余龍

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

發(fā)動機(jī)怠速工況是指發(fā)動機(jī)在不對外做功的情況下，以最低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)[1]。發(fā)動機(jī)怠速工況性能的表現(xiàn)，直接影響對汽車駕駛性能優(yōu)劣的評價(jià)，而且也影響到車輛的經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放[2]。因此，對怠速穩(wěn)定性的控制是發(fā)動機(jī)控制研究的重要內(nèi)容。文章基于扭矩模型的怠速控制展開研究，對比傳統(tǒng)的以步進(jìn)電機(jī)作為怠速執(zhí)行器的怠速控制系統(tǒng)，其可以通過對發(fā)動機(jī)在怠速工況下扭矩需求的控制來實(shí)現(xiàn)怠速控制，并通過扭矩儲備控制，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制在目標(biāo)怠速附近。由于怠速系統(tǒng)具有時(shí)變性、非線性以及不確定性等特點(diǎn)，采用上述控制方法可以改善發(fā)動機(jī)在怠速工況下的動態(tài)特性，使發(fā)動機(jī)怠速性能良好[3]。

1 怠速控制方法及策略簡介

由于發(fā)動機(jī)怠速工況的特殊性，電噴控制發(fā)動機(jī)怠速控制的主要目標(biāo)為：防止發(fā)動機(jī)在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)中熄火；發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速波動在合理范圍且要避免轉(zhuǎn)速波動頻率對駕駛員及乘客造成不適的影響；發(fā)動機(jī)從高轉(zhuǎn)速進(jìn)入怠速工況，及時(shí)將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)控制在目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速附近。

為了滿足電控發(fā)動機(jī)怠速性能的要求，基于扭矩模型的電控汽油噴射系統(tǒng)對汽油機(jī)怠速控制方法采用了目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速控制：扭矩“比例- 微分、積分”控制（通常稱為PID 控制）、扭矩儲備控制以及怠速自學(xué)習(xí)控制。

1.1 比例-微分控制

比例-微分控制的邏輯，如圖1 所示。

圖1 比例-微分控制邏輯圖

根據(jù)圖1，可以推導(dǎo)出：

其中：u（t）=Ni,t-N（t）

式中：kP，kD——比例、微分放大系數(shù)；

y（t）——輸出扭矩變化量，N·m；

Ni,t——怠速轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，r/min；

N（t）——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)自變量u（t）發(fā)生突然的變化，比例-微分控制器通過乘以不同的放大系數(shù)輸出y（t），對u（t）進(jìn)行控制。也就是說，由于外界因素造成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生突然變化，通過比例-微分控制器輸出控制扭矩變化量，通過扭矩模型協(xié)調(diào)，對發(fā)動機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行控制，進(jìn)而控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化。

比例-微分控制可以通過扭矩干預(yù)，對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的突然變化進(jìn)行調(diào)整，但是對于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速的偏差卻無法應(yīng)對，因此需要引入積分控制對轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行調(diào)整。

1.2 積分控制

積分控制的邏輯，如圖2 所示。

圖2 積分控制邏輯圖

圖2可以由式（2）表示。

式中：kI——積分控制因子。

根據(jù)式（1）及對 u（t）的定義，當(dāng) u（t）＞0 時(shí)，y（t）逐步增大，進(jìn)而 u（t）逐漸減小，直至 u（t）=0；反之，當(dāng)u（t）＜0 時(shí)亦然。因此，通過積分控制器，可以逐步減小目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速設(shè)定值與發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差，實(shí)現(xiàn)怠速轉(zhuǎn)速的精確控制。這里需要注意，kI不能設(shè)置過大，否者將會使輸出扭矩變化太大，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的波動。

1.3 怠速扭矩儲備控制

發(fā)動機(jī)在怠速工況下通過增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量以及推遲點(diǎn)火提前角，從而實(shí)現(xiàn)扭矩儲備的需求，而此時(shí)發(fā)動機(jī)的輸出扭矩保持不變。隨著發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量的增加，點(diǎn)火提前角將設(shè)置在最佳點(diǎn)火提前角和最小點(diǎn)火提前角之間。當(dāng)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角處于最小點(diǎn)火提前角時(shí)，可以獲得最大的扭矩儲備。

發(fā)動機(jī)在怠速工況下，由于設(shè)置了一定的扭矩儲備，可以通過增加點(diǎn)火提前角來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)扭矩增大的快速響應(yīng)，從而克服外界負(fù)荷的突然增加對發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速下跌（嚴(yán)重時(shí)甚至造成發(fā)動機(jī)熄火）的影響。但是隨著扭矩儲備的增加，發(fā)動機(jī)怠速油耗會增大。因此需要在發(fā)動機(jī)怠速油耗和怠速穩(wěn)定性之間合理設(shè)置怠速扭矩儲備值。

扭矩儲備的設(shè)定一般遵循如下原則，如圖3 所示。

圖3 發(fā)動機(jī)怠速扭矩儲備基本原則

從圖3 可以看出，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢且低于目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速時(shí)，需要提供一個(gè)相對較大的扭矩儲備，使發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速下跌的過程中能迅速輸出較大的扭矩。當(dāng)發(fā)動機(jī)的輸出扭矩大于發(fā)動機(jī)的外部阻力后，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不再下跌，隨后將逐漸上升。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，逐步地減小發(fā)動機(jī)怠速扭矩儲備，以降低發(fā)動機(jī)的怠速油耗。通過對發(fā)動機(jī)怠速扭矩儲備的合理設(shè)定，使發(fā)動機(jī)怠速穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到良好的平衡。

1.4 怠速自學(xué)習(xí)

汽車在長期使用過程中，隨著發(fā)動機(jī)運(yùn)動件及各附件、變速箱、空調(diào)壓縮機(jī)的磨損，維持各部件穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的扭矩發(fā)生了變化。怠速自學(xué)習(xí)功能就是為了補(bǔ)償發(fā)動機(jī)扭矩?fù)p失的變化、空調(diào)壓縮機(jī)扭矩需求的變化以及自動變速箱扭矩需求的變化，不斷地自我修正這些扭矩，使得發(fā)動機(jī)在怠速工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)保持良好的性能。

為了防止在怠速自學(xué)習(xí)過程中的錯(cuò)誤學(xué)習(xí)，必須要嚴(yán)格設(shè)置自學(xué)習(xí)的條件。只有當(dāng)滿足了所有的學(xué)習(xí)條件后，怠速自學(xué)習(xí)才可以進(jìn)行。通常自學(xué)習(xí)條件包括：發(fā)動機(jī)工作在怠速工況；電控系統(tǒng)相關(guān)各傳感器沒有故障；汽車處于停止?fàn)顟B(tài)；冷卻液溫度在自學(xué)習(xí)設(shè)定的范圍內(nèi)。

怠速自學(xué)習(xí)一般分為3 個(gè)獨(dú)立的類型，分別為手動變速箱怠速自學(xué)習(xí)、自動變速箱怠速自學(xué)習(xí)和開空調(diào)怠速自學(xué)習(xí)，其邏輯關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 怠速自學(xué)習(xí)類型判斷邏輯圖

圖5 示出電控汽油噴射系統(tǒng)怠速控制原理[4]。

圖5 電控汽油噴射系統(tǒng)怠速控制原理圖

2 怠速工況扭矩需求

發(fā)動機(jī)工作在穩(wěn)定怠速工況，節(jié)氣門位置基本保持不變，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量可以看作是常數(shù)，因此發(fā)動機(jī)的功率也是常數(shù)，如式（3）所示。

式中：P——發(fā)動機(jī)功率，kW；

M——發(fā)動機(jī)指示扭矩，N·m；

N——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

由于發(fā)動機(jī)功率是常數(shù)，因此，MN 為常數(shù)。發(fā)動機(jī)指示扭矩和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速互成反比關(guān)系，可由雙曲線來描述兩者的關(guān)系。怠速工況下，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大于目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動機(jī)輸出扭矩減??；反之，發(fā)動機(jī)輸出扭矩增大；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速相等，發(fā)動機(jī)輸出扭矩與發(fā)動機(jī)扭矩?fù)p失相等。

因此引入一個(gè)怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定因子，通過在發(fā)動機(jī)指示扭矩上乘以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定因子，來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的自我穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大于目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定因子小于1，此時(shí)會減小發(fā)動機(jī)輸出扭矩，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速小于目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定因子大于1，此時(shí)會增加發(fā)動機(jī)輸出扭矩，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等于目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定因子等于1，發(fā)動機(jī)扭矩維持不變，如圖6 所示。通過上述控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在怠速工況下的自我穩(wěn)定。

圖6 怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定因子曲線

在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從高轉(zhuǎn)速回落至怠速的過程中，為了防止發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速長時(shí)間處于高怠速狀態(tài)（怠速轉(zhuǎn)速掛住），或轉(zhuǎn)速下跌過于迅速，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)怠速過多，造成發(fā)動機(jī)抖動甚至熄火，需要盡早進(jìn)入怠速控制。

為了允許怠速控制器及時(shí)進(jìn)入控制，發(fā)動機(jī)目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速會跟隨實(shí)際的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。通常情況下，這個(gè)動態(tài)的目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速用發(fā)動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與1 個(gè)修正因子相乘獲得，隨后該目標(biāo)怠速通過一定的時(shí)間濾波與當(dāng)前穩(wěn)態(tài)目標(biāo)怠速平滑銜接，以確保發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)降至穩(wěn)態(tài)目標(biāo)怠速。

發(fā)動機(jī)從高轉(zhuǎn)速回落至目標(biāo)怠速過程中，發(fā)動機(jī)扭矩需求一般可以分為3 個(gè)階段，如圖7 所示。

1）減速斷油工況（階段1），發(fā)動機(jī)不做功，扭矩需求為發(fā)動機(jī)的扭矩?fù)p失，一般情況下等于發(fā)動機(jī)當(dāng)前工況摩擦損失與泵氣損失之和（扭矩為負(fù)值）。發(fā)動機(jī)指示扭矩為0。

2）恢復(fù)供油進(jìn)入怠速控制至穩(wěn)定怠速控制階段（階段2），發(fā)動機(jī)扭矩需求在發(fā)動機(jī)扭矩?fù)p失與穩(wěn)態(tài)怠速扭矩需求之間過渡，確保發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)回落（扭矩從負(fù)值到0）。發(fā)動機(jī)指示扭矩從零值到當(dāng)前工況扭矩?fù)p失之間過渡。

3）穩(wěn)態(tài)怠速控制階段（階段3），發(fā)動機(jī)扭矩需求為穩(wěn)態(tài)怠速扭矩需求，扭矩值在目標(biāo)怠速點(diǎn)為0。指示扭矩為發(fā)動機(jī)扭矩?fù)p失。

3 結(jié)論

通過上述控制方法綜合作用，發(fā)動機(jī)獲得了良好的怠速穩(wěn)定性，從而滿足了用戶對汽車駕駛舒適性的要求。文章僅介紹了在平原及常溫下怠速控制的基本策略及方法，由于汽車使用環(huán)境及發(fā)動機(jī)工作溫度、壓力的變化不同，還需要對控制方法及策略做進(jìn)一步完善。隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷更新及控制技術(shù)的不斷升級，發(fā)動機(jī)的怠速控制策略及方法也將會不斷進(jìn)步。