CN107420210B - 一种直喷汽油机混合气自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直喷汽油机混合器自适应控制方法，根据空燃比偏差特性，根据和不同工况下通过混合气自适应专用控制软件增加混合气自适应控制功能，进行在线自适应调节，将此自适应值作为参数修正ECU计算的喷油量，改善车辆排放性能，将不同工况下学习到的自适应值存储在ECU的EEPROM寄存器中，同现有技术相比，能够改善系统长期累积偏差造成的空燃比变差情况，对空燃比闭环控制量进行学习修正，改善车辆长时间行驶后部件磨损及传感器、执行器特性偏移所造成的空燃比偏差，通过混合气自适应控制功能同样能够改善由于车辆所加油品变化而导致的排放变差，最终使停机后车辆再次起动行驶时能快速达到较好的空燃比闭环效果。

Description

一种直喷汽油机混合气自适应控制方法

技术领域

本发明属于汽车电子控制领域。涉及一种直喷汽油机混合器自适应控制方法，适用安装有氧传感器、电控喷油器、火花塞及发动机控制单元ECU(Engine Control Unit)等部件的直喷汽油发动机及车辆。

背景技术

随着车辆长时间的行驶，部分发动机传感器或执行器部件会出现机械磨损、电子器件灵敏度下降等情况，由此会造成一些传感器及执行器的特性偏移，例如喷油器、可变气门正时控制阀特性偏移等，除此之外车辆所使用油品的差异也会对原有控制器参数有一定影响，从而造成车辆排放性能下降。装有直喷汽油机的车辆经长时间行驶，其传感器、执行器的特性会出现细微的偏差，例如喷油器特性偏移等，同时由于车辆所加油品存在一定差异性，其燃烧过程也会有微小差异，这些变化会作为误差致使发动机控制系统出现一定控制效果恶化，为了使发动机控制系统能够修正这些系统误差，需要引入混合气自适应控制方法。

针对发动机混合气自适应调节的方法，专利文献(CN2128971Y)中公开了一种采用附加空气法，用微机对化油器式汽油机混合气空燃比实施自适应控制的装置。专利文献(CN105275702A)中明提出了一种空燃比自适应调节的喷油器雾化装置，自激振荡腔是由衬套以及衬套上下两端分别通过上密封圈、下密封圈密封的自激振荡腔上喷嘴、自激振荡腔下喷嘴所围成的圆柱形空心腔，自激振荡腔的内壁即衬套侧壁上开有开孔，导流管插入开孔中与衬套固定连接，进气管与自激振荡腔上喷嘴固定连接，喷管与自激振荡腔下喷嘴固定连接；所述开孔的位置位于自激振荡腔腔体高度的1/2处。专利文献(CN103047035A)公开了一种基于博世公司宽域氧传感器的焦炉气发动机自适应空燃比控制方法，该发明在宽域氧传感器的基础上，根据发动机进气量、燃料供气量与测得的过量空气系数计算燃料理论化学计量空燃比，当理论化学计量空燃比与作用于前馈控制的化学计量空燃比差值满足一定条件时，通过增量式PID控制器对作用于前馈控制的化学计量空燃比进行修正，并通过自学习模块，作用于空燃比前馈控制。

对于专利文献(CN2128971Y)公开的系统，其装置仅适用于化油器式汽油机混合气自适应调节，有一定局限性，可用范围较小；对于专利文献(CN105275702A)公开的系统，其通过增加在喷油器处加装雾化装置，由部件的物理特性实现了不均匀燃烧所导致的排放效果恶化，但其增加了额外的器件成本，且随着系统长时间的运行，其器件老化等问题有一定的不确定性因素；对于专利文献(CN103047035A)公开的系统，其所使用对象为焦炉气发动机，所解决的问题是焦炉气成分变化而引起的发动机排放恶化，且该方法仅针对博世公司宽域氧传感器系统，有一定的局限性，而本发明所涉及的对象为直喷汽油机，自适应调节过程基于发动机运行工况，消除的误差包括机械部件磨损及传感器执行器的特性偏移等。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于，提供一种适用安装有氧传感器、电控喷油器、火花塞及ECU控制器等部件的直喷汽油发动机及车辆的直喷汽油机混合器自适应控制方法。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

本发明的基本构思是，经过长时间使用后车辆喷油器特性偏移、油品差异等造成排放恶化的情况下，根据空燃比偏差特性，通过不同工况下对直喷汽油机空燃比闭环控制量的偏差进行在线自适应调节，将此自适应值作为参数修正ECU计算的喷油量，从而改善车辆排放性能，将不同工况下学习到的自适应值存储在ECU的电擦除可编程只读存储器EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)中，最终使停机后车辆再次起动行驶时能快速达到较好的空燃比闭环效果，

根据上述发明构思，本发明一种直喷汽油机混合气自适应控制方法，其特征在于：在通常直喷汽油机空燃比闭环功能基础上通过混合气自适应专用控制软件增加混合气自适应控制功能，包括低水温环境下混合气自适应控制、正常水温环境下混合气自适应控制两部分，其中正常水温环境下混合气自适应控制分为混合气加法自适应控制及混合气乘法自适应控制，分别用于修正改善不同工况下由于机械磨损、传感器及执行器特性偏差、油品变化等造成的排放恶化，具体步骤如下：

步骤1.：根据发动机控制系统各部件及子系统状态判断混合气自适应控制基本使能条件；当系统当前不存在失火故障、凸轮轴传感器故障、废气再循环EGR(Exhaust GasRecirculation)部件故障、电子节气门故障、水温传感器故障、电池电压故障、进气温度传感器故障、氧传感器信号故障、氧传感器加热器故障、碳罐故障等，且系统未进行碳罐清空动作时，混合气自适应控制满足基本使能条件；该基本使能条件将作为后续混合气自适应控制使能的前提条件；

步骤2.：在满足混合气自适应控制基本使能条件时，通过发动机水温条件来判断开启低水温环境下混合气自适应控制功能或正常水温环境下混合气自适应控制功能；

步骤2.1：当发动机水温较低时，低水温环境下混合气自适应控制使能标志置位；

步骤2.2：当发动机水温较高时，正常水温环境下混合气自适应控制使能标志置位；

步骤3.：发动机系统排放性能变差，新鲜空气量或燃油量出现了偏差，将该偏差分为加性误差及乘性误差；

步骤3.1：在正常水温环境下混合气自适应控制使能标志置位时，如附图2所示，若空燃比闭环控制使能，且此时化学计量空燃比在0.95至1.05之间，发动机工作在附图3中的加法自适应区域内，则混合气加法自适应控制功能使能标志置位，该区域选择为发动机怠速工作区，该区域系统误差成加法特性；

步骤3.2：若空燃比闭环控制使能，且此时化学计量空燃比在0.95至1.05之间，发动机转速、负荷工况在附图3中的乘法自适应区域，则混合气乘法自适应控制功能使能标志置位，该区域选择为排放循环中的大转速、大负荷工况区，该区域系统误差成乘法特性；

步骤4：若低水温环境下混合气自适应控制使能标志置位，则系统进行低水温环境下混合气自适应控制；

步骤4.1：整个调节过程是通过对空燃比闭环控制量进行积分累加实现：

步骤4.2：积分计算的条件为空燃比闭环控制使能，同时发动机系统无燃油系统故障；积分计算的初值为1；若发动机系统识别出燃油系统故障，则积分计算复位至初值；积分计算的表达式如下式所示：

Fac_LowT＝∫(Fac_λ-1)*Fac_WaterT*K_LowT*dt (1)

其中Fac_LowT为低水温环境下积分值，Fac_λ为空燃比闭环控制量，K_LowT为低水温环境下混合气自适应控制积分系数，Fac_LowT作为低水温下系统偏差学习值，需要将该积分值存储在ECU控制芯片的EEPROM存储区域中，使其能够支持掉电保存特性；；

步骤4.3：与发动机水温相关的混合气自适应修正系数为Fac_WaterT，其计算方法如下式所示：

其中T_Water为发动机水温，参数T_Thd1、T_Thd2为低水温环境下混合气自适应控制水温最小、最大阈值；

步骤4.4：最终低水温环境下混合气自适应控制调节因子Output_LowT的计算入下式所示

Output_LowT＝(Fac_LowT-1)*Fac_WaterT+1 (3)

步骤5.若正常水温环境下混合气加法自适应控制使能标志置位，则系统进行混合气加法自适应控制；

步骤5.1：整个调节过程是通过对空燃比闭环控制量进行积分累加实现的；

步骤5.2：积分计算的条件为前氧传感器无故障；积分计算的初值为0；积分计算的表达式如下式所示

Fac_Add＝∫(Fac_λ-1)*K_Add*dt (4)

其中K_Add为混合气加法自适应控制积分因子，Fac_Add为混合气加法自适应控制积分值，作为系统偏差学习值需要将该积分值存储在ECU控制芯片的EEPROM存储区域中，使其能够支持掉电保存特性；

步骤5.3：加法自适应计算得到的积分值Fac_Add经过下式计算即可得到混合气加法自适应修正因子Output_Add，

其中Spd_Thd为混合气加法自适应发动机转速修正阈值，Spd_Eng为发动机转速，该因子以加法方式作用到ECU计算得到的喷油因子中，最终实现混合气加法自适应调节作用；

步骤6：若正常水温环境下混合气乘法自适应控制使能标志置位，则系统进行混合气乘法自适应控制；

步骤6.1：整个调节过程是通过对空燃比闭环控制量进行积分累加实现的；

步骤6.2：其中积分计算的条件为前氧传感器无故障；积分计算的初值为1；积分计算的表达式如下式所示

Fac_Mpl＝∫(Fac_λ-1)*K_Mpl*dt (6)

其中K_Mpl为混合气乘法自适应控制积分因子，Fac_Mpl为混合气乘法自适应控制积分值；

步骤6.3：作为系统偏差学习值需要将该积分值存储在ECU控制芯片的EEPROM存储区域中，使其能够支持掉电保存特性；

步骤6.4：乘法自适应计算得到的积分值*经过下式计算即可得到混合气乘法自适应修正因子Output_Mpl

Output_Mpl＝Fac_Mpl*Output_LowT (7)

该因子以乘法方式作用到ECU计算得到的喷油因子中，最终实现混合气乘法自适应调节作用。

本发明同现有技术相比，该混合气自适应控制功能能够改善系统长期累积偏差造成的空燃比变差情况，通过在系统中加入混合气自适应控制功能，不仅可以对空燃比闭环控制量进行学习修正，从而改善车辆长时间行驶后部件磨损及传感器、执行器特性偏移所造成的空燃比偏差，另外由于不同油品的硫含量、烯烃体积含量有所不同，因此车辆相应的排放会有一定的差异，通过混合气自适应控制功能同样能够改善由于车辆所加油品变化而导致的排放变差。

附图说明

图1是本发明所述的混合气自适应控制框图；

图2是本发明所述的空燃比控制中系统偏差特性示意图；

图3是本发明所述的混合气自适应控制工况区域图；

图4是本发明所述的混合气自适应控制软件流程图及主程序示例。

具体实施方案

下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步详细的说明：

本发明提供了一种直喷汽油机混合气自适应控制方法，整个策略实现过程以200毫秒时间作为计算步长，下面结合附图对本发明作详细的描述：

步骤1.首先根据发动机控制系统各部件及子系统状态判断混合气自适应控制基本使能条件。参见图1、图4；具体包括:

各故障状态的判断由ECU控制软件计算得到，ECU中故障诊断功能会根据发动机控制系统中的主要传感器、执行器状态诊断出当前发动机系统中是否存在相应故障；通过发动机转速传感器检测发动机运转的平顺性，进而间接判断系统是否存在失火故障；通过检测进排气凸轮轴位置传感器信号值是否合理来判断系统是否存在凸轮轴传感器故障；通过EGR驱动芯片信号是否合理可以诊断出系统中是否存在EGR部件故障；通过检测电子节气门位置传感器信号、电子节气门驱动级信号及节气门动作与发动机进气量相关性，诊断出系统是否存在电子节气门故障；通过水温传感器采集信号值及水温值与进气温度的相关性，可以诊断出系统是否存在水温传感器故障；通过ECU采集电池电压，并判断电池电压是否在合理范围内来确定系统是否存在电池电压故障；通过进气温度传感器采集信号值及进气温度与环境温度的相关性，可以诊断出系统是否存在进气温度传感器故障；通过氧传感器各信号线信号状态及采集到的空燃比值响应特性能够诊断出系统是否存在氧传感器故障；通过氧传感器加热端信号状态及氧传感器工作效果可诊断出系统是否存在氧传感器加热器故障；通过碳罐电磁阀动作及对应的空燃比值可以诊断出系统是否存在碳罐故障；

步骤2.在满足混合气自适应控制基本使能条件时，通过发动机水温条件来判断开启低水温环境下混合气自适应控制功能或正常水温环境下混合气自适应控制功能；当发动机水温低于65℃时，低水温环境下混合气自适应控制使能标志置位，当发动机水温超过65℃时，正常水温环境下混合气自适应控制使能标志置位；

步骤3.在正常水温环境下混合气自适应控制使能标志置位时，若空燃比闭环控制使能，且此时发动机化学计量空燃比在0.95至1.05之间，参见图2；若发动机工况在附图3中的加法自适应区域工况内，则混合气加法自适应控制功能使能标志置位，该区域为发动机转速在500与1000之间，且发动机负荷在6与24之间；若空燃比闭环控制使能，且此时发动机化学计量空燃比在0.95至1.05之间，发动机工况在附图3中的乘法自适应区域工况内，则混合气乘法自适应控制功能使能标志置位，该区域发动机转速在1300与3000之间，且发动机负荷在35与120之间。

步骤4.若低水温环境下混合气自适应控制使能标志置位，则低水温环境下混合气自适应控制量可通过式(1)所示积分计算得到。其中积分计算的条件为空燃比闭环控制使能，同时发动机系统无燃油系统故障；积分计算的初值为1；若发动机系统识别出燃油系统故障，则积分计算复位至初值；

低水温环境下的积分值Fac_LowT根据式(1)计算，其中：空燃比闭环控制量Fac_λ来自ECU中空燃比闭环控制器计算的输出值；低水温环境下混合气自适应控制积分系数K_LowT取0.5；

Fac_LowT＝∫(Fac_λ-1)*Fac_WaterT*K_LowT*dt (1)

与发动机水温相关的混合气自适应修正系数Fac_WaterT则根据(2)计算；其中发动机水温T_Water由水温传感器采集并经过ECU进行了信号处理，取T_Water为35；低水温环境下混合气自适应控制水温参数T_Thd1、T_Thd2的最小、最大阈值，分别取20及65；

此时计算Fac_WaterT为0.333，当发动机运行在某特定工况下空燃比开环控制致使空燃比偏稀5％，则空燃比闭环控制器会通过氧传感器信号反馈计算出闭环控制量为1.05，此时计算的Fac_LowT为0.08325对时间的积分，若该状态保持2秒，则计算的Fac_LowT为1.1665，该值作为系统偏差学习值被存储在ECU控制芯片的EEPROM存储区域中。

根据式(1)、(2)的结果，最终低水温环境下混合气自适应控制调节因子的计算Output_LowT按(3)式计算，此时Output_LowT为1.055；

Output_LowT＝(Fac_LowT-1)*Fac_WaterT+1 (3)

步骤5.若正常水温环境下混合气加法自适应控制使能标志置位，则系统进行混合气加法自适应控制；整个调节过程是通过对空燃比闭环控制量进行积分累加实现的；其中积分计算的条件为前氧传感器无故障；积分计算的初值为0；积分计算按(4)式所示进行

Fac_Add＝∫(Fac_λ-1)*K_Add*dt (4)

其中：混合气加法自适应控制积分因子K_Add取0.5；混合气加法自适应控制积分值.Fac_Add，当发动机转速为750转/分，发动机负荷为20％，保持在稳定的怠速工况，发动机水温为70℃时，满足混合气加法自适应控制使能条件，若在2秒时间内空燃比开环控制致使空燃比偏浓5％，则空燃比闭环控制器会通过氧传感器信号反馈计算出闭环控制量为0.95，此时计算Fac_Add为-0.05，该值作为系统偏差学习值被存储在ECU控制芯片的EEPROM存储区域中；

.加法自适应计算得到的积分值Fac_Add经过(5)式计算即可得到混合气加法自适应修正因子Output_Add

其中：混合气加法自适应发动机转速修正阈值Spd_Thd，取680转/分；发动机转速为Spd_Eng，此时计算Output_Add为-0.045，该因子以加法方式作用到ECU计算得到的喷油因子中，最终使得ECU计算出的喷油量减少4.5％；

步骤6.若正常水温环境下混合气乘法自适应控制使能标志置位，则系统进行混合气乘法自适应控制；整个调节过程是通过对空燃比闭环控制量进行积分累加实现的；其中积分计算的条件为前氧传感器无故障；积分计算的初值为1；积分计算按(6)式所示

Fac_Mpl＝∫(Fac_λ-1)*K_Mpl*dt (6)

其中：混合气乘法自适应控制积分因子K_Mpl取0.025；当发动机转速为2000转/分，发动机负荷为80％，发动机水温为70℃，满足混合气乘法自适应控制使能条件，若在2秒时间内空燃比开环控制致使空燃比偏稀5％，则空燃比闭环控制器会通过氧传感器信号反馈计算出闭环控制量为1.05，此时计算Fac_Mpl为1.025，混合气乘法自适应控制积分值Fac_Mpl作为系统偏差学习值被存储在ECU控制芯片的EEPROM存储区域中；

乘法自适应计算得到的积分值Fac_Mpl经过(7)式计算即可得到混合气乘法自适应修正因子Output_Mpl

Output_Mpl＝Fac_Mpl*Output_LowT (7)

若低水温环境下混合气自适应控制调节因子Output_LowT为1.055，则混合气乘法自适应修正因子Output_Mpl为1.081,Output_Mpl因子以乘法方式作用到ECU计算得到的喷油因子中，最终使得ECU计算出的喷油量增加8.1％。

Claims (5)

1.一种直喷汽油机混合气自适应控制方法，其特征在于：在通常直喷汽油机空燃比闭环功能基础上通过混合气自适应专用控制软件增加混合气自适应控制功能，包括低水温环境下混合气自适应控制、正常水温环境下混合气自适应控制两部分，其中正常水温环境下混合气自适应控制分为混合气加法自适应控制及混合气乘法自适应控制，分别用于修正改善不同工况下由于机械磨损、传感器及执行器特性偏差和油品变化造成的排放恶化，具体步骤如下：

步骤1：根据发动机控制系统各部件及子系统状态判断混合气自适应控制基本使能条件；当系统当前不存在失火故障、凸轮轴传感器故障、废气再循环EGR部件故障、电子节气门故障、水温传感器故障、电池电压故障、进气温度传感器故障、氧传感器信号故障、氧传感器加热器故障和碳罐故障，且系统未进行碳罐清空动作时，混合气自适应控制满足基本使能条件；

步骤2.：在满足混合气自适应控制基本使能条件时，通过发动机水温条件来判断开启低水温环境下混合气自适应控制功能或正常水温环境下混合气自适应控制功能；

步骤3.：发动机系统排放性能变差，新鲜空气量或燃油量出现了偏差，将该偏差分为加性误差及乘性误差；

步骤4：若低水温环境下混合气自适应控制使能标志置位，则系统进行低水温环境下混合气自适应控制；

步骤5.若正常水温环境下混合气加法自适应控制使能标志置位，则系统进行混合气加法自适应控制；

步骤6：若正常水温环境下混合气乘法自适应控制使能标志置位，则系统进行混合气乘法自适应控制；

其中，所述步骤3具体为：

步骤3.1：在正常水温环境下混合气自适应控制使能标志置位时，若空燃比闭环控制使能，且此时化学计量空燃比在0.95至1.05之间，发动机工作在加法自适应区域内，则混合气加法自适应控制功能使能标志置位，该区域选择为发动机怠速工作区，该区域系统误差成加法特性；

步骤3.2：若空燃比闭环控制使能，且此时化学计量空燃比在0.95至1.05之间，发动机转速、负荷工况在乘法自适应区域，则混合气乘法自适应控制功能使能标志置位，该区域选择为排放循环中的大转速、大负荷工况区，该区域系统误差成乘法特性。

2.根据权利要求1所述的一种直喷汽油机混合气自适应控制方法，其特征在于：

步骤2中所述的“通过发动机水温条件来判断开启低水温环境下混合气自适应控制功能或正常水温环境下混合气自适应控制功能”的具体步骤如下：

步骤2.1：当发动机水温较低时，低水温环境下混合气自适应控制使能标志置位；

步骤2.2：当发动机水温较高时，正常水温环境下混合气自适应控制使能标志置位。

3.根据权利要求1所述的一种直喷汽油机混合气自适应控制方法，其特征在于：

步骤4中所述的“若低水温环境下混合气自适应控制使能标志置位，则系统进行低水温环境下混合气自适应控制”的具体步骤如下：

步骤4.1：整个调节过程是通过对空燃比闭环控制量进行积分累加实现：

步骤4.2：积分计算的条件为空燃比闭环控制使能，同时发动机系统无燃油系统故障；积分计算的初值为1；若发动机系统识别出燃油系统故障，则积分计算复位至初值；积分计算的表达式如下式所示：

Fac_LowT＝∫(Fac_λ-1)*Fac_WaterT*K_LowT*dt (1)

其中Fac_LowT为低水温环境下积分值，Fac_λ为空燃比闭环控制量，K_LowT为低水温环境下混合气自适应控制积分系数，Fac_LowT作为低水温下系统偏差学习值，需要将该积分值存储在ECU控制芯片的EEPROM存储区域中，使其能够支持掉电保存特性；

步骤4.3：与发动机水温相关的混合气自适应修正系数为Fac_WaterT，其计算方法如下式所示：

其中T_Water为发动机水温，参数T_Thd1、T_Thd2为低水温环境下混合气自适应控制水温最小、最大阈值；

步骤4.4：最终低水温环境下混合气自适应控制调节因子Output_LowT的计算入下式所示

Output_LowT＝(Fac_LowT-1)*Fac_WaterT+1 (3)。

4.根据权利要求3所述的一种直喷汽油机混合气自适应控制方法，其特征在于：

步骤5中所述的“若正常水温环境下混合气加法自适应控制使能标志置位，则系统进行混合气加法自适应控制”的具体步骤如下：

步骤5.1：整个调节过程是通过对空燃比闭环控制量进行积分累加实现的；

步骤5.2：积分计算的条件为前氧传感器无故障；积分计算的初值为0；积分计算的表达式如下式所示

Fac_Add＝∫(Fac_λ-1)*K_Add*dt (4)

其中K_Add为混合气加法自适应控制积分因子，Fac_Add为混合气加法自适应控制积分值，作为系统偏差学习值需要将该积分值存储在ECU控制芯片的EEPROM存储区域中，使其能够支持掉电保存特性；

步骤5.3：加法自适应计算得到的积分值Fac_Add经过下式计算即可得到混合气加法自适应修正因子Output_Add，

其中Spd_Thd为混合气加法自适应发动机转速修正阈值，Spd_Eng为发动机转速，该因子以加法方式作用到ECU计算得到的喷油因子中，最终实现混合气加法自适应调节作用。

5.根据权利要求4所述的一种直喷汽油机混合气自适应控制方法，其特征在于：

步骤6中所述的“若正常水温环境下混合气乘法自适应控制使能标志置位，则系统进行混合气乘法自适应控制”的具体步骤如下：

步骤6.1：整个调节过程是通过对空燃比闭环控制量进行积分累加实现的；

步骤6.2：其中积分计算的条件为前氧传感器无故障；积分计算的初值为1；积分计算的表达式如下式所示

Fac_Mpl＝∫(Fac_λ-1)*K_Mpl*dt (6)

其中K_Mpl为混合气乘法自适应控制积分因子，Fac_Mpl为混合气乘法自适应控制积分值；

步骤6.3：作为系统偏差学习值需要将该积分值存储在ECU控制芯片的EEPROM存储区域中，使其能够支持掉电保存特性；

步骤6.4：乘法自适应计算得到的积分值经过下式计算即可得到混合气乘法自适应修正因子Output_Mpl；

Output_Mpl＝Fac_Mpl*Output_LowT (7)

该因子以乘法方式作用到ECU计算得到的喷油因子中，最终实现混合气乘法自适应调节作用。