高速汽油发动机瞬态工况空燃比的控制方法与流程

本发明涉及发动机电控的技术领域，具体说是一种高速汽油发动机瞬态工况空燃比的控制方法。

背景技术：

近年来，随着环境污染、能源稀缺问题日益严重，排放法规也因此变得越来越严格。为了解决日益严峻的排放问题，高速汽油发动机已经向着电喷的方向发展而逐渐减少传统的化油器的使用。对于日益严格的排放法规，其应对方案中依然是以三元催化转化器为主，而三元催化转化器的使用需要将空燃比控制在理论空燃比附近。高速汽油发动机在实际使用中，大部分情况下都处于节气门开度和转速突变的瞬态工况下，加大了空燃比控制的难度。如果采用单一的传统的氧传感器反馈控制，在瞬态工况下，空燃比会严重偏离理论空燃比，这不仅使发动机动力性能下降，还会影响三元催化转化器的效率，使排放恶化。故在汽油发动机瞬态工况空燃比控制策略的开发中，应在反馈控制的基础上重点研发空燃比的预测模型以及相应的控制方法，以改善控制器对瞬态工况的响应。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高速汽油发动机瞬态工况空燃比的控制方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:

本发明的高速汽油发动机瞬态工况空燃比的控制方法，包括以下步骤：

a、采集高速汽油发动机瞬态工况参数，将各工况参数分别作为控制影响因素相对于空燃比进行敏感度分析，得到空燃比控制超调量相对于各控制影响因素的敏感度，即各工况参数对空燃比控制的敏感度特性，根据敏感度特性确定影响瞬态空燃比控制的关键影响因素；

b、根据各关键影响因素对空燃比控制的敏感度特性建立进气流量预测模型；

c、根据各关键影响因素对空燃比控制的敏感度特性建立燃油动态流量模型；

d、通过进气流量预测模型和燃油动态流量模型建立空燃比预测算法，将采集到的当前工作循环的发动机工况参数输入进气流量预测模型得到发动机未来工作循环的进气流量预测值；将进气流量预测模型输出的未来工作循环的进气流量预测值和目标空燃比带入燃油动态流量模型得到未来工作循环进入发动机气缸的循环喷油量，将循环喷油量输入到喷油器模型中，得出喷油器的喷油脉宽；建立瞬变工况补偿修正模型，通过发动机及整车瞬态工况标定试验，获得基于发动机瞬态工况参数及其变化率的三维补偿脉宽脉谱图，补偿脉宽与喷油脉宽相结合得出最终执行喷油脉宽，将最终执行喷油脉宽作为喷油指令发送至汽油机的喷油器以执行喷油动作；

e、通过遗传算法进行待定系数的训练寻优，确定各模型中的待定系数，得到最终模型和瞬态空燃比控制策略；

f、将控制策略传输至ecu，执行瞬态空燃比控制策略，改变工况参数和目标空燃比，通过氧传感器测量实际空燃比，建立进气流量预测修正模型，以氧传感器测量的实际空燃比与目标空燃比的差值作为进气流量预测修正模型的输入，通过进气流量预测修正模型的输出来修正进气流量预测值，得到修正后的进气流量预测值；

g、将修正后的进气流量预测值输入燃油动态流量模型，通过喷油器模型和瞬变工况补偿修正重新得到最终喷油脉宽，并以最终执行喷油脉宽作为喷油指令使汽油机执行喷油动作；

h、重复上述步骤e、f、g。

本发明还可以采用以下技术措施：

所述的未来工作循环为当前工作循环的下一工作循环。

步骤a中，发动机的瞬态工况空燃比影响因素包括：转速n、节气门开度α、功率p、扭矩t、进气歧管压力pi、节气门变化率进气歧管压力变化率转速变化率缸头温度th、进气歧管温度tm、燃油喷射压力pf、燃油温度tf、环境压力pamb、环境温度tamb、燃油喷射脉宽t、点火提前角φ、油滴的平均直径smd，缸内压力pc，其中进气歧管压力pi的采集位置为节气门后，确定各影响因素相对空燃比λ的敏感度，根据上述敏感度将确定关键影响因素，将对应的各关键影响因素加入到后续模型建立的经验公式中，对经验公式进行修正。

进气流量预测模型又包括节气门流量模型、进气门处流量模型和进气歧管压力变化率预测模型；根据关键影响因素对空燃比控制的敏感度特性确定：节气门流量模型以进气歧管压力pi、节气门开度α、缸头温度th为输入，节气门处的流量qt为输出；进气门处流量模型以进气歧管压力pi、发动机转速n、缸头温度th为输入，进气门处的流量qc为输出；进气歧管模型以qt和qc为输入，进气歧管压力变化率为输出；进气流量预测值为qc'，δqc'为进气流量预测值的修正值；

节气门流量模型采用的公式为

其中，

pi为进气歧管压力；pin为空气滤清器后节气门前的气压；a1～a6,b1～b5为待定系数；

进气门处流量模型采用的公式为

其中，

αlast是上一循环中的节气门开度，nlast为上一循环中的转速，pilast为上一循环中的进气歧管压力，i为缸数，默认为四冲程，c1～c6,d1～d5为待定系数。

进气歧管压力变化率预测值

其中r为理想气体常数，vi为进气歧管容积，ti为进气温度，ti数值上为缸头温度th，三项分别为节气门变化率、进气歧管压力变化率和转速变化率，为进气歧管压力变化率预测值，依此可预测下一循环的进气歧管压力；

进气流量预测修正模型公式如下：

eλ＝λt-λr

eλint＝eλint+eλ

δqc'＝kp·eλ+ki·eλint

其中，λt为目标空燃比，λr为实际空燃比，kp，ki为待定系数；

由以上可得，下一循环进气歧管压力预测值

下一循环进气门处的进气流量预测值：

燃油流量动态模型中，输入为缸头温度、进气歧管压力、转速、进入气缸的燃油流量输出为循环喷油量以及下一循环的油膜质量，采用的公式如下：

mff＝m′ff

其中，其中x为喷雾的蒸发百分比，0<x<1，τ为油膜蒸发的时间常数，为燃油喷射流量，为油膜流量，e1～e8为待定系数，i为缸数，默认为四冲程。

通过进气流量预测模型计算出下一循环的进气量，根据下一循环的进气量和目标空燃比计算出下一循环进入气缸的燃油量的期望值，将燃油量期望值带入到燃油动态流量模型中；

燃油动态流量模型的输出为循环喷油流量，该值作为输入给喷油器模型，最终输出喷油脉宽，所采用的具体公式为其中t为喷油脉宽，为燃油喷射流量，qf为喷油器静态流量，n为转速，k为标定系数，tdelay为喷油器延迟时间，其中静态流量的公式为cinj为喷油器流量系数，ainj为喷油器喷孔截面积，pf为燃油的压力，pi为进气歧管压力，nh为喷油器喷孔数量，e9为待定系数。

得到喷油脉宽后，根据节气门变化率判断发动机的瞬时工况，向瞬变工况补偿修正模型中输入发动机工况的影响参数和变化率，输出相应的补偿脉宽至喷油脉宽。

通过matlab中的遗传算法模块确定各模型中的待定系数。

本发明具有的优点和积极效果是:

本发明的高速汽油发动机瞬态工况空燃比的控制方法，结合氧传感器反馈控制，在瞬态工况下可以快速准确预测空燃比的变化趋势，在稳态工况下又可以保证较小的稳态误差。既能够有效实现空燃比控制，降低排放，又可以保证良好的动力性。

附图说明

图1是本发明的高速汽油发动机瞬态工况空燃比的控制方法的示意图；

图2是本发明的高速汽油发动机瞬态工况空燃比的控制方法中进气流量预测模型的示意图；

图3是本发明的高速汽油发动机瞬态工况空燃比的控制方法中燃油动态流量模型的示意图。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1至图3所示，本发明的高速汽油发动机瞬态工况空燃比的控制方法，包括以下步骤：

a、采集高速汽油发动机瞬态工况参数，将各工况参数分别作为控制影响因素相对于空燃比进行敏感度分析，得到空燃比控制超调量相对于各控制影响因素的敏感度，即各工况参数对空燃比控制的敏感度特性，根据敏感度特性确定影响瞬态空燃比控制的关键影响因素，关键影响因素即为那些自身发生改变时而导致空燃比有明显变化的工况参数，关键影响因素的选取根据发动机的实际情况确定；

b、根据各关键影响因素对空燃比控制的敏感度特性建立进气流量预测模型，各关键影响因素是指节气门开度及其变化率，转速，温度等等因素，他们各自或者两两耦合跟空燃比的预测会有不同的数值关系，称为敏感度特性；

c、根据各关键影响因素对空燃比控制的敏感度特性建立燃油动态流量模型；

d、通过进气流量预测模型和燃油动态流量模型建立空燃比预测算法，将采集到的当前工作循环的发动机工况参数输入进气流量预测模型得到发动机未来工作循环的进气流量预测值；将进气流量预测模型输出的未来工作循环的进气流量预测值和目标空燃比带入燃油动态流量模型得到未来工作循环进入发动机气缸的循环喷油量，将循环喷油量输入到喷油器模型中，得出喷油器的喷油脉宽；建立瞬变工况补偿修正模型，通过发动机及整车瞬态工况标定试验，获得基于发动机瞬态工况参数及其变化率的三维补偿脉宽脉谱图，补偿脉宽与喷油脉宽相结合得出最终执行喷油脉宽，将最终执行喷油脉宽作为喷油指令发送至汽油机的喷油器以执行喷油动作；

e、通过遗传算法进行待定系数的训练寻优，确定各模型中的待定系数，得到最终模型和瞬态空燃比控制策略；

f、将控制策略传输至ecu，执行瞬态空燃比控制策略，改变工况参数和目标空燃比，通过氧传感器测量实际空燃比，建立进气流量预测修正模型，以氧传感器测量的实际空燃比与目标空燃比的差值作为进气流量预测修正模型的输入，通过进气流量预测修正模型的输出来修正进气流量预测值，得到修正后的进气流量预测值；

g、将修正后的进气流量预测值输入燃油动态流量模型，通过喷油器模型和瞬变工况补偿修正重新得到最终喷油脉宽，并以最终执行喷油脉宽作为喷油指令使汽油机执行喷油动作；

h、重复上述步骤e、f、g。

未来工作循环为当前工作循环的下一工作循环。

步骤a中，发动机的瞬态工况空燃比影响因素包括：转速n、节气门开度α、功率p、扭矩t、进气歧管压力pi、节气门变化率进气歧管压力变化率转速变化率缸头温度th、进气歧管温度tm、燃油喷射压力pf、燃油温度tf、环境压力pamb、环境温度tamb、燃油喷射脉宽t、点火提前角φ、油滴的平均直径smd，缸内压力pc，其中进气歧管压力pi的采集位置为节气门后，根据上述数据设计并标定一维仿真模型，确定各影响因素相对空燃比λ的敏感度，根据上述敏感度将确定关键影响因素，将对应的各关键影响因素加入到后续模型建立的经验公式中，对经验公式进行修正。

进气流量预测模型又包括节气门流量模型、进气门处流量模型和进气歧管压力变化率预测模型；根据关键影响因素对空燃比控制的敏感度特性确定：节气门流量模型以进气歧管压力pi、节气门开度α、缸头温度th为输入，节气门处的流量qt为输出；进气门处流量模型以进气歧管压力pi、发动机转速n、缸头温度th为输入，进气门处的流量qc为输出；进气歧管模型以qt和qc为输入，进气歧管压力变化率为输出；进气流量预测值为qc'，δqc'为进气流量预测值的修正值；

节气门流量模型采用的公式为

其中，

pi为进气歧管压力；pin为空气滤清器后节气门前的气压；a1～a6,b1～b5为待定系数；

进气门处流量模型采用的公式为

其中，

αlast是上一循环中的节气门开度，nlast为上一循环中的转速，pilast为上一循环中的进气歧管压力，i为缸数，默认为四冲程，c1～c6,d1～d5为待定系数。

进气歧管压力变化率预测值

其中r为理想气体常数，vi为进气歧管容积，ti为进气温度，ti数值上为缸头温度th，三项分别为节气门变化率、进气歧管压力变化率和转速变化率，为进气歧管压力变化率预测值，依此可预测下一循环的进气歧管压力；

进气流量预测修正模型公式如下：

eλ＝λt-λr

eλint＝eλint+eλ

δqc'＝kp·eλ+ki·eλint

其中，λt为目标空燃比，λr为实际空燃比，kp，ki为待定系数；

由以上可得，下一循环进气歧管压力预测值

下一循环进气门处的进气流量预测值：

燃油流量动态模型中，输入为缸头温度、进气歧管压力、转速、进入气缸的燃油流量输出为循环喷油量以及下一循环的油膜质量，mff＝m'ff，此公式将上循环计算的油膜质量预测值m′ff赋给本循环的油膜质量mff；

此公式为喷油量的计算公式；

此公式为下一循环油膜质量的计算公式；

其中，其中x为喷雾的蒸发百分比，0<x<1，τ为油膜蒸发的时间常数，为燃油喷射流量，为油膜流量，e1～e8为待定系数，i为缸数，默认为四冲程。

通过进气流量预测模型计算出下一循环的进气量，根据下一循环的进气量和目标空燃比计算出下一循环进入气缸的燃油量的期望值，将燃油量期望值带入到燃油动态流量模型中；

燃油动态流量模型的输出为循环喷油流量，该值作为输入给喷油器模型，最终输出喷油脉宽，所采用的具体公式为其中t为喷油脉宽，为燃油喷射流量，qf为喷油器静态流量，n为转速，k为标定系数，tdelay为喷油器延迟时间，其中静态流量的公式为cinj为喷油器流量系数，ainj为喷油器喷孔截面积，pf为燃油的压力，pi为进气歧管压力，nh为喷油器喷孔数量，e9为待定系数。

得到喷油脉宽后，根据节气门变化率判断发动机的瞬时工况，向瞬变工况补偿修正模型中输入发动机工况的影响参数和变化率，输出相应的补偿脉宽至喷油脉宽。通过matlab中的遗传算法模块确定各模型中的待定系数。在matlab中用m语言的方式编写遗传算法，并准备好多组试验数据以备调用，所述需要训练的模型可在simulink中设计，也可同样以m语言的方式设计，并将模型中的待定参数交给遗传算法来提供，并把模型计算值提供给遗传算法。经过若干步迭代，最终即可获得可靠的模型。遗传算法是较为成熟的算法，主要的功能就是确定模型中的待定系数，利用matlab中的遗传算法模块，把模型与遗传算法相连就能得出待定参数的优化值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而，并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当然会利用揭示的技术内容作出些许更动或修饰a，成为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。