基于模型的GDI增壓發動機爆震控制系統設計

劉少飛于瀟陳杰

（1.長城汽車股份有限公司技術中心；2.河北省汽車工程技術研究中心）

基于模型的GDI增壓發動機爆震控制系統設計

劉少飛1,2于瀟1,2陳杰1,2

（1.長城汽車股份有限公司技術中心；2.河北省汽車工程技術研究中心）

為準確檢測并有效控制GDI增壓發動機的爆震，設計了一種控制系統。該系統通過爆震傳感器檢測缸體振動情況，通過信號處理提取相應能量值，依據能量值大小判斷是否發生爆震及爆震強度，并區分為普通爆震和超級爆震。對前者采取推遲點火角來控制，后者采取燃油加濃、凸輪軸調節和斷油措施來控制。HIL和臺架測試結果表明，該系統能準確檢測并有效控制爆震，以保證發動機的動力性、經濟性和安全性。

1 前言

GDI增壓發動機具有熱效率高、功率扭矩大、油耗低等特點，近年來成為世界各大汽車公司的研究熱點[1]。渦輪增壓與缸內直噴技術的結合是改善發動機燃油經濟性和降低排放的重要措施，但這兩項技術的應用使發動機出現了一種新的異常燃燒模式——超級爆震[2]。超級爆震是一種偶發性的、能夠自行消失的非正常燃燒現象，其對發動機極具破壞性。因此，ECU準確檢測超級爆震并對其及時控制顯得尤為重要。

本文通過爆震傳感器檢測發動機缸體振動情況，并轉化為相應變化的電壓值，底層通過對信號放大、爆震窗口內的AD采樣、濾波、整流、積分后得到各個氣缸對應的能量值以用于爆震判決；每個氣缸對應兩個爆震窗口，得到兩個能量值，一個用于普通爆震判決與控制，另一個用于超級爆震判決與控制。上層控制策略采用基于模型的方法設計，利用自動代碼生成技術與底層集成，生成可執行文件下載到ECU開發板中，用于硬件在環（HIL）或臺架測試。

2 爆震產生機理

2.1 普通爆震產生機理

普通爆震是汽油機運行時一種不正常燃燒的現象，當火焰在傳播途中壓力異常升高時，一些部位的混合氣在火焰到達之前開始自行燃燒，正常和非正常燃燒兩個方向相反的壓力波相遇時，會產生劇烈的氣體震動，并發出特有的金屬撞擊聲[3]。發生爆震會使發動機功率急劇下降，油耗迅速上升，還會損壞氣缸壁和其它零件，因此必須進行控制。

普通爆震與點火時刻密切相關，點火提前角越大，氣缸壓力越大，越容易產生爆震，因此可以通過控制點火提前角來控制爆震。

2.2 超級爆震產生機理

GDI增壓發動機出現了一種新的爆震模式——超級爆震[4]。早燃是超級爆震的必要條件，此外末端混合氣還要達到發生超級爆震的熱力學狀態。發生超級爆震時，燃燒室內火焰前鋒傳播速度極快，缸內壓力和溫度急劇上升，并伴隨劇烈的壓力波動與極大的噪聲，推遲點火也無法避免，其破壞性要遠強于常規爆震，對發動機會造成致命的破壞。正常燃燒、普通爆震和超級爆震之間的關系如圖1所示。

由于超級爆震的發生具有偶然性[5]，這更增加了控制難度。綜合目前研究結果，有效控制超級爆震的措施包括燃油加濃（調節空燃比，降低缸內混合氣壓縮終了溫度）、凸輪軸調節（掃氣）、斷油等。

3 爆震信號處理方案

本系統針對的是GDI增壓4缸發動機，點火順序為1-3-4-2，4個氣缸共用一個爆震傳感器，安裝在2缸和3缸之間，傳感器分別檢測4個缸的振動情況并轉化為相應的電壓信號，信號通過放大后在爆震窗口內進行AD采樣，通過低通濾波器過濾掉高頻干擾信號，再經過降采樣，利用帶通濾波器精確提取爆震信號，然后經過整流和積分，得到爆震窗口內信號的積分值，分別用于普通爆震和超級爆震的判決。爆震信號處理方案如圖2所示。

爆震傳感器：系統只用到一個非共振型壓電式爆震傳感器，根據氣缸號同步，分別檢測各缸的振動情況，并轉化為相應的電壓值，傳感器輸出為差分信號，有正有負。

可變增益：爆震傳感器檢測到的電壓信號一般是幾百毫伏，需要經過放大處理，系統可選的放大倍數為1、 2和4，具體用哪個放大倍數受上層控制策略控制。

爆震窗口：分為普通爆震窗口和超級爆震窗口，都位于壓縮上止點（TDC）之后。根據缸內燃燒壓力變化，超級爆震窗口比普通爆震更靠前，底層實際通過增強時間處理單元（ETPU）只開一個總窗口（超級爆震窗口起始角度到普通爆震窗口結束角度），但上層需要向底層傳遞4個參數兩個窗口的起始角度和長度，用于求積分能量值時分開為兩個能量值，分別用于普通爆震和超級爆震判決。

ADC：對爆震窗口內的信號進行AD采樣，采樣電壓范圍為-2.54～2.54 V，頻率為200 kHz。

低通濾波器：基于200 kHz的IIR低通濾波器，截止頻率設為35 kHz，通過MATLAB中的數字濾波器設計工具設計，生成的濾波器系數提供給底層，在MPC5634M中，通過配置系數實現。

降采樣：采用2∶1降采樣，在保證信號精度的前提下減少后面帶通濾波器處理時間。

帶通濾波器：系統一共有7個不同中心頻率（8 kHz、10 kHz、12 kHz、14 kHz、16 kHz、18 kHz和20 kHz）的63階FIR濾波器，7組系數通過標定得到，儲存在處理器中，通過軟件實現濾波；具體實際用哪一個濾波器由上層控制策略決定，與氣缸號和發動機轉速有關，運行過程中會動態轉換，實現對爆震信號頻率變化的跟隨。

整流：從爆震傳感器得到的是差分信號，有正有負，通過求絕對值全部轉化為正值。

積分：通過上層傳遞的兩個爆震窗口參數，將信號序列分割為3部分，前兩部分結合對應超級爆震窗口內的信號，后兩部分結合對應普通爆震窗口內的信號，通過信號序列幅值累加分別得到超級爆震能量和普通爆震能量，將其傳遞給上層控制策略，用于超級爆震和普通爆震的判決。

4 爆震控制策略

4.1 爆震控制系統調度

4缸發動機曲軸每轉180°（一個沖程）會點火一次，點完火后需要對該氣缸進行爆震檢測，因此點火控制和爆震控制應該是基于一個沖程的調度。

由于點完火后氣缸壓力迅速增大，到TDC之后達到最大值，此時是爆震可能發生的區域，因此爆震窗口開在TDC之后一定角度內，這樣爆震控制對應上次點完火的氣缸，爆震數據分配（輸出）對應于將要點火的當前氣缸，如表1所列，其中軟件氣缸號0-1-2-3對應實際點火氣缸1-3-4-2。

表1 爆震與點火氣缸號之間的關系

4.2 普通爆震控制策略

爆震控制策略的實現采用基于Simulink模型的設計，其控制策略主要由以下幾部分構成：

a.爆震控制功能激活

爆震發生在一定條件下，當發動機起動結束后，發動機溫度、轉速和負荷同時滿足大于相應閾值時，激活爆震控制。

b.爆震窗口產生

爆震窗口起始角度通過發動機轉速和負荷查標定表格得到，轉速越大，窗口起始角度越小，負荷越大，窗口起始角度越大，最終得出的窗口起始角度被限制在TDC之后一定角度范圍內。

爆震窗口長度通過發動機轉速查標定表格得到，轉速越高，窗口長度越長。

c.帶通濾波器序號選擇

帶通濾波器序號通過發動機轉速和氣缸號查標定表格得到，共有7個中心頻率的濾波器，目前只用了其中的3個，分別對應濾波器中心頻率12 kHz、16 kHz和20 kHz，上層向底層傳遞濾波器序號，底層使用對應的濾波器系數實現相應中心頻率的帶通濾波。

d.爆震閾值

爆震基本閾值是通過標定表格得到，其值表示轉化后的能量值與參考背景噪聲的比值。由于爆震傳感器安裝在2缸和3缸之間，同樣振動情況下檢測到2缸和3缸的能量值要比1缸和4缸大，因此2缸和3缸的閾值要大于1缸和4缸?；鹃撝颠€需要經過發動機轉速動態、負荷動態和濾波器轉換的修正。動態工況時缸體振動較大，為了防止誤判需要增大爆震閾值，濾波器轉換時，從底層獲取的能量值也會增大，爆震閾值也需要增大。

e.參考背景噪聲計算

發動機起動結束后，上層會對參考背景噪聲初始化，然后以此值為基礎跟隨從底層獲得的實際噪聲能量來估算當前的參考背景噪聲。

f.放大等級控制

底層從爆震傳感器獲取電壓信號后，需要對其進行放大控制，目的是使電壓信號保持在合理的范圍內。如果電壓信號太小，受到AD采樣精度影響，信號會失真；如果電壓信號太大，會超過AD采樣電壓上限，信號也會失真。放大倍數受上層控制，實際放大倍數1、2、4對應放大等級0、1、2，上層是根據估算的參考背景噪聲來進行放大等級調整的，如果參考背景噪聲超過上限，放大等級會減1，低于下限，放大等級會增1。

g.爆震檢測

從底層獲取各缸對應窗口內的能量值后，轉化為0～5 V之間的電壓值，能量電壓與參考背景噪聲電壓的比值如果超過閾值，則認為發生了爆震。另一種情況是轉化后的能量電壓很接近上限5 V，例如大于4.9 V，這樣也認為發生了爆震。

h.爆震控制點火角推遲

檢測到某一氣缸發生爆震后，將此缸的點火角向后推遲一定角度（一般為3°），當此氣缸的爆震消失后，點火角每隔一段時間向前恢復一定角度（一般為0.75°）。

4.3 超級爆震控制策略

超級爆震控制策略主要由以下幾部分構成：

a.超級爆震控制功能激活

普通爆震控制激活是超級爆震控制激活的必要條件，另外發動機溫度和負荷要同時滿足大于各自閾值。

b.超級爆震窗口產生

超級爆震窗口起始角度計算方法與普通爆震類似。超級爆震窗口起始角度位于TDC和普通爆震窗口起始角度之間。

超級爆震窗口長度計算方法與普通爆震類似。超級爆震窗口結束位置位于普通爆震窗口結束位置之前。

c.超級爆震閾值

計算方法與普通爆震類似，區別是比普通爆震閾值大很多。

d.參考背景噪聲計算

計算方法與普通爆震類似。

e.超級爆震檢測

超級爆震檢測方法與普通爆震類似。

f.超級爆震控制

當檢測到某一氣缸發生超級爆震時，首先會對該氣缸進行燃油加濃，通過降低氣缸內混合氣溫度來抑制超級爆震；如果在一段時間內，又檢測到此氣缸發生超級爆震，則進行凸輪軸調節，通過掃氣作用來抑制超級爆震；在一定時間內還發生超級爆震的話，最后只能進行斷油控制。發生超級爆震時，采取的每種控制措施只作用一段時間，當一定時間內不再發生超級爆震后，控制措施會關閉，然后等待下一次檢測到超級爆震時再啟動。

4.4 爆震控制總體方案

爆震控制總體方案如圖3所示，爆震傳感器信號經過底層一系列處理后，傳給上層兩個能量值：一個用于普通爆震控制，另一個用于超級爆震控制；前者最終結果輸出給點火系統，用于推遲點火角；后者最終結果輸出給燃油系統和進氣系統，用于燃油加濃、凸輪軸調節和斷油。

所設計的爆震控制模型包括普通爆震控制模型和超級爆震控制模型，其中普通爆震控制模型包括爆震信號處理、爆震控制運行條件、爆震檢測和爆震控制點火角推遲，超級爆震控制模型包括超級爆震信號處理、超級爆震檢測和超級爆震控制。

5 爆震控制HIL和臺架測試結果

爆震控制模型分別經過定標、仿真測試并通過自動代碼生成技術與底層驅動軟件一同生成可執行文件，將其下載到ECU開發板中用于HIL和臺架測試。表2是臺架測試發動機基本參數。

表2 臺架測試發動機基本參數

5.1 普通爆震控制測試結果

圖4～圖6是自主開發的ECU臺架測試中普通爆震控制的測試結果。從圖中可以看出，某一缸振動能量出現大的尖峰且超過一定限度時，認為發生了普通爆震，普通爆震標志位會置1，對應缸的點火角會推遲（標定為3°）；當該缸出現連續爆震時，會在原來推遲的基礎上進一步推遲，但最大推遲角度會限制在4個缸平均推遲量附近，以確保發動機運行的平穩性。當爆震消失后，點火角推遲量每隔一段時間（標定為3 s）恢復一定角度（標定為0.75°），直到恢復到0為止。從缸體振動能量變化可以看出，當某一氣缸發生普通爆震后，缸體振動能量出現較大尖峰，通過點火角推遲，爆震消失，振動能量尖峰消失，當點火角恢復到一定程度后（超過爆震限值），又出現了爆震，這種重復出現的爆震是人為將點火角提前引起的。

5.2 超級爆震控制測試結果

超級爆震的測試在HIL上進行，爆震信號及噪聲信號由HIL產生，噪聲電壓設置為0.2 V（上下波動0.08 V），每隔20 s連續提供20個工作循環的爆震信號，爆震信號形式為震蕩衰減信號，如圖7所示。ECU對信號進行處理后傳到上層控制策略，上層將其轉化為0～5 V之間的電壓值，超級爆震檢測及控制情況如圖8～圖12所示。當某一缸檢測到超級爆震時，會向燃油系統輸出加濃需求（相應標志位置1，保持10 s）和向進氣系統輸出凸輪軸調節需求（相應標志位置1，保持10 s）；如果超級爆震依然存在，則會向燃油系統輸出斷油需求（斷油類型的值分別為1、2、4、8時，分別對應0、1、2、3號氣缸斷油，每次斷油需求持續5個工作循環）。

Design of Knock Control System for GDI Turbocharged Engine Based on Model

Liu Shaofei1,2,Yu Xiao1,2,Chen Jie1,2
（1.R&D Center of Great Wall Motor Company;2.Automotive Engineering Technical Research Center of Hebei）

To detect the knock of GDI turbocharged engine correctly and control it effectively,we design a control system,which detects oscillation of every cylinder through knock sensor.The energy of every cylinder is acquired via signal processing and is estimated whether knock happens,if it is the case,the knock intension will be determined and the knock will be divided into common knock or super knock.The former will be controlled by ignition angle retarding and the latter will be controlled by fuel enrichment,camshaft adjustment and fuel cutoff.The results of HIL and test bench tests indicate that this system can detect knock correctly,control it effectively and ensure power,economy and security of the engine.

GDI engine,engine knock,control system

GDI發動機 爆震 控制系統

U464.12

A

1000-3703（2015）11-0015-04