機(jī)空燃比，來驗(yàn)證模型對空燃比的控制精度。

標(biāo)定界面中無氧傳感器信號即空燃比控制器模型實(shí)時計算出的氧傳感器電壓信號值，由于氧傳感器信號為開關(guān)量信號，僅通過判斷混合氣濃稀來控制空燃比，所以可根據(jù)信號頻率來判斷空燃比控制效果(見圖11)。以轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，負(fù)荷率為25%，50%，75%的工況為例。負(fù)荷率為25%的工況下，氧傳感器信號值頻率在1～1.4 Hz之間，氧傳感器模型信號頻率在0.8～1.2 Hz ；負(fù)荷率為50%的工況下，氧傳感器信號頻率在0.6～1.2 Hz之間，氧傳感器模型信號頻率在0.6～1.3 Hz；負(fù)荷率為75%的工況下，氧傳感器信號頻率在0.6～1.2 Hz之間，氧傳感器模型信號頻率在0.4～1.1 Hz 之間。綜上氧傳感器模型信號頻率變化與氧傳感器信號頻率變化相似且都在0.6～1.4 Hz變化，且不同工況下頻率變化基本一致，表明所開發(fā)氧傳感器模型基本可替代氧傳感器模型完成空燃比控制，并且所設(shè)計空燃比控制器可精確將空燃比控制在14.67附近。

圖11 氧傳感器模型信號值

除通過氧傳感器信號變化頻率來驗(yàn)證空燃比控制效果外，試驗(yàn)中還利用Lambda儀實(shí)時采集當(dāng)前空燃比來進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計空燃比控制器的控制精度。Lambda儀的采樣周期為500 ms，共測試12個工況下的2 000個數(shù)據(jù)，這12個工況為2 000 r/min，2 500 r/min和3 000 r/min轉(zhuǎn)速下負(fù)荷率分別為25%，50%，75%和90%的工況。圖12示出數(shù)據(jù)采集結(jié)果，2 000個數(shù)據(jù)點(diǎn)中空燃比在14.31～15.01范圍內(nèi)的有1 955個，占總體的97.75%。由于實(shí)際臺架試驗(yàn)中溫度、濕度及大氣壓力等因素的影響，存在一定的試驗(yàn)誤差，此外測量誤差也會影響空燃比控制精度，因此測試中會存在少數(shù)奇異點(diǎn)數(shù)據(jù)，但大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)落在預(yù)計范圍內(nèi)且奇異點(diǎn)誤差也未超過0.3。綜上，測試數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確可信，可進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計空燃比控制器的控制精度較高，且可將空燃比控制在14.31～15.01范圍內(nèi)，所設(shè)計空燃比控制器基本可以適用于目標(biāo)發(fā)動機(jī)。

圖12 空燃比數(shù)值采集數(shù)據(jù)

3.3 無氧傳感器電控汽油機(jī)與原機(jī)對比

對使用基于氧傳感器模型的空燃比控制器的小型汽油機(jī)進(jìn)行排放測試，并與使用氧傳感器閉環(huán)控制的原機(jī)進(jìn)行對比。根據(jù)三效催化器工作原理，在空燃比14.7附近催化劑轉(zhuǎn)化率最高，隨空燃比增加CO和HC化合物排放降低，NOx排放增加[10]。從表1可見，無氧傳感器空燃比控制模型可將空燃比穩(wěn)定在14.31～15.01，汽油機(jī)的CO排放值為257.2 g/(kW·h)，HC+NOx排放值為8.18 g/(kW·h)，低于EPAⅢ排放限值，且有足夠的劣化余量滿足排放法規(guī)要求[11]，與通過氧傳感器反饋控制的原電控小型汽油機(jī)相比排放差異不大。結(jié)果表明所設(shè)計氧傳感器模型可以替代氧傳感器實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)空燃比的精確控制。

表1 氧傳感器模型控制與原電控系統(tǒng)對比

4 結(jié)束語

采用軟件代替硬件的思想，設(shè)計了一種空燃比控制器模型，通過建立氧傳感器模型替代氧傳感器實(shí)物，在保證空燃比計算精度的同時節(jié)約電控系統(tǒng)開發(fā)成本。模型仿真測試結(jié)果表明空燃比控制器計算得到的空燃比及氧傳感器模擬信號與實(shí)際試驗(yàn)采樣結(jié)果近似吻合，該模塊輸出的空燃比和氧傳感器模擬信號準(zhǔn)確可靠。

在發(fā)動機(jī)臺架中完成Kp和Ki參數(shù)整定，并驗(yàn)證控制器控制精度。試驗(yàn)結(jié)果表明，空燃比控制器模型可準(zhǔn)確輸出氧傳感器信號，并將空燃比精確控制在14.31～15.01范圍內(nèi)。通過排放測試對比，無氧傳感器汽油機(jī)與原機(jī)排放性能基本相同，所設(shè)計氧傳感器模型可以替代氧傳感器實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)空燃比精確控制。