CN104727963A - 一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法，其包括：设置包括发动机电控单元、灵活燃料压燃发动机、压阻式缸压传感器和燃料自适应控制单元的汽柴油掺混灵活燃料发动机燃烧闭环控制系统，燃料自适应控制单元包括动力性自适应控制、经济性优化自适应控制和平均有效压力计算模块；平均有效压力计算模块得到IMEP和PMEP并传输至动力性自适应控制模块，同时IMEP传输至经济性优化自适应控制模块；动力性自适应控制模块得到新的喷油量并传输至发动机电控单元，发动机电控单元对燃料动力性进行自适应控制；经济性优化自适应控制模块得到喷油时刻修正值并传输至发动机电控单元，发动机电控单元对燃料经济性进行优化自适应控制。

Description

一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法

技术领域

本发明涉及电控发动机控制技术领域，特别是关于一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法。

背景技术

替代燃料概念提出的初衷是为了找到新的能量来源，以应对可能到来的石油能源短缺危机。灵活燃料汽车也被认为是未来内燃机发展的重要方向。替代燃料的使用不仅能够实现燃料的多元化，解决全世界范围内石油紧缺的问题，而且大量的研究表明，相比于传统的汽油和柴油，一些替代燃料在改善发动机燃烧特性，降低排放方面有着不可忽视的潜力。目前适用于汽油机的替代燃料已经商业化，常见的主要是乙醇汽油，通过将乙醇与汽油安装一定比例掺混来进行燃烧。目前已经商用化的柴油机替代燃料有生物柴油、天然气合成油GTL(Gas to Liquid)等。

传统电控汽油机和电控柴油机主要采用开环查表的控制方法。当燃料改变时，原有标定数据基础上的燃烧将发生改变。动力性变化导致驾驶者驾驶感受发生变化，不利于驾驶体验；经济性也不能达到最优的控制效果。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种燃料发生变化后发动机的动力性和经济性都能够维持最优的用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法，其包括以下步骤：1)设置一汽柴油掺混灵活燃料发动机燃烧闭环控制系统，其包括发动机电控单元、灵活燃料压燃发动机、压阻式缸压传感器和燃料自适应控制单元，燃料自适应控制单元包括动力性自适应控制模块、经济性优化自适应控制模块和平均有效压力计算模块；发动机电控单元通过CAN总线分别与灵活燃料压燃发动机和燃料自适应控制单元连接；灵活燃料压燃发动机的每一气缸内均设置一压阻式缸压传感器，各压阻式缸压传感器均通过线缆与燃料自适应控制单元连接；2)压阻式缸压传感器实时采集灵活燃料压燃发动机的缸压信号并发送到平均有效压力计算模块，平均有效压力计算模块采集灵活燃料压燃发动机的曲轴转速信号；平均有效压力计算模块根据接收到的缸压信号和曲轴转速信号计算得到IMEP和PMEP；平均有效压力计算模块将IMEP和PMEP传输至动力性自适应控制模块，同时将IMEP传输至经济性优化自适应控制模块；3)发动机电控单元实时采集灵活燃料压燃发动机的转速信号和油门踏板位置信号，并通过CAN总线发送到动力性自适应控制模块，动力性自适应控制模块根据接收到的转速信号、油门踏板位置信号、IMEP和PMEP计算得到新的喷油量，发动机控制动力性自适应控制模块将新的喷油量传输至发动机电控单元，发动机电控单元对燃料动力性进行自适应控制；4)发动机电控单元实时采集灵活燃料压燃发动机的喷油时刻信号，通过CAN总线将喷油时刻信号发送到经济性优化自适应控制模块，经济性优化自适应控制模块采用极值搜索算法对体现发动机燃烧经济性的指标指示热效率进行闭环控制，得到喷油时刻修正值，并传输至发动机电控单元，发动机电控单元对燃料经济性进行优化自适应控制。

所述步骤2)中，指示平均有效压力IMEP为：

泵气平均有效压力PMEP为：

式中，V_s为气缸工作容积，CA为曲轴转角，p为缸压，V为气体体积。

所述步骤3)中，发动机电控单元对燃料动力性的自适应控制过程为：首先，动力性自适应控制模块根据接收到的转速信号和油门踏板位置信号查表得到目标有效转矩，并根据接收到的转速信号将发动机的目标有效转矩需求转化为目标BMEP的需求；其次，动力性自适应控制模块根据目标BMEP、接收到的PMEP和预估的FMEP计算得到所需要的IMEP，即：

IMEP＝BMEP+PMEP+FMEP；

最后，动力性自适应控制模块将计算得到的所需要的IMEP设置为IMEP的目标值IMEP_SP，发动机动力性自适应模块根据接收到的IMEP的实际测量反馈值IMEP_FBK对喷油量进行PID闭环控制，得到喷油量修正值；动力性自适应控制模块根据转速信号和IMEP的目标值IMEP_SP查表得到前馈油量；喷油量修正值与前馈油量相加，得到新的喷油量。

所述步骤4)中，对指示热效率η_i的闭环优化控制过程包括：(I)经济性优化自适应控制模块对CA50进行闭环控制，其具体包括：首先，根据油门和转速查表得到喷油时刻前馈值；其次，经济性优化自适应控制模块计算得到CA50；最后，经济性优化自适应控制模块根据喷油时刻前馈值和CA50的反馈值对CA50进行PID闭环控制；(II)经济性优化自适应控制模块进行经济性优化闭环控制，其具体包括：首先，经济性优化自适应控制模块根据接收到的IMEP和计算得到的CA50，通过经济性优化控制器G1得到CA50目标反馈修正值；其次，CA50目标反馈修正值与CA50前馈值相加得到CA50目标值，经济性优化自适应控制模块根据得到的CA50目标值和步骤(I)中对CA50的PID闭环控制过程实现对指示热效率η_i的闭环优化控制。

所述步骤(I)中，经济性优化自适应控制模块计算得到CA50，其计算过程为：①根据灵活燃料压燃发动机的几何参数和所处的曲轴转角位置，计算当前的气缸容积V：

式中，V_c为气缸剩余容积，D为气缸直径，r为曲轴半径，当前曲轴转角，l为连杆长度；②基于热力学第一定律，计算当前气缸容积V内汽柴油掺混燃烧放热的瞬时放热率ROHR：

式中，γ为气缸内汽柴油混合气的绝热指数，p为缸压，Q_W为缸壁传热造成的热损失；③对计算得到的瞬时放热率ROHR进行积分，将处于不同曲轴转角位置的放热量进行累加，得到循环累计放热量Q_AHR：

④将循环累计放热量Q_AHR达到循环累计放热量最大值50％的位置作为CA50。

所述步骤(II)中，经济性优化控制器G1的实现过程为：①将CA50目标值预设为上止点后10℃A；②将CA50目标值减1，如果获得的新的IMEP增大，则继续将CA50目标值减1，直到IMEP减小时，将CA50目标值加0.5，对应得到新的IMEP与CA50增加之前获得的IMEP的最大值对比；如果获得的新的IMEP小于CA50增加之前IMEP的最大值，则将CA50增加之前的CA50作为CA50目标值，如果获得的新的IMEP大于CA50增加之前IMEP的最大值，则将当前的CA50作为CA50目标值；③如果当CA50目标值减1后，获得的新的IMEP减小，则CA50目标值加1，直到IMEP减小时，将CA50目标值减0.5，对应得到新的IMEP与CA50减小之前获得的IMEP的最大值对比；如获得的新的IMEP小于CA50减小之前IMEP的最大值，则将CA50减小之前的CA50作为CA50目标值，如果获得的新的IMEP大于CA50减小之前IMEP的最大值，则将当前的CA50为CA50目标值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用压阻式缸压传感器实时采集灵活燃料压燃发动机的缸压信号，平均有效压力计算模块根据缸压信号和曲轴转速信号计算得到指示平均有效压力IMEP和泵气平均有效压力PMEP；动力性自适应控制模块根据转速信号和油门踏板位置信号得到有效平均有效压力BMEP，并根据目标BMEP、接收到的PMEP和预估的FMEP计算得到所需要的IMEP，将所需要的IMEP设置为IMEP的目标值IMEP_SP，发动机动力性自适应模块根据接收到的IMEP的实际测量反馈值IMEP_FBK对喷油量进行PID闭环控制，因此本发明能够保证燃料发生变化后发动机的动力性能够维持最优。2、本发明由于发动机电控单元将实时采集的灵活燃料压燃发动机的喷油时刻信号通过CAN总线发送到经济性优化自适应控制模块，经济性优化自适应控制模块采用极值搜索算法对体现发动机燃烧经济性的指标指示热效率进行闭环控制，得到喷油时刻修正值，并传输至发动机电控单元，发动机电控单元实现对燃料经济性的优化自适应控制，因此本发明能够保证燃料发生变化后发动机的经济性能够维持最优。基于以上优点，本发明可以广泛应用于灵活燃料发动机的动力性和经济性的优化自适应控制中。

附图说明

图1是本发明采用的汽柴油掺混灵活燃料发动机燃烧闭环控制系统的结构示意图

图2是发动机的动力性闭环控制方法原理图

图3是发动机的经济性闭环优化控制方法原理图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法包括以下步骤：

1)如图1所示，设置一汽柴油掺混灵活燃料发动机燃烧闭环控制系统，其包括发动机电控单元1、灵活燃料压燃发动机2、压阻式缸压传感器3和燃料自适应控制单元4。其中，燃料自适应控制单元4包括平均有效压力计算模块41、动力性自适应控制模块42和经济性优化自适应控制模块43。发动机电控单元1通过CAN总线分别与灵活燃料压燃发动机2和燃料自适应控制单元4连接。灵活燃料压燃发动机2的每一气缸内均设置一压阻式缸压传感器3，各压阻式缸压传感器3均通过线缆与燃料自适应控制单元4连接。

2)压阻式缸压传感器3实时采集灵活燃料压燃发动机2的缸压信号并发送到平均有效压力计算模块41，平均有效压力计算模块41采集灵活燃料压燃发动机2的曲轴转速信号；平均有效压力计算模块41根据接收到的缸压信号和曲轴转速信号计算得到IMEP(Indicated Mean Effective Pressure，指示平均有效压力)和PMEP(Pumping MeanEffective Pressure，泵气平均有效压力)。平均有效压力计算模块41将IMEP和PMEP传输至动力性自适应控制模块42，同时将IMEP传输至经济性优化自适应控制模块43。

IMEP的计算公式为：

PMEP的计算公式为：

式(1)和式(2)中，V_s为气缸工作容积，CA(Crank Angel)为曲轴转角，p为缸压，V为气体体积。

3)发动机电控单元1实时采集灵活燃料压燃发动机2的转速信号和油门踏板位置信号等工况信息，并通过CAN总线发送到动力性自适应控制模块42，动力性自适应控制模块42根据接收到的转速信号、油门踏板位置信号、IMEP和PMEP计算得到新的喷油量，发动机控制动力性自适应控制模块42将新的喷油量传输至发动机电控单元1，发动机电控单元1实现对燃料动力性的自适应控制；如图2所示，其具体过程为：

首先，动力性自适应控制模块42根据接收到的转速信号和油门踏板位置信号等工况信息查表得到目标有效转矩，并根据接收到的转速信号将发动机的目标有效转矩需求转化为目标BMEP(Break Mean Effective Pressure有效平均有效压力)的需求。

其次，动力性自适应控制模块42根据目标BMEP、接收到的PMEP和预估的FMEP(FrictionMeanEffectivePressure，摩擦转矩平均有效压力)计算得到所需要的IMEP，即：

IMEP＝BMEP+PMEP+FMEP。

最后，动力性自适应控制模块42将计算得到的所需要的IMEP设置为IMEP的目标值IMEP_SP。发动机动力性自适应模块41根据接收到的IMEP的实际测量反馈值IMEP_FBK对喷油量进行PID(Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分)闭环控制，得到喷油量修正值；动力性自适应控制模块42根据转速信号和IMEP的目标值IMEP_SP查表得到前馈油量；喷油量修正值与前馈油量相加，得到新的喷油量。

4)发动机电控单元1实时采集灵活燃料压燃发动机2的喷油时刻信号，通过CAN总线将喷油时刻信号发送到经济性优化自适应控制模块43。经济性优化自适应控制模块43采用极值搜索算法对体现发动机燃烧经济性的指标指示热效率进行闭环控制，得到喷油时刻修正值，并传输至发动机电控单元1，发动机电控单元1实现对燃料经济性的优化自适应控制。

不同燃料，在相同工况下，保证经济性最优的喷油时刻是有一定的不同的。但是一般来说，最优经济性对应的燃烧放热中心CA50大都处于上止点后5°～10°。在燃烧闭环控制平台基础上，实际上也可以实时估计燃烧的指示热效率，实现对指示热效率的最优化闭环控制。

燃烧的指示热效率η_i可以表示为：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{V\·\mathrm{IMEP}}{Q_{\mathrm{fuel}}}---\left(3\right)$

式中，V为排量，Q_fuel为发动机循环喷油量的热量。在任意工况下，指示热效率η_i都与指示平均有效压力IMEP成正比，因此可以通过对指示平均有效压力IMEP的控制，实现对指示热效率η_i的优化控制。

如图3所示，对指示热效率η_i的闭环优化控制过程为：

(I)经济性优化自适应控制模块43对CA50进行闭环控制，其具体包括：

首先，根据油门和转速查表得到喷油时刻前馈值。

其次，经济性优化自适应控制模块43计算得到CA50，其计算过程为:

①根据灵活燃料压燃发动机2的几何参数和所处的曲轴转角位置，计算当前的气缸容积V：

式中，V_c为气缸剩余容积，D为气缸直径，r为曲轴半径，当前曲轴转角，l为连杆长度。

②基于热力学第一定律，计算当前气缸容积V内汽柴油掺混燃烧放热的瞬时放热率ROHR：

式中，γ为气缸内汽柴油混合气的绝热指数，p为缸压，Q_W为缸壁传热造成的热损失。

③对计算得到的瞬时放热率ROHR进行积分，将处于不同曲轴转角位置的放热量进行累加，得到循环累计放热量Q_AHR：

④将循环累计放热量Q_AHR达到循环累计放热量最大值50％的位置作为CA50。

最后，经济性优化自适应控制模块43根据喷油时刻前馈值和CA50的反馈值对CA50进行PID闭环控制。

(II)经济性优化自适应控制模块43进行经济性优化闭环控制，其具体包括：

首先，经济性优化自适应控制模块43根据接收到的IMEP和计算得到的CA50，通过经济性优化控制器G1得到CA50目标反馈修正值。其中，经济性优化控制器G1的实现过程为：

①将CA50目标值预设为上止点后10℃A。

②将CA50目标值减1，如果获得的新的IMEP增大，则继续将CA50目标值减1，直到IMEP减小时，将CA50目标值加0.5，对应得到新的IMEP与CA50增加之前获得的IMEP的最大值对比；如果获得的新的IMEP小于CA50增加之前IMEP的最大值，则将CA50增加之前的CA50作为CA50目标值，如果获得的新的IMEP大于CA50增加之前IMEP的最大值，则将当前的CA50作为CA50目标值。

③如果当CA50目标值减1后，获得的新的IMEP减小，则CA50目标值加1，直到IMEP减小时，将CA50目标值减0.5，对应得到新的IMEP与CA50减小之前获得的IMEP的最大值对比；如获得的新的IMEP小于CA50减小之前IMEP的最大值，则将CA50减小之前的CA50作为CA50目标值，如果获得的新的IMEP大于CA50减小之前IMEP的最大值，则将当前的CA50为CA50目标值。

其次，CA50目标反馈修正值与CA50前馈值相加得到CA50目标值，经济性优化自适应控制模块43根据得到的CA50目标值和步骤(I)中对CA50的PID闭环控制过程实现对指示热效率η_i的闭环优化控制。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法，其包括以下步骤：

1)设置一汽柴油掺混灵活燃料发动机燃烧闭环控制系统，其包括发动机电控单元、灵活燃料压燃发动机、压阻式缸压传感器和燃料自适应控制单元，燃料自适应控制单元包括动力性自适应控制模块、经济性优化自适应控制模块和平均有效压力计算模块；发动机电控单元通过CAN总线分别与灵活燃料压燃发动机和燃料自适应控制单元连接；灵活燃料压燃发动机的每一气缸内均设置一压阻式缸压传感器，各压阻式缸压传感器均通过线缆与燃料自适应控制单元连接；

2)压阻式缸压传感器实时采集灵活燃料压燃发动机的缸压信号并发送到平均有效压力计算模块，平均有效压力计算模块采集灵活燃料压燃发动机的曲轴转速信号；平均有效压力计算模块根据接收到的缸压信号和曲轴转速信号计算得到IMEP和PMEP；平均有效压力计算模块将IMEP和PMEP传输至动力性自适应控制模块，同时将IMEP传输至经济性优化自适应控制模块；

3)发动机电控单元实时采集灵活燃料压燃发动机的转速信号和油门踏板位置信号，并通过CAN总线发送到动力性自适应控制模块，动力性自适应控制模块根据接收到的转速信号、油门踏板位置信号、IMEP和PMEP计算得到新的喷油量，发动机控制动力性自适应控制模块将新的喷油量传输至发动机电控单元，发动机电控单元对燃料动力性进行自适应控制；

4)发动机电控单元实时采集灵活燃料压燃发动机的喷油时刻信号，通过CAN总线将喷油时刻信号发送到经济性优化自适应控制模块，经济性优化自适应控制模块采用极值搜索算法对体现发动机燃烧经济性的指标指示热效率进行闭环控制，得到喷油时刻修正值，并传输至发动机电控单元，发动机电控单元对燃料经济性进行优化自适应控制。

2.如权利要求1所述的一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，指示平均有效压力IMEP为：

泵气平均有效压力PMEP为：

式中，V_s为气缸工作容积，CA为曲轴转角，p为缸压，V为气体体积。

3.如权利要求1所述的一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，发动机电控单元对燃料动力性的自适应控制过程为：

首先，动力性自适应控制模块根据接收到的转速信号和油门踏板位置信号查表得到目标有效转矩，并根据接收到的转速信号将发动机的目标有效转矩需求转化为目标BMEP的需求；

其次，动力性自适应控制模块根据目标BMEP、接收到的PMEP和预估的FMEP计算得到所需要的IMEP，即：

IMEP＝BMEP+PMEP+FMEP；

最后，动力性自适应控制模块将计算得到的所需要的IMEP设置为IMEP的目标值IMEP_SP，发动机动力性自适应模块根据接收到的IMEP的实际测量反馈值IMEP_FBK对喷油量进行PID闭环控制，得到喷油量修正值；动力性自适应控制模块根据转速信号和IMEP的目标值IMEP_SP查表得到前馈油量；喷油量修正值与前馈油量相加，得到新的喷油量。

4.如权利要求1或2或3所述的一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，对指示热效率η_i的闭环优化控制过程包括：

(I)经济性优化自适应控制模块对CA50进行闭环控制，其具体包括：

首先，根据油门和转速查表得到喷油时刻前馈值；

其次，经济性优化自适应控制模块计算得到CA50；

最后，经济性优化自适应控制模块根据喷油时刻前馈值和CA50的反馈值对CA50进行PID闭环控制；

(II)经济性优化自适应控制模块进行经济性优化闭环控制，其具体包括：

首先，经济性优化自适应控制模块根据接收到的IMEP和计算得到的CA50，通过经济性优化控制器G1得到CA50目标反馈修正值；

其次，CA50目标反馈修正值与CA50前馈值相加得到CA50目标值，经济性优化自适应控制模块根据得到的CA50目标值和步骤(I)中对CA50的PID闭环控制过程实现对指示热效率η_i的闭环优化控制。

5.如权利要求4所述的一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法，其特征在于：所述步骤(I)中，经济性优化自适应控制模块计算得到CA50，其计算过程为：

①根据灵活燃料压燃发动机的几何参数和所处的曲轴转角位置，计算当前的气缸容积V：

式中，V_c为气缸剩余容积，D为气缸直径，r为曲轴半径，当前曲轴转角，l为连杆长度；

②基于热力学第一定律，计算当前气缸容积V内汽柴油掺混燃烧放热的瞬时放热率ROHR：

式中，γ为气缸内汽柴油混合气的绝热指数，p为缸压，Q_W为缸壁传热造成的热损失；

③对计算得到的瞬时放热率ROHR进行积分，将处于不同曲轴转角位置的放热量进行累加，得到循环累计放热量Q_AHR：

④将循环累计放热量Q_AHR达到循环累计放热量最大值50％的位置作为CA50。

6.如权利要求4所述的一种用于灵活燃料发动机的燃料自适应控制方法，其特征在于：所述步骤(II)中，经济性优化控制器G1的实现过程为：

①将CA50目标值预设为上止点后10℃A；

②将CA50目标值减1，如果获得的新的IMEP增大，则继续将CA50目标值减1，直到IMEP减小时，将CA50目标值加0.5，对应得到新的IMEP与CA50增加之前获得的IMEP的最大值对比；如果获得的新的IMEP小于CA50增加之前IMEP的最大值，则将CA50增加之前的CA50作为CA50目标值，如果获得的新的IMEP大于CA50增加之前IMEP的最大值，则将当前的CA50作为CA50目标值；

③如果当CA50目标值减1后，获得的新的IMEP减小，则CA50目标值加1，直到IMEP减小时，将CA50目标值减0.5，对应得到新的IMEP与CA50减小之前获得的IMEP的最大值对比；如获得的新的IMEP小于CA50减小之前IMEP的最大值，则将CA50减小之前的CA50作为CA50目标值，如果获得的新的IMEP大于CA50减小之前IMEP的最大值，则将当前的CA50为CA50目标值。