CN104295388A - 一种基于指示转矩的发动机各缸不均匀性补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于指示转矩的发动机各缸不均匀性补偿控制方法，旨在解决现有技术存在的多缸发动机各缸不均匀性的问题。首先，获取气缸做功区间终点的瞬时转速，并将其转换为瞬时角速度；其次，获取气缸做功区间的平均转速，并将其转换为平均角速度；然后，根据气缸做功区间终点的瞬时角速度、气缸做功区间的平均角速度和气缸的目标需求指示转矩，计算基础指示转矩相对残差；并根据基础指示转矩相对残差计算修正后的指示转矩相对残差；最后，根据计算所得的修正后的指示转矩相对残差，采用学习型修正算法，对各缸燃料喷射量进行补偿调节。本方法适用于发动机全生命周期，补偿效果好，稳定性和响应性也较好，有利于提高发动机性能。

Description

一种基于指示转矩的发动机各缸不均匀性补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧发动机的控制，具体涉及多缸发动机基于各缸指示转矩相对残差的学习型燃料喷射量的补偿方法。

背景技术

四冲程多缸发动机工作时各气缸工作过程均存在不均匀性，直接影响发动机的性能和振动噪声。对质调节式发动机，这种各缸不均匀性是由于各缸实际燃料喷射量和实际进气量不一致，以及各缸工作条件不一致性造成的。它导致发动机各缸同一循环所做的功有偏差，这种偏差不仅影响发动机的性能而且直接导致曲轴瞬态转速的波动，造成整机振动和噪声。目前，各缸不均匀性的补偿方法多从曲轴瞬态转速出发，计算各个气缸独立做功区间的平均转速的差别，利用补偿公式或补偿脉谱的方法调整或修正各气缸实际燃料喷射量，从而调整各气缸的实际做功能力，减小曲轴转速的波动。这种传统的各缸不均匀性的补偿方法适应性较差，而且效果不显著，容易引起过度补偿，反而存在加剧各缸做功不均匀性的可能。

基于指示转矩的发动机控制方法是一种根据发动机输出转矩的需求，考虑到各缸内部摩擦损失、驱动附件以及泵气损失等，计算出各缸需要作用在活塞顶上的指示转矩，再根据发动机工作原理将指示转矩转换成燃料喷射量的发动机控制方法。发动机曲轴瞬态转速的波动是各缸实际产生的指示转矩和计算所得的需要作用在活塞顶上的指示转矩的残差的反映。

发明内容

为了有效改善多缸发动机各缸不均匀性的问题，本发明提供一种基于各缸指示转矩相对残差的学习型燃料喷射量的补偿方法，适用于基于转矩的发动机控制方法，本发明是采用如下技术方案实现的：

步骤一，获取气缸做功区间终点的瞬时转速，并将其转换为瞬时角速度。

步骤二，获取气缸做功区间的平均转速，并将其转换为平均角速度。

步骤三，根据气缸做功区间终点的瞬时角速度、气缸做功区间的平均角速度和气缸的目标需求指示转矩，计算基础指示转矩相对残差；并根据基础指示转矩相对残差计算修正后的指示转矩相对残差。

步骤四，根据步骤三计算所得的修正后的指示转矩相对残差，采用学习型修正算法，对各缸燃料喷射量进行补偿调节。

进一步的技术方案如下：

步骤一的具体过程为：获取到的气缸做功区间终点的瞬时转速记为n_ins，将其转换为瞬时角速度记作ω，第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间终点的瞬时角速度记作ω_i(n)，其中：i＝1,2,3…m，m为气缸总数。

步骤二的具体过程为：将获取到的气缸做功区间的平均转速记作n_avg，将其转换为平均角速度记作第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间的平均角速度记作其中：i＝1,2,3…m，m为气缸总数。

步骤三的具体过程为：根据气缸做功区间终点的瞬时角速度ω、气缸做功区间的平均角速度和气缸的目标需求指示转矩Trq_I计算基础指示转矩相对残差R'，稳态工况时用公式(1)计算，瞬态工况时用公式(2)计算；并根据基础指示转矩相对残差R'用公式(3)计算修正后的指示转矩相对残差R。第n个循环发火顺序为i的气缸的基础指示转矩相对残差记为R_i'(n)，第n个循环发火顺序为i的气缸的修正后的指示转矩相对残差记为R_i(n)，其中：i＝1,2,3…m，m为气缸总数：

当前工况为稳态工况时，用公式

$R_i^{\′}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_{i-1}^2\left(n\right)),i>1\\ \frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_m^2(n-1)),i=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

当前工况为瞬态工况时，用公式

$R_i^{\′}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}[({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_{i-1}^2\left(n\right))-({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i^2\left(n\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_{i-1}^2\left(n\right))],i>1\\ \frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}[({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_m^2(n-1))-({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i^2\left(n\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_m^2(n-1))],i=1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，m为气缸数，I为转动惯量，τ为冲程数，ω_i(n)为第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间终点的瞬时角速度，为第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间的平均角速度，i＝1,2,3…m，

$R_i\left(n\right)=R_i^{\′}\left(n\right)-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m{R}_j^{\′}\left(n\right)}{m}---\left(3\right)$

其中，j＝1,2,3…m，m为气缸数。

步骤四所述的对各缸燃料喷射量进行补偿调节的具体过程为：第n个循环发火顺序为i的气缸的补偿前的燃料喷射量记为q_i'(n)，补偿后的燃料喷射量记为q_i(n)，燃料喷射量补偿系数记为F_i(n)，有q_i(n)＝F_i(n)·q_i'(n)；燃料喷射量补偿系数用学习公式F_i(n)＝(1-k_w)F_i(n-1)+k_w[1-R_i(n-1)]计算，其中：F_i(0)＝1，R_i(0)＝1，k_w为权重因子。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

这种基于指示转矩的质调节式发动机各缸不均匀性补偿控制方法，对瞬态工况和稳态工况均适用；不仅有利于进一步提高发动机的动力性和经济性，而且有效改善整机的振动和噪声，有利于整车的舒适性。而且学习型补偿算法具有自动适应性，可省去复杂的标定工作，适用于发动机全生命周期，补偿效果好，稳定性和响应性也较好。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的一种基于指示转矩的发动机各缸不均匀性补偿控制方法的基本控制流程图。

图2为本发明所述的一种基于指示转矩的发动机各缸不均匀性补偿控制方法的实施效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

为了详细地介绍本发明的内容，定义一些相关概念：

定义一：指示转矩，指气缸一个工作循环热功转换所获得的指示功等效成的曲轴输出转矩，用Trq_I表示。

定义二：指示转矩残差，指气缸做功区间的平均指示转矩和参考指示转矩的差值，其中参考指示转矩为该工况下的目标需求指示转矩，在气缸做功区间内，指示转矩残差带来做功区间前后曲轴转速的波动。

定义三：指示转矩相对残差，指指示转矩残差与目标需求指示转矩的比值。标准试验条件下(GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》)的指示转矩相对残差为基础指示转矩相对残差R'，经修正处理后的指示转矩相对残差为实际指示转矩相对残差，用R表示。

定义四：气缸做功区间，指当前做功气缸与按发火顺序标记的下一次做功气缸的发火间隔角。在实际控制中，点燃式发动机的发火间隔角用点火间隔角代替；压燃式发动机的发火间隔角则用主喷间隔角代替。当前气缸做功区间的起点即为上一气缸做功区间的终点。

参照图1，本发明所述的基于指示转矩的质调节式发动机各缸不均匀性补偿控制方法包括以下步骤：

步骤一，获取气缸做功区间终点的瞬时转速n_ins，转换为瞬时角速度ω。根据发火顺序，将气缸标记为1,2,3…m，m为气缸总数，发火顺序为i的气缸做功区间终点的瞬时转速记为n_ins,i。对于压燃式发动机，当前做功气缸做功区间终点等同于按发火顺序标记的下一做功气缸主喷开始对应的曲轴转角位置；对于点燃式发动机，当前做功气缸做功区间终点等同于按发火顺序标记的下一做功气缸点火对应的曲轴转角位置。即当前做功气缸做功区间终点的瞬时转速用按发火顺序标记的下一做功气缸主喷开始或点火时刻对应的曲轴转角位置的瞬时转速表示。做功气缸做功区间终点的瞬时转速用角速度表示，记为ω_i，i＝1,2,3…m，i为根据发火顺序标记的气缸序号。π为圆周率，n_ins,i为发火顺序为i的气缸的瞬时转速(单位r/min)。第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间终点的瞬时角速度记作ω_i(n)。

步骤二，获取气缸做功区间的平均转速n_avg，转换为平均角速度发火顺序为i的气缸的平均转速记为n_avg,i，i＝1,2,3…m。对于压燃式发动机，气缸做功区间的平均转速为当前做功气缸主喷开始时刻到按发火顺序标记的下一做功气缸主喷开始时刻之间的曲轴转速平均值；对于点燃式发动机，气缸做功区间的平均转速为当前做功气缸点火时刻到按发火顺序标记的下一做功气缸点火时刻之间的曲轴转速平均值。气缸做功区间的平均转速用平均角速度表示，记为i＝1,2,3…m，i为根据发火顺序标记的气缸序号，π为圆周率，n_avg,i为发火顺序为i的气缸做功区间的的瞬时转速(单位r/min)。第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间的平均角速度记作

步骤三，根据气缸做功区间终点的瞬时角速度ω、气缸做功区间的平均角速度和气缸的目标需求指示转矩Trq_I计算基础指示转矩相对残差R'；并根据基础指示转矩相对残差R'计算修正后的指示转矩相对残差R。发火顺序为i的气缸的指示转矩相对残差用R_i'表示，i＝1,2,3…m。对于每一个气缸，每循环计算一次指示转矩相对残差，第n个循环发火顺序为i的气缸的指示转矩相对残差记为R_i'(n)。本实施例中，当前工况为稳态工况时，基础指示转矩残差为 $R_i^{\′}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_{i-1}^2\left(n\right)),i>1\\ \frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_m^2(n-1)),i=1\end{array}\right.,$ m为气缸数，I为转动惯量，τ为冲程数，ω_i(n)为第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间终点的瞬时角速度，i＝1,2,3…m。当前工况为瞬态工况时，因发动机循环转速发生变化，还有一部分用来改变转动动能，因此基础指示转矩残差可表示为：

$R_i^{\′}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}[({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_{i-1}^2\left(n\right))-({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i^2\left(n\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_{i-1}^2\left(n\right))],i>1\\ \frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}[({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_m^2(n-1))-({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i^2\left(n\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_m^2(n-1))],i=1\end{array}\right.,$ m为气缸数，I为转动惯量，τ为冲程数，ω_i(n)为第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间终点的瞬时角速度，为第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间的平均角速度，i＝1,2,3…m。

根据计算所得的基础指示转矩相对残差R'，计算修正后的指示转矩相对残差R。因实际应用中循环转速不可能不发生波动，所以一个循环各气缸基础指示转矩相对残差R'之和不一定为零，即n为循环记数。在这种情况下直接补偿会造成每循环总燃料喷射量发生变化。所以，这里需对R_i'(n)进一步修正处理，修正后的指示转矩残差m为气缸数，R_i'(n)为第n个循环发火顺序为i的气缸的指示转矩相对残差。

步骤四，根据步骤三计算所得的指示转矩相对残差R，采用学习型修正算法，对各缸燃料喷射量q进行补偿调节。第n个循环发火顺序为i的气缸的补偿前的燃料喷射量记为q_i'(n)，补偿后的燃料喷射量记为q_i(n)，燃料喷射量补偿系数记为F_i(n)，有q_i(n)＝F_i(n)·q_i'(n)；燃料喷射量补偿系数用学习公式F_i(n)＝(1-k_w)F_i(n-1)+k_w[1-R_i(n-1)]计算，其中：F_i(0)＝1，R_i(0)＝1，k_w为权重因子。k_w的取值与当前工况相关，取值范围为0.02～0.1。

Claims (5)

1.一种基于指示转矩的发动机各缸不均匀性补偿控制方法，其特征在于，是通过如下步骤实现的：

步骤一，获取气缸做功区间终点的瞬时转速，并将其转换为瞬时角速度。

步骤二，获取气缸做功区间的平均转速，并将其转换为平均角速度。

步骤三，根据气缸做功区间终点的瞬时角速度、气缸做功区间的平均角速度和气缸的目标需求指示转矩，计算基础指示转矩相对残差；并根据基础指示转矩相对残差计算修正后的指示转矩相对残差。

步骤四，根据步骤三计算所得的修正后的指示转矩相对残差，采用学习型修正算法，对各缸燃料喷射量进行补偿调节。

2.按照权利要求1所述的一种基于指示转矩的发动机各缸不均匀性补偿控制方法，其特征在于，步骤一的具体过程为：获取到的气缸做功区间终点的瞬时转速记为n_ins，将其转换为瞬时角速度记作ω，第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间终点的瞬时角速度记作ω_i(n)，其中：i＝1,2,3…m，m为气缸总数。

3.按照权利要求1所述的一种基于指示转矩的质调节式发动机各缸不均匀性补偿控制方法，其特征在于，步骤二的具体过程为：将获取到的气缸做功区间的平均转速记作n_avg，将其转换为平均角速度记作第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间的平均角速度记作其中：i＝1,2,3…m，m为气缸总数。

4.按照权利要求1所述的一种基于指示转矩的发动机各缸不均匀性补偿控制方法，其特征在于，步骤三的具体过程为：根据气缸做功区间终点的瞬时角速度ω、气缸做功区间的平均角速度和气缸的目标需求指示转矩Trq_I计算基础指示转矩相对残差R'，稳态工况时用公式(1)计算，瞬态工况时用公式(2)计算；并根据基础指示转矩相对残差R'用公式(3)计算修正后的指示转矩相对残差R。第n个循环发火顺序为i的气缸的基础指示转矩相对残差记为R_i'(n)，第n个循环发火顺序为i的气缸的修正后的指示转矩相对残差记为R_i(n)，其中：i＝1,2,3…m，m为气缸总数：

当前工况为稳态工况时，用公式

$R_i^{\′}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_{i-1}^2\left(n\right)),i>1\\ \frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_m^2(n-1)),i=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

当前工况为瞬态工况时，用公式

$R_i^{\′}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}[({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_{i-1}^2\left(n\right))-({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i^2\left(n\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_{i-1}^2\left(n\right))],i>1\\ \frac{m\·I}{\mathrm{\τ}\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{Trq}}_I}[({\mathrm{\ω}}_i^2\left(n\right)-{\mathrm{\ω}}_m^2(n-1))-({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i^2\left(n\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_m^2(n-1))],i=1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，m为气缸数，I为转动惯量，τ为冲程数，ω_i(n)为第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间终点的瞬时角速度，为第n个循环发火顺序为i的气缸做功区间的平均角速度，i＝1,2,3…m，

$R_i\left(n\right)=R_i^{\′}\left(n\right)-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m{R}_j^{\′}\left(n\right)}{m}---\left(3\right)$

其中，j＝1,2,3…m，m为气缸数。

5.按照权利要求1所述的一种基于指示转矩的发动机各缸不均匀性补偿控制方法，其特征在于，步骤四所述的对各缸燃料喷射量进行补偿调节的具体过程为：第n个循环发火顺序为i的气缸的补偿前的燃料喷射量记为q_i'(n)，补偿后的燃料喷射量记为q_i(n)，燃料喷射量补偿系数记为F_i(n)，有q_i(n)＝F_i(n)·q_i'(n)；燃料喷射量补偿系数用学习公式F_i(n)＝(1-k_w)F_i(n-1)+k_w[1-R_i(n-1)]计算，其中：F_i(0)＝1，R_i(0)＝1，k_w为权重因子。