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轻型柴油发动机使用一个单独的转矩平衡控制与单筒式压力传感器气缸IMEP估计模型

作者：Kyunghan Min, Jaesung Chung, Myoungho Sunwoo

汽车工程系，汉阳大学，222十里RO，Seongdong gu，汉城133-791，大韩民国。

重点：

本文提出用IMEP估计模型的转矩平衡控制器。

IMEP估计模型估计的平均指示压力缸只使用一个单一的缸内压力传感器。通过模型参考自适应控制设计了转矩平衡控制算法方案。

摘要

一种利用气缸压力传感器的转矩平衡闭环控制可以提高驾驶性能和可抑制轻型柴油发动机噪声。然而，闭环控制要求的问题压力数据的传感器成本和计算时间。本文提出了一种转矩平衡控制算法，利用转矩估计模型来解决这些问题。该算法并由一个指示平均有效压力（IMEP）估计模型和参考模型控制器。估计模型估计各缸平均指示压力。指示代表表示T扭矩燃烧每个气缸的曲轴旋转的动态生成。一个指示估计模型的建立基于四缸和指示cranksh的关系向后旋转。该模型还包含补偿参数来解决分散和曲轴加速度的不平等问题。该算法只需要曲轴加速度和单缸压力传感器。该算法大大降低了四缸转矩控制所需的成本，更适合于实时转矩平衡控制因为对于其他缸平均指示压力的计算时间可以消除。估计平均指示压力的模型控制的实时转矩控制的个别缸的指示转矩平衡R。利用模型参考自适应控制方法设计了转矩平衡控制算法，并利用Lyapunov稳定性定理推导了控制器的稳定性。估计的平均指示压力算法和转矩平衡控制器在实时发动机管理系统中嵌入和验证。总之，转矩平衡控制可以使用估计IMEP降低平均指示压力变化各缸的N。

关键词：平均有效压力转矩估计 转矩估计 转矩平衡控制 实时燃烧控制

1介绍

发动机控制系统的复杂性增加，以满足严格的能源和排放法规[ 1 ]。在复杂的发动机控制系统中，发动机转矩是一个重要的控制指标人因为扭矩影响驾驶性能，燃油经济性和发动机的排放–[ 2，7 ]。为此，发动机转矩控制方法得到了广泛的研究。发动机扭矩相关直接燃料柴油机喷油；因此，发动机管理系统确定喷油量和喷油定时控制发动机转矩[8,9]。总的来说，燃油喷射控制的开环控制结构；因此，预校准的查找表依赖于发动机的操作条件确定喷油量和时间。无论如何，开环控制结构可能会导致一个不准确的控制重新由于如气候或燃料型[ 10 ]发动机运行环境变化的结果。不同于加州ibrated条件环境中能引起燃烧的违规行为；此外，制造NG公差，不同的空气电荷特性，和喷射器老化也导致在气缸之间的不同的燃烧特性。气缸不平衡导致发动机噪音增大，增加排放和退化驾驶舒适[ 11 ]。

扭矩指示器估计和控制往往是研究解决开环控制结构[12,13]的问题。气缸压力是广泛用于转矩反馈控制，因为它可以直接代表缸内燃烧状态[ 14 - 19 ]。为此，发动机扭矩气缸压力测量采用反馈控制可以抑制发射色散引起的问题在[ 1,18 ]的变化情况。威廉姆斯等。[ 10 ]和余等。[ 20 ]提出的平均反馈控制算法有效压力（IMEP）通过气缸压力SE计算传感器。该控制方法控制力矩平衡个人缸平均指示压力。压力传感器成本是单个气缸扭矩控制的一个重要问题，因为传感器应安装在每个气缸的燃烧计算，分别；此外，该方法还需要计算各缸平均指示压力巨大的计算时间。

一些研究提出的方法来减少计算时间的指示。哦等。[ 4 ]建议IMEP估计和控制用压差积分法（DPI）。荣格等人。【15】还建议IMEP估计和控制算法，采用DPI。所提出的方法可以有效地减少转矩平衡控制的计算时间，但是，它需要气缸P估计压力传感器。hamedovic等人。[ 21 ]和Azzoni等人。[ 22 ]介绍了转矩估计方法，利用发动机转速和转矩平衡控制为单筒式压力传感器介绍的方法是成本负担得起的气缸压力传感器，因此，估计方法，需要显着的计算能力是不适用的实时转矩平衡控制。

许多可用的方法使用每缸估计IMEP转矩平衡控制；然而，成本和计算量的问题仍然存在。本文提出的ES的力矩平衡控制算法使用IMEP估计模型来解决这些问题。

该算法由一个预先估算模型和转矩平衡控制器。该模型采用旋转动力学之间的指示扭矩和曲轴22–[ 25 ]。该补偿器Resolves不确定性的发动机转速。估计平均指示压力的模型进行实时的转矩控制，控制力矩平衡的各缸平均指示压力控制。一个模型参考自适应控制方案的目的是控制各缸平均指示压力从测量气缸压力参考指示。因此，该算法的应用是实时转矩平衡控制验证。

2 平均指示压力估计算法

每个气缸的燃烧估计算法由两部分组成（图1）。模型的估计基于曲轴转动动力学与一个单一的缸内压力传感器的各缸平均指示压力或。参考平均指示压力和曲轴加速度作为模型的输入。参考平均指示压力是计算平均指示压力从测量气缸压力。补偿器解决了发动机转速测量附加参数的不确定性。

2.1 参考平均指示压力的计算

气缸压力数据和曲轴转角信号计算参考IMEP（方程（1））[ 4 ]。评价计算过程是自动的实时快速成型装置（MicroAutoBox）。

（1）

，，和分别指气缸容积，在曲轴转角位置H气缸压力，在曲轴转角位置H气瓶容积的推导，曲柄角分辨。

2.2 一阶线性模型

基于旋转动力学的燃烧产生的曲轴扭矩（方程式（2））。负载扭矩包含摩擦力矩，负载转矩，和其他拖动力矩t帽子抑制曲轴旋转[ 26 ]。图2显示了曲轴速度变化和射击上死点（FTDC）在一个周期的每个气缸。曲轴加速度发生后燃油喷射根据气缸点火顺序。这表明每个曲轴由于各缸燃烧的旋转动力学；随后，曲轴加速度包括表明扭矩INF每个缸的信息。

(2)

指示转矩各缸可以表示使用指示。以同样的方式，转动动力学可表示为阻力压力等效压力和加速度P参数。Eq.（3）显示等效转动动力学。曲轴的惯性和加速度的动量分别被确定为模型系数和加速度参数。

阻力是表示发动机负载转矩和摩擦力矩的等效参数。使用所测量的气缸压力和相关的曲轴加速度来计算阻力发动机负载转矩和摩擦扭矩取决于发动机的工作条件（Eq.（4））。作为一个结果，一个一阶线性模型来估计各缸平均指示压力

方程（5））。的肩胛下模型参考是参考的缸，缸内压力值的措施。

（3）

（4）

（5）

其中是模型系数,N是加速度参数。

模型系数的确定是根据发动机的工作条件，如发动机转速和参考指示。加速参数定义为曲轴速度的差异在特定的曲柄角范围内。平均指示压力和曲轴速度的差异之间的相关性进行了研究确定加速度参数（表1）。起动曲柄角从6到18的曲轴转角FTDC和端曲柄角从42变化到54的曲轴转角变化分别后FTDC后。其结果是，曲轴速度的差异从12到48 C前角后FTDC相关程度最高。表2和图2显示了定义每个气缸曲轴加速度参数的角度。图3显示确定的加速度参数和平均指示压力的线性关系。

2.3 不确定性的补偿

各缸平均指示压力的燃油喷射量控制的探讨和指示加速度参数之间的线性关系。参考IMEP是IMEP汽缸数1基于测量气缸压力；此外，参考IMEP也控制为恒定值。然而，对其他各缸工作状态是故意燃烧控制根据27个测试用例滚动不同的值（表3）。图4表明IMEP估计结果使用加速度和平均指示压力之间提出的线性模型；然而，意想不到的估计mation错误的线性模型的实现。每个气缸的位置和阶数会导致曲轴扭转性能的不同。不同的扭转行为导致不规则的特征c-teristics转动动力学[ 16,27 ]。为了解决这个问题，该模型补偿意想不到的结果，这是加速度分散和加速度不等式。

2.3.1 加速度色散补偿

估计误差的第一个案例是一个加速扩散各缸之间的每一个实验案例。对于测试，气缸3的加速度低于加速度气缸2和气缸4。图5显示加速度差异时，各缸的燃烧控制，同。Eq.（6）确定各缸补偿色散的附加参数。附加参数补偿加速分散消除基准缸等圆柱之间的差异时，平均指示压力控制加速度相同。图6显示了补偿结果色散降低。

（6）

2.3.2 加速度不等式补偿

每个气缸的加速度不平等是由于气缸之间的相互作用的影响。的相互作用的效果是由于从其他气缸的转矩分散的加速度的变化。加速操作不同的是决心解决交互作用（方程（7）和图7）；此外，还考虑了发动机点火顺序因为燃烧的影响在其他C的加速度ylin德尔斯。在式（7）、K指数是气缸数和指数我是例如在缸K.点火顺序的差异，Neth;3；1THORN;是加速气缸3和气缸之间的差异ER 4（气缸4是气缸的下一个点火缸3）。

加速度不平等补偿使用加速度差异与重量参数Wi（方程（8））。重量参数由最小二乘法确定。各缸的燃烧R是控制各种分散的情况下获得的权重参数（表3）。图8显示了不平等补偿结果。

3 平均指示压力的估计结果

3.1 实验环境

内部开发的发动机管理系统，验证了所提出的估计算法。发动机管理系统是基于AUTOSAR Lite软件体系结构和使用一个32位微处理器R MPC 5554飞思卡尔[28,29]。目标是一个2.2-l发动机共轨直喷式柴油机。霍尔式曲轴位置传感器安装在发动机曲轴速度测量在每一6lca。贝鲁气缸压力传感器安装在每个气缸。气缸压力传感器的类型是一个20000 kPa的最大测量范围的电热塞。每个周期的平均指示压力林德是由MicroAutoBox计算来验证估计的结果。

表4显示了发动机实验操作条件。发动机转速从1000转2000转/分，平均指示压力从300 kPa，700 kPa。

3.2。实验结果

使用MPC 5554保证实时性能的一个128 MHz的系统时钟测量算法的计算时间。典型的预先计算的时间需要12.4MS四缸。然而，该算法只需要0.056毫秒的估计和一缸一个预先计算的时间。该算法的计算时间75%减少比较典型的预先计算，更适合实时发动机管理系统。表5显示在所有实验预测结果的最大误差T例。

4 转矩平衡控制

估计算法是用于指示转矩平衡控制，消除了各缸的扭矩分散。评价参考模型确定的设定点的我MEP转矩平衡控制。参考平均指示压力计算的气缸压力的测量调整参考模型。估计平均指示压力控制彻底的模型参考控制。

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