SI发动机稀燃操作模式下的基于缸内压力的空燃比控制

摘要：在本文中，考虑了残余气体组分的循环周期的耦合效应，研究了用于火花点火发动机稀燃操作模式的缸内空燃比控制问题。循环瞬态模型的参数变化的统计特性基于稀燃操作模式的实验进行校准。利用校准模型，提出了一种基于模型的预测控制策略，提高了包括瞬态运行在内的稀燃操作下缸内空燃比控制的精度。为了分析燃烧参数及其稳定性，采用循环式指标，如热传递，指示平均有效压力（IMEP），燃烧效率，残余气体分数，峰值压力，50％放热时的曲柄角CA50）和NOx排放。连续循环的共同关系也用于分析稀燃的随机性。最后，在全尺寸汽油发动机试验台上进行实验验证，以表明提出的稀燃模式控制方案和燃烧稳定性的有效性。

关键词：稀燃区燃烧控制；燃烧稳定性；缸内循环空燃比；广义预测控制；残余气体成分；燃烧效率

1绪论：过去几十年来，由于燃料资源的限制和有关排放，燃油效率和排放管制已成为发动机研究与开发的关键问题。在这个方向上，稀薄燃烧发动机被开发和调控，以改善燃油经济性和排放调节。在稀燃发动机中，因为比热比随过量空气比增加，热效率比常规发动机高得多，并且由于过量空气增强了散热导致火焰温度降低，NOx排放减少^[1-4]。由于适当和充分的空气 - 燃料混合物，燃烧效率在轻度稀燃区燃烧中也有所改善。稀燃发动机运行的详细演示和表征见参考文献^[5]，其中包含可靠的实践数据。当混合物浓度变稀时，发动机效率增加，排气温度降低，并且还使发动机远离爆震区域。Horie K.等介绍了四阀式稀燃发动机发展，其中主要讨论的主题是通过采用优化涡流比和可变涡流系统来改善部分负荷下的特定燃油消耗，实现最大输出功率。此外，他们也讨论了空燃比控制问题^[6]。然而，这些改进可以通过降低与发动机系统中燃料喷射（燃料能量）直接相关的输出机械功率的消耗来实现。

另一方面，循环周期的变化是稀燃发动机的另一缺点，其中由于部分或不完全燃烧在稀燃模式中循环周期的变化性增加，因此导致燃烧的不稳定^[3,7,8]。在几个文献中已经报道了循环周期的变异性分析和控制，其中燃烧参数例如指示平均有效压力（IMEP），缸内峰值压力(Pmax)，放热速率，50％放热时的曲柄角（CA50 ），NOx排放等作为变异系数（COV）的指标，表明稀燃的循环变化^[3,8,9]。Fanhua Ma等研究了添加氢气对稀燃天然气火花点火发动机循环周期变化的影响^[3]。孙友成等阐述了注射压力，废气再循环和进气压力对HCCI发动机的循环周期变化的影响，其中发现内部压力显著影响IMEP和Pmax中的循环周期变化。还观察到排气再循环（EGR）是减少排放的有效方法，但是当它增加时，循环变化也会增加^[10]。宋滨汉讨论了基于气缸压力燃烧参数的循环周期变化，如IMEP，IMEP COV，燃烧角和最小归一化值（LNV），找出与空气质量，燃料质量和残留质量的关系 ^[11]。

此外，在循环周期变化的改进方向上，已经报道了若干研究，例如使用替代燃料（甲醇，氢气，天然气等），其说明了它们比汽油具有更好的稀燃性能。用甲醇燃料的发动机提高了热效率，火焰生成和传播时间缩短，COV降低^[12]。Yaodong Du等研究了氢馏分对稀燃燃烧和排放的影响。随着氢分数的增加，燃烧速度增加，平均有效压力和热效率增加，CO和NOx的排放显着降低^[13]。还表明燃烧变化界限可以随着湍流水平的增加而改变，也可以通过增加提高火焰速度的氢气来提高层流火焰速度^[14,15]。据报道，消除循环周期变化可能导致火花点火发动机相同燃料消耗的输出功率提高10％^[8]。因此，可以认为循环周期变化在燃烧效率和稳定性以及工作范围中起关键作用。

为了解决空燃比控制问题，过去已经重新介绍了基于传感器和模型反馈控制器的各种研究。实施控制器以提高性能并降低循环变化，因为开环燃料喷射系统因喷射器系统设计和惯性效应而不会在每个循环中精确地喷射燃料，这需要对所需有精确的控制。对于化学计量空燃比控制，已经开发和实现了几种控制算法，例如PID控制^[16]，线性二次（LQ）控制^[17]，具有滤清事项使用传输延迟模型的加油系统的前馈控制器^[18]，神经网络前馈反馈控制^[19]，基于模型的预测控制（MPC）^[20]和滑动模型控制^[21]。最近，由于在模型预测和优化器效率假设中更好准确地覆盖发动机系统的多变量，时变和延迟的优点，基于模型的生成预测控制器（GPC）被广泛使用。论文^[20,22,23]中也讨论了控制性能的比较。在稀燃模式下，为了提高燃油效率和减少排放，各种控制器用于稀薄燃烧发动机实验。例如，开发了用于稀燃燃气发动机的控制器，其中空燃比由发动机转速波动的反馈控制。控制空燃比尽可能高，以实现低NOx排放，同时将发动机转速的波动保持在其最大公差范围内^[24]。通过调节相对空燃比（lambda;）从1到1.5并达到效率提高3-5％，采用的控制器使实时应用中的热效率达到最大化^[25]。线性参数变化（LPV）控制器实现了在稀燃区中精确的AFR控制，其中考虑了反馈回路中的可变时间延迟^[2]。N.P.Fekete等描述了基于模型的面向控制的稀燃发动机，以提高瞬态性能并减少稀燃极限的失火。空燃比能够控制在0.8％的RMS范围内，峰值偏移约为2％^[26]。研究了用于解决稀燃极限时变延迟问题的AFR控制，其中考虑了由Pade近似估计的发动机动力学延迟的基于补偿器的PID控制器^[27]和二阶滑模式^[28]，因为基于lambda;传感器的反馈控制显示可变的时间延迟。在大型发动机时变延迟的情况下，控制系统能够排除燃油净化不确定度和测量噪声的影响。此外，为了补偿反馈的延迟，Smith预测器^[29]和基于修正的史密斯预测器^[30]的H_infin;延迟控制系统得到有效的利用。

然而，最近，应用气缸压力传感器^[31,32]对其空燃比的建模和控制进行了递归研究，以获得快速响应。研究的兴趣受到广泛关注，因为是通过压力传感器获得了当前循环中发动机实际燃烧现象的非常有价值的信息，而不是由位于进气歧管和排气歧管的传感器测量的，并且延迟时间也可以减少。在这个方向上，文献^[33]提出了基于气缸压力的瞬时AFR估计，考虑了AFR与压力循环二阶或三阶矩之间的线性关系。循环平均AFR模型及其基于放热曲线的鉴定见参考文献^[34]。此外，Lee，B等讨论了基于电离电流信号测量的空燃比平均值估计方法，这表明了单个气缸和发动机循环的实时AFR估计和燃烧诊断的强大潜力的优势^[35]。文献^[36-39]讨论了缸内燃烧和气体动力学的循环模型。然而，基于循环模型的稀燃控制仍然没有在更广泛的范围内尝试，特别是对于循环处理，并考虑到气体成分和能量的循环周期耦合，例如残余空气，残余燃料，残余燃烧气体和这些气体携带的能量。还表明，当缸内循环燃烧现象，流体动力学变化和气体组成和能量循环周期耦合的充足信息可用时，特别是在稀燃瞬态控制中的燃料效率可以得到改善。此外，循环燃烧现象的处理和控制仍然是一项具有挑战性的任务。在这个方向上，使用PI控制器^[40]和GPC控制器^[41]的基于循环模型的缸内空燃比估计和控制在化学计量AFR水平上被实现和验证，这在瞬态模式下证实了更快的响应。参考文献^[40]，首先用卡尔曼滤波算法估计了残余燃料，残余空气和残余燃烧气体的缸内剩余气体成分，然后定义了缸内AFR。基于循环事项缸内AFR，空燃比被控制在在化学计量水平。此外，基于相同的离散时间状态空间模型，考虑到采用广义预测控制器的一些修改，实现了使用GPC控制器来控制基于循环的缸内AFR，见于参考文献^[41]。在这两种情况下，已经观察到，基于气缸压力反馈控制比lambda;传感器提供更快的响应。因此，本研究的挑战给出了动力，考虑了稀燃区域AFR建模与控制中残留气体成分的循环周期耦合，从而提高了发动机性能，同时改善了稀燃区运行和燃烧稳定性。

在本文中，基于模型的广义预测控制（GPC）问题涉及汽油发动机贫燃燃烧中的循环缸内空燃比。对稀燃区燃烧进行控制直到lambda;= 1.5，用于分析燃烧现象及其稳定性。基于燃烧参数的燃烧稳定性，如平均有效压力（IMEP（k）），燃烧效率（C_f（k）），残余气体分数（r（k）），热释放（Q（k）），峰值压力（Pmax（k）），50％热传递时的曲柄角（CA50）并用实验结果分析NOx排放。还讨论了残留气体组成的耦合。此外，燃烧效率的连续循环的共同关系在稀燃模式下进行评估。在提案中控制方案选择循环燃料喷射质量作为控制输入，并使用线性时变状态方程的卡尔曼滤波算法估计AFR模型参数。此外，在全尺寸的汽油发动机试验台上证明了所提出的稀燃控制实验的验证和分析。本文的结构是以下列方式组织：实验设置及其描述在第2节中进行了说明。第3节讨论了基于循环模型的AFR建模。第4节讨论了实验验证和结果分析。最后，第5节得出结论。

2实验设置

使用具有双燃料喷射系统的常规V6型汽油发动机用于验证稀空燃比控制和配置分析。发动机连接到HORIBA低惯性测力计，如图1（a）所示。发动机的规格如表1所示。为了涵盖广泛的研究，由dSPACE（DS1106），dSPACE 2004和板载ECU构成的原型控制器用于捕获数据，脉冲信号和控制，如节气门位置 ，燃油喷射质量，火花提前和可变气门正时（VVT）。此外，各个传感器，例如每个气缸的单独的lambda;传感器，排气歧管气体温度，进气歧管压力和NOx传感器也安装在发动机系统上。发动机设置仪表的综合流程图如图1（b）所示。

在该实验装置中，缸内压力传感器和NOx传感器配备在第5气缸上。在单位曲柄角度压力传感器测量一次，NOx传感器（具有0.7s响应时间）提供了NOx排放的平均值。单个lambda;传感器也安装在第5缸的排气歧管上，以校准基于模型估计的缸内AFR。用于稀薄燃烧测量和控制的整个实验在恒定的发动机转速模式下进行。在恒定的发动机转速模式下，实验发动机的速度固定在特定的固定值，然后改变燃料喷射以达到稀薄区。同时，由于燃料质量的降低，随着相对空燃比（lambda;）的增加载荷稍微减小，因此，在固定lambda;时随着点火提前进而发现最大断裂转矩（MBT），然后相同的点火提前实验期间保持恒定。对于另一个lambda;和操作条件也采用类似的程序。

图1a实验设置 1b实验设备仪表流程图

表1 发动机规格

3基于循环的缸内AFR模型

由于考虑缸内AFR估计中残留气体的循环周期耦合，缸内空气 - 燃料混合物将略微不同于在排气歧管处的lambda;传感器测量（图2（a））。因此，为了估计缸内实际AFR，有必要开发循环模型，可以考虑缸内气体成分，如残余燃料，残余空气和残余燃烧气体。在这个方向上，开发了循环瞬态模型，其状态变量有：总燃料（m_f），剩余空气（m_ra）和残余燃烧气体（m_rb），这是用卡尔曼滤波器估计的^[40]。在循环AFR模型开发过程中，循环被定义为从当前循环吸气冲程下止点（BDC_i（k））到下一个循环吸气冲程下止点（BDC_i（k 1）），如在（BDC_i（k））获得的数据在第k个循环中被考虑，在（BDC_i（k 1））获得的数据用在第k 1个周期，如图2（b）所示。残余气体组成的循环周期耦合也在图2（b）中示出。具有图2（b）中的循环定义，还需要注意新鲜空气质量（m_a）会加入上一循环（i.e.（k-1）_th）中，因为它在吸入冲程中进入气缸。然而，新鲜空气质量会燃烧在当前循环（i.e.（k）_th）燃烧过程中，因此为了避免模型开发的复杂性，新鲜空气质量在第k个循环中被假设为（m<s

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