基于扭矩的汽油机控制模型优化匹配研究

1．1 驾驶员需求扭矩匹配标定 驾驶员需求扭矩是发动机转速和加速踏板位置
的函数， 是唯一直接反映驾驶员驾驶感受的标定三 维表，也是发动机标定的基础，其标定目标取决于整 车需求。 该标定表的目的是将驾驶员的需求转化为有 效扭矩百分比。 因整车需求不同，驾驶员需求扭矩主 要有 3 种设计：1）强调均衡驾驶感受、具有较好跟车 能力的均布设计；2）强调大负荷下驾驶感受的下密上 疏设计；3）强调低速加速能力的下疏上密设计。
中 图 分 类 号 ：TK413．9
文 献 标 志 码 ：A
文 章 编 号 ：1005－2550（2010）01－0057－05
Development and Verification of the Control Model based on Torque
WANG Jun－jun，ZHANG Fan－wu，CHEN Wei－fang，TIAN Feng－min （Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430056，China） Abstract：A control model based on torque was calibrated， including the calibration of driver request torque model， friction loss model， pumping loss model，the relationship between the airs per cylinder and indicated mean effective pressure， spark efficiency loss and air fuel ratio efficiency， throttle model and airflow model． The calibration results indicated that as the engine speed and the indicated mean effective pressure increase， the friction loss rises too． In addition the friction loss rises along with the coolant temperature reduces． The pumping loss increases as the airflow and the engine speed increases． The indicated mean effective pressure and the air per cylinder are linear relation at the MBT ignition timing and stoichiometric ratio． Experiment results show that after calibration the control model based on torque could satisfy the predefined target． Key words：gasoline engine；based on torque；control model；optimize；calibration
到。 气门产生的泵气损失随转速和进气流量变化。 标定方法为根据燃烧分析仪测得的总泵气损失 PMEP 减去由节气门产生的泵气损失。 气门泵气损 失见图 5，从图 5 可以看出随着进气量和转速的增 加，泵气损失增加。
图 5 气门泵气损失
1．3 每缸进气量与平均指示压力匹配标定 在扭矩模型里，为了得到节气门开度，需要将扭
图 2 为驾驶员需求扭矩的标定。 从该图可以看
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出，在低踏板位置和高踏板位置相对较密，而在中等 踏板位置相对较稀。该标定的驾驶感受是起步柔和，
基于扭矩的汽油机控制模型优化匹配研究 ／ 汪俊君，张凡武，陈卫方 等
设 计·研 究
持续加速能力强，脚下感觉均衡。 1．2 摩擦扭矩和泵气扭矩匹配标定
发动机摩擦损失主要包括两部分， 即定冷却水 温下发动机基本摩擦损失和发动机不同水温下摩擦 损失修正。 匹配标定流程为发动机暖机到冷却水温 达到 92 ℃， 记录燃烧分析仪的全局平均指示压力 （IMEPg＝ IMEP－PMEP）， 测功机测得的发动机实测 有效扭矩，以及发动机其他附件的扭矩损失。燃烧分 析仪测出的全局平均指示压力乘以发动机排量得到 指示扭矩， 用该指示扭矩减去发动机台架的实测扭 矩、以及发动机上其他附件的扭矩损失，计算得到扭 矩就是每一个点的摩擦扭矩。 匹配标定完成的发动 机基本摩擦损失扭矩见图 3。 从图 3 中可以看出，随 着转速和平均指示压力升高，摩擦损失逐渐增加。而 摩擦损失扭矩冷却水温修正的标定方法为拔掉发动 机喷嘴后， 将节气门开到最大， 使泵气损失基本为 0，调节发动机水温到不同温度后，倒拖发动机到不 同转速，计算此时摩擦阻力。 以 92 ℃时的摩擦扭矩 为基准，92 ℃时的摩擦扭矩减去其他温度的摩擦扭 矩， 得到其他温度相对于 92 ℃的摩擦扭矩偏移，即 温度补偿的摩擦扭矩。 摩擦损失扭矩冷却水温修正 见图 4， 从图 4 可以看出随着冷却水温的降低摩擦 损失逐渐增加。
表 1 实验用发动机主要参数
气缸数 缸径×冲程 ／ mm
总排量 ／ L 压缩比
4 缸直列 74×90.5
1.56 10.3
1 基于扭矩的控制策略匹配标定
扭矩模型首先根据发动机状态选择对应的有效 扭矩需求，包括怠速扭矩、运行扭矩和最高转速限制 扭矩等。如果为运行扭矩，则根据当前发动机转速和 驾驶员踩油门踏板的位置， 计算得到当前发动机转 速下的扭矩需求百分比， 乘以该转速下的最大扭矩 后得出运行需求扭矩。 有效扭矩加上整车相关的扭 矩需求， 如附件扭矩和变速箱扭矩后得到总的有效 需求扭矩。 总的有效需求扭矩加上泵气损失和摩擦 损失得到总的指示需求扭矩。 总的指示需求扭矩转 化为平均指示压力， 平均指示压力转化为当量空燃 比和 MBT 点下的每缸进气量。 考虑点火角效率损失 后，转化为实际点火角当量空燃比下的进气量；考虑 空燃比效率后得到实际点火角在实际空燃比下的进 气量。 然后根据节气门模型将每缸进气量转化为有 效截面积，再将有效截面积转化为实际节气门开度。 通过 ETC 实际开度，计算实际进气量，在根据实际 进气量反算实际燃油量，完成喷油燃烧，扭矩模型的 控制框图如图 1 所示。
MBT 点和理论空燃比测得的，而实际发动机运行时 空燃比和点火角可能并不在理论空燃比和 MBT 点 火提前角，因此扭矩模型需要对该偏差进行修正。
这里引入了空燃比效率和点火角效率损失。 根 据扭矩模型， 可得出空燃比修正的主要目的是补偿 当空燃比偏移后平均指示压力与每缸进气量的关系 的偏移， 而点火角修正的主要目的是补偿当点火提
匹配标定的含义就是按照电控系统的控制策 略， 为发动机的正常运转提供电控单元计算所需数 据的过程。标定有广义和狭义之分：狭义的标定是指 确定发动机运行参数（空燃比、点火提前角、节气门 开度等）以保证发动机能达到设计要求；广义的标定 不仅包含上述内容，还包含外围传感器、执行器与发 动机的匹配，传感器和执行器的标定，发动机与电控 系统的匹配等。 发动机控制策略决定了控制系统的 框架，而匹配标定则决定了控制系统的精度。因此匹 配标定是控制系统开发中非常重要的一部分。 通过 匹配标定一方面能验证控制系统的控制功能， 另一 方面也能发现控制策略设计中存在的问题以加以改 进。
基于扭矩的汽油机控制模型优化匹配研究 ／ 汪俊君，张凡武，陈卫方 等
设 计·研 究
基于扭矩的汽油机
控制模型优化匹配研究
汪俊君，张凡武，陈卫方，田丰民
（东风汽车公司技术中心，武汉 430056）
摘要：完成了基于扭矩的控制模型匹配标定，包括驾驶员需求扭矩模型匹配标定，摩擦扭矩和泵气损失扭矩匹配标
定，每缸进气量与平均指示压力关系匹配标定，点火角效率损失和空燃比效率匹配标定，节气门模型匹配标定，空气
系统模型匹配标定。 标定结果表明，随着转速和平均指示压力升高，摩擦损失逐渐增加。 随着冷却水温的降低，摩擦
损失逐渐增加，随着进气量和转速的增加，泵气损失增加，平均指示压力和每缸进气量基本为线性关系。 自主开发的
控制系统经过匹配标定，能精确控制发动机稳定运转，表明开发的控制系统能达到预定的控制目标。
关键词：汽油发动机；基于扭矩；控制模型；优化；标定
矩转化为空气量。 本系统采用的是总的需求指示扭 矩除以发动机排量转化为平均指示压力， 平均指示 压力转化为当量空燃比和 MBT 点火角的每缸进气 量。 标定方法为在理论空燃比和 MBT 点火提前角的 情况下， 在不同工况记录每缸进气量与燃烧分析仪 中的平均指示压力， 得到每缸进气量与平均指示压 力的关系。 图 6 为标定完成的每缸进气量和平均指 示压力的关系， 从图 6 中可以看出平均指示压力和 每缸进气量基本为线性关系。
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图 3 基本摩擦损失扭矩
图 4 摩擦损失扭矩冷却水温修正 泵气损失包括由节气门产生的泵气损失和气 门产生的泵气损失。 节气门产生的泵气损失直接 为排气背压减去进气管压力。 其中进气管压力能 直接测量， 而排气背压能由排气背压模型预估得
图 6 每缸进气量与平均指示压力的关系
1．4 点火角效率损失和空燃比效率匹配标定 由于每缸进气量与平均指示压力的关系是在
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设 计·研 究
汽车科技第 1 期 2010 年 1 月
动 优 化 标 定 ［1］。 本文在开发完成基于扭矩的控制模型后， 为了
验证控制模型功能和完善控制模型， 对控制模型进 行了匹配标定。匹配标定主要包括驾驶员需求扭矩、 泵气损失扭矩、摩擦扭矩、点火角效率、空燃比效率、 平均指示压力转化为当量空燃比和 MBT 点火角的 每缸进气量、空气量模型、节气门模型匹配标定。 通 过匹配标定，控制模型能精确控制发动机运转，实现 其扭矩控制功能。
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汽车科技第 1 期 2010 年 1 月
空 燃 比 效 率/%
点 火 损 失 率/%
前角偏移 MBT 点后，平均指示压力与每缸进气量的 关系的偏移。对于空燃比修正，采用的实验方法为定 转速、定进气管压力，保持空燃比为 14．6，调整点火 角至 MBT 点后，保持点火提前角不变，调整空燃比 （10 至 16，0．5 步长），记录每缸进气量等参数。 在多 个具有代表性的工况点进行相同试验。 空燃比效率 定义为不同空燃比下的有效热效率除以理论空燃比 下的有效热效率，空燃比效率曲线图 7 所示。图 7 中 横坐标为实际空燃比，纵坐标为空燃比效率。 从图 7 可以看出，空燃比从 14．6 开始变稀，空燃比效 率 先 增加，在空燃比达到 15．5 左右时，空燃比效率 开 始 下降，而空燃比从 14．6 开始加浓时空燃比效率是逐 渐减少的。
收 稿 日 期 ：2009-10-08
目前国外研究比较多的为自动优化标定系统， 比较典型的两个自动优化标定系统分别是： 奥地利 AVL 公司的 CAMEO、德国 FEV 公 司 和 Schenck 公 司开发的 VEGA 系统。 AVL 公司开发的 CAMEO 系 统是比较先进的自动优化标定工具。 CAMEO 系统 是一个用于对 ECU 控制参数进行优化标定并对实 验系统进行自动控制的标定系统， 通过利用良好的 人机交互界面可以方便地进行试验设计和控制。 CAMEO 自动优化标定系统应用优化计算机、 试验 台控制计算机和应用系统计算机三个交互 PC 机实 验自动优化标定。 另一个典型的自动优化标定系统 是 德 国 FEV 公 司 和 Schenck 公 司 开 发 的 VEGA 系 统。 VEGA 在总体结构和功能上与 CAMEO 基本相 似， 它的特点是结合数据库技术实现基于模型的自
实 验 采 用 的 发 动 机 参 数 见 表 1。 测 功 机 为 HOFMANN 公司的 AG250HS，转速精度为±5 r ／ min， 扭矩精度为±0．5％，温度精度为±2 ℃。油耗仪为 AVL 公 司 的 AVL735S，精 度 为±0．12％，燃 烧 分 析 仪 为 奥 地利 DEWETRON 公司的燃烧分析仪。