CN112253321B - 多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法 - Google Patents

多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法。它是确定进入单缸空燃比闭环控制后：判断各气缸第一运行状态，在各气缸相同的第一运行状态下，氧传感器分别进行采样，将采样数据组分别转化为各气缸实时空燃比；确定各气缸第二运行状态，将各气缸实时空燃比与目标空燃比比较，计算确定各气缸的闭环修正系数，对各气缸的基本喷油量进行修正，确定各气缸的喷油量。本发明采用氧传感器特定的采样时刻进行采样，充分考虑发动机的瞬态工况对发动机各缸空燃比的影响，实现精准控制，同时兼顾稳态影响，避免瞬态工况过渡调节修正。本发明实现了单缸空燃比闭环控制，改善各缸空燃比控制不均匀性，降低排放，提高功率扭矩，降低油耗。

Description

多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法
技术领域
本发明属于发动机电控技术，具体涉及一种多缸发动机的喷油量的控制技术，特别是发动机多缸空燃比闭环控制体系下的单缸空燃比闭环控制技术。
背景技术
空燃比是发动机控制的重要参数，而由于发动机进气歧管设计或者 EGR进气不均匀性导致的充气效率差异，喷油嘴硬件差异都会导致各缸空燃比的差异。各缸空燃比的差异性会增加排放及油耗。
现有控制方法是通过开环控制补偿各缸空燃比的差异，而这种方法如果发动机本体差异比较造成排放和优化的恶化，不能解决各缸空燃比差异性问题。
在实现对单缸喷流量的控制的现有技术包括CN202010574245.0一种用于发动机的控制方法、系统及车辆，该专利申请实际解决的技术问题是利用单缸喷流量的控制，实现发动机各缸的压力均衡性较好。其方案是根据当前发动机的工况(负荷工况时先获取发动机的转速以及进气量)利用查表的方式发动机各缸的喷油修正系数，进而对基础喷油脉宽(基础喷油量)进行修正，以使发动机各缸均达到预设的目标过量空气系数。其实质是解决减小发动机的振动问题，不适用于直接解决发动机排放问题。另外，由于是查表获取个发动机各缸的喷油修正系数，因此，前期开发时的试验测试工作量大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决发动机排放问题的多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，在发动机特定的工况下，实现单缸空燃比闭环控制方法，改善了各缸不均匀性，降低排放，提高功率扭矩，降低油耗。
本发明的技术方案为：多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，确定进入单缸空燃比闭环控制后，单缸空燃比闭环控制方法包括：
判断各气缸第一运行状态，在各气缸相同的第一运行状态下，氧传感器分别进行采样，将采样数据组分别转化为各气缸实时空燃比；确定各气缸第二运行状态，将各气缸实时空燃比与目标空燃比比较，确定各气缸的修正系数，利用修正系数对各气缸的基本喷油量进行修正，得到各缸的喷油量。
上述各气缸第一运行状态，各气缸第二运行状态指的是气缸的冲程运行状态。
发动机缸的运行状态包括进气、压缩、燃烧、排气四冲程，本发明通过在确定的某个冲程状态下氧传感器进行采样，并在确定的某个冲程状态将实时空燃比分配到各自的气缸，对单缸的空燃比进行闭环控制，实现单缸空燃比的精准的控制。
进一步的技术特征是：气缸第一运行状态包括气缸的排气冲程，气缸第二运行状态包括气缸的排气冲程。
在排气冲程进行采样，并在排气冲程计算赋值喷油量，一方面保证采样时刻的状态和赋值时刻的状态空燃比数据的真实准确，另一方面保证该数据作为下一循环控制的时效性及准确性，提高控制精度。
进一步的技术特征是：氧传感器进行采样的时刻设定在排气冲程的前段行程中。
排气冲程的前段冲程指的是：排气冲程开始至排气冲程行程的一半的行程距离；可采用曲轴运行的角度标定。
进一步的技术特征是：气缸第一运行状态的排气冲程和气缸第二运行状态的排气冲程处于同一个发动机工作循环中。对于上述可替换的技术方案包括但不限于是在同一个发动机工作循环中，非排气冲程的其他冲程状态进行采样。
进一步的技术特征是：所述对各气缸的基本喷油量进行修正方法包括：与基本喷油量的积的乘法因子中包含修正系数，修正系数包括短效修正系数和长效修正系数。
短效修正系数也称为短期修正系数，也称为闭环修正系数，长效修正系数也称为长期修正系数。短效修正系数考虑的是瞬态工况下各缸排气影响，长效修正系数考虑的是稳态工况下各缸排气影响。
进一步的技术特征是：短效燃油修正系数通过PI控制器的P项和I 项参数的取得。短效修正系数通过PI控制器的P项和I项参数的取得便于短效修正系数计算，避免复杂的计算。
进一步的技术特征是：确定进入单缸空燃比闭环控制的方法包括：判断氧传感器处于活化状态，同时发动机实际转速波动在设定范围内。
发动机实际转速波动指的是发动机转速在单位时间内转速的变化值，包括转速增加值或减小值。
进一步的技术特征是：下电时，存储长效修正系数。
进一步的技术特征是：所述存储长效修正系数的方法包括：
比较本次的长效修正系数与上一次的长效修正系数，两者的差值在设定的差值范围内，保存本次的长效修正系数；两者的差值超出设定的差值范围，保存上次的长效修正系数。
上述对长效修正系数自学习的存储方式，实现再次进行单缸空燃比闭环控制时，快速使用长效修正系数。
进一步的技术特征是：所述氧传感器包括宽域氧传感器。
本发明在进入单缸空燃比闭环控制程序后，采用氧传感器特定的采样时刻进行采样，充分考虑发动机的瞬态工况对发动机各缸空燃比的影响，实现精准控制，同时兼顾稳态影响，避免瞬态工况过渡调节修正。软件的方式实现了单缸空燃比闭环控制，改善各缸空燃比控制不均匀性，降低排放，提高功率扭矩，降低油耗。
附图说明
图1汽油机空燃比闭环控制系统图；
图2空燃比控制总体流程图；
图3单缸空燃比闭环控制流程图；
图4四缸发动机氧传感采样时刻关系；
具体实施方式
下列具体实施方式用于对本发明权利要求技术方案的解释，以便本领域的技术人员理解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下列具体的实施结构。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。
本发明适用于各种多缸发动机在实施发动机空燃比控制过程中，只要触发单缸空燃比控制条件，实施单缸空燃比控制。本发明涉及其中喷油量 (喷油脉宽)控制。对于氧传感器采样时刻(采样点)可以基于不同缸数的发动机缸经历进气、压缩、燃烧、排气四冲程时曲轴的结构及运动规律参数进行设定。
一下以四缸发动机加以说明。
如图1所示，空气流量传感器/进气歧管压力传感器500采集的数据，结合节气门的开度，进气温度，冷却水温，发动机转速等发动机200运行状况参数用于电控单元ECU100计算确定发动机的进气量；前氧传感器300 采集的泵电流转化为空燃比通过ECU100计算确定喷油脉宽，并通过喷油嘴400执行。本实施例前氧传感器采用宽域氧传感器。
如图2所示，发动机空燃比的控制包括多种状态条件的控制方式，包括燃油开环控制，多缸空燃比闭环控制和单缸空燃比控制；基于如下设定逻辑分别实施不同的控制方式：
a、氧传感器处于活化状态；
b、发动机实际转速波动在一定范围内(±200rpm)；
c、发动机负荷波动在一定范围内(±15mgpl)；
上述发动机实际转速波动指的是发动机转速在单位时间内转速的变化值，包括转速增加值或减小值。本实施例-200rpm≤ΔN≤200rpm；
上述发动机发动机负荷波动指的是发动机负荷Q在单位时间内负荷的变化值，包括负荷增加值或减小值，本实施例-15mgpl≤ΔQ≤15mgpl。
以上条件a和条件b同时满足，发动机将进入单缸空燃比控制状态；以上条件a不满足时，发动机将进入空燃比开环控制状态；以上条件a满足，条件b或条件c不满足时，发动机进入发动机多缸空燃比闭环控制状态。
当发动机进入多缸空燃比闭环控制控制状态，每10ms读取一次前氧传感器泵电流值，由于传感器的温度和排气压力影响混合气扩散到检测室的数量，故需要进行传感器温度以及排气歧管压力补偿，然后转换为空燃比，调整PI闭环控制参数Kshort，使得实际空燃比达到目标值。计算流程如图3所示。
当发动机将进入单缸空燃比闭环控制状态后，实施单缸空燃比闭环控制，如图3所示：
在发动机一个工作循环过程中，前氧传感器依据设定的采集时刻点采集泵电流，并转换为空燃比。由于是四缸发动机，因此发动机一个工作循环，前氧传感器采集四次数据。
前氧传感器的采集时刻点设定是基于每个发动机缸经历进气、压缩、燃烧、排气四冲程，本发明在每一个气缸的排气冲程中设定为一个采集时刻点(比如但不限于氧传感器进行采样的时刻设定在排气冲程的前段行程中即排气冲程开始至排气冲程行程的一半的行程距离内)；可采用曲轴运行的角度设定，其中起始角度通过标定得到。如图4所示，Sync位置为前氧传感器的采集时刻点。
在实际的软件运行过程中，进入单缸空燃比闭环控制状态后，
首先判断发动机各气缸的运行状态，即通过曲轴结构参数包括角度和 VVT动作角度判断每个缸当前处于哪个冲程。将每个缸当前状态记录到数组NextCylToIgnite[i](i为发动机缸数-1)，每次每组数据包括4个。如果其中一个缸处于排气冲程，并到达采集时刻点，前氧传感器完成一次采样。因此对于四缸发动机而言，发动机一个工作循环过程中(720曲轴角度) 前氧传感器完成4次采样。
单缸空燃比采样周期为：
Figure BDA0002722711460000041
其中RPM为发动机转速，Neng为发动机总缸数。
将采集的前氧传感器的泵电流转化为采样时刻的空燃比：
rlambda[n]＝f(Ipumpcurrent[n])*k1(pexh)*k2(Toxy)
Ipumpcurrent[n]为氧传感器测得泵电流，K1(pexh)是基于排气压力修正系数，K2(Toxy)是基于传感器温度修正系数。上述是本领域的常规算法。
通过判断NextCylToIgnite[i]，如果其中NextCylToIgnite[0]处于排气冲程，将当前读取的空燃比赋值到rlambdaact[0]。
本实施例中气缸第一运行状态的排气冲程和气缸第二运行状态的排气冲程处于同一个发动机工作循环中，即前氧传感器的采样以及赋值都是相对于一个发动机工作循环的同一个气缸实施的。
计算每个缸的修正系数，修正系数包括短效修正系数kshort[i]和长效修正系数klong[i][Nneg,Qrho]。
其中，短效修正系数kshort[i]的计算方案包括：当读取到每缸的空然比后，每缸单独进行闭环控制，闭环控制采用PI控制方法，得到每缸的短效修正系数(闭环修正系数)。
每个缸短效修正系数kshort[i]通过PI控制器的P项系数kp和I项的系数 kI求和得到。P项系数kp和I项的系数kI的计算可以采用现有本领域的常规方法计算；
首先计算两个参数kp和kI，它们将作为P项和I项的参数:
kp[i]＝(rtarget[i]-rlambdaact[i])*f1(Neng，Qrho)
ki[i](n)＝(rtarget[i]-rlambdaact[i])*f2(Neng，Qrho)+ki[i](n-1)+klong_cmpI[i][Nneg,Qrho]
kshort[i](n)＝kp[i](n)+ki[i](n)
klong_cmpI[i][Nneg,Qrho]＝kshort[i](n-1)*(klong[i][Nneg,Qrho](n)-klong[i][Nneg,Qrho](n-1))/klong[i][Nneg,Qrho](n)
其中rtarget[i]每缸目标空燃比，rlambdaact[i]为每缸的实际空燃比，ki[i](n)
为每缸的当前I项，ki[i](n-1)为每缸的上次I项，klong_cmpI[i][Nneg，Qrho]
为长效修正系数传递系数，Neng为发动机转速，Qrho为发动机负荷。
为了防止学习完成后燃油的突变，本发明在通过PI控制器进行短效燃油修正系数确定过程中，在PI控制器的I项系数的确定中特别引入长效修正传递系数klong_cmpI[i][Nneg,Qrho]。所述长效修正传递系数系通过包含本次和/或上次短效修正系数kshort[i]和长效修正系数klong[i][Nneg,Qrho]的计算得到，本发明不限于上述实施例算法，本实施例通过求和的方法引入。但不限于求和的算法引入，也可采用其他的算法引入。上述各式中其他的算法为现有常规算法。
由于长效修正系数是基于稳态情况下发动机转速Nneg以及发动机负荷 Qrho的修正；它可以基于多缸空燃比闭环控制中的长效修正系数得到，通过查表得到，横轴为转速Nneg，纵坐标为负荷Qrho。长效修正系数的初始值设为1。
长效修正系数自学习值是基于下电时，进入下一次单缸空燃比闭环控制能快速获得内存中长效修正系数；其方法是：下电时比较本次的长效修正系数与上一次的长效修正系数，两者的差值在设定的差值范围内，保存本次的长效修正系数；两者的差值超出设定的差值，保存上次的长效修正系数。差值在设定的差值范围内包括小于或等于设定的差值。超出设定的差值包括大于设定的差值。即对于存储本次长效校正系数与上一次的长效校正系数之间的误差不能太大，上述设定的差值但不限于是0.2。
将修正系数作为乘法因子应用在喷油计算中。稳定工况下，最终发动机各缸的喷油量的计算公式如下：
Ti＝klong[i][Nneg,Qrho]*kshort[i]*Tbase
其中kshort[i]为单缸短效修正系数(单缸闭环修正系数)，klong[i][Nneg, Qrho]为NVM中保存的长效修正系数(自学习系数)，Tbase为基本喷油量。

Claims (9)

1.一种多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，其特征是，确定进入单缸空燃比闭环控制后，单缸空燃比闭环控制方法包括：
判断各气缸第一运行状态，在各气缸相同的第一运行状态下，氧传感器分别进行采样，将采样数据组分别转化为各气缸实时空燃比；确定各气缸第二运行状态，将各气缸实时空燃比与目标空燃比比较，确定各气缸的修正系数，利用修正系数对各气缸的基本喷油量进行修正，得到各气缸的喷油量；
所述确定进入单缸空燃比闭环控制的方法包括：判断氧传感器处于活化状态，同时发动机实际转速波动在设定范围内；
所述各气缸第一运行状态，各气缸第二运行状态是气缸的冲程运行状态。
2.如权利要求1所述多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，其特征是，气缸第一运行状态包括气缸的排气冲程，气缸第二运行状态包括气缸的排气冲程。
3.如权利要求1或2所述多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，其特征是，氧传感器进行采样的时刻设定在排气冲程的前段行程中。
4.如权利要求1或2所述多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，其特征是，气缸第一运行状态的排气冲程和气缸第二运行状态的排气冲程处于同一个发动机工作循环中。
5.如权利要求1所述多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，其特征是，所述对各气缸的基本喷油量进行修正方法包括：与基本喷油量的积的乘法因子中包含修正系数，修正系数包括短效修正系数和长效修正系数。
6.如权利要求5所述多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，其特征是，短效修正系数通过PI控制器的P项和I项参数的取得。
7.如权利要求5所述多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，其特征是，下电时，存储长效修正系数。
8.如权利要求7所述多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，其特征是，所述存储长效修正系数的方法包括：
比较本次的长效修正系数与上一次的长效修正系数，两者的差值在设定的差值范围内，保存本次的长效修正系数；两者的差值超出设定的差值，保存上次的长效修正系数。
9.如权利要求1所述多缸发动机基于氧传感器的单缸空燃比闭环控制方法，其特征是，所述氧传感器包括宽域氧传感器。
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