基于组合油膜模型的pfi汽油机瞬态油膜补偿策略研究-黄永军.pdf

《基于组合油膜模型的pfi汽油机瞬态油膜补偿策略研究-黄永军.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于组合油膜模型的pfi汽油机瞬态油膜补偿策略研究-黄永军.pdf（6页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、收稿日期:2015-05-28基金项目:内燃机燃烧学国家重点实验室开放基金资助项目(k20130-10)作者简介:黄永军(1984 ) ,男,博士,主要研究方向为基于模型的发动机电控,E-mail:;陈国华(联系人) ,男,教授,博导,主要研究方向为发动机结构优化及排放控制,E-mail:。文章编号: 1 0 0 0 - 0 9 2 5 ( 2 0 1 7 ) 0 2 - 0 1 5 1 - 0 6 3 8 0 0 4 4基于组合油膜模型的PFI汽油机瞬态油膜补偿策略研究黄永军,陈国华,郎静,魏冰(华中科技大学能源与动力工程学院,武汉4 3 0 0 7 4 )StudyonTransientF

2、uelFilmCompensationStrategyofPFIGasolineEngineBasedonCombinationFilmModelHUANGYongjun,CHENGuohua,LANGJing,WEIBing( S c h o o l o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t , H u a z h o n g U n i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , W u h a n 4 3 0

3、0 7 4 , C h i n a )Abstract: I n o r d e r t o e l i m i n a t e t h e i m p a c t o f d y n a m i c e f f e c t o f f u e l f i l m o n t h e a c c u r a c y o f c o n t r o l l i n gt h e t r a n s i e n t a i r t o f u e l r a t i o ( A F R ) o f a p o r t f u e l i n j e c t i o n ( P F I ) g a

4、s o l i n e e n g i n e t o m e e t m o r e s t r i n g e n te m i s s i o n s r e q u i r e m e n t s , a n o v e l a p p l i c a b l e f u e l f i l m c o m p e n s a t i o n s t r a t e g y a s w e l l a s a f u e l f i l m m o d e lc o m p r i s i n g o f l o n g - t e r m a n d s h o r t - t e

5、r m f u e l f i l m s i s p r o p o s e d t o c o m p e n s a t e f u e l f i l m v a r i a t i o n r a p i d l y a n dp r e c i s e l y u n d e r a c c e l e r a t i o n a n d d e c e l e r a t i o n c o n d i t i o n s . T h e i n i t i a l v a l u e s o f t h e l o n g - t e r m a n d s h o r t -

6、 t e r mf u e l f i l m s a r e c a l c u l a t e d b y d i s t r i b u t i o n c o e f f i c i e n t s r e s p e c t i v e l y . T h e r e a l - t i m e v a l u e s o f t h e l o n g - t e r m a n ds h o r t - t e r m f u e l f i l m s a s w e l l a s t h e i r a c t i o n t i m e a r e c o n t r o

7、 l l e d b y d e c a y c o e f f i c i e n t s . T h e r e s u l t s o f e n g i n eb e n c h t e s t s h o w t h a t t h e p r o p o s e d s t r a t e g y e f f e c t i v e l y s u p p r e s s e s t h e d e v i a t i o n o f t r a n s i e n t A F R w i t h am a x i m u m e r r o r l e s s t h a n 5

8、 % a n d a s t a b l e t i m e l e s s t h a n 1 s .摘要:为了消除进气道喷射汽油机油膜动态效应对瞬态空燃比控制精度的影响,满足更严格的排放法规要求,提出一种新颖实用的长/短时油膜组合模型及瞬态油膜补偿策略,对加、减速时油膜变化进行快速准确补偿。通过油膜分配系数对长/短时油膜初始补偿量进行分配,根据衰减系数计算长/短时油膜实时补偿量并控制油膜补偿的作用时间。台架试验结果表明:该策略可以有效抑制瞬态空燃比偏移,最大动态偏差小于5 % ,稳定时间小于1 s 。关键词:油膜效应;长/短时油膜模型;瞬态空燃比;油膜补偿Keywords: d y n a

9、 m i c e f f e c t o f f u e l f i l m ; l o n g - t e r m a n d s h o r t - t e r m f u e l f i l m sm o d e l ; t r a n s i e n t A F R ; f u e l f i l m c o m p e n s a t i o nDOI: 1 0 . 1 3 9 4 9 / j . c n k i . n r j g c . 2 0 1 7 . 0 2 . 0 2 7中图分类号: T K 4 2 1文献标识码: A0概述P F I汽油发动机瞬态空燃比精确控制是实现低排

10、放的关键,一直是国内外发动机电控研究领域的难点。加、减速时众多因素会造成空燃比偏差,主要包括: ( 1 )存在死区时间。自然吸气发动机需在进气门打开之前使燃油充分雾化 1 ,因此用于计算喷油量的测量负荷和进气门关闭时刻的实际负荷之间存在着死区时间,测量值不能真实反映进气门关闭时的实际值 2 。 ( 2 )进气滞后。加速过程由于实际第3 8卷第2期2 0 1 7年4月内燃机工程C h i n e s e I n t e r n a l C o m b u s t i o n E n g i n e E n g i n e e r i n g V o l . 3 8 N o . 2A p r i

11、l . 2 0 1 7 万方数据内燃机工程2 0 1 7年第2期进气量迅速增加,计算的进气量小于实际进气量,造成混合气偏稀;减速过程实际进气量迅速减少,计算的进气量大于实际进气量,造成混合气偏浓 3 。( 3 )传感器信号及计算处理的延迟。负荷动态变化时,由于传感器本身的滞后性,测到的负荷变化不能真实反映气缸进气量的变化 4 。 ( 4 )油膜效应 5 。油膜蒸发与附着随压力变化,进气压力高油膜易附着,进气压力低油膜易蒸发。加速时节气门开度增大,进气压力骤升,不利于燃油膜蒸发,造成混合气偏稀;急减速时,节气门开度减小,进气压力剧降有利于油膜迅速蒸发,导致混合气偏浓。基本喷油量是基于稳态进气压力

12、匹配的,但过渡工况下,进气压力变化引起油膜量变化,必须进行油膜补偿,以保证空燃比稳定。目前国内外存在的油膜补偿方案主要有:常规P I D控制器、滑模控制器 6 、神经网络控制器 7 - 8 、基于模型的油膜补偿器 9 - 1 0 。其中,常规P I D方法虽然简单但过于粗糙,精度受限;神经网络和基于模型的方法使用了复杂数学理论,对不可测参数通常需要进行在线估计或辨识,涉及微分方程数值积分和大量矩阵运算,响应速度慢,可靠性和实用性有很大局限。针对这些缺点,本文中提出一种面向实用的组合油膜模型和瞬态油膜补偿算法,并进行试验验证,证明了该方案的正确性。1过渡工况空燃比控制模型过渡工况空燃比控制的任务

13、是在负荷变化时,决定增加还是减少喷油量来补偿油膜动态,总体思路是加速加浓,减速减稀。进行油膜补偿目标是:在中小负荷时,补偿后的空燃比在1 . 0 0 0 . 0 5范围内变化;在大负荷时,补偿后的空燃比在1 . 0 0 0 . 1 0内变化。在加速和减速过程中,考虑到排放和驾驶性,要尽量避免大的空燃比稀峰出现。1.1稳态油膜量和动态油膜差值计算稳态油膜量与负荷、转速、发动机温度等众多因素有关。使用相对进气充量表示负荷,即当前压力和温度条件下实际进气量与缸内条件处于标准状态(压力为1 0 1 . 3 k P a ,温度为0 )时气缸最大进气量之比。它可根据进气歧管压力和温度传感器信号计算得到,与

14、节气门开度相比能更准确地描述负荷。事实上,油膜补偿计算过程中,油膜差值比实际油膜量更有实际意义,在两个工况之间动态切换时,加速和减速可以采用相同的油膜差值作为油膜补偿初值。稳态油膜量无法直接测量,需要在转毂上进行开环标定:热机后,初始条件为转速1 2 0 0 r / m i n且= 1 ,在不同负荷间进行切换,根据空燃比的变化调节基本油膜量,从而相应改变油膜补偿量。判断标准是:在负荷变化过程中,若稀部分和浓部分面积严重不对称则认为油膜量补偿不足或补偿过度;稀部分和浓部分面积大致相等时的预设油膜量即为该工况点的合理稳态油膜量。调节思路是:若加速出现较大稀峰或减速出现较大浓峰,则油膜补偿不足,应加

15、大补偿量;若加速出现较大浓峰或减速出现较大稀峰,则油膜补偿过度,应减小补偿量,直到加速和减速的浓稀峰值基本对称。基本油膜量特性曲线如图1所示。图1 基本油膜量特性曲线根据转速、冷却水温对基本油膜量进行修正,修正系数如图2所示。图2 基本油膜量修正系数M A P1.2过渡工况油膜补偿量计算目前广泛使用的油膜模型是基于物理模型推导的x-模型 1 1 :m f f=xm f i-mf fm f=( 1-x)m f i+mf f ( 1 )式中,mf f为油膜量;m f f为油膜变化率;m f i为喷油流量率;m f为进入缸内燃油流量率;x为燃油沉积系数;251万方数据 2 0 1 7年第2期内燃机工

16、程为油膜蒸发时间常数。对该模型进行L a p l a c e变换,得到油膜传递函数G(S) :G(S)=1+( 1-x)S1+S( 2 )理想的油膜补偿器传递函数Gc ( S )应为油膜传递函数G(S)的逆函数Gc (S)=G-1 (S)=1+S1+( 1-x)S( 3 )式中,S为L a p l a c e算子。根据时域响应与L a p l a c e变换的关系,对油膜补偿器传递函数与1 /S的乘积进行L a p l a c e逆变换,得到油膜补偿器的阶跃响应时域函数Gc (t)为Gc (t)=1+x-xe-t-x( 4 )式( 4 )表明,理想油膜补偿量呈指数衰减,油膜补偿量初值和衰减率不

17、仅高度非线性而且含时变参数。从指数衰减具有先快后慢的特性得到启发,将指数衰减的油膜变化量分成两部分处理,用快速衰减的短时油膜和慢速衰减的长时油膜构成组合油膜模型,如图3所示。根据几何知识,图中实线与坐标轴围成的面积可用虚线和点划线分别与坐标轴围成的面积之和近似代替。长/短油膜均存在正负两种补偿。图3 组合油膜模型示意图该组合油膜模型的特点为:长时油膜量数值较小,衰减慢,作用时间较长,可以使喷油量过渡更加平滑,有利于空燃比稳定;短时油膜量数值较大,衰减快,作用时间较短,用于迅速补偿节气门突变时油膜剧变,避免产生较大空燃比脉冲。加速时短时油膜迅速达到极大值,避免加速产生偏稀峰值,同时因为加速过程在

18、极短时间内完成,所以应快速衰减,避免产生偏浓峰值;减速时短时油膜迅速达到极小值,避免产生偏浓峰值,然后应快速减小,避免产生偏稀峰值。因为油膜效应只影响动态工况,稳态工况不需要补偿,所以在动态工况完成后要及时结束油膜补偿。瞬态油膜补偿总体方案如图4所示。图4 瞬态油膜补偿总体方案1.3长/短油膜量分配计算长/短时油膜的分配对于精确的油膜补偿计算极其重要,计算出总油膜变化量后,根据发动机不同工况下油膜蒸发/附着特性确定长/短油膜的分配比例。加速和减速过程的油膜分配比例是不同的,需要分别处理。长/短油膜量的相对大小关系根据转速和温度的变化而变化。不同发动机转速下,进气压力和空气流量不同,导致油膜蒸发

19、与附着速度产生变化;发动机冷却水温不同,进气歧管管壁温度就不同,同样引起油膜蒸发与附着速度的变化。随着转速上升,油膜分配系数增大;随着温度上升,油膜分配系数也增大。油膜量分配系数如图5和图6所示。图5 加速油膜分配系数1.4长/短油膜补偿衰减系数计算完成长/短油膜量分配后,分别针对加速和减速工况通过衰减系数控制油膜补偿量的衰减速率及相应作用时间。衰减系数越大,作用时间越短;反之衰减系数越小,作用时间越长。油膜衰减系数如图7所示,总体规律有两点: ( 1 )衰减系数主要取决于发动机冷却水温,加、减速工况下长/短油膜均呈相同趋势变化,即随温度上升而减小。虽然温度升高有利于油膜挥发,似乎应该加大衰减

20、系数,但是因为温度高时基本油膜量较小,相应的油膜变化幅度也较小,综合考虑应采用较小步长。 ( 2 )长/短油膜减速351万方数据内燃机工程2 0 1 7年第2期图6 减速油膜分配系数衰减系数分别稍大于加速衰减系数。这是因为减速时进气歧管压力降低,油膜挥发快,加速时正好相反,而油膜补偿基本要求是油膜变化快时补偿量衰减快,油膜变化慢时补偿量衰减慢。油膜衰减系数主要影响瞬态空燃比偏差持续时间,如果偏差持续时间太长则加大油膜衰减系数,使空燃比更快恢复正常值。图7 油膜衰减系数1.5长短油膜补偿量计算在完成长/短油膜项分配及确定衰减系数后,分别计算每个循环的油膜补偿量。不仅长/短油膜补偿量计算方式基本相

21、同,而且加、减速计算方式也相似。如果当前计算时刻与上次计算时刻之间经过了一次喷油,说明上次计算的油膜补偿量已经进入气缸,所以在当前计算时刻就需要将上次补偿量减掉;如果没有经过喷油(如断油恢复后第一个循环) ,说明上次计算需要补偿的喷油量没有执行,所以当前计算时刻就不能将其减掉,而应该累加。此外,在短部分油膜补偿的计算中,增加死区环节对补偿量进行过滤,当补偿量小于阈值时不进行补偿,以避免在负荷变化较小时频繁补偿导致混合气波动。长/短油膜的补偿计算模型分别如图8和图9所示。图8 长油膜补偿量计算模型图9 短油膜补偿量计算模型加、减速时长油膜补偿量ml (i)计算过程相似,计算公式为:ml (i)=

22、mf l (i) flx, i=1mf l (i)-ml (i-1 ) flx,i 1( 5 )式中,mf l (i)为第i个计算时刻长油膜变化量;x代表a 、d ,fl a为长油膜加速衰减系数,fl d为长油膜减速衰减系数。加、减速时短油膜补偿量ms (i)计算过程也相似,计算公式为:ms (i)=mf s (i) fsx, i=1mf s (i)-ms (i-1 ) fsx,i 1( 6 )ms (i)=ms(i) , ms (i) U0 ,ms (i) 1 ,表明进行了减速减稀;节气门开度稳定后迅速向1收敛,被控制在0 . 9 9 1 . 0 1范围之内。2.3本算法和其他算法控制效果对

23、比比较图1 1 图1 3可知,组合油膜补偿算法对过渡工况空燃比偏差的控制效果达到了与现有成熟系统相当的水平。3结论与无油膜补偿算法相比,基于组合油膜模型的油膜补偿策略使瞬态空燃比偏移得到极大改善,达到了与现有成熟系统相当的控制水平:瞬态空燃比控制精度较高,不同负荷程度下瞬态最大偏差小于5 % ;响应速度较快,稳定时间小于1 s 。参考文献: 1 D I N G L , Q I A N Y , T E N G Q . A i r - f u e l r a t i o c o n t r o l m o d e l551万方数据内燃机工程2 0 1 7年第2期b a s e d o n o x

24、y g e n s e n s o r J . A g r i c u l t u r a l E q u i p m e n t & V e h i c l eE n g i n e e r i n g , 2 0 1 4 , 5 2 ( 7 ) : 4 1 - 4 4 . 2 H E N D R I C K S E , C H E V A L I E R A , J E N S E N M , e t a l .M o d e l l i n g o f t h e i n t a k e m a n i f o l d f i l l i n g d y n a m i c s C /

25、/ S A EP a p e r . D e t r o i t , M I , U S A , 1 9 9 6 , 9 6 0 0 3 7 . 3 Y I L D I Z Y , A N N A S W A M Y A , Y A N A K I E V D , e t a l . S p a r ki g n i t i o n e n g i n e f u e l - t o - a i r r a t i o c o n t r o l : a n a d a p t i v e c o n t r o la p p r o a c h J . C o n t r o l E n g

26、 i n e e r i n g P r a c t i c e , 2 0 1 0 , 1 8 :1 3 6 9 - 1 3 7 8 . 4 钟祥麟.基于油膜模型的多点喷射汽油机瞬态工况控制研究 D .吉林:吉林大学, 2 0 0 7 . 5 W A N G C , Z H A N G J , Y I N C . N o v e l a p p l i c a t i o n - o r i e n t e dt r a n s i e n t f u e l m o d e l o f a p o r t f u e l i n j e c t i o n S . I . e n g i

27、n e J .C h i n e s e J o u r n a l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , 2 0 1 4 , 2 7 ( 2 ) :3 4 8 - 3 5 7 . 6 E B R A H I M I B , T A F R E S H I R , M O H A M M - A D P O U R J , e ta l . S e c o n d - o r d e r s l i d i n g m o d e s t r a t e g y f o r a i r - f u e l r a t i o c o n

28、 t r o lo f l e a n - b u r n S I e n g i n e s J . I E E E T r a n s a c t i o n s o n C o n t r o lS y s t e m s T e c h n o l o g y , 2 0 1 4 , 2 2 ( 4 ) : 1 3 7 4 - 1 3 8 4 . 7 P A C E S , Z H U G G . T r a n s i e n t a i r - t o - f u e l r a t i o c o n t r o l o f as p a r k i g n i t e d e

29、n g i n e u s i n g l i n e a r q u a d r a t i c t r a c k i n g J . J o u r n a lo f D y n a m i c S y s t e m s M e a s u r e m e n t & C o n t r o l , 2 0 1 3 , 1 3 6 ( 2 ) :1 6 7 - 1 7 5 . 8 石屹然,田彦涛,张立,等. S I发动机空燃比联合非线性模型预测控制 J .吉林大学学报(工学版) , 2 0 1 4 , ( 3 ) : 7 2 6 - 7 3 4 .S H I Y R , T I A N

30、 Y T , Z H A N G L , e t a l . J o i n t n o n - l i n e a r m o d e lp r e d i c t c o n t r o l f o r a i r f u e l r a t i o o f S I e n g i n e J . J o u r n a l o f J i l i nU n i v e r s i t y ( E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y E d i t i o n ) , 2 0 1 4 , ( 3 ) :7 2 6 - 7 3 4 .

31、9 W U L , L I U J J . C o m p a r a t i v e r e s e a r c h t r a n s i e n t a i r - f u e l r a t i oc o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n f u z z y c o n t r o l a n d n e u r a l n e t w o r k J .A p p l i e d M e c h a n i c s & M a t e r i a l s , 2 0 1 4 , 6 4 3 : 6 6 - 7 1 . 1 0 E B R

32、A H I M I B , T A F R E S H I R , M A S U D I H , e t a l . Ap a r a m e t e r - v a r y i n g f i l t e r e d P I D s t r a t e g y f o r a i r - f u e l r a t i o c o n t r o lo f s p a r k i g n i t i o n e n g i n e s J . C o n t r o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ,2 0 1 2 , 2 0 ( 8 ) :

33、 8 0 5 - 8 1 5 . 1 1 胡忠录,李岳林,何兴.汽油机加速瞬态油膜补偿技术研究 J .机械科学与技术, 2 0 1 4 , 3 3 ( 1 1 ) : 1 7 1 4 - 1 7 1 8 .H U Z L , L I Y L , H E X . S t u d y o n a c c e l e r a t i o n t r a n s i e n t o i l f i l mc o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g y o f g a s o l i n e e n g i n e J . M e c h a n i c a lS

34、 c i e n c e a n d T e c h n o l o g y f o r A e r o s p a c e E n g i n e e r i n g , 2 0 1 4 , 3 3( 1 1 ) : 1 7 1 4 - 1 7 1 8 . 中国内燃机学会理事简介金东寒,现任上海大学校长, 2 0 1 6年1 0月当选中国内燃机学会第八届理事会理事长。1 9 8 9年毕业于中国舰船研究院并获博士学位。长期在中船重工集团公司第七一一研究所工作,历任工程师、高级工程师、研究员、博士生导师, 2 0 0 1年任所总工程师, 2 0 0 4年2月起任所长兼总工程师。 2 0 0 9年

35、1 2月当选为中国工程院院士。兼任国际内燃机学会( C I M A C )副主席,上海市科协副主席,国防科技奖船舶专业评审委员会主任委员,国家科学技术奖评审专家,国家海上风电工程技术研究中心学术委员会主任,第十二届全国人大代表。曾任第十一届全国政协委员,第二十七届国际内燃机大会( C I M A C C o n g r e s s )主席。长期从事热气机及其动力系统研究与应用开发。先后主持上海市科技攻关、国家自然科学基金、国防重点预研、先期技术演示验证和重大型号研制等重大科研和工程项目2 0多项,取得了一系列开创性成果,并已得到批量应用,为发展中国新一代特种船舶技术作出了突出贡献。曾获得国家科技进步特等奖1项、一等奖1项,省部级科技进步一等奖3项,其他奖4项。出版专著1部,发表论文3 0多篇。先后获得中国青年科技奖、中国青年科技创新奖、全国五一劳动奖章、全国优秀科技工作者、何梁何利科学与技术进步奖、上海市科技功臣等奖项及荣誉称号。金东寒所领导的团队多次获得上海市劳模集体等荣誉,并受到中共中央、国务院和中央军委的表彰。651万方数据