魏倩雯 鞠 敏 黃玉平 王 騰

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中有不同的工作狀態(tài)，分為啟動(dòng)工況、怠速工況、加速工況、減速工況和勻速工況等。其中怠速工況是指發(fā)動(dòng)機(jī)在對(duì)外不做功的情況下，以最低穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行的狀態(tài)。該狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)完全脫離，不對(duì)外輸出功率，產(chǎn)生的功率僅維持本體各部件及車輛輔助裝置（如空調(diào)、風(fēng)扇）運(yùn)行使用，發(fā)動(dòng)機(jī)自身維持在在較低的穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下對(duì)抗扭矩干擾因素的能力是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)重要的指標(biāo)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速穩(wěn)定性較差，易造成怠速的波動(dòng)，直接影響駕駛員駕駛體驗(yàn)的舒適性，同時(shí)怠速不穩(wěn)定易造成燃燒室的空燃比偏離最佳區(qū)間，導(dǎo)致排放指標(biāo)的惡化。隨著國(guó)家排放法規(guī)不斷逐步加嚴(yán)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能提出了更高的要求，對(duì)怠速控制的要求也隨之增加。

當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)大都配備了電控單元（ECU），能夠采集各傳感器輸入的進(jìn)氣量、溫度和壓力等信息，進(jìn)而精確控制燃料供給量、空燃比、加電時(shí)間和正時(shí)信號(hào)等發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。ECU通過調(diào)節(jié)上述參數(shù)可以令發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速趨近于目標(biāo)怠速設(shè)定值，使怠速控制的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。

1 電控發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制

1.1 怠速

怠速有低怠速和高怠速之分。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門踏板開度為0，發(fā)動(dòng)機(jī)維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的最小轉(zhuǎn)速為低怠速，發(fā)動(dòng)機(jī)處于低怠速工況。電噴發(fā)動(dòng)機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)維持的最大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是高怠速。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速被限制在低怠速和高怠速之間，轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其最小值受低怠速的限制，防止由轉(zhuǎn)速過低造成的熄火；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高時(shí)，轉(zhuǎn)速的最大值會(huì)受到高怠速的限制，防止發(fā)生轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致的超出發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體能夠承受的范圍或者飛車的情況。高低怠速的控制是發(fā)動(dòng)機(jī)控制的重要技術(shù)點(diǎn)。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為一個(gè)必不可少的輸入，在發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速控制中起重要作用，其與發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸位置相關(guān)，對(duì)位置的獲取及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算是發(fā)動(dòng)機(jī)控制架構(gòu)中基礎(chǔ)且必要的模塊。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，ECU通過曲軸位置傳感器獲得位置信號(hào)，并根據(jù)其來設(shè)定點(diǎn)火正時(shí)、氣門正時(shí)以及噴油正時(shí)。借助凸輪軸位置傳感器可以得到凸輪軸的位置，來確定氣缸上氣門的開啟時(shí)機(jī)。通常采用曲軸位置同時(shí)結(jié)合凸輪軸位置來得到發(fā)動(dòng)機(jī)位置信息?？刂葡到y(tǒng)中具有精確的時(shí)鐘，根據(jù)時(shí)鐘信息與采樣獲得的位置變化信號(hào)便能計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

考慮發(fā)動(dòng)機(jī)工況的復(fù)雜性，通常選用平均轉(zhuǎn)速作為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋，為保證轉(zhuǎn)速計(jì)算的準(zhǔn)確性，一般需要對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波處理。信號(hào)采樣點(diǎn)越多，濾波的效果越好，但相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的處理時(shí)間也會(huì)增加，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)來說，這會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為兼顧濾波效果與計(jì)算時(shí)間，可以選用滑動(dòng)均值濾波算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速濾波，即先確定用于計(jì)算的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)構(gòu)成隊(duì)列計(jì)算平均值，隊(duì)列新增加采樣點(diǎn)后移除隊(duì)首的采樣點(diǎn)，保持采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)不變，然后進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

1.3 怠速狀態(tài)判斷及控制

通常發(fā)動(dòng)機(jī)存在啟動(dòng)、暖機(jī)、加減速與怠速等幾種狀態(tài)，控制系統(tǒng)需要根據(jù)工況類型執(zhí)行對(duì)應(yīng)的工作模式，即在根據(jù)實(shí)際反饋信息確定期望狀態(tài)后，調(diào)用控制系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的控制策略。其中發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速狀態(tài)是常見且重要的工況，需要對(duì)其特別考慮及分析。

在怠速狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)需要精確地輸出扭矩以平衡負(fù)載扭矩及摩擦等，進(jìn)而將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定的怠速值上。ECU的怠速控制策略可以避免在怠速狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失速，以及在空調(diào)壓縮機(jī)等耗電設(shè)備啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，使發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。期望的控制策略應(yīng)能盡可能地減小轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，能夠?qū)ω?fù)載變化迅速作出響應(yīng)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)節(jié)氣門開關(guān)檢測(cè)到開度為零，即節(jié)氣門完全關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也低于最小值時(shí)，可以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況，ECU會(huì)切換至怠速控制模式。在這種狀態(tài)下，ECU會(huì)依據(jù)當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行分析，結(jié)合負(fù)載情況，通過發(fā)送一定的準(zhǔn)確脈沖來控制節(jié)氣門旁通閥調(diào)整空氣的輸入，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

在怠速控制模式下，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算目標(biāo)怠速，在與實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比后對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。通常會(huì)考慮的是發(fā)動(dòng)機(jī)溫度條件不同的情況下目標(biāo)怠速的設(shè)置，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低時(shí)，高怠速能夠較快地提升溫度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)工作?？照{(diào)等負(fù)載運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)也會(huì)影響怠速的計(jì)算，控制策略在對(duì)不同條件下的怠速進(jìn)行計(jì)算后，以最高的怠速計(jì)算結(jié)果作為目標(biāo)怠速。

1.4 PID閉環(huán)控制

有啟機(jī)需求時(shí)，通常采用啟動(dòng)機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)的方式進(jìn)行啟動(dòng)，在該過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)進(jìn)行點(diǎn)火和噴油動(dòng)作，隨著轉(zhuǎn)速的提升，缸內(nèi)燃?xì)忾_始燃燒，轉(zhuǎn)速會(huì)先沖高超過怠速設(shè)定值，隨后在電控單元的主動(dòng)控制之下回落至怠速以下，并逐漸趨于穩(wěn)定。

上述分析假定一個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)提供的生鮮乳與一個(gè)加工廠的加工能力是相匹配的。而實(shí)踐中，往往是一個(gè)加工廠收購(gòu)加工多個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)的生鮮乳[注]2009年國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)《乳制品工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策》(修訂)規(guī)定，在全國(guó)重要的奶源基地，乳品加工項(xiàng)目的加工能力應(yīng)在日處理生鮮乳能力300噸及以上。。假定乳企日處理能力為300噸生鮮乳，需要配套的奶牛存欄量大約3萬頭，按照一個(gè)奶牛場(chǎng)平均存欄500頭計(jì)算，需要60個(gè)養(yǎng)牛場(chǎng)。這時(shí)候，人力資本的計(jì)量和監(jiān)督問題就更加突出。如果要實(shí)現(xiàn)買方合并，投資的邊際成本會(huì)上升很快，從而扭曲投資激勵(lì)[注]從這個(gè)角度也可以解釋中國(guó)乳企的自建牧場(chǎng)往往是萬頭牧場(chǎng)。。

啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速波動(dòng)示意曲線如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況

當(dāng)車輛啟動(dòng)完畢，處于怠速運(yùn)行條件下時(shí)，駕駛員不會(huì)通過油門踏板對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩輸入，發(fā)動(dòng)機(jī)需要自行計(jì)算自身運(yùn)行所需要的扭矩，用來克服自身的摩擦扭矩以及變速箱、水泵等運(yùn)行輔件的負(fù)載扭矩，以便發(fā)動(dòng)機(jī)能夠以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。該過程中輔件的負(fù)載扭矩不是一成不變的，可能會(huì)因?yàn)檎嚑顟B(tài)的改變而產(chǎn)生變化，例如空調(diào)的啟動(dòng)、變速器檔位變換等，在負(fù)載改變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)需要采取調(diào)整進(jìn)氣量、噴油量等措施來維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。在實(shí)際使用過程中，通常采用PID閉環(huán)控制的方式來維持怠速的穩(wěn)定性。

PID控制模型中包括比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)系數(shù)，通過對(duì)各項(xiàng)系數(shù)的調(diào)整可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的有效控制。對(duì)怠速控制，獲得當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速目標(biāo)怠速的偏差之后，通過轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制即可得到燃?xì)鈬娚淞康男拚担拚蟮膰娚淞勘憧梢允拱l(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)地以目標(biāo)怠速運(yùn)行。

1.5 怠速穩(wěn)定性

怠速控制的核心是穩(wěn)定性的控制，在怠速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在怠速設(shè)定值上下波動(dòng)。通常按照發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏離怠速設(shè)定值的大小進(jìn)行劃分，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在怠速上下波動(dòng)范圍在10 r/min之內(nèi)，為正常怠速波動(dòng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在怠速上下波動(dòng)范圍在10 r/min～20 r/min之間，為怠速控制不穩(wěn)定；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在怠速上下波動(dòng)范圍超過20 r/min，或者發(fā)動(dòng)機(jī)某一側(cè)發(fā)生劇烈抖動(dòng)，為怠速驗(yàn)證不穩(wěn)。怠速不穩(wěn)會(huì)影響駕駛員的駕駛感受，嚴(yán)重還會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的熄火等現(xiàn)象。

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況的工作過程比較復(fù)雜，點(diǎn)火提前角、加電時(shí)間、進(jìn)氣量、燃?xì)夤┙o量等因素對(duì)怠速穩(wěn)定性都有顯著的影響，可以分為物理因素和控制因素。

物理因素，例如進(jìn)氣系統(tǒng)中空氣濾清器故障、進(jìn)氣管/閥門堵塞或者泄露，造成混合氣空燃比偏離最優(yōu)范圍，使缸內(nèi)燃燒不充分；排氣系統(tǒng)中EGR閥故障、排氣管路廢氣雜質(zhì)堆積堵塞以及顆粒補(bǔ)給器積碳再生不充分形成堵塞等均會(huì)造成排氣不充分，使發(fā)動(dòng)機(jī)各缸工作不均勻；燃料供給系統(tǒng)中噴油器泄露或堵塞、加電時(shí)間不準(zhǔn)、噴油器一致性差以及噴油壓力偏高或偏低，導(dǎo)致燃料供給量不準(zhǔn)確，造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程出現(xiàn)問題?？刂埔蛩兀珉娮涌刂茊卧械∷匍]環(huán)、扭矩需求、噴油量計(jì)算和軌壓控制等策略邏輯錯(cuò)誤或者數(shù)據(jù)標(biāo)定不佳等，造成發(fā)動(dòng)機(jī)不能工作在最優(yōu)點(diǎn)。

2 問題分析

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)所需的空氣量和燃?xì)饬枯^少，當(dāng)因機(jī)械原因或其他原因?qū)е赂鞲走M(jìn)氣不均勻時(shí)，常規(guī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和空燃比閉環(huán)控制無法很好地解決單一缸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)問題，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)現(xiàn)象。

目前柴油機(jī)怠速控制方法多為基于目標(biāo)怠速值的PID閉環(huán)控制，對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其怠速控制方法除了上述的轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制，還有基于氧傳感器信號(hào)的空燃比閉環(huán)控制方法，其中氧傳感器通常安裝在排氣總管上，只能測(cè)量各缸空燃比的平均值，無法測(cè)量各缸實(shí)時(shí)的空燃比。如果由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械或其他原因?qū)е赂鱾€(gè)缸進(jìn)氣不均勻時(shí)會(huì)造成某一缸混合氣過濃或過稀，此時(shí)氧傳感器測(cè)量的結(jié)果是平均值，通過閉環(huán)控制將各缸的混合氣往濃或稀調(diào)節(jié)，不管哪一種都會(huì)導(dǎo)致某一缸工作更惡劣，使發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)定，波動(dòng)過大。但是如果在每缸均安裝氧傳感器或者缸壓傳感器來監(jiān)控各缸燃燒情況的方式，又會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)成本的增加。

3 怠速控制優(yōu)化方法

該文提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制方法，在不增加傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的穩(wěn)定控制，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。通過ECU計(jì)算各個(gè)缸的缸號(hào)以及缸號(hào)對(duì)應(yīng)的曲軸齒轉(zhuǎn)速來識(shí)別各個(gè)缸對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速情況，根據(jù)各個(gè)缸的實(shí)際平均轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制獲得各個(gè)缸的燃?xì)鈬娚淞?，或者直接用各缸?shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值查預(yù)設(shè)CURVE獲得各個(gè)缸的燃?xì)鈬娚湫拚?，以此在一定程度上解決不同缸因進(jìn)氣不一致引起的怠速時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)問題。同時(shí)考慮整車負(fù)荷對(duì)怠速的影響，加入該功能的使能條件，發(fā)動(dòng)機(jī)需要處在怠速工況且與整車傳動(dòng)系斷開。

控制方法流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

步驟如下：1） 獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、怠速狀態(tài)、怠速設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速、空擋信號(hào)、ECU計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)缸號(hào)以及各曲軸齒的轉(zhuǎn)速等參數(shù)。2） 判斷發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前工況是否滿足預(yù)設(shè)條件：發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)等于1；空擋信號(hào)等于1，表征當(dāng)前整車傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)斷開，去除整車負(fù)載對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的影響；如果滿足預(yù)設(shè)條件則執(zhí)行第三步，否則重新執(zhí)行第一步等待下一步判斷。3） 計(jì)算各個(gè)缸號(hào)對(duì)應(yīng)的曲軸齒的平均轉(zhuǎn)速。4） 計(jì)算各個(gè)缸平均轉(zhuǎn)速與怠速設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速差值。5） 判斷該計(jì)算的差值的絕對(duì)值是否大于等于預(yù)設(shè)值，如果是則執(zhí)行第6步，如果否則執(zhí)行第8步。該步驟的意思是當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速偏差大于一定數(shù)值后才進(jìn)行各缸的噴射量修正，如果轉(zhuǎn)速偏差很小則不進(jìn)行修正，其中預(yù)設(shè)值為標(biāo)定量，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行具體數(shù)據(jù)的標(biāo)定。6） 根據(jù)各缸平均值與目標(biāo)值進(jìn)行轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制獲得對(duì)應(yīng)缸的燃?xì)鈬娚淞啃拚祷蛘咄ㄟ^各缸差值查預(yù)設(shè)CURVE獲得對(duì)應(yīng)缸的燃?xì)鈬娚淞啃拚怠?） 將該修正量累加到對(duì)應(yīng)缸的噴射量上獲得最終執(zhí)行的噴射量。8） 對(duì)各缸噴射量進(jìn)行修正。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)完成后，該文對(duì)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、整理，如圖3所示。波動(dòng)較大的曲線Method1為原始曲線，波動(dòng)較小的曲線Method2為增加怠速優(yōu)化策略的試驗(yàn)曲線。從圖3可以看出，150該發(fā)動(dòng)機(jī)在加入優(yōu)化控制策略之后，怠速波動(dòng)情況有明顯好轉(zhuǎn)。

圖3 添加怠速優(yōu)化算法前后怠速波動(dòng)對(duì)比圖

5 結(jié)論

該文在當(dāng)前常用的怠速控制方法的基礎(chǔ)上提出了一種優(yōu)化方法，在不增加額外的傳感器、執(zhí)行器等零部件，同時(shí)不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體進(jìn)行改動(dòng)的情況下，使用當(dāng)前已經(jīng)能夠采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)各的參數(shù)計(jì)算各缸燃料噴射量的補(bǔ)償值，對(duì)原有燃料噴射量進(jìn)行修正，在一定程度上解決了發(fā)動(dòng)機(jī)因各缸進(jìn)氣不均勻?qū)е碌陌l(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)定的問題，進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。