发动机电控系统对整车排放影响的研究

郭斌 徐蒙

摘  要：随着乘用车国家排放限值的日益收紧，各大整车厂针对传统汽车领域积极采取相关措施及技术来满足日益严苛的国家排放限值。为此，通过搭建及优化发动机电控系统，实现发动机燃油的稳态工况、瞬态工况的空燃比精确控制。从而发挥三元催化器的转化效果，同时为最大限度地开发催化器转化能力，通过闭环控制手段，将比例项在空燃比加浓的方向进行不同程度的延迟处理，利用线性回归方程得出最佳控制方案，从而在不增加催化器贵金属比例的情况下，进一步提高催化器转化效率。

关键词：稳态工况;瞬态工况;闭环控制;线性回归

中图分类号：U472          文献标志码：A

0 概述

为推动汽车节能技术革新，鼓励车辆小型化、轻量化，提高对非可再生资源的利用率。因此，本文的发动机电控系统，可以一定程度上优化整车空燃比控制，提升三元催化器转化效率。在发动机已经设计定型的前提下，通过对发动机燃油系统的稳态工况控、瞬态工况的精准搭建，可使燃油比例分配合理、燃烧充分，从而降低整车的排放量。同时，针对不同的三元催化器进行闭环控制在空燃比加浓的方向延迟，从而在不改变催化器贵金属比例的情况下，进一步提高催化器的转化效率，降低整车排放指标。

1 发动机电控系统原理

发动机电控系统主要在3个方向进行控制：（1）气量控制;（2）油量控制;（3）点火提前角控制（柴油发动机除外）。首先，发动机电控系统是以扭矩为基础搭载建立整个模型。其次，在整个模型搭建过程中，气量、油量、点火提前角相互影响、相互作用。根据实际进气质量决定实际的喷油量，但由于发动机之间的个体差异，需要引入闭环系统控制对上述开环系统进行修正。本文主要利用发动机电控系统在稳态工况、瞬态工况下对喷油量的精确控制，使发动机始终工作在理论空燃比附近，使三元催化器达到较大转化效率，同时利用线性回归方程发现最佳控制方案，进一步优化三元催化器转化效率，降低整车排放。

1.1 燃油稳态工况

根据电控系统的实际进气质量，来获得实际控制喷油量，发动机电控系统稳态实际喷油量计算如下：

（1）

式中：Fuel Real S：发动机稳态实际控制喷油量;Air Flow Measured：实际进气质量;Air Fuel Ratio Desired：理论空燃比14.6;%Fuel Flow Purge：碳罐燃油百分比。

1.2 燃油瞬态工况

发动机燃油通过油轨上的喷油器喷入进气歧管，燃油和空气在歧管内部混合之后进入气缸内燃烧。因此，喷油器喷出的一少部分燃油会留在进气门背面。在下一次燃烧过程中再次进入气缸或在原处积累更多的燃油残留。通过在进气门阀座处安装热偶、在进气歧管处布置压力传感器从而搭建起针对瞬态燃油工况的温度和压力模型 。模型搭建完善后，在转毂试验台上进行瞬态模型的标定及校验，从而得出在不同工况下的进气压力增加方向的瞬态燃油模型以及进气压力减小方向的瞬态燃油模型，可以确认在瞬态工况下的发动机实际喷油量，发动机电控系统瞬态实际喷油量计算如下：

FuelReal T=FuelReal S+FuelTrans （2）

FuelTrans=Multiplier× ΔFuel Mass （3）

式中：Fuel real T：发动机瞬态控制实际喷油量;Fuel Real S：发动机稳态实际控制喷油量;Fuel Trans：发动机瞬态燃油补偿;Multiplier：进气压力增加方向得出的修正系数、进气压力减少方向得出的修正系数;?Fuel Mass：不同进气工况下的燃油变化值，增加方向为正值，减少方向为负值。

2 闭环控制系统

发动机电控系统的基本控制理念是设置一个氧含量对应电压的中值，高于中值进行混合气的减稀处理、低于中值进行混合气的加浓处理。在减稀和加浓过程中进行比例项（P项）和积分项控制（I项）。当前氧传感器信号从高电压变至低电压时，燃油进行加浓过程先进性P项加浓，后进行I项加浓。当前氧传感器信号从低电压变至高电压时，燃油进行减稀先进性P项减稀，后进行I项减稀。通过闭环控制空燃比可以形成反馈机制，达到理想空燃比。为了优化三元催化器的工作效率、考虑催化器本身老化等因素，将闭环控制的P项在空燃比加浓的方向进行不同程度的延迟处理。针对不同的P项延迟时间，进行排放验证试验，不同的排放污染物对P项延迟时间的长短有着不同的表现，根据实际表现出的污染物处理结果进行曲线拟合，以最佳的三元催化器转化效果进行P项延迟时间的选取。

3 试验验证

按照国五排放法规所要求的NEDC循环工况，对同一车型的THC排放情况进行监测，得出P项在加浓方向的延迟时间对结果影响，其详细情况如图1所示。

同理，可对NOX、CO、NMHC进行排放量监测。从而得出针对每项污染物的最佳P项延迟方案。

结论

为进一步优化三元催化器转化效率、考虑催化器本身劣化因素，将闭环空燃比的比例调节部分在空燃比浓的方向进行不同程度的延迟，得出最理想的比例项延迟时间，进一步优化三元催化器转化效率，满足国家排放法规。

参考文献

[1]鲁植雄.汽车电子控制基[M].北京：清华大学出版社，2011：45-80.

[2]林學东.发动机原理[M].北京：机械工业出版社，2012：67-103.

[3]刘玉长，罗广德.汽油机ECU控制参数的台架标定[J].内燃机，2010（6）：37-41.

[4] 陈立明，朱辉，郭少平，等.汽油发动机管理系统稳态工况参数标定方法研究[J].内燃机工程，2000，21（1）：30-35.

[5]沈现青，黄昭明.天然气发动机燃烧和排放数值模拟与试验研究[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2015（4）：552-555.

[6]胡得胜.基于模型的汽油机气路系统控制map标定[D].吉林大学，2015：55-74.

[7]黄贵芬.汽油发动机气路控制算法研究[D].吉林大学，2011：32-56.

[8]孙强，姚峰，何玉州，等.天然气发动机空燃比智能控制策略[J].电子技术与软件工程，2014（23）：242.

[9]JiameiLin，HongChen，Ping Wang.AFR control of a gasoline engine using triple-step method，IEEE Conference Publications，P1976-1981，2017.

[10]YahuiZhang，TielongShen.Stochastic approximation for combustion phase optimization of SI gasoline engines，European Control Conference （ECC），P1265-1270，2016.

[11]MingxinKang，TielongShen.Transient control of gasoline engines with C/GMRES，European Control Conference （ECC），P87-103，2015.