基于扭矩的发动机怠速控制研究

10.16638/ki.1671-7988.2017.14.047
基于扭矩的发动机怠速控制研究
林思聪，李钰怀，张安伟，刘巨江
（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州511434）
摘要：文章分析了EMS基于扭矩的控制策略，将传统PID控制方法与基于扭矩的控制策略相结合，并在一台B 级车上进行试验研究，试验结果表明所研究的怠速控制策略能取得良好的控制效果。

关键词：怠速；扭矩模型；PID；闭环控制
中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)14-134-04
Reserch on Idle Control Base on Torque
Lin Sicong, Li Yuhuai, Zhang Anwei, Liu Jujiang
（GAC Engineering, GuangDong GuangZhou 511434）
Abstrace: In this paper, the EMS torque based control strategy is presented, the traditional PID control method combines with the torque based control strategy, it was found from the test on a B class vehicle that the idle control strategy which was researched in this paper can reach good control effect.
Keywords: idle; torque model; PID; closed loop control
CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)14-134-04
前言
怠速工况是发动机在对外不做功的情况下，以最低稳定转速运行的状态。

据统计，发动机约有30％的燃油是消耗怠速工况中，在汽车工况法排放测试中，怠速排放的CO和HC 量通常占总排放量的70％左右[1]，发动机运转在怠速工况下的比例非常高。

发动机怠速时具有非线性、时变性、不确定性的特点，大大提高了被控对象参数识别和控制参数的整定难度。

采用一组设定好的参数对怠速进行控制很难达到良好的控制效果[2]。

1 EMS基于扭矩的控制策略
EMS基于扭矩的控制策略将EMS的各种功能通过扭矩的方式来实现，能够协调各个独立的功率源及各种功能的扭矩需求，并通过合适的方式来产生所需求的扭矩。

扭矩的控制措施包括点火提前角、节气门开度以及空燃比调节等。

各个功率源与各种功能的实现均以扭矩的形式进行通讯，将所有的扭矩需求无量纲化为一个公共的物理参量[3][4]。

图1 基于扭矩的控制策略
如图1所示，基于扭矩的控制策略可分为两个步骤。

第一步是扭矩的需求与协调。

以所有内部和外部扭矩需求作为输入，通过扭矩优先级的划分与管理，协调扭矩的执行先后顺序。

第二步是扭矩需求的转化与实现。

扭矩模型定义了一组包含MAP图和特性曲线的发动机特性参数用于描述发动机的扭矩与控制变量之间的相互关系，扭矩的实现包括节气
作者简介：林思聪，就职于广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院。

汽车实用技术
135 2017年第14期门开度、点火正时以及喷油脉宽。

2 基于扭矩的怠速控制模型
当发动机处于怠速状态时，其离合器侧的扭矩应该为0，
此时的扭矩平衡方程为：
式中：
为离合器侧的扭矩；
为发动机燃烧产生的扭矩；
为发动机摩擦及泵气扭矩；
为发动机附件消耗的扭矩。

发动机产生的扭矩全部用于克服发动机内部的摩擦和附
件的消耗，当发动机离合器侧的扭矩不为0时，发动机的转
速就会产生波动。

怠速控制的目标就是产全合适的扭矩来维
持发动机的目标转速。

怠速控制总体控制逻辑见图2。

首先根据冷却水温确定
基本目标怠速转速，根据该转速查表确定对应的发动机损失
扭矩和附件扭矩，包括摩擦扭矩和泵气扭矩、空调压缩机扭
矩和发电机扭矩等。

发动机损失扭矩和附件扭矩即为怠速基
本需求扭矩。

同时根据实际转速与目标怠速转速的差值查表
确定比例积分微分项，与怠速基本需求扭矩相加，得到怠速
实际需求扭矩。

最后将需要扭矩转换为节气门开度与点火提
前角。

图2 怠速控制逻辑图
3 怠速PID控制
怠速PID控制是以目标怠速为导向的，在怠速情况下，
一旦发动机转速脱离目标怠速，系统就会采取措施，使转速
回到目标怠速附近。

具体来讲，系统的控制调节手段有火路
扭矩调节、气路扭矩调节、I部分扭矩调节[5][6]。

（1）怠速控制火路扭矩调节
怠速控制火路扭矩是指由于点火提前角的变化导致发动
机输出扭矩变化的控制方式，怠速控制火路扭矩分为P部分
火路扭矩与D部分火路扭矩。

P部分火路扭矩根据怠速控制
误差以及具体怠速工况选择火路扭矩P部分系数，D部分火
路扭矩根据转速变化梯度以及具体怠速工况选择火路扭矩D
部分系数，实现火路扭矩变参数PD控制。

它们的实现途径是
通过对点火提前角的干预来改变发动机实际输出扭矩，从而
对怠速的稳定性做出贡献。

由于点火角调整响应迅速，因此
火路扭矩调节对补偿那些短期瞬时扭矩偏差作用尤为巨大。

怠速控制火路扭矩计算逻辑图如图3所示。

图3 怠速控制火路扭矩计算
（2）怠速控制气路扭矩调节
怠速控制气路扭矩是指由于进气量的变化导致发动机输
出扭矩变化的控制方式，怠速控制气路扭矩分为P部分气路
扭矩与D部分气路扭矩。

P部分气路扭矩根据怠速控制误差、
点火提前角效率以及具体怠速工况选择气路扭矩P部分系
数，D部分气路扭矩根据转速变化梯度以及具体怠速工况选
择气路扭矩D部分系数，实现气路扭矩变参数PD控制。

它们
通过对节气门开度的干预来改变发动机实际输出扭矩，从而
对怠速的稳定性做出贡献。

由于进气流动的滞后效应，再加
上由此伴生的过渡工况问题，气路的PD部分如非必要，原则
上尽量不采用。

怠速控制气路扭矩的计算逻辑图如图4所示。

图4 怠速控制气路扭矩计算
（3）怠速控制I部分扭矩调节
图5 怠速控制I部分扭矩计算
怠速控制I部分扭矩根据怠速控制误差选择积分时间常
数及其积分上、下限值，实现怠速扭矩I部分变参数控制。

I
部分扭矩直接参与基本需求扭矩的计算，由此影响进气量和
点火提前角的计算。

这是非常重要的怠速控制手段，可以对
林思聪等：基于扭矩的发动机怠速控制研究136 2017年第14期
当前实际扭矩与基本扭矩需求之间的偏差进行补偿，对怠速控制的稳定性有非常重要的作用。

怠速控制I部分扭矩的计算逻辑图如图5所示。

4 试验研究
对本文讨论的发动机怠速控制策略在一辆搭载了 2.0L 自然吸气发动机的B级轿车上进行试验研究，验证其控制效果。

4.1 试验用发动机及车辆主要参数
表1 试验发动机主要参数
表2 试验车辆主要参数
4.2 试验设备
ETK-ECU开发标定用电子控制单元；
ETAS ES590：ECU数据采集模块；
INCA软件：用于测量及标定ECU数据；
MDA软件：用于分析ECU数据。

4.3 试验结果与分析
4.3.1 怠速控制火路扭矩
图6 怠速控制火路扭矩曲线
怠速控制火路扭矩由P部分火路扭矩与D部分火路扭矩组成，火路扭矩用于调整短期瞬时的扭矩变化，对于提高怠速控制响应性有很大的帮助。

怠速控制火路扭矩与怠速控制误差及控制误差的变化梯度有关。

图6的曲线3为怠速控制误差、曲线4为怠速控制火路扭矩。

（1）P部分火路扭矩
P部分火路扭矩由怠速控制误差决定，图7的曲线4为控制误差、曲线5为P部分火路扭矩。

控制误差越大，P部分火路扭矩越大。

图7 怠速控制P部分火路扭矩曲线
（2）D部分火路扭矩
D部分火路扭矩由怠速控制误差的变化梯度决定，只有当控制误差的变化梯度超出一定范围，D部分火路扭矩才会起作用。

图8的曲线3为控制误差变化梯度、曲线4为P部分火路扭矩，由于控制误差变化梯度较小，因此D部分火路扭矩控制不起作用。

图8 怠速控制D部分火路扭矩曲线
4.3.2 怠速控制气路扭矩
怠速控制气路扭矩由P部分气路扭矩与D部分气路扭矩组成，气路扭矩用于调整长期的扭矩变化，对于提高怠速控制稳定性有很大的帮助。

怠速控制气路扭矩与怠速控制误差及控制误差的变化梯度有关。

图9的曲线3为怠速控制误差、曲线4为怠速控制气路扭矩。

图9 怠速控制气路扭矩曲线
（1）P部分气路扭矩
P部分气路扭矩由怠速控制误差决定，控制误差越大，P 部分气路扭矩越大。

图10的曲线3为控制误差、曲线4为P
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137 2017年第14期
部分气路扭矩。

图10 怠速控制P部分气路扭矩曲线
（2）D部分气路扭矩
D部分气路扭矩由怠速控制误差的变化梯度决定，只有当控制误差的变化梯度越出一定范围，D部分气路扭矩才会起作用。

图11的曲线3为控制误差变化梯度、曲线4为P 部分气路扭矩，由于控制误差变化梯度较小，因此D部分气路扭矩控制未起作用。

图11 怠速控制D部分气路扭矩曲线
4.3.3 怠速控制I部分扭矩
怠速控制I部分扭矩根据控制误差进行计算，可以补偿发动机实际扭矩与基本扭矩之间的误差，对于怠速控制的稳定性有很重要的作用。

图12的曲线4为怠速控制误差，曲线5为怠速控制I部分扭矩。

图12 怠速控制I部分扭矩曲线
4.3.4 怠速控制稳定性试验研究
如图13所示，曲线1为发动机实际怠速转速，曲线2为发动机目标怠速转速，曲线3为空调状态，曲线4为怠速转速控制误差。

可见本论文研究的基于扭矩的发动机怠速控制策略可以取得良好的控制效果，发动机实际转速能够很好地跟随目标转速，在空调状态不切换时，怠速控制误差在20r/min以内，空调进行开启或关闭切换时，怠速控制误差在50r/min以内。

图13 怠速控制稳定性曲线
5 小结
基于扭矩的怠速PID控制策略将传统的PID控制方式与EMS基于扭矩的控制策略相结合，PID闭环控制量即为PID 扭矩调节量，以怠速控制气路需求扭矩、火路需求扭矩及I 部分扭矩作为扭矩结构的输入，通过扭矩协调与转化后以节气门开度及点火提前角的输出控制方式进行怠速控制。

将本文讨论的怠速控制策略对一台搭载了 2.0L自然吸气发动机的B级车进行试验研究，试验结果表明本文研究的基于扭知的发动机怠速控制方式能够取得良好的控制效果，发动机实际转速能够很好地跟随目标转速，稳定工况怠速控制误差在20r/min以内，负载突变工况怠速控制误差在50r/min以内。

参考文献
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