汽油机新电控单元MICS1.docx

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汽油机新电控单元MICS1

汽油机新电控单元MICS1.0ECU的喷油控制

作者：

上海交通大学姜卓段晖辉卓斌

摘要　介绍了MICS1.0型汽油机电控单元的喷油控制策略，包括起动暖机控制、空燃比开环及闭环控制、瞬态燃油补偿控制、自学习策略及安全保护模式等。

通过对AJR型发动机的匹配试验，验证了优化后的控制策略可使发动机在维持较低排放的基础上获得优质的起动性、动力性、经济性和驱动性。

关键词：

　汽油机　电控单元　燃油喷射　控制策略

MICS1.0型汽油机电控单元（ECU）为上海交通大学内燃机研究所研制，适用于中小型车用汽油机，其硬件集成有高性能的INTEL16位单片机、功率强大的功率驱动芯片、外围可编程芯片和高抗噪的信号处理电路，具有集成度高、功能强大和可靠性高等特点。

其软件控制策略力求实现发动机各种复杂工况的动力性、经济性、排放、驱动性和起动性能等的优化控制。

软件流程主要包括喷油控制模块、点火控制模块、怠速控制模块、爆震控制模块、排放控制模块和故障诊断模块，本文介绍十分重要的喷油控制模块。

微处理器根据传感器（转速与曲轴位置传感器、空气流量计MAF、氧传感器EGO、水温传感器ECT、进气温度传感器IAT和节气门位置传感器TP等）信号以一定的控制算法计算喷油脉宽和喷油正时，并指令ECU中的喷油驱动芯片驱动喷油器按计算出的基本喷油脉宽和喷油正时喷油。

1　基本喷油脉宽的计算

基本喷油脉宽计算流程见图1。

图1　基本喷油脉宽计算模块流程

基本喷油脉宽计算公式：

MI=2×LOAD×ILAM×ADAP×VLADAP×DFCO＋CLOCORR+VOLTCORR+AECORR（-DECORR），　……………

（1）

式中：

LOAD——负载，ms/r；

　　　　ILAM——当量空燃比/实际空燃比；

　　　　ADAP——学习修正项；

　　　　VLADAP——全负荷功率加浓学习修正项；

　　　　DFCO——减速断油修正项；

　　　　CLOCORR——闭环修正项；

　　　　VOLTCORR——电压修正项；

　　　　AECORR——加速加浓修正项；

　　　　DECORR——减速减油修正项。

1.1负载的计算

在发动机刚起动时MAF信号尚未稳定，此时不能根据MAF确定负载，而是根据节气门的开度设负载初值。

在MAF信号稳定且无故障时，负载由MAF信号计算。

LOADUF=｜MAFA-BACKF｜×AIRF（N，TP）／（N×C0），　…………

（2）

式中：

LOADUF——滤波之前负载，ms/r;

　　　MAFA——MAF几次采样平均值，kg/h；

　　　BACKF——考虑回流影响，kg/h；

　　　AIRF——充气效率修正系数；

　　　N——转速，r/min；

　　　C0——常数，kg/h×min/ms。

由公式

（2）求得的负载需经过软件滤波，以保证彻底去噪。

LOAD＝LOAD1＋FILC×（LOADUF－LOAD1），　……………………………（3）

式中：

LOAD——此次滤波之后负载；

　　　LOAD1——上次滤波之后负载；

　　　FILC——滤波器系数。

当MAF被识别故障时，负载由对应节气门位置和转速的MAP校正图确定。

1.2空燃比（A/F）的计算

在ECU还未检测到曲轴位置传感器参考脉冲信号之前，按初始化程序确定空燃比。

而后进入起动拖转期空燃比，同时根据节气门的位置（TP＞80%开度）判断是否是溢油工况，溢油工况时采用较大的空燃比（A/F=20）快速清除溢油，以保证发动机顺利起动。

当初始喷射的燃油燃烧转速急剧升高，当N＞NRUN（500r/min）且延迟一定时间后进入运行工况。

图2给出了本系统从起动到运行工况的空燃比。

在起动拖转初期空燃比根据水温校正。

冷起动时采用小空燃比，以加大燃油量保证顺利起动（见曲线段1），在8个参考脉冲之后程序里采用一个时间函数快速加大空燃比。

热起动时因燃油雾化改善而采用较大空燃比（见曲线段2）。

当20个参考脉冲以后发动机仍没有点火，空燃比则维持在7.5不变（见曲线段3）。

进入暖机工况以后，发动机温度还很低，仍需要加浓校正，但发动机进气阀与燃烧室表面温度比冷却水温上升快得多，单纯用水温校正不合理，程序中也采用时间函数的方式来校正（见曲线段4）。

当时间函数修正量衰减为0时，开始进入运行工况空燃比，根据具体情况来判断采用暖机空燃比、当量空燃比还是功率加浓空燃比。

暖机空燃比：

A/F=14.6／〔1+FW1（N,LOAD）×FW2（ECT，IAT）〕，　……………………（4）

式中：

FW1（N，LOAD）——暖机校正MAP；

　　　FW2（ECT，IAT）——暖机水温和进气温度校正MAP。

当量空燃比：

A/F＝14．6，条件：

水温超过一定阈值。

功率加浓空燃比：

A/F=14.6／〔ILAM（N,LOAD）×（1＋DVL（N））〕　……………………（5）

式中：

LAM（N，LOAD）——运行工况（暖机后）空燃比校正MAP；

　　　DVL（N）——功率加浓校正曲线。

条件：

根据节气门位置、负荷及转速判断为全负荷工况。

加浓修正项DFVL（N）是转速的函数。

图2　从起动到运行工况空燃比

1.3　闭环修正

为了使进行排气后处理的三元催化器转化效率最高，必须将空燃比控制在当量值附近。

开环控制对空气量的测量、喷油压力的调节及喷嘴特性的标定等都存在误差，特别是无法克服产品之间和产品老化的差异，为提高控制精度，所以要采用闭环控制。

进入闭环校正条件：

ECT已送出了发动机完全暖机的信号；微机内的记数器表明发动机运行了一段时间；无MAF故障等。

退出闭环条件：

节气门变化速率过大；进入燃油停供方式或安全保护模式；EGO信号有误；进入功率加浓模式；进入失效策略等。

目前较新的闭环控制方法有自适应控制、滑模控制、神经网络控制等，但这些方法尚不成熟，在现代轿车电控系统中仍采用经典的比例积分（PI）控制［2～4］，本系统也采用这种闭环控制方法。

比例项是为了使空燃比围绕当量值振荡，混合气在浓稀之间变化。

积分项是为了使空燃比维持在当量值14.6，当EGO指示浓混合气时，积分项递减，MI减油。

当EGO指示稀混合气时，积分项增值，MI加油。

混合气浓稀状态是由滤波以后和未滤波的EGO信号同时确定，为去除噪声和考虑响应延迟因素EGO必须经过软件滤波处理。

在系统中积分项储存在积分器INT内，比例项存在PROT内。

总修正项＝INT＋（－）PROT。

　…（7）

PROT＝KP（N，LOAD）×F1（EGOERR），　……（8）

INT＝INT＋（－）KI（N，LOAD）×F2（EGOERR），　………（9）

　　EGOERR＝｜EGOT－EGOF｜，……（10）

式中：

KP（N，LOAD）——比例系数；

　　　KI（N，LOAD）——积分系数；

　　　F1（EGOERR）——反馈误差修正项；

　　　F2（EGOERR）——反馈误差修正项；

　　　EGOT——EGO浓稀状态阈值；

　　　EGOF——滤波后的EGO值。

公式（7）、（9）中正负号由EGO反馈的混合气浓稀状态决定。

INT每半个循环周期根据混合气浓稀状态增减。

调节过程见图3。

图3　闭环空燃比校正

1.4　自学习校正

即使同一型号的发动机由于制造误差、装配误差和调整误差每一台都不一样，随着老化、使用程度和磨损程度造成了更大的差异，另外驾驶区域的气候条件和燃烧条件都不一样，所以在设计控制软件时必须考虑如何适应这些差异，一个最好的解决办法就是进入自学习策略。

自学习结果存储在KAM中，只要不撤去电源或人为擦除，永不消失。

在本系统中按照负荷和转速把学习工况划分成22个学习单元，单元值STFT在0～255之间变化，ADAP＝ATFT／128，当STFT等于128时，相当于没有修正，当大于128时，加大燃油脉宽，当小于128时，减小燃油脉宽。

图4为浓或稀混合气时学习单元值。

学习过程分为3个阶段，求出实际空燃比与理论空燃比中心值的偏离量；求出对应空燃比偏离量的修正系数；把符合当前条件的学习值反映到喷油脉宽上。

当空燃比闭环控制时，对λ修正范围一般在0.8～1．2之间，但由于某种原因（如喷油器通流能力变小）使λ远偏离1.0，这时仍采用正常时的修正系数就难调节回当量值。

如预先乘上一个修正量把λ平均值移回1.0，上述问题就得到解决。

学习是在闭环控制且满足一定的运行条件时才能进行，根据INT值更新学习单元。

图4　浓稀混合气时学习单元值

1.5　瞬态工况补偿

加速和减速都属于瞬态工况，采用开环控制。

加速时节气门突然加大，由于进气管压力增加，燃油气化程度降低，会使附在壁面的燃油增多，这部分燃油需要一定时间才能气化，为提高有效空燃比需加大喷油脉宽，进行加速加浓补偿。

分两种情况进行，根据节气门位置信号TP（TPAE）；根据负载LOAD（LOADAE）。

程序中断每1/2循环周期对TP采样一次，在一个存储缓冲区内保存了最近16次TP数据，把目前TP与以前缓冲区数据逐个比较，如果超过FAETPT（LOOP＃）规定的阈值，且在运行状态，转速不在高速极限时则满足TPAE校正条件，如果16个值都比较完仍没满足条件，则不进行补偿。

TPAE＝［AE1（TP（LOOP＃1），N）－AE1（TP（LOOP＃n），N）］

×F1（ECT）×F2（N）×FA1，　…………………（11）

式中：

LOOP＃1——此次循环；

　　　LOOP＃n——上n次循环n=1～16；

　　　AE1（TP，N）——有关TP和N的燃油脉宽补偿量；

　　　F1（ECT）——水温修正系数；

　　　F2（N）——转速修正系数；

　　　FA1——用于匹配的调节系数。

LOADAE校正条件：

ΔLOAD大于规定阈值，发动机已经运行且转速不超过高速限值。

LOADAE＝［AE2（LOAD）－AE2（LOAD1）］×F3（N，ECT）×FA2，　（12）

式中：

AE2（LOAD）——负载对应的油膜修正量；

　　　FA2——用于匹配的调节系数；

　　　F3（N，ECT）——水温及转速修正系数；

加速工况燃油补偿具体过程见图5，随着节气门开度加大，TPAE很快升高，然后又急速衰减，且幅值大，是针对充气动态、ECU和传感器延迟的短期补偿。

LOADAE升高速度有所滞后，幅值也小很多且衰减速度慢，是对附在管壁油膜的长期补偿。

图5　加速补偿

与加速工况相反，减速应减油，也根据节气门位置信号TP和负载分两部分补偿，控制过程与加速相似。

1.6　保护模式

在喷油控制中还包括一些保护模式，限制最高转速，当发动机转速或车速超过规定阈值时切断供油，降到一定转速时再恢复供油；减速时节气门突然关闭，但转速仍过高，此时要切断供油；为防止三元催化器温度过高，采用浓混合气。

2　喷射正时

在起动之初4缸同时喷油，进入起动拖转期后采用异步顺序喷射方式，每62.5ms喷一次。

在正常运行期采用与发动机位置同步的顺序喷射方式，每转喷一次。

在基本喷油脉宽小于一定阈值时每1/2程序循环周期异步喷一次。

3　匹配试验

采用上述喷油控制策略的MICS1.0型ECU以AJR型发动机为对象进行了台架试验。

3.1　具有良好的起动暖机性能，冷起动容易，能自动消除溢油，暖机迅速。

图6是标定得到的起动空燃比校正曲线。

图7是暖机空燃比校正MAP。

图6　起动空燃比校正曲线

图7　暖机空燃比校正MAP

3.2　稳态工况下λ值维持在0.9～1.1之间波动，排放性能好。

3.3　瞬态补偿改善了加、减速特性，使瞬态响应加快，但必须精确标定，并在瞬态性能和排放之间作出折衷考虑。

不进行补偿时转速在节气门变化初期降低然后才升高且反应滞后，瞬态补偿会改善这种情况。

3.4　自学习策略使系统能对发动机个体差异和环境变化作出智能适应，在工况异常情况下仍能按照理想空燃比工作。

3.5　功率加浓保证在全负荷工况的扭矩特性，图8是标定得到的暖机后空燃比基本量校正MAP，可见在高速高负荷区采用小空燃比，能够获得最大扭矩和降低排气温度，保护三元催化器。

图8　运行工况（暖机后）空燃比校正MAP

3.6　安全保护模式保证发动机不失速、不熄火，可长期可靠运行。

4　结论

新ECU的喷油控制综合了开闭环校正、瞬态补偿、功率加浓校正、电压校正、自学习策略和安全保护等多种控制方法，试验证明能够达到所需控制精度的要求，如进行PI闭环控制λ的波动幅度仅为±0.1。

目前进行的匹配校正是基于工况点的局部优化，与工况法排放结合的全工况优化是下一步的方向。