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EMS发动机管理系统中智能标定系统的研究 |
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作者：绵阳新晨动力机械公司 成有 杨伟 |
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摘要：发动机管理系统(EMS)已经在车用汽油及柴油发动机上普遍应用。传统的标定经历的时间较长，成本高，关键应用技术较低。这将不适应现代发动机及整车开发周期、成本等要求。本文提出智能标定系统的基本概念，并作简要分析，同时对判缸、确定充气效率等关键技术进行简要论述。
关键词：发动机管理系统 智能标定系统 判缸技术 充气效率
1 概述
发动机管理系统(EMS)已经在车用汽油及柴油发动机上普遍应用，电喷系统及零部件在不断优化，在EMS 中，一些硬件如ECM、氧传感器、压力/温度传感器、上止点/转速传感器等已为许多人熟知，相比之下，研究ECM 如何通过传感器采样及控制发动机运转却是一项深入、细致的工作。ECM 中的程序控制着发动机运转，这种程序是如何控制的呢？应该怎样更合理的控制呢？显然，依据来源于各种自然环境和各种工况的发动机及整车大量的试验数据，ECM 中的程序根据这些数据控制发动机运转。确定ECM 中大量数据的过程即标定。通过标定要求达到以下目标：
整车在环境温度条件（–30～45 ℃）的起动性能，驾驶性能良好，不出现爆燃、回火等异常情况，低温条件下节气门体无结冰现象；整车在高海拔地区的起动性和驾驶性能良好；各种温度保护（三元催化器保护、发动机过热等）状态良好；各种条件下加减速及换档等过渡工况过渡平稳，不出现熄火等异常现象；动力性及经济性达到设计要求；排放达到国家规定的限值；故障码显示正常等。
不同的EMS 系统标定方法、工作内容、经历时间、采用的技术及其难度也各异。
要精确的控制发动机及整车的运行，ECM 各种控制参数均需要准确的确定，而这些参数中，许多需要在特殊的自然环境下试验，如高原（海拔4500 米以上）、高温（环境温度45℃以上）、高寒（环境温度–30℃以下）等，这样，确定的周期较长，成本也高，而且，绝大多数试验仅仅是一两台样车试验数据，因此，由于个体差异，控制参数对批量产品来说不是最优。
可见，传统的EMS 标定系统存在着诸多缺陷，而当今，新发动机、新车型的开发周期要求越来越短，有必要对传统的EMS 标定系统及方法进行提升，为此，我们提出智能标定系统的研究。
2 智能标定系统的概念
在EMS 系统中，以常规试验数据及理论数据为初始数据，ECM 通过不同条件下的反馈信号自动调整控制参数，同时智能积累并优化控制参数的标定系统定义为智能标定系统。
EMS 智能标定系统的组成包括：动态数据处理设备（含数据采集和处理的软件）、数据采集传感器、笔记本电脑（带智能数据分析处理软件）、智能型ECM、通信联线、电源等。按现在芯片技术，动态数据处理设备体积可以做的很小（一本教科书大小），大量的工作由笔记本电脑的软件完成，当基础数据确定后，智能型ECM 将代替笔记本电脑工作，直接按相应的软件控制模式控制发动机和整车运转，智能型ECM 与一般的发动机ECM 不同的是，它具有强大的软件系统和更快的运算速度。
EMS 智能标定系统基于软、硬件技术的发展。软件技术的发展使得如判缸、数据分析和处理等复杂控制逻辑大大简化；随着传感器技术及电子技术的发展，信号采集很准确，能够通过不同方式的滤波分析，如通过对爆燃传感器反馈信号不同方式处理，可以较好地排除无关的噪声，从而准确辨析发动机工作粗暴情况，动态调整点火提前角等控制参数；常规芯片技术发展，ECM 能够高速进行大量的复杂运算，从而适应高速内燃机精确控制要求。
3 智能标定系统的组成
EMS 智能标定系统开发流程如下图。
与传统的EMS 标定系统标定过程相比，流程大大简化了。发动机基础标定时间可以很短，在整车标定中，试验涉及到的工况，特征数据将被记录，在试验中根据数学规则进行调整，经过反馈和对比确定一个默认值，以后的调整将在默认值附近调整。因此，通过试验室能够对绝大部分控制数据确定出一个较准确的值（除高原标定外，因为受试验地点限制，目前无法准确模拟高海拔条件），传统的EMS 标定系统经过初次标定后，需要进行至少一次验证，并需要客户确认，这个周期将很长，且受样车个体差异影响较大。智能标定系统开发流程中，在进行首次标定，如高温、高寒、高原等标定时，由于ECM 能够智能积累数据并调整控制，只要得到一个相对准确的值即可达到目标，因此，不在需要多次验证，在标定过程中，客户可以同时参与验收。
4 智能标定系统中关键技术研究
EMS 标定系统在解决一些关键技术如判缸技术、确定充气效率、确定空燃比及点火提前角等方法不尽相同，这些技术的解决方法标志着响应的EMS 的技术水平。
4.1 判缸技术
从目前发动机电控燃油喷射技术的发展及国家强制指标要求上看，为了满足排放指标，抗无线电干扰等要求，越来越多地采用多点顺序喷射，在顺序喷射的发动机中，要精确控制喷油及点火，首先需要判别各缸的工作状态，判缸可以通过硬件判别和软件判别，硬件判别即通过取得凸轮轴位置信号予以判别，如丰田RZ 系列汽油机通过分电器（分电器齿轮与凸轮轴端齿轮啮合）取得凸轮轴位置信号，这种方式判缸很可靠，但对于现今普遍采用ECM 控制无分电器点火的系统来说，会增加元件及缸盖加工工序，致使成本增加。软件判缸则借助于系统能够采集参数，通过其变化规律判别。现在应用的判缸方法有：
（1） 通过进气压力判缸
根据试验及研究进气压力的变化规律发现， 动机气缸工作在进气行程时，进气门突然打开，靠近进气门附近的歧管压力会有1kPa 左右的急剧压降，这个急速下降的现象被进气压力传感器检测到（见下图）。
ECM 通过软件对此信号通过高通滤波和低通滤波进行分离处理，高通滤波处理发动机相关供油逻辑，而低通滤波通过软件处理实现判缸。一般情况下进气压力变化规律在一个范围内重复出现，当进气门突然开启时，其附近压力迅速下降，排除偶然现象（如进、排气系统的影响，压力传感器偶然误差等），当ECM检测到5 次这种压降即可实现准确判缸（最迟在发动机运行50 转实现，通常在发动机运行13 转以内实现）。这种技术已在DELPHI 公司应用，效果很好。不足的是，为实现此功能，显然进气压力传感器需安装在第1 缸或第4 缸歧管靠近进气门的位置。
（2） 通过喷油判缸
这种方法，起动最初先不考虑顺序，向四个缸同时喷油，根据反馈参数如上止点、转速及氧传感器特征，设定一系列的相关变量，通过检测到的变量与以前积累的相应发动机状态的参数对比，将范围确定在1 缸和4 缸上，之后再选定（ECM 在这两缸中任意确定一缸）1 缸或4 缸，认定其为1 缸，同时，仅向其喷油，这样，再通过检测到的变量与以前积累的相应发动机状态的参数对比，判别原设定是否正确，如是，则判缸成功，否则1 缸实际为4 缸，仍然可由此判缸。采用判缸技术，可靠性好，压力传感器不受位置限制，可安装在进气总管上，但软件逻辑较复杂。
4.2 充气效率的确定
发动机工作中，不同工况及不同环境（如温度、大气压、节气门变化率等）充气效率（Volumetric Efficiency，简称VE）不一样，实际上VE 是与发动机的整个进排气系统（包括从空气滤清器到消声器）密切相关的，所以任何进排气系统的改变都会引起VE 的变化。
多数EMS 系统中，ECM 中给出各工况稳态值，再通过水温对进气量修正。节气门开度对VE 的修正，对不同海拔非标准大气压的修正来控制VE。海拔高度对VE 的影响明显，即便是通过较好的修正，仍有较大差异(见下图)，这是今后系统需改进的地方。
491Q-ME采用DELPHI 公司EMS系统在97kPa 处采集
491Q-ME采用DELPHI 公司EMS系统在60kPa 处采集（海拔4500m 附近）
为了减小因发动机运转时间的增长而造成的缓慢变化和发动机及整车的生产散差，引入块学习修正即BLM（Block Learn Memory），BLM的值将被存储在存储器内，通过其记录的BLM 值的大小及变化对与充气效率直接相关的燃油积分值（Fuel INT）的大小及变化趋势在中心值附近作相反的校正。
5 结论
EMS 智能标定系统将作为一种新的标定系统取代传统的标定，是EMS 系统及相关技术发展的必然。
这种系统的的优点在于：
1）适应性强，能够根据不同条件自动适应；
2）能够对因加工、装配等引起的压缩比、活塞行程等差异采用不同的控制参数，使发动机工作状态最优。一些硬件差异对发动机性能影响可能较大。比如，完全合格的零部件和装配过程生产出的一批发动机中，仅仅按设计图样尺寸公差进行校验，压缩比差异可能超过0.6，在传统的EMS 系统中很难解决这种个体差异。由于系统能够智能积累和优化控制参数及控制模式，这种系统试验周期短，并可降低发动机开发成本。
这种系统的不足在于：
1）初期自适应期间，由于数据积累少，某些控制如驾驶性能、排放指标不佳，但只要能够在样机阶段较充分的考虑重要指标和国家法规要求的强制指标，优化软件逻辑，缩短初期自适应阶段，这种缺陷可得到改善。
2）由于需要采集充分的数据和完善的控制，需要增加一些传感器和执行元件。(end)
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(5/18/2005) |
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