电控汽油机怠速控制方式.pdf

吉林大学硕士学位论文 论文分类号 TK464 单 位 代 码 10183 i 密级 内 部 研 究 生 学 号 2990212吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 DA462汽油机单点电控燃油喷射标定及怠速控制的研究 Study on the Calibration and Idle Speed Control of Single Point Fuel Injection for DA462 Gasoline Engine 作者姓名：李 雪 松 专 业：动力机械及工程 导师姓名 及 职 称：李云清 副教授 于秀敏 教授 论文起止年月：2001年3月至2002年3月 李 雪 松 吉林大学硕士学位论文 提 要 本文主要进行了DA462发动机的单点电控汽油喷射匹配标定实验，并结合该实验设计了一套DA462发动机的PID怠速控制系统。研究内容概括如下： 1汽油机怠速工况是提高经济性和排放性能的重要工况，对怠速控制的主要目标是在尽可能低的CO和HC的排放下，保持怠速工况在较低的转速下运转平稳。本文采用调整怠速旁通空气流量的方法对怠速控制进行了研究。 2.本文采用步进电机作为怠速旁通空气量的调节机构，设计了步进电机的硬件驱动电路。以转速信号和冷却水温信号作为输入量，以80C196KC单片机作为控制单元，成功地驱动了步进电机。 3设计了数字式PID控制器，编制了相应的控制软件，包括上下位机程序。实验表明，采用PID控制方法进行怠速控制是可行而有效的。怠速转速波动水平可控制在35r/min范围内。 4对DA462汽油机进行了单点电控汽油喷射的匹配标定试验。通过分析不同转速、不负荷下的燃料调整特性，根据不同工况区域的匹配标定目标，进行了喷油脉宽的标定。使得匹配标定后的发动机动力性、经济性指标均有所提高。 关键词：PID控制 匹配 标定 汽油机 怠速 ii 吉林大学硕士学位论文 目 录 第一章 绪 论.1 1.1 汽车电子技术的发展与现状.1 1.2 汽车发动机电控燃油喷射技术发展概况.2 1.3 汽油机怠速控制发展状况.4 1.4 本文的主要内容.7 第二章 怠速控制系统的总体方案及PID控制器的设计.9 2.1 怠速控制总体方案设计.9 2.1.1 启动初始位置的确定.9 2.1.2 启动控制.9 2.1.3 暖机控制.10 2.1.4 正常怠速.10 2.2 数字式PID控制器的设计.10 2.2.1 PID控制简介.10 2.2.2 数字式PID 控制器的设计.12 2.3 数字式PID控制算法的改进.14 第三章 怠速控制系统的软件设计.16 3.1 上位机软件设计.16 3.2 下位机软件设计.16 3.2.1 主程序设计.16 3.2.2 子程序设计.18 第四章 怠速控制系统的硬件及接口电路设计.23 4.1控制单元80C196KC单片机.23 4.1.1 80C196KC单片机简介.23 4.1.2 本文所用到的主要功能.24 4.2 执行机构驱动电路设计.27 4.2.1 步进电机驱动电路.27 iii 吉林大学硕士学位论文 4.2.2 喷油器驱动电路.29 4.3 传感器信号处理电路设计.30 4.3.1 转速信号.30 4.3.2 水温信号.31 4.3.3 节气门开度信号.32 4.3.4 蓄电池电压测量电路.32 第五章 系统抗干扰设计.33 5.1 发动机的干扰分析.33 5.1.1 内部干扰.33 5.1.2 外部干扰.33 5.2 硬件抗干扰设计.34 5.2.1 电源及接地电路设计.34 5.2.2 输入输出通道的抗干扰措施.35 5.3 软件抗干扰设计.36 5.3.1 干扰信号对软件的影响.36 5.3.2 软件抗干扰措施.37 第六章 实验结果及数据分析.39 6.1 怠速控制系统实验.39 6.1.1 实验仪器及实验装置.39 6.1.2 转速与步进电机步数关系图制取实验.40 6.1.3 PID控制参数整定实验.42 6.2 DA462匹配标定实验.44 6.2.1 发动机匹配的一般原则.44 6.2.2 DA462发动机单点电控匹配.48 第七章 全文总结及展望.54 致 谢.58 参考文献.55 iv 吉林大学硕士学位论文 摘 要. I Abstract . IV v 吉林大学硕士学位论文 第一章 绪 论 1.1 汽车电子技术的发展与现状 汽车工业100多年来一直占据发达国家支柱产业的地位。一方面，汽车工业的发展迫切需要新科学、新技术的支持；另一方面，新科学、新技术又需要找到用武之地，以扩大其产业发展。所以，从电子工业诞生开始，两者就紧密地联系在一起，成为世界工业的两大支柱。 70年代，电子技术取得了一系列突破性进展。1973年，Intel 4 位CPU I 4004和8位CPU I 8008相继问世；1975年，8位单片集成的CPU I 8048 问世；1976年，16KB RAM 问世；1978年，64KB RAM 问世；1979年，16 位 CPU I 8086问世。电子工业的迅速发展为汽车电子技术的发展提供了可能。而同时，汽车保有量的增加使大气污染问题日益严重。1960年，美国加州制定了世界上第一个汽车排放污染限制法规。1968年，美国颁布了联邦排放法规。这些法规一再修订，限制越来越严格。继美国之后，欧洲和日本也相继制定出排放法规。在70年代，还发生了1973年和1979年的两次石油危机。1978年，美国又颁布了联邦燃油经济性法规。这些法规的颁布对汽车工业造成了巨大的压力。而传统的机械改良方式是无法逾越这些障碍的。在这样的历史背景下，形成了70年代汽车电子技术蓬勃发展的局面。表1-1列出了70年代发动机电子技术发展的一些情况。 在80年代，微机技术有了更长足的发展。继1983年Intel 16 位CPU I 8096问世后，Motorola公司又于1984年和1987年分别推出32位CPU MC68020和MC68030。与此同时，内存芯片也从1983年的256KB、1985年的1MB增长到1988年的4MB RAM。微机速度、字长和内存容量的飞速增长，为以微机为“大脑”的发动机集中控制系统提供了基石。在这期间，各种发动机的控制系统功能日趋完善，且从单一的发动机集中控制，发展到包括自动变速器的动力总成控制，再发展到整车集中控制。今天，美国几乎100%的轿车都采用了电子控制1；日本和欧洲紧随其后，电子控制的轿车占其出厂轿车的比率也接近100%。 1 吉林大学硕士学位论文 表1-1 70年代发动机电子技术的发展 年份 发 展 情 况 1970 ISUZU五十铃汽车公司采用Bosch D型电子燃油喷射系统 1971 TOYOTA、NISSAN汽车公司先后推出电子燃油喷射系统 1972 GM汽车公司推出Monolithic IC 电子点火系统 VW(大众) 汽车公司采用Bosch L 型电子燃油喷射系统 1973 GM汽车公司推出高能点火HEI系统 1974 TOYOTA汽车公司推出半导体点火系统 1975 Chrysler(克莱斯勒) 汽车公司推出模拟式微机电子控制点火系统 1976 GM汽车公司推出数字式微机电子控制点火系统 Ford汽车公司推出EEC-I发动机电控系统 1977 GM汽车公司推出爆燃控制系统 Ford汽车公司推出EEC-II发动机电控系统 1978 NISSAN汽车公司推出电子化油器 Ford汽车公司推出EEC-III系统，之后又推出单点喷射CFI电控系统 GM汽车公司推出电子化油器，之后又推出单点喷射TBI电控系统 1979 NISSAN汽车公司推出ECCS发动机电控系统 GM汽车公司推出C3I无分电盘式电子点火系统，之后又推出带停缸控制的电喷系统 1980 TOYOTA、NISSAN汽车公司先后推出爆燃控制，TOYOTA还推出TCCS发动机控制系统 1.2 汽车发动机电控燃油喷射技术发展概况 汽油喷射技术首先应用在二战后期军用飞机发动机上, 其目的主要不是为了降低燃油消耗率，而是为了排除高空中化油器容易产生的结冰故障，以提高工作可靠性。由于其成本高昂，加上其优点对车用发动机并不显着，因而这一技术并未在汽车行业得到推广，只有在要求输出功率大、瞬态响应性能好的赛车中得到了应用。 轿车最早采用汽油喷射技术是在50年代初期1。当时的汽油喷射系统极2 吉林大学硕士学位论文 类似于柴油喷射系统，采用了机械式的高于汽油的特性不同于柴油，润滑、密封均现了进气管喷射系统，如Benz 200 SE装置，但由缸内高压喷射变为进气管喷射制上已能对起动加浓、暖机加浓作出补偿气压力对空燃比进行校正。 最早提出电子控制汽油喷射系统是在手开发的Electrojector系统当时已具雏形。技术的研究重点是如何提高发动机的输出经济性考虑较少，对排放污染则尚未考虑不足。而今天，人们已经充分认识到由于给发动机性能、排放和燃油经济性带来了电子技术的局限，电子控制汽油喷射技术场。 1967年，原西德Bosch公司推出了揭开了发动机电控技术迅猛发展的序幕。的压力，加上电子技术的飞速发展，使此首先是对空燃比控制技术的提高，对空气流量的测量，由速度-密度法发展到用空气流量计的直接测量；从开始利用翼片式、卡门涡旋式等空气体积流量计，到1981年推出热线式空气质量流量计；同时还发展了利用排气氧传感器的空燃比闭环控制技术。采用闭环控制技术和自学习控制技术，大大改善了由于车-车异性、老化等造成的空燃比控制误差。 其次是计算机的加入以及计算机速度、容量的提高，使控制功压喷射泵，直接向缸内喷射。但由较难解决，使其未能推广。稍后出汽油喷射系统。该系统仍然是机械式，并采用了分组喷射的方式。在控，并可在运行中根据进气温度和大1953年1，由美国Bendix公司着总的来说，在50年代对汽油喷射功率和瞬态反应性能，而对燃油的。对于电子控制系统的优点也认识这种精密控制和精确校正的功能，巨大的改进潜力。另外，由于当时举步维艰，露面不久就退出轿车市D-Jetronic电子控制汽油喷射系统，排放法规出台和石油危机这两方面后的电喷技术发展驶上了快车道。1976 1980 1984 1988 1992020406080100美国西欧日本(%)喷射化率年份图1-1 各国轿车汽油喷射化发展趋势 3 吉林大学硕士学位论文 能越来越完善。进气道汽油喷射由简单的多点喷射发展到多点顺序喷射，从而进一步改善了排放和瞬态性能。多种传感器的应用，使控制器可以了解整个发动机的运行条件和环境条件，进而可能针对不同工作模式进行智能化控制。随车故障诊断系统可对喷射系统以至控制器本身进行检测，避免了故障运行时的性能恶化，并提高了可靠性，使维修更加方便。由于这些原因，电控汽油喷射得到了迅速的产业化发展。图1-1是各国轿车汽油喷射化发展趋势。 汽油喷射是从进气道多点喷射MFI(Multipoint Fuel Injection)发展起来的，并向进气道多点顺序喷射SFI(Sequential Fuel Injection)进化。MFI只是一个中间产品，微机的迅速发展，很快就奠定了SFI的地位。但同时，进气道单点喷射也出现了。1979年，Ford公司推出了CFI(Central Fuel Injection)系统，GM公司推出了TBI(Throttle Body Injection)系统，它们都是用安装在节气门体上的一个中央单点喷射单元，代替了原来的化油器。由于中央单点喷射系统结构简单、价格便宜，而性能又大大优于化油器，所以问世后马上进入了实用化阶段，并且直到今天仍具有一定的生命力。 最近，随着对稀燃(Lean Burn)技术的研究，50年代曾经研究过的缸内直喷技术又重新成为研究的热点。 1.3 汽油机怠速控制发展状况 汽车在城市中行驶时，经常会遇到交通拥挤的状况，此时发动机多处于怠速工况。发动机的怠速油耗约占整个工况油耗的30%3。因此，过去人们一直以降低怠速转速为目标来改善发动机的经济性。但是，汽油机的怠速工况由于需要供给较浓的混合气，燃烧不完全，所以怠速工况是产生CO和HC有害排放物的主要工况。而且，怠速转速越低，废气的稀释作用越明显，这会使CO和HC的排放浓度进一步增加。提高怠速转速对减少CO和HC的排放是有利的。怠速转速从700r/min提高到800r/min，CO下降10%，HC排放量下降15%。因此，汽油机怠速控制的目标应为在尽可能低的CO和HC排放下，保持怠速工况在较低的转速下运转平稳。另外，还应考虑冷车启动、空调及电气负荷、自动变速器、动力转向伺服机构的接入等情况都会引起怠速转速的变化，使发动机运转不稳定甚至熄火。 4 吉林大学硕士学位论文 当前，对怠速控制策略的要求主要包括以下几个方面： 在所有可能的工况条件下提供理想的怠速空气量。 及时补偿发动机的负荷变化。 防止发动机的失速。 采用维持最低怠速与减速空气量控制等方式，以取得良好的燃油经济性。 采用急减速时增加空气量等方式改善排放。 对于零件老化及各车异性等所致的差异能自动地进行补偿，以减少周期性调整的要求。 改善车辆的可驾驶性。 传统的化油器采用单独的怠速系，由怠速空气量孔和怠速孔共同调节以供应怠速时较浓的混合气，保持怠速工况稳定。但是这种机械式的调节方式无法满足上述要求，很难满足使发动机在复杂的外界条件下保持怠速稳定、排放良好的目标。 电控汽油机在怠速工况时除了将怠速转速适当提高以降低CO和HC以外，还可以通过调整怠速空气量与喷油