基于扭矩的汽油机控制模型开发及验证

1、基于扭矩的汽油机控制模型开发及验证 摘要：开发了基于扭矩的控制模型，包括传感器信号处理模型、扭矩模型、怠速模型、节气门模型、空气系统模型、起动控制模型等。为了验证基于扭矩的控制系统，将基于扭矩的控制系统写入自主开发硬件，在发动机台架上进行了测试。结果表明发动机起动迅速，起动时间在3s以内。怠速转速稳定，怠速转速波动在10r/min以内。进怠速和出怠速时过渡平滑。瞬态工况过渡平滑，发动机最高转速运转稳定。基于扭矩控制模型扭矩控制精度在5%以内。试验结果表明自主开发的系统控制功能基本完备，能较好地满足扭矩控制要求。关键词：汽油发动机，控制模型，扭矩，电子节气门传统汽车节气门的刚性连接方式使得发动机

2、管理系统不能综合考虑车辆的运行状况给出最期望的控制效果。电子节气门的出现为先进发动机管理系统的实现铺开了道路。电子节气门开度并不完全由加速踏板位置决定，而是由控制单元对电机进行控制，驱动节气门到达期望的开度。因此，节气门的实际开度并不完全与驾驶员的操作一致，它是一种柔性的连接方式。这种方式能根据驾驶员的需求愿望以及整车各种行驶状况确定节气门的最佳开度，保证车辆最佳的动力性和燃油经济性，并具有牵引力控制、巡航控制等控制功能，提高安全性和驾乘舒适性。与此对应，原来基于节气门的控制系统改为基于扭矩的控制系统。驾驶员通过踩踏板直接要求的是传动轴输出的扭矩，相对于基于节气门的控制系统，采用基于扭矩的控制

3、系统能直接控制发动机发出的扭矩；并且基于扭矩的控制系统的模块化结构可扩展性强，增加的车载附件对发动机的扭矩需求，只需要在增加附件后增加对应的扭矩需求即可；另外，系统内还有许多功能子系统运行时会要求对转矩进行补偿，就会经常出现相互矛盾的要求，转矩控制策略能够区分出这些相互矛盾的需求的优先程度，并执行最至关重要的需求。发动机扭矩控制性能，定义为发动机瞬态响应能力，对发动机扭矩控制有直接影响，如车辆。向应，驾驶性能和燃油经济性。通用公司的Michael开发了精确的扭矩控制模型，来研究参数变化对控制系统造成的影响。为了管理越来越多的子系统，BOSCH发展了一种叫作CARTRONIC开放式的结构用来构建

4、整个车辆控制系统。由于节气门位置和进气量的非线性关系，而且温度和压力在不同工况下不同，造成扭矩和进气量的控制出现偏差，日立公司的ShinyaSatou等为了提高扭矩控制的精度，采用前馈一反馈控制与学习MAP相结合开发出了一种新的扭矩控制逻辑，最终达到了指示扭矩误差小于5Nm的开发目标。在通过大量调研国外控制模型的基础上，本文在Matlab/Simulink环境下开发出了基于扭矩的汽油机控制系统，并将控制模型写入开发型ECU硬件在台架上进行了验证。1基于扭矩的控制策略发动机扭矩需求主要分为内部扭矩需求和外部扭矩需求。内部需求扭矩根据不同工况可以选择来自最高转速限制、怠速控制、爆震控制、部件保护等

5、；而外部扭矩需求来自于整车相关的扭矩需求，如踏板扭矩、巡航控制扭矩、变速箱、整车附件等。来自内部和外部的需求扭矩进行协调后，得到总的需求有效扭矩。由于控制系统的控制变量产生的是指示扭矩，因此需要把需求有效扭矩转化为需求指示扭矩，在总的需求有效扭矩的基础上加上摩擦扭矩和泵气扭矩，得到总的需求指示扭矩。总的需求指示扭矩在MBT点火角和理论空燃比的条件下转化为理论需求空气量。由于在发动机实际工作过程中，点火提前角并不是始终在MBT点，空燃比也并不始终是理论空燃比，需要在空气路补偿这种偏离，即加大进气量，在控制模型中采用的是点火角效率和空燃比效率，最终得到实际需求空气量。实际需求空气量通过节气门模型转

6、化为需求的节气门位置。控制系统控制节气门到需求的节气门位置后，根据空气模型算得此时实际的空气量，通过空气量和空燃比模型确定的空燃比得到需求燃油量。需求的点火提前角根据此时实际工况查表得到。图1是基于扭矩的控制策略整体框图。1.1传感器信号处理模型对于控制系统来说，首先要进行传感器信号处理。输入变量为传感器AD值，首先判断是否超出最大最小限值。如果超过，则输出相应的故障状态。如果传感器AD值在正常范围以内，则对其进行一阶滤波。滤波后的传感器AD值根据传感器是线性还是非线性选择对应的处理方式得到实际的物理值，如压力、温度等。考虑到传感器使用时间长后可能会发生零点漂移，设置了可标定的补偿模块。有时物

7、理值虽然在范围内，但是与实际值存在差异，所以设置范围内诊断。最后根据传感器所处的状态选择输出的物理值。如果传感器正常，则直接输出处理好的结果；如果传感器损坏，则输出默认值和故障码。图2是信号处理模型框图。1.2扭矩模型扭矩模型首先根据发动机状态选择对应的有效扭矩需求，包括怠速扭矩、运行扭矩和最高转速限制扭矩等。如果为正常的运行扭矩，则ECU根据当前车速和驾驶员踩油门踏板位置，计算得到当前发动机转速下的扭矩需求百分比，由该转速下的最大扭矩计算出运行需求有效扭矩。有效扭矩加上整车相关的扭矩需求，如附件扭矩和变速箱扭矩后得到总的有效需求扭矩。总的有效扭矩需求加上泵气损失和摩擦损失得到总的指示需求扭矩

8、。总的指示需求扭矩转化为平均指示压力，平均指示压力转化为当量空燃比和MBT点下的每缸进气量。考虑点火角效率损失后，转化为实际点火角当量空燃比下的进气量；考虑空燃比效率后得到实际点火角实际空燃比下的进气量。然后根据节气门模型将每缸进气量转化为有效截面积，再将有效截面积转化为实际节气门开度。通过ETC实际开度，计算实际进气量，再根据实际进气量反算实际燃油量，完成喷油燃烧。扭矩模型框图见图3。1.3怠速模型怠速模型的框图如图4所示。首先根据冷却水温确定基本目标怠速转速。根据该转速查表确定对应的发动机损失扭矩和附件扭矩，包括摩擦扭矩和泵气扭矩、空调压缩机扭矩和交流发电机扭矩等。发动机损失扭矩和附件扭矩

9、即为怠速基本需求扭矩。其后扭矩转换为节气门开度与扭矩模型一致。节气门开到需求开度后，通过实际转速与基本目标怠速转速的差值查表，确定比例积分微分项，与怠速基本需求扭矩相加，得到怠速实际需求扭矩，通过闭环PID控制使怠速转速维持在目标怠速转速。1.4节气门模型节气门模型在扭矩模型中非常重要，其作用是根据需求进气流量反查电子节气门开度。其计算原理是基于进气温度、进气压力、出口压力、节气门位置和通过节气门的流量，计算出节气门音速流量，根据音速流量和节气门位置的关系确定节气门开度。该原理同样可以应用于ECR阀和碳罐阀流量的计算。其公式如下：式中，m为流量；P为出口压力；P0为进口压力；T为出口温度；T0

10、为进口温度；为节气门开度；为音速流量。图5为节气门模型的逻辑框图。首先根据大气压力和进气温度得到密度修正系数，通过期望进气量除以密度修正系数得到标准条件下的流量。然后根据期望进气量算得期望进气管压力，然后根据期望进气管压力与大气压力得到期望压比，通过期望压力查表得到压比系数，标准条件下的流量除以压力系数得到标准音速流量。通过音速流量和节气门关系得到节气门开度。1.5空气系统模型根据扭矩请求，电控系统控制节气门开到需求位置，然后空气充入汽缸，扭矩模型需要迅速预估出进气量，进行快速响应。进气量计算基于速度密度法，即理想气体状态方程，如公式（2）所示：式中，Airflow指预估的进气量；VE指充气效

11、率：MAP指进气压力；CylinderVolume指每循环汽缸容积；MAT指进气口处预估温度（标定量）；VREFPER指每循环的时间。1.6起动模型起动状态的判断依据是转速超过阈值而且预喷完成。进入起动工况后，节气门开度开始衰减。而起动空燃比和起动点火角开始增加。根据速度密度法计算此时实际进气量，再根据此时空燃比和进气量确定起动喷油量。起动模型见图6。2台架测试为了验证发动机控制模型，将控制模型写入开发型ECU中，在发动机台架上进行了验证。试验采用的发动机参数见表1。测功机为HOFMANN公司的AG250HS，转速精度为5r/min，扭矩精度为0.5%，温度精度为2。油耗仪为AVL公司的AVL

12、735S，精度为0.12%，燃烧分析仪为奥地利DEWETRON公司的燃烧分析仪。发动机台架测试包括起动模型测试，怠速模型测试，过渡工况和最高转速限制测试和扭矩模型精度测试。2.1起动模型测试起动工况是发动机最基本的工况，如果不能顺利起动，就不能验证发动机其他工况的性能。同时发动机起动工况又是发动机各种工况里面非常难控制的工况，因为起动工况是非稳态工况，在起动过程中，进入发动机的空气量、燃油量和发动机转速都在不断的变化当中，只有空气量、燃油量和点火时刻配合得非常好发动机才能顺利起动。为了验证扭矩模型的控制功能，在环境温度为25下进行起动试验，发动机直接由起动电机起动。图7为起动曲线。从图7中可以

13、看出，发动机起动非常迅速。从发动机开始被拖动到转速达到目标怠速，只需要3s左右。在发动机转速开始上升后，节气门和喷油脉宽按照控制系统的要求开始衰减。发动机从起动到怠速非常平滑。2.2怠速模型测试在城市实际道路运行当中，发动机大概三分之一时间都处于怠速工况。由于怠速时残余废气系数较大，发动机运行状态非常差，造成怠速排放急剧升高，怠速转速的稳定性也非常差。所以怠速性能的好坏直接关系到发动机的整体性能。为了验证扭矩模型的怠速性能，在发动机起动后进行怠速试验。怠速试验包括进怠速、怠速、出怠速试验。在图7中已经有进怠速过程和怠速状态试验，图8为出怠速试验。从图8可以看出，发动机从起动到怠速过渡较平滑，怠

14、速转速比较稳定，怠速波动在10r/min以内。节气门开度、喷油脉宽和点火提前角按照控制策略平滑过渡。而在出怠速时，从怠速到正常工况过渡也较平滑。发动机在怠速工况靠节气门和点火提前角维持怠速转速。2.3过渡工况及最高转速验证瞬态工况在发动机中所占比例也极高，在城市实车运行过程中，发动机大部分情况下处于瞬态工况。由于瞬态工况非常复杂，涉及到空气、燃油在动态过程中的匹配问题，很难进行精确控制。一般控制系统在过渡工况采用开环控制。过渡工况的评价标准主要是平滑的驾驶性能。为了防止发动机飞车，需要对最高转速进行限制。发动机不带负载，踏板在1s内从0-100%，维持35s，然后踏板从100%-0，记录相关数

15、据如图9所示。在加速工况，为了快速响应驾驶员扭矩需要，喷油脉宽急剧增加，为了防止冲击，点火角增加幅度相对较小。而在减速工况，为了提高经济性减少排放，燃油脉宽减少。过渡工况转速过渡平滑。进入最高转速限制后，通过发动机最高转速扭矩限制控制节气门开度，使发动机转速维持在最高转速6500r/min。从转速曲线可以看出，发动机在最高转速运转稳定，说明最高转速扭矩限制功能满足要求。2.4扭矩模型测试为了验证扭矩模型精度，在不同工况下验证需求平均指示压力和实测平均指示压力值，计算其精度。需求平均指示压力由扭矩模型算得，而实测平均指示压力（IMEP）由燃烧分析仪测得。精度的计算方法为需求IMEP减去实测IMEP的绝对值除以需求IMEP。为了使测试更具有代表性，转速和负荷分布范围涵盖了大部分工况点，表2为具有代表性的工况点。点火提前角为最大扭矩最小点火提前角，空燃比为理论空燃比。从表2可以看出，需求IMEP与实测IMEP相差较小，其精度