CN107620650A - 一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法，包括单缸控制环节和缸间控制环节，所述单缸控制环节包括前馈控制、空燃比监测和反馈控制，其中所述缸间控制体现在两方面的控制：一是当两缸空燃比的差异较大时的控制，二是当两缸空燃比的差异较小时的控制，并且所述缸间控制是以缸间空燃比进行判断平衡的依据。本发明的一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法对减轻发动机振动降低噪声、提高动力性、提升最大扭矩和经济性指标、改善进气系统和供油系统提供理论了一种精确有效的方法，能够降低对喷油器的精度要求，降低生产成本，提高发动机稳定性和可靠性，同时通过缸间不一致性信息也能对发动机各缸工作情况及磨损情况进行预判。

Description

一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法

技术领域

本发明涉及多缸发动机控制技术领域，尤其涉及一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法。

背景技术

当前内燃机以节能为中心，兼顾发动机的排放性和可靠性，为全面提高内燃机的性能，各国政府及汽车企业积极致力于新技术、新动力形式对传统内燃机改进，以满足日益严格的性能要求。在此背景下二冲程发动机以其高效、高功重比等优点被重新重视起来。

对于多缸发动机，发动机各缸工作不一致性普遍存在汽油机和柴油机中，多缸发动机各缸不一致性会导致发动机在低速、低负荷工况下，转速和扭矩不稳，引起游车、振动加剧，在较大负荷工况下，还会导致发动机整机功率下降、功率上升困难、经济性变差等情况。因此，研究发动机的缸间一致性具有重要的理论和应用价值。

由于内燃机工作稳定后，与内燃机循环相关的变量会表现出一种周期性的循环变化关系，因此可以通过发动机气缸缸压、曲轴瞬时转速、机体振动等工作参数表示发动机的工作不一致性，这些工作特征的测量选取需要额外安装昂贵精确的传感器对信号进行提取，还需要复杂的计算，而且信号易受干扰，但是通过UEGO传感器进行空燃比分缸一致性监测及控制费用少、控制简单易行，采样时间可以根据需要更改，可以达到实时测量。

国内外对四冲程汽油机的缸间空燃比一致性研究有了一定的成果，并能够在一定程度上降低了缸间不一致性程度，对于二冲程发动机的缸间一致性研究尚处于起步阶段。

发明内容

发明目的：针对上述背景技术，本发明提出一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法，减少发动机各缸之间的工作的不一致性，使发动机性能得到提升。

技术方案：一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法，包括如下步骤，

步骤一，发动机气节门开度、转速和进气量变化信号传输至ECU，ECU据此读取预存在ECU中的MAP图差得喷油脉宽数值，并得到基本喷油量；

步骤二，安装于各缸排气口的UEGO传感器对缸内空燃比信号进行采集，空燃比信号即缸内空气与燃料之比，并将各缸空燃比信号传递给ECU；

步骤三，ECU根据采集到的空燃比信号计算得到的实际循环喷油量、由预存在ECU中的喷油脉宽数值决定的基本喷油量和进气量或转速对喷油量进行单缸反馈控制或缸间反馈控制，得到各缸不同的修正喷油量。

进一步地，步骤三中，单缸反馈控制具体为：ECU分析基本喷油量与实际循环喷油量的偏差e(k)，利用变论域的方法制定控制决策，采用隶属函数模糊切换算法，比较偏差e(k)与偏差阈值U_εk大小实现对控制的改进，在控制偏差e(k)较小时采用PID控制；在控制偏差e(k)较大时则采用模糊PID控制。

进一步地，步骤三中，缸间反馈控制具体为：当两缸空燃比差异(α₁-α₂)大于设置阈值U_αεk，则将采取先调节两缸空燃比达到一致性，再将空燃比调节至理论空燃比；二是当两缸空燃比差异(α₁-α₂)小于阈值U_αεk，则同时且分别控制两缸空燃比达到理论空燃比，即：

if:|α₁-α₂|＞U_αek,thenα₁＝α₂,thenα₁＝α₂＝α₀

if:|α₁-α₂|＜U_αek,thenα₁＝α₀,α₂＝α₀

进一步地，步骤三中的单缸反馈控制是根据式(1)进行模糊切换来调节控制器的输出U，利用式(2)采用加权平均法计算输出U，设常规PID控制器的输出加权为α，那么在此控制策略中模糊控制器的加权输出为(1-α)，

U＝αU_PID+(1-α)U_fuzzyPID (2)

式中：U_PID—PID控制器的输出，U_fuzzyPID—模糊PID控制器的输出。

有益效果：发动机在怠速工况的动力性、经济性以及舒适性越来越受到各厂商的关注，在低怠速时，由于各气缸的喷油量较少且转速低，此时发动机往复惯性小、进气节流作用大，各缸不一致性体现的最为明显，振动、噪声较大，发动机的燃烧恶化，导致气缸间磨损差异增大。本发明通过一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法，研究二冲程发动机各缸工作不一致性，对减轻发动机振动降低噪声、提高动力性、提升最大扭矩和经济性指标、改善进气系统和供油系统提供理论了一种精确有效的方法，能够降低对喷油器的精度要求，降低生产成本，提高发动机稳定性和可靠性。同时通过缸间不一致性信息也能对发动机各缸工作情况及磨损情况进行预判。

附图说明

图1为基于空燃比的闭环控制原理图；

图2为基于偏差的油量补偿控制策略图。

具体实施方式

本发明的一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法，具体步骤为：步骤一，发动机气节门开度、转速和总进气量信号变化信号传输至ECU(Electronic ControlUnit电子控制单元)，ECU据此读取预存在ECU中的MAP图(喷油脉谱图)查得喷油脉宽数值，并得到基本喷油量；

步骤二，安装于各缸排气口的UEGO传感器对缸内空燃比信号进行采集，空燃比信号即缸内空气与燃料之比，并将各缸空燃比信号传递给ECU；

步骤三，ECU根据采集到的空燃比信号计算得到的实际循环喷油量、由预存在ECU中的喷油脉宽数值决定的基本喷油量和进气量或转速对喷油量进行单缸反馈控制或缸间反馈控制，得到各缸不同的修正喷油量。

其中所述单缸反馈控制包括前馈控制、空燃比监测和反馈控制。如图一所示，所述前馈控制的目的在于当发动机负荷(即节气门开度)或转速突然发生变化时，ECU能够快速响应，根据发动机节气门开度和转速变化读取事先存储在ECU源程序中的MAP图得到喷油脉宽数值，进而得到基本喷油量m_f0；所述空燃比监测环节是利用气缸排气口安装的UEGO(宽频氧传感器)传感器对缸内空燃比信号进行采集分析，空燃比信号即缸内空气与燃料之比，并且作为反馈环节的控制信号传送给ECU；所述反馈控制环节通过ECU分析基本喷油量与由氧传感器测得的空燃比信号计算得到的实际循环喷油量的偏差e(k)，利用变论域的方法制定控制决策，采用隶属函数模糊切换算法，比较偏差e(k)与偏差阈值U_εk大小实现对控制的改进，在控制偏差e(k)较小时采用PID控制，系统接近稳态，可适当扩大论域，减弱控制效果，防止系统发生超调，发挥常规PID能够消除稳态误差的优点，并确保控制精度；在控制偏差e(k)较大时则采用模糊PID控制，适当减小论域以增大控制效果，以消除系统误差，确保控制的快速性并抑制系统超调。这两种控制方式是根据式(1)进行模糊切换来调节控制器的输出U，利用式(2)采用加权平均法计算输出U，设常规PID控制器的输出加权为α，那么在此控制策略中模糊控制器的加权输出为(1-α)。

U＝αU_PID+(1-α)U_fuzzyPID (2)

式中：U_PID—PID控制器的输出，U_fuzzyPID—模糊PID控制器的输出。以上步骤实现所述单缸控制。

PID控制算法即(1)式中的e(k)<U_εk部分，模糊PID控制算法即(1)式中的e(k)>U_εk，模糊PID是通过模糊逻辑算法整定出PID的三个参数,即(1)式中的比例参数K_p、积分时间参数K_i、微分时间参数K_d，使其具有自适应的特性，PID三个参数会随外界环境和误差的大小变化而自动调节，以保证控制系统的稳定性，而传统的PID三个参数设定后是不变，不具备自适应的特性。模糊PID是一种智能PID，效果比较理想。

所述缸间反馈控制是根据空燃比偏差的大小，体现在两方面的控制，控制策略流程如图2所示，图2中“自适应判断1”即所述缸间的两方面控制，即有两方面，一是当两缸空燃比的差异较大时的控制，当两缸空燃比差异(α₁-α₂)大于设置阈值U_αεk，则将采取先调节两缸空燃比达到一致性，再将空燃比调节至理论空燃比；二是两缸空燃比差异较小时的控制，当两缸空燃比差异(α₁-α₂)小于阈值U_αεk，则同时且分别控制两缸空燃比达到理论空燃比，“自适应判断2”即所述单缸控制中反馈控制环节利用的变论域方法制定的控制决策。

以两缸机为例，假设各缸一致时最佳空燃比为α₀，设置阀值为U_αεk，发动机工作时，各缸根据前馈控制中的转速、节气门开度和总进气量变化查找MAP图，读取事先存储在ECU中的喷油脉宽数值，得到基本喷油量，此时由于多种原因导致缸1和缸2所分配的进气量不同，故缸1空燃比为α₁、缸2空燃比为α₂，如图2所示进行自适应判断1，一是当两缸空燃比的差异较大时的控制，即当两缸空燃比差异(α₁-α₂)大于设置阈值U_αεk，则将采取先调节两缸空燃比达到一致性，在将空燃比调节至理论空燃比；二是两缸空燃比差异较小时的控制，即两缸空燃比差异(α₁-α₂)小于阈值U_αεk，则同时控制两缸空燃比达到理论空燃比，即：

if:|α₁-α₂|＞U_αek,thenα₁＝α₂,thenα₁＝α₂＝α₀

if:|α₁-α₂|＜U_αek,thenα₁＝α₀,α₂＝α₀

控制的目的都是使各缸的空燃比趋近于α₀，在对单缸控制时，即启用自适应判断2，比较偏差e(k)与偏差阈值U_εk大小实现单缸控制，在控制偏差e(k)较小时采用PID控制，系统接近稳态，可适当扩大论域，减弱控制效果，防止系统发生超调，发挥常规PID能够消除稳态误差的优点，并确保控制精度；在控制偏差e(k)较大时则采用模糊PID控制，适当减小论域以增大控制效果，以消除系统误差，确保控制的快速性并抑制系统超调。这两种控制方式是根据式(1)进行模糊切换来调节控制器的输出U，利用式(2)采用加权平均法计算输出U，设常规PID控制器的输出加权为α，那么在此控制策略中模糊控制器的加权输出为(1-α)。

U＝αU_PID+(1-α)U_fuzzyPID (2)

式中：U_PID—PID控制器的输出，U_fuzzyPID—模糊PID控制器的输出。

直到各缸空燃比均为α₀，完成一个控制过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一，发动机节气门开度、转速和总进气量变化信号传输至ECU，ECU据此读取预存在ECU中的MAP图查得喷油脉宽数值，并得到基本喷油量；

步骤二，安装于各缸排气口的UEGO传感器对缸内空燃比信号进行采集，空燃比信号即缸内空气与燃料之比，并将各缸空燃比信号传递给ECU；

步骤三，ECU根据采集到的空燃比信号计算得到的实际循环喷油量、由预存在ECU中的喷油脉宽数值决定的基本喷油量和进气量或转速对喷油量进行单缸反馈控制或缸间反馈控制，得到各缸不同的修正喷油量。

2.根据权利要求1所述的一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法，其特征在于：步骤三中，单缸反馈控制具体为：ECU分析基本喷油量与实际循环喷油量的偏差e(k)，利用变论域的方法制定控制决策，采用隶属函数模糊切换算法，比较偏差e(k)与偏差阈值U_εk大小实现对控制的改进，在控制偏差e(k)较小时采用PID控制，在控制偏差e(k)较大时则采用模糊PID控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法，其特征在于：步骤三中，缸间反馈控制具体为：当两缸空燃比差异(α₁-α₂)大于设置阈值U_αεk，则将采取先调节两缸空燃比达到一致性，再将空燃比调节至理论空燃比；二是当两缸空燃比差异(α₁-α₂)小于阈值U_αεk，则同时且分别控制两缸空燃比达到理论空燃比，即：

if:|α₁-α₂|＞U_αek,thenα₁＝α₂,thenα₁＝α₂＝α₀

if:|α₁-α₂|＜U_αek,thenα₁＝α₀,α₂＝α₀。

4.根据权利要求2所述的一种二冲程点燃式发动机缸间功率不平衡控制方法，其特征在于：步骤三中的单缸反馈控制是根据式(1)进行模糊切换来调节控制器的输出U，利用式(2)采用加权平均法计算输出U，设常规PID控制器的输出加权为α，那么在此控制策略中模糊控制器的加权输出为(1-α)，

U＝αU_PID+(1-α)U_fuzzyPID (2)

式中：U_PID—PID控制器的输出，U_fuzzyPID—模糊PID控制器的输出。