基于带通滤波的电控柴油机各缸均匀性控制

1、-基于带通滤波电控柴油机各缸不均匀性控制作者简介：周泉1985 ，男，硕士研究生，研究方向为柴油机电控技术.( 270613867qq.)通讯 王贵勇1971 ，男，副教授，研究方向为柴油机电控技术(wangguiyonggmail.)周泉，王贵勇，申立中理工大学 省燃机重点实验室， (650224)摘要：以云动力YN30电控柴油机为研究载体，设计一种基于带通滤波的控制各缸均匀性的算法。首先通过曲轴信号传感器获取瞬时转速信号，经过低通滤波、重采样等处理后，根据发动机当前转速频率，以带通滤波的形式获取各缸不均匀性特征，再以PI算法量化不均匀得到具体各缸所需修正的油量。最终在实验室台架上对各缸喷油

2、量进展相应的修正，并再次采集瞬时转速以验证各缸不均匀的变化情况。关键词：带通滤波，各缸均匀性，控制，瞬时转速中图：TK421文献标识码：ControlforCylinder ImbalanceofElectronic-controlledDiesel Based on BandpassFiltersZHOU quan，WANG guiyoug, SHEN LizhongProvincial Key Lab of IC Engine，Science and Technology University of Kunming，Kunming, PRC( 650224)Abstract：Using Y

3、N30 electronic-controlled diesel of KUNMING YUNNEI POWERas carrier,an algorithmwhich is based on bandpass filters was designed. Firstly instantaneous speed signal was accessed through the crankshaft signal sensors,then it was processed by low-pass filter and resample.According to speed frequency and

4、 in the form of bandpass filters,the uniformity of cylinder by cylinder was obtained.In order to gain the specific oil correction, PI algorithm was used. Finally, the correction was performedin the e*perimental bed, after that the instantaneous speed signal will detected again to check the situation

5、 of uniformitys change.Key words:Bandpass, Cylinder by cylinder uniformity, Control, Instantaneous speed1引言在电控柴油机运行的过程中，许多因素都可能引发各缸工作不均匀。例如各缸喷油不均，摩擦阻力不均，缸密封不均等等。各缸工作的不均匀可能导致发动机噪声、振动变大、恶化发动机的NVH特性、缩短使用寿命，尤其是当发动机处于低怠带工况下时，因各缸不均匀性所带来的规律性抖动最为明显。在高档轿车柴油机上，对舒适性要求极高，各缸均匀性的检测与控制是极其必要的，同时它也成为现代发动机OBD系统中的重要组成

6、模块。图1 信号流程图Fig .1 Thesignalprocess各缸工作不均匀性的检测是一个高精度的动态信号采集过程，不均匀性的提取涉及到DSP，以及发动机动力学特性。不均匀性的检测与调整都需要在*些特定的工况下进展主要受当前转速、主喷油量的限制。图1为整个功能模块的信号流程，首先对电控柴油机曲轴端原配磁电式传感器的信号进展准确的测量，获取准确的瞬时转速变化信息，经过带通滤波等各类数字信号处理后，计算出各缸的修正油量并输出到油量调节模块中，再综合当前发动机工况来调整各缸的不均匀性。在这里对各缸油量的修正是逐次完成的，当各缸油量得到修正后，再次测量曲轴信号进展反响，并计算下次的修正量，如此反

7、复直到将各缸不均匀性修正到一定围。2瞬时转速信号的检测图2曲轴传感器与信号齿Fig.2The crankshaft sensors and signal tooth图3曲轴电压信号Fig .3The voltage signal of crankshaft如图2所示，YN30电控柴油机的曲轴上有专门用于信号检测的信号齿矩形，不同于启动齿圈，信号齿的数量为60-2个，其中的两个缺齿用于判缸。每个齿在经过磁电传感器时会产生一个正弦电压信号。再以2V触发方波上升沿，以0V触发下降沿，再以下降沿为基准将正弦信号量化为方波信号，如图3所示。图4 (a)曲轴时段信 Fig. 4(a)The timeseg

8、ment of crankshaft图4 (b) 瞬时转速 Fig .4 (b) Instantaneous speed将图3中各个方波信号的周期准确读取出来就得到了可以表达瞬时转速变化的时段信号，如图4(a)所示。在这里由于各缸轮流做功所引起的时段大小变化是非常微小的量，数量级在10-5到10-6秒之间，这就要求对曲轴电压信号的A/D转化频率不得低于250K赫兹，以确保足够的测量精度。如果将曲轴每转认作是60个齿将两个缺齿补上，经过运算可知，每个齿的倒数就是瞬时转速r/m，如图4(b)。但在程序设计中为了防止除法运算，在整个运算过程中都直接使用时段信号来表征瞬时转速的变化情况。时段越小表示瞬

9、时转速越高，时段越大则表示瞬时转速越低。3信号的预处理由于两个缺齿的存在，曲轴每转一圈都会产生一个较大时段为普通时段的三倍，如图5(a)所示。这个大时段是判缸的依据，以它来确定各时段的相位。但在判缸以后，需要将它处理成普通时段以便后面的信号处理。经缺齿处理后的时段所图5(b)所示。原始时段信号上会带有一些小毛刺，主要是由信号采集的过程中发动机的抖动和曲轴各信号齿之间的外形偏差等因素引起的。为了去除这些干扰，使用了一个FIR有限冲击响应滤波器进展低通过滤，公式如下：1(1)式为一个九阶的FIR数字滤波器，hk为滤波器的抽头权重，其中h4最大，h0和 h8最小，且h0+ h1+ h81。这样输入序

10、列经过处理后就得到了平滑的的输出序列如图5(c)所示。对于发动机电控来说，曲轴每转60个齿的密度有利于准确的找到喷油相位，但对于不均匀性的提取来说，并不需要这么高的信号密度，为了节约运算资源，需要对过滤后时段信号进展降采样。经历证，可将降采样因子定为每5，即从每5个时段值中抽取一个，再经过放大得到简化后的时段图5(d)。图5 (a) 曲轴原时段 Fig .5 (a) The original timeegment图5 (b) 缺齿处理后 Fig.5(b) After missing teethprocessing图5 (c) 低通滤波后 Fig .5 (c) After low-pass fi

11、lter图5 (d) 降采样后 Fig .5 (d) After drop sampling4带通滤波与不均匀性的提取YN30为四冲程发动机，曲轴每两转完成一个工作循环。在这里定义每一个工作循环所对应周期下的频率为基频例如800r/m时基频约为6.67Hz。这时，凸轮轴转速频率等于基频，曲轴转速频率为基频的2倍。之前信号的处理都是从时域的角度进展的，下面从频域的角度来分析各缸的不均匀性。如图6所示，将降采样后的时段作为输入序列，进展单边FFT变换，得到频谱图。图6a 各缸工作均匀时的时段图及其频谱图6b 各缸工作不均匀时的时段图及其频谱根据往复式发动机的动力学特性，当各缸工作非常均匀时，瞬时转

12、速的波动规律根本只受缸气体压力与活塞连杆机构往复惯性力的影响。从频谱的角度分析，800r/m时，频谱图中的四倍基频26.67Hz即发火频率所对应的幅度是最大的，其次较大的是八倍基频53.33Hz、十二倍基频106.67Hz等等。因为后面的幅值较小，在频谱图中只显示到八倍基频。a仅一缸工作不均b相邻两缸工作不均c不相邻两缸工作不均图 7 不同的工作不均匀性当各缸工作出现不均时，原本接近为零的一倍与二倍基频就会变大，因为各缸工作的不均匀性都会表达在一倍和二倍基频上，如图6(b)频谱图所示。原因分析如下：图 8 两带通滤波器的结果与频谱当仅有一缸或是相邻两缸出现不均时图7(a)、(b)，非正常波动在

13、每一个工作循环720度出现一次，振幅会表达在一倍基频上；当不相邻两缸出现不均时图7(c)，即每半个工作循环360度出现一次，振幅则会表达在二倍基频上。因而只要将一倍与二倍基频的分量抽取出来，就可以用于表达发动机不均匀性的情况。所以需要2个带通滤波器，带通的中心频率分别为一倍和二倍基频。滤波的结果幅值越大说明不均匀性越大。同理也可推断出六缸机不均匀性的分析则需要一倍、二倍和三倍基频，即需要要Z/2个带通滤波器Z为缸数。图 9 (a) 两带通输出结果相加图 9 (b) 一个工作循环四缸各自的不均匀性图8中，两个带通滤波的结果直接就表达出了各自阶次下不均匀性的特性，包括大小和相位。将两个带通滤波输出

14、波形对齐相位再叠加在一起就得到了可以完整表达各缸不均匀性的曲线，将图8中两个带通输出波形叠加就得到了图9的波形。图9(a)中显示的是三个工作循环的波动情况，将中间的一个完整的工作循环提取出来即横坐标从144168的波动情况即可用于表达四缸的不均匀性情况。图 10 各缸所需的修正油量mg在图9(b)中，当各缸工作绝对均匀时，波动的曲线应该保持在零，当*缸瞬时转速偏高时，对应的时段就会变小，表达在图9(b)中就会偏向Y轴负半轴方向，如一缸。反过来如果*缸瞬时转速偏低其波动则会偏向Y轴正半轴方向，如四缸。最后，对9(b)中的波动曲线进展积分计算也可认作是各缸区域以Y轴为边界进展的面积计算，且正负面积

15、相互抵消。将计算的结果根据发动机当前的主喷油量按比例缩放就得到了各缸实际所需的修正油量，如图10所示原主喷油量为10mg。其中正的修正值表示需要增加喷油量以提高这一缸的瞬时转速，而负的则反之。在图12中列举了6类不均匀性，分别是：各缸工作均匀、单缸转速偏低、相邻两缸转速偏低、相邻两缸转速一高一低、不相邻两缸转速偏低、不相邻两缸转速一高一低。并都给出了对应的带通滤波情况与经比例积分计算后的修正油量。从各自的频谱图来看，不同种类的不均匀性会以其对应的形式表达在一倍与二倍基频上，例如，当单缸出现不均匀与相邻两缸一高一低时，一倍与二倍基频幅值都较大。当相邻两缸偏低与不相邻两缸一高一低时，一倍基频幅值较

16、大。当不相邻两缸转速偏低时，二倍基频幅值较大。这样在两带通输出相加的结果中就能够准确地表达出各缸的不均匀性情况，最后计算出的修正油量与各自的不均匀性完全吻合。以带通滤波的形式提取各缸不均匀性在准确与稳定上有着显著的优越性。首先在图12的*些频谱图中可以看到，在非常低的阶次上可能也会存在较大幅值，这是由于平均转速的波动所引起的。别外，当转速变大时，随着往复惯性力作用的增大，在瞬时转速的波峰上会出现新的波谷。在这两点的影响下，使得直接以瞬时转速波峰或波谷来计算不均匀性变得不够可靠。但对于带通滤波来说，是不受低频波动与往复惯性力波动干扰的，它只提取因各缸不均匀工作而引起的一倍与二倍基频上的分量，因而

17、具有很好的准确性与可靠性。5结合工况对各缸工作不均匀性的控制当获得如图10所示的各缸修正油量后，并不能盲目的对各缸进展修正，在图1中的信号流程中，这只走完了上半条路线，只有下半条路线给出的当前工况也满足修正要求时才会对各缸喷油进展修正。对各缸油量的修正必须密切结合发动机当前的工况，经理论分析与实验结果验证，当一台发动机存在不均匀性时，低怠速工况下会表达得最为明显。随着转速或是负荷的上升其不均匀性会自动衰减，因而在离开低怠速工况后，可逐步停顿对各缸不均匀性进展修正。对各缸不均匀性的修正的主要作用在于提高发动机低怠速时的舒适性。另外，为了保证对各缸不均匀性进展检测时不受外部因素的干扰，要求仅在*些

18、特定的工况条件下进展不均匀性的检测，例如：1、发动机处于正常工况下。2、发动机输出扭矩可正可负的绝对值低于*个域值。参考围 -55Nm。3、转速和主喷油量处在*个围。图11给出了参考值。图11 控制区域划分在11中，是根据发动机当前的喷油量与转速来划分控制区域的，在闭环控制区，不断对各缸的不均匀性进展学习并计算出的各缸修正油量，同时也在以最新的计算结果修正各缸喷油量。在开环控制区，则只进展各缸不均匀性的修正，修正值为在闭环控制区给出最后的计算结果。到了无效区，将完全停顿平衡各缸不均匀性的所有功能。7 结 论准确测量曲轴飞轮端信号齿所提供的时段信息可以直接准确的表达各缸瞬时转速的波动情况，并可以

19、从中得到发动机瞬时工况的一些信息。同时也证明发动机在低怠速工况下各缸不均匀性会表达得最为明显，随着转速与负荷的增大不均匀性会逐渐被掩盖。发动机各缸不均匀性大小主要会表达在低怠速时的振动与噪声上，因而对其的修正可以提高此工况下的舒适性。基于带通滤波来提取各缸不均匀性的算法具有较高的准确性与可靠性，对于因发动机外部扭矩干扰引发的平均转速波动和往复惯性力波动所带来的干扰具有很好免疫力。针对因各缸喷油不均所产生的不均匀性可以快速稳定的进展修正。根据当前工况具体划分学习与控制区域后再结合计算出来的修正结果，能够让各缸的平衡功能更好地发挥作用。各缸工作均匀单缸转速偏低相邻两缸转速偏低相邻两缸转速一高一低不相邻两缸转速偏低不相邻两缸转速一高一低曲轴时段时段频谱两带通结果之和修正油量图12 各类不均匀性下的带通结果与修正油量参考文献1 M. J. van Nieuwstadt，I. V. KolmanovskyDetecting and Correcting Cylinder Imbalance in Direct Injection EnginesJJournal of Dynamic Systems, Measurement,