基于扭矩的发动机控制策略简介

ECU开发参考文档基于扭矩的发动机控制策略
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1 绪论
基于扭矩模型的电喷系统将车辆的各种功能和发动机的各种控制参数以扭矩为中间变量建立了扭矩关系并以扭矩请求的形式向系统提出请求。

系统在扭矩协调器中将上述扭矩请求与系统的运行效率进行协调，并通过扭矩中央转换实现了对发动机输出扭矩的控制。

1.1引言
基于扭矩模型的发动机管理系统其控制策略是以扭矩为主，通过子系统（如起动控制、怠速控制、转速控制、零部件保护控制等）、车辆功能要求（如真空助力转向、空调运行等）、传动系统控制（如自动变速器换档等）以及驾驶性要求等向系统提出发动机输出功率和扭矩的要求。

系统对上述请求通过计算产生该请求扭矩的发动机进气充量，再控制电子节气门提供理想的进气冲量，从而实现对发动机输出扭矩的请求。

虽然实现上述扭矩模型控制策略的一个重要执行元件是电子节气门，但是在采用机械连接式节气门的发动机管理系统开发过程中引入扭矩模型的控制策略，其同样也能获得较满意的效果。

目前东南汽车与上海联合电子合作的菱帅轿车新电喷系统开发过程中采用了扭矩模型控制策略，其不仅在标定和匹配过程中简化了工作，而且更重要的是在满足EURO-Ⅱ排放法规的前提下获得了良好的动力性、驾驶性和燃油经济性。

2 模型介绍
根据Moskwa 和Hedrick 建立的汽车动力传动系统控制的四冲程火花塞点燃式发动机模型，它有三个状态变量：进气管内的空气质量（也可是进气管内压力），进入燃烧室的燃油质量流动速率和发动机转速。

第一状态方程：m'α = m'αi - m'α0 (1)
mα为进气管内的空气质量。

m'αi 为进入进气管的空气质量流动速率，是节气门开度α的函数f(α)。

m'α0 为离开进气管并进入燃烧室的空气质量速率。

第二状态方程，即燃油质量流动速率状态方程：
τf * m"fi + m'fi = m'fc (2)
m'fi是进入燃烧室的真实燃油速率。

m'fc是控制元件发出指令所要求的燃油质量流动速率。

τf 是有效供油时间常数，是空燃比λ的函数τf =f(λ,… )。

第三状态方程，牛顿第二定律用于发动机旋转动力学：
Ie * n'= Ti - Tf - Tα - Tp (3)
Ti 是发动机的指示扭矩，是由混合气燃烧产生的，所以我们又叫它燃烧扭矩。

Tf 是发动机摩擦扭矩，是由活塞、活塞环对缸壁的摩擦，曲柄连杆机构轴承的摩擦以及配气机构的摩擦所产生的损耗扭矩。

Tα 是发动机驱动附件，如驱动水泵、发电机、空调压缩机等所需的扭矩。

Tp 是发动机的泵气损失扭矩。

Ie n' 是发动机从飞轮端输出的扭矩，其可有效用于驱动车辆，我们又叫它飞轮扭矩。

由于发动机扭矩的产生是离散的，并且决定于发动机的转速n，为建立时间连续的发动机扭矩模型，引入了周转滞后概念：吸气至产生扭矩的滞后和点火至产生扭矩的滞后。

于是可得到发动机扭矩模型如下：
Ti = Ct*m'α0(t-△t it)*AFI(t-△t it)*SI(t-△t st) (4)
△t it=5.48/n 为吸气至产生扭矩的滞后期。

△t st=1.30/n 为点火至产生扭矩的滞后期。

AFI 是标准化空燃比影响函数，AFI=f(λ)。

SI 是标准化点火影响函数，SI=f(θ)。

Ct 代表AFI=1、SI=1 时发动机产生最大扭矩的能力。

若考虑整车上传动系统的损耗，包括离合器损耗、变速器损耗、传动轴损耗以及差速器损耗等，由（3）可得到
Fr * R = Ti - Tf - Tα - Tp - Tv (5)
Fr*R为用于驱动车辆的扭矩，由于它作用于驱动轮上，因此我们又叫它车轮扭矩。

Tv 即为整车传动系统的损耗扭矩。

由以上模型可知车用发动机的扭矩模型有三个状态变量（mα 、m'fi、n）,两个调整参数（λ、θ）和一个控制变量（α）。

发动机的扭矩都和发动机的所有变量、参数相关联，可以以扭矩作为中间变量，将这些原本相互独立的变量、参数进行
协调统一，因此就可以采用以扭矩为主的控制策略对车用汽油机进行控制。

3 扭矩模型控制的实现
3.1 扭矩协调
1）不以扭矩模型为基础的发动机管理系统工作过程中，若子系统（起动控制、怠速控制、转速控制、零部件保护控制等）、外部驾驶员的动力性、驾驶性要求以及车辆功能要求（如空调运行等）等几项要求同时出现，由于这些要求之间相互独立，各项要求的优先等级在各自系统中独立定义，缺少中央控制调节，它们就直接在控制参数（气缸冲量、喷油和点火）上进行控制，如图1。

图1
这样满足了动力性，但在每个实际的运行点上的排放和燃油消耗往往就不是最优的。

发动机在工作过程中若工作点发生了偏移就会使得各项要求相互影响。

而且在匹配过程中，不同的子系统匹配数据之间有很强的依赖性，匹配过程中每个工作点要进行多次测量，重复标定，使得标定工作变得繁琐。

2）扭矩模型系统的扭矩协调，其系统结构见图2。

所谓车辆的扭矩要求体现在无论驾驶员踩油门对动力性、驾驶性的要求，还是开空调、开大灯、打动力转向等舒适性和方便性要求以及车速限制、整车动态控制等要求，其最终的目的就是车辆向系统发出扭矩要求。

对于发动机本身为了能顺利起动，得到良好的怠速稳定性，同时通过实时监控为了保护发动机本身和电喷系统零部件，还有发动机转速限制控制等，其最直接的表达就是向系统提出扭矩要求。

同时为了满足排放和获得低的燃油消耗等必须确保起动过程、加热催化转化器和怠速控制等的运行效率。

由于车辆和发动机的扭矩要求与运行效率要求两者是矛盾的，可以把前者看作目标，把后者看作约束，因此基于扭矩模型的电喷系统就必须对扭矩要求和运行效率要求进行协调，使得在效率要求的约束下，满足扭矩要求。

基于扭矩模型的电喷系统其重要的功能就是在扭矩协调器中将扭矩要求与运行效率要求进行协调：在使用已获得的控制参数实现所要求的扭矩之前，先区分各项要求的优先次序，然后再对它们进行扭矩协调。

这样使得发动机能够在每个实际运行点上得到最优的排放和燃油消耗。

3.2 扭矩转换
扭矩模型控制的最终目的是精确地选择发动机控制参数，这些控制参数是正确地响应驾驶员的要求，并同时补偿发动机及车辆的各种损失和补充一些要求所必须的扭矩。

通过扭矩中央转换就是用发动机管理系统已获得的控制参数高精度地实现发动机对输出扭矩的要求。

扭矩要求的实现有两种方式：一种方式是系统提供渐进响应，触发怠速控制器调节进气冲量来实现；另一种方式是系统提供快速响应，靠调节点火角和部分
缸断油来实现，这样能对扭矩产生中的动态变化作出快速响应。

4 扭矩模型的应用
菱帅轿车在新电喷系统开发的过程中应用了扭矩模型，在满足EURO-Ⅱ排放法规的前提下获得了较为满意的动力性和燃油经济性，见表1、表2。

表1 菱帅轿车发动机主要参数
表2 新、旧电喷系统的动力性、燃油经济性比较
由于采用了扭矩模型，菱帅轿车在新电喷系统开发过程中，发动机基本特性曲线和脉谱图仅依靠发动机数据，与其它函数不发生干涉，不同子系统匹配数据间相互独立，每个工作点只需测量一次，避免了重复标定，从而简化了标定工作；同时由于通过各种扭矩要求的集中协调，在整车上提高了驾驶性。

5 结论
1) 车辆及发动机请求均以扭矩定义，特性曲线和脉谱图仅依靠发动机数据，简化了匹配。

2) 发动机控制变量之间相互独立，提高了控制精度。

3) 扭矩要求的集中协调提高了车辆驾驶性。

4) 扭矩为变量的模型有利于系统将来的扩充。