CN108223174B - 一种电控柴油内燃机空燃比控制方法 - Google Patents

一种电控柴油内燃机空燃比控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种电控柴油内燃机空燃比控制方法，属于电控内燃机动力控制领域。该方法是一种模块化的空燃比控制方法，可以针对不同控制工况进行增加或裁剪；该方法依据多路输入参量对被控量进行调整，具备较高的控制精度；该方法采用算术运算结合MAP表查询的方式对空燃比进行控制，具备较高的运行效率；该方法属于软件控制方法，无需更改硬件单元即可实现控制效果，因此无需额外的变更成本。由于当前电控内燃机研制对动力控制、燃油经济性及环保要求越来越高，本发明针对现有空燃比控制方法进行了改进，有效地提高了燃烧控制的精度、运算效率，并改善了燃油经济性，而且在一定程度上可以降低排放烟度。

Description

一种电控柴油内燃机空燃比控制方法
技术领域
本发明属于内燃机动力控制领域，以提高电控柴油机燃烧效率、燃油经济性和环保性能为目的，对空燃比进行高速运算和精确控制。
背景技术
本发明对传统空燃比计算的方法进行了改进。空燃比是内燃机气缸内混合空气与燃料之间质量比例。它对内燃机燃烧效率、经济性以及尾气排放都有很大影响。传统的空燃比控制方法需要在内燃机排气管安装氧传感器，将氧传感器采集的氧浓度传给内燃机控制单元(ECU)，针对进气氧气量与排气氧气量之差计算混合气氧气量，并与ECU计算的供油量进行比例运算以得到空燃比值。这种控制方法需要一定的额外成本，且控制参数单一、控制精度及对工况变化敏感度不高。不利于提高燃油经济性及环保性。
发明内容
本发明的目的为改进空燃比控制方法，使用通用传感器信号(进气排气温度、压力等)计算空燃比，并将空燃比转换为切断油量，直接对期望喷油量进行调整，以提高电控柴油机燃烧效率、燃油经济性和环保性能。
本发明的技术方案如图图1所示。
首先通过采集信号量计算气缸进气量和排气量，并据此计算出气缸内氧气含量；
其次通过查表得到最大空燃比，将其与气缸氧气含量相乘得到该氧气含量下最小需求喷油量；
第三，计算相关油量调整因子，包括进气密度调整因子、转速调整因子、排气温度调整因子、进去温度调整因子；并将最小需求喷油量与相关调整因子相乘，得到空燃比切断喷油总量；
最后，若空燃比切断喷油总量比期望喷油量小，则用空燃比切断喷油量替代期望喷油量，其物理含义为气缸内氧气量无法满足期望喷油量的需要。需要切断多余的供油。
1.一种电控柴油内燃机空燃比控制方法，特别之处在于，包括以下几个步骤；
步骤一、首先通过采集器量计算气缸进气量和排气量，并据此计算出气缸内氧气含量；进气流量先计算容积效率，再根据容积效率计算进气流量：
容积效率VE表示实际流量与理论流量的比值，计算公式如下：
Figure GDA0002225242470000011
其中Pchg表示进气压力，通过传感器采集得到；Cflow表示流通面积，DVA、DVB、DVC表示调整系数，其参量为定值，根据实际内燃机参数调整；Veffspd为容积效率速度因子，表征容积效率与内燃机转速的关系，VeffTmp为容积效率能量因子，表征容积效率与进气温度的关系，两者都通过Map表获得；
进气流量CF指的是单位时间气缸进气质量，计算公式为：
Figure GDA0002225242470000021
其中CFk表示第k个周期进气流量计算初值；VEng表示内燃机转速；VE表示容积效率；Pchg表示进气压力；Tchg表示进气温度；DTrans表示内燃机位移因子，为定值，根据内燃机特性决定；
为防止进气流量计算噪声，对CFk进行一次惯性滤波，计算公式如下：
CF＝(CFk-CFk-1)×DFilter+CFk
其中CFk-1为第k-1周期进气流量滤波值；CFk表示第k个周期进气流量计算初值；DFilter为惯性系数，根据K-1周期与k周期比重关系选取；
排气流量计算计算过程为首先计算有效流通面积，并根据有效流通面积计算初始排气流，并进行惯性滤波得到最终排气流量；
有效流通面积EFAfilter计算公式为:
Figure GDA0002225242470000022
其中EFAk-1表示上一周期有效流通面积；EFApos表示通过查Map表得到的排气管流通面积系数；DEf表示惯性滤波系数，由采集特性决定；PExt表示采集到的排气压力；Pchg表示采集到的进气压力；
初始排气流量计算公式为：
Figure GDA0002225242470000023
其中EFk表示第k个周期初始排气流量；EFAfilter表示有效流通面积；Pchg表示采集到的进气压力；TExt表示排气温度；Cext表示调整系数；Tblstream()表示基础流插值表函数；
与进气流量计算相似，初始排气流量同样需经过惯性滤波处理后得到最终输出的排气流量EF，计算公式如下：
EF＝(EFk-1-EFk)×Defilt+EFk
其中EFk-1表示第k-1个周期滤波后排气流量；EFk表示第k个周期初始排气流量；Defilt表示惯性滤波系数，根据系统特性决定；
每冲程进气氧气含量Mchg计算过程为：
Figure GDA0002225242470000031
其中CF为进气流量；VEng为内燃机转速；NEng为内燃机缸数；Cco为进气氧气含量比例系数；
每冲程排气氧气含量MExt计算过程为：
Figure GDA0002225242470000032
其中EF为排气流量；Ceo为排气氧气含量比例系数；
每冲程缸内氧气含量Mcyl计算过程为：
Mcyl＝Mchg-MExt
进气密度作为后续空燃比计算参量之一，其计算公式采用理想气体进气密度标准公式：
Figure GDA0002225242470000033
其中，ρk为第k个周期的进气密度，Pchg为进气压力；R为气体常数；Tchg为进气温度；
步骤二、通过转速、喷油量计算得出空燃比，将所述空燃比与气缸氧气含量相乘得到该氧气含量下最小需求喷油量；
步骤三、计算油量调整因子，包括进气密度调整因子、转速调整因子、排气温度调整因子、进去温度调整因子；并将最小需求喷油量与所述相关调整因子相乘，得到空燃比切断喷油总量；最小空燃比切断油量FLmin计算公式如下所示：
Figure GDA0002225242470000034
其中，Rofc空燃比最大限值，查询Map，Rsto为化学量调整因子，根据燃油特性决定；Mcyl表示气缸内氧气含量；Cofc为空燃比计算调整因子，根据内燃机燃烧特性决定；
实际空燃比切断油量FLcutout计算公式如下所示：
FLcutout＝FLmin×Gdens×Geng×Gtexh×Gimt
其中FLmin为最小空燃比切断油量；Gdens为进气密度调整因子、Geng为转速调整因子；Gtexh为排气温度调整因子、Gimt为进气温度调整因子，上述调整因子均根据Map表查询得到；
当FLmin计算完毕，最终喷油量FLTotal计算公式如下所示：
FLTotal＝MIN{FLEX,FLcutout}
其中，FLEX为期望喷油量，FLcutout为空燃比切断油量，当期望喷油量空燃比限制时，直接用空燃比计算油量替代期望油量输出；
步骤四、若空燃比切断喷油总量比期望喷油量小，则用空燃比切断喷油量替代期望喷油量。
2.特别之处还包括为降低输入信号导致的噪声，进行惯性滤波处理，输出最终进气密度ρfilt，计算公式为：
ρfilt＝(ρk-ρk-1)×Cρ+ρk
其中，ρk为第k个周期未滤波进气密度；ρk-1为第k-1周期的最终输出进气密度；Cρ为惯性滤波系数。
3.特别之处在于，还包括若内燃机需要根据环境变化进行更精确控制，则将最小空燃比切断油量乘以相关调整因子进行微调。
其具体设计流程如下：
(1)计算进气流量：
进气流量首先需要计算容积效率，再根据容积效率计算进气流量：
容积效率VE表示实际流量与理论流量的比值，计算公式如下：
Figure GDA0002225242470000041
其中Pchg表示进气压力，通过传感器采集得到；Cflow表示流通面积，DVA、DVB、DVC表示调整系数，其参量为定值，根据实际内燃机参数调整；Veffspd为容积效率速度因子，表征容积效率与内燃机转速的关系，VeffTmp为容积效率能量因子，表征容积效率与进气温度的关系，两者都通过查询Map表得到，如图2所示。
进气流量CF指的是单位时间气缸进气质量，计算公式为：
Figure GDA0002225242470000042
其中CFk表示第k个周期进气流量计算初值；VEng表示内燃机转速；VE表示容积效率；Pchg表示进气压力；Tchg表示进气温度；DTrans表示内燃机位移因子，为定值，根据内燃机特性决定。
为防止进气流量计算噪声，对CFk进行一次惯性滤波，计算公式如下：
CF＝(CFk-CFk-1)×DFilter+CFk (3)
其中CFk-1为第k-1周期进气流量滤波值；CFk表示第k个周期进气流量计算初值；DFilter为惯性系数，根据K-1周期与k周期比重关系选取。
(2)计算排气流量(Ext Flow)：
排气流量计算相对较复杂，计算过程为首先计算有效流通面积，并根据有效流通面积计算初始排气流，并进行惯性滤波得到最终排气流量。
有效流通面积EFAfilter(Effective Flowing Area)计算公式为:
Figure GDA0002225242470000051
其中EFAk-1表示上一周期有效流通面积；EFApos表示通过查Map表得到的排气管流通面积系数；DEf表示惯性滤波系数，由采集特性决定；PExt表示采集到的排气压力；Pchg表示采集到的进气压力。
初始排气流量(Init Exhaust Flow)计算公式为：
Figure GDA0002225242470000052
其中EFk表示第k个周期初始排气流量；EFAfilter表示有效流通面积；Pchg表示采集到的进气压力；TExt表示排气温度；Cext表示调整系数；Tblstream()表示基础流插值表函数,如图3所示。
与进气流量计算相似，初始排气流量同样需经过惯性滤波处理后得到最终输出的排气流量EF，计算公式如下：
EF＝(EFk-1-EFk)×Defilt+EFk (6)
其中EFk-1表示第k-1个周期滤波后排气流量；EFk表示第k个周期初始排气流量；Defilt表示惯性滤波系数，根据系统特性决定。
(3)计算每冲程气缸内氧气含量：
每冲程进气氧气含量Mchg计算过程为：
Figure GDA0002225242470000053
其中CF为进气流量；VEng为内燃机转速；NEng为内燃机缸数；Cco为进气氧气含量比例系数。
每冲程排气氧气含量MExt计算过程为：
Figure GDA0002225242470000054
其中EF为排气流量；Ceo为排气氧气含量比例系数。
每冲程缸内氧气含量Mcyl计算过程为：
Mcyl＝Mchg-MExt (9)
(4)计算进气密度
进气密度作为后续空燃比计算参量之一，其计算公式采用理想气体进气密度标准公式：
Figure GDA0002225242470000061
其中，ρk为第k个周期的进气密度，Pchg为进气压力；R为气体常数；Tchg为进气温度。
为降低输入信号导致的噪声，进行惯性滤波处理，输出最终进气密度ρfilt，计算公式为：
ρfilt＝(ρk-ρk-1)×Cρ+ρk (11)
其中，ρk为第k个周期未滤波进气密度；ρk-1为第k-1周期的最终输出进气密度；Cρ为惯性滤波系数。
(5)空燃比切断油量计算与实施
最小空燃比切断油量FLmin计算公式如下所示：
Figure GDA0002225242470000062
其中，Rofc空燃比最大限值，根据查询Map表得到，如图4所示；Rsto为化学量调整因子，根据燃油特性决定；Mcyl表示气缸内氧气含量；Cofc为空燃比计算调整因子，根据内燃机燃烧特性决定。
实际空燃比切断油量FLcutout计算公式如下所示：
FLcutout＝FLmin×Gdens×Geng×Gtexh×Gimt (13)
其中FLmin为最小空燃比切断油量；Gdens为进气密度调整因子、Geng为转速调整因子；Gtexh为排气温度调整因子、Gimt为进气温度调整因子，上述调整因子均根据Map表查询得到，如图5所示。
当FLmin计算完毕，最终喷油量FLTotal计算公式如下所示：
FLTotal＝MIN{FLEX,FLcutout} (14)
其中，FLEX为期望喷油量，FLcutout为空燃比切断油量，当期望喷油量空燃比限制时，直接用空燃比计算油量替代期望油量输出。
过程总结
通过上述步骤，可以通过控制空燃比切断油量实现对内燃机喷油量的辅助控制。本发明的优点为实现简便，无需额外的传感器等硬件资源；而且通过公式(13)可知，该方法可以通过附加不同的影响因子对切断油量进行精确调整，这些影响因子可以轻易地增加或裁剪，具备较高的灵活程度。另外，通过步骤(1)到步骤(5)的说明，可以发现该方法采用算术方法结合Map表查询来进行运算处理，这种方式运算速度快，可以直接应用于嵌入式处理环境中。
附图说明
图1为空燃比控制流程总图；
图2为容积效率速度因子及能量因子的Map查询表示意图；
图3为排气流量Map查询表示意图；
图4为最大空燃比Map查询表示意图；
图5为空燃比调整因子Map查询表示意图；
图6为采用本方法后实际效果示意图。
具体实施方式
针对某型电控柴油内燃机，采用上述方法根据空燃比对喷油量进行控制。采用如下步骤完成整个控制流程。
首先，根据方法步骤(1)进行实施准备；
其次，以10ms为周期对内燃机转速VEng、进气压力Pchg、进气温度Tchg、排气压力PExt、排气温度TExt进行信号采集；
第三，采用如下公式计算容积效率VE：
Figure GDA0002225242470000073
其中Cflow表示流通面积，DVA、DVB、DVC表示调整系数，其参量为定值；Veffspd为容积效率速度因子，VeffTmp为容积效率能量因子，两者都通过查询Map表得到，如图2所示。
第四，采用公式2计算进气流量CF，并用公式3进行惯性滤波：
Figure GDA0002225242470000074
其中CFk表示第k周期进气流量计算初值；DTrans表示内燃机位移因子，定值。
CF＝(CFk-CFk-1)×DFilter+CFk (3)
其中CFk-1为第k-1周期进气流量滤波值；DFilter为惯性系数。
第五，采用下述公式计算有效流通面积EFAfilter:
Figure GDA0002225242470000071
其中EFAk-1表示上一周期有效流通面积；EFApos表示通过查Map表得到的排气管流通面积系数；DEf表示惯性滤波系数。
第六，采用公式5计算瞬时排气流量，并用公式6进行惯性滤波：
Figure GDA0002225242470000072
其中EFk表示第k个周期初始排气流量；Cext表示调整系数；Tblstream()表示基础流插值表函数,如图3所示。
EF＝(EFk-1-EFk)×Defilt+EFk (6)
其中EFk-1表示第k-1个周期滤波后排气流量；Defilt表示惯性滤波系数。
第七，通过下述公式计算每冲程进气氧气含量Mchg：
Figure GDA0002225242470000081
其中CF为进气流量；NEng为内燃机缸数；Cco为进气氧气含量比例系数。
第八，通过下述公式计算每冲程排气氧气含量MExt：
Figure GDA0002225242470000082
其中EF为排气流量；Ceo为排气氧气含量比例系数。
第九，每冲程缸内氧气含量Mcyl计算过程为：
Mcyl＝Mchg-MExt (9)
第十，采用理想气体密度公式计算进气密度，并用公式11进行惯性滤波：
Figure GDA0002225242470000083
其中，ρk为第k周期的进气密度，R为气体常数。
ρfilt＝(ρk-ρk-1)×Cρ+ρk (11)
其中，ρk-1为第k-1周期的最终输出进气密度；Cρ为惯性滤波系数。
第十一，采用如下公式计算最小空燃比切断油量，并可采用公式13的方法进行微调：
Figure GDA0002225242470000084
其中，Rofc空燃比最大限值，根据查询Map表得到，如图4所示；Rsto为化学量调整因子，根据燃油特性决定；Cofc为空燃比计算调整因子，根据内燃机燃烧特性决定。
FLcutout＝FLmin×Gdens×Geng×Gtexh×Gimt (13)
其中Gdens为进气密度调整因子、Geng为转速调整因子；Gtexh为排气温度调整因子、Gimt为进气温度调整因子，上述调整因子均根据Map表查询得到，如图5所示。
最后，当期望喷油量空燃比限制时，直接用空燃比计算油量FLTotal替代期望油量FLEX输出：
FLTotal＝MIN{FLEX,FLcutout} (14)
针对不同内燃机转速下对空燃比进行验证，验证结果如图6所示。图中当转速为2800RPM时，空燃比将期望喷油量切断，实际喷油量即为空燃比切断油量，约为66.8mg/冲程。

Claims (3)

1.一种电控柴油内燃机空燃比控制方法，其特征在于：包括以下几个步骤；
步骤一、首先通过采集器量计算气缸进气量和排气量，并据此计算出气缸内氧气含量；进气流量先计算容积效率，再根据容积效率计算进气流量：
容积效率VE表示实际流量与理论流量的比值，计算公式如下：
Figure FDA0002225242460000011
其中Pchg表示进气压力，通过传感器采集得到；Cflow表示流通面积，DVA、DVB、DVC表示调整系数，其参量为定值，根据实际内燃机参数调整；Veffspd为容积效率速度因子，表征容积效率与内燃机转速的关系，VeffTmp为容积效率能量因子，表征容积效率与进气温度的关系，两者都通过Map表获得；
进气流量CF指的是单位时间气缸进气质量，计算公式为：
Figure FDA0002225242460000012
其中CFk表示第k个周期进气流量计算初值；VEng表示内燃机转速；VE表示容积效率；Pchg表示进气压力；Tchg表示进气温度；DTrans表示内燃机位移因子，为定值，根据内燃机特性决定；
为防止进气流量计算噪声，对CFk进行一次惯性滤波，计算公式如下：
CF＝(CFk-CFk-1)×DFilter+CFk
其中CFk-1为第k-1周期进气流量滤波值；CFk表示第k个周期进气流量计算初值；DFilter为惯性系数，根据K-1周期与k周期比重关系选取；
排气流量计算计算过程为首先计算有效流通面积，并根据有效流通面积计算初始排气流，并进行惯性滤波得到最终排气流量；
有效流通面积EFAfilter计算公式为:
Figure FDA0002225242460000013
其中EFAk-1表示上一周期有效流通面积；EFAtbl表示通过查Map表得到的排气管流通面积；DEf表示惯性滤波系数，由采集特性决定；PExt表示采集到的排气压力；Pchg表示采集到的进气压力；
初始排气流量计算公式为：
Figure FDA0002225242460000014
其中EFk表示第k个周期初始排气流量；EFAfilter表示有效流通面积；Pchg表示采集到的进气压力；TExt表示排气温度；Cext表示调整系数；Tblstream()表示基础流插值表函数；
与进气流量计算相似，初始排气流量同样需经过惯性滤波处理后得到最终输出的排气流量EF，计算公式如下：
EF＝(EFk-1-EFk)×Defilt+EFk
其中EFk-1表示第k-1个周期滤波后排气流量；EFk表示第k个周期初始排气流量；Defilt表示惯性滤波系数，根据系统特性决定；
每冲程进气氧气含量Mchg计算过程为：
Figure FDA0002225242460000021
其中CF为进气流量；VEng为内燃机转速；NEng为内燃机缸数；Cco为进气氧气含量比例系数；
每冲程排气氧气含量MExt计算过程为：
Figure FDA0002225242460000022
其中EF为排气流量；Ceo为排气氧气含量比例系数；
每冲程缸内氧气含量Mcyl计算过程为：
Mcyl＝Mchg-MExt
进气密度作为后续空燃比计算参量之一，其计算公式采用理想气体进气密度标准公式：
Figure FDA0002225242460000023
其中，ρk为第k个周期的进气密度，Pchg为进气压力；R为气体常数；Tchg为进气温度；
步骤二、通过转速、喷油量计算得出空燃比，将所述空燃比与气缸氧气含量相乘得到该氧气含量下最小需求喷油量；
步骤三、计算油量调整因子，包括进气密度调整因子、转速调整因子、排气温度调整因子、进去温度调整因子；并将最小需求喷油量与相关调整因子相乘，得到空燃比切断喷油总量；最小空燃比切断油量FLmin计算公式如下所示：
Figure FDA0002225242460000024
其中，Rofc空燃比最大限值，查询Map，Rsto为化学量调整因子，根据燃油特性决定；Mcyl表示气缸内氧气含量；Cofc为空燃比计算调整因子，根据内燃机燃烧特性决定；
实际空燃比切断油量FLcutout计算公式如下所示：
FLcutout＝FLmin×Gdens×Geng×Gtexh×Gimt
其中FLmin为最小空燃比切断油量；Gdens为进气密度调整因子、Geng为转速调整因子；Gtexh为排气温度调整因子、Gimt为进气温度调整因子，上述调整因子均根据Map表查询得到；
当FLmin计算完毕，最终喷油量FLTotal计算公式如下所示：
FLTotal＝MIN{FLEX,FLcutout}
其中，FLEX为期望喷油量，FLcutout为空燃比切断油量，当期望喷油量空燃比限制时，直接用空燃比计算油量替代期望油量输出；
步骤四、若空燃比切断喷油总量比期望喷油量小，则用空燃比切断喷油量替代期望喷油量。
2.根据权利要求1所述的一种电控柴油内燃机空燃比控制方法，其特征在于：还包括为降低输入信号导致的噪声，进行惯性滤波处理，输出最终进气密度ρfilt，计算公式为：
ρfilt＝(ρk-ρk-1)×Cρ+ρk
其中，ρk为第k个周期未滤波进气密度；ρk-1为第k-1周期的最终输出进气密度；Cρ为惯性滤波系数。
3.根据权利要求1所述的一种电控柴油内燃机空燃比控制方法，其特征在于：还包括若内燃机需要根据环境变化进行更精确控制，则将最小空燃比切断油量乘以相关调整因子进行微调。
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