电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析说明书毕业论文.doc

11绪言1.1本课题的研究背景随着汽车工业的不断发展，汽车产量和保有量与日俱增，汽车排放对大气污染也日益严重，人类生活环境受到严重威胁。开发动力性、经济性和排放俱佳的汽车已成为汽车工业发展的必然趋势。世界各国都制定了日益严格的排放法规。1960年美国南部的加利福尼亚州制定了世界上第一个汽车排放污染限制法规，1968年美国又颁布了联邦排放法规，以后一再修订，日本与欧共体国家(即如今欧盟国家)也相继制定出排放法规。排放法规的日益严格，使传统的化油器及机械点火发动机难以满足要求。也制定了相应的政策。从2003年7月1日起，我国实行欧排放标准，而北京在2002年8月1日就提前执行了欧排放标准，并计划到2008年的奥运年将执行接近于欧IV水平的新排放标准。世纪内燃机问世以来，随着各种新技术的不断应用，其性能有了显著的提高。特别是近三、四十年内，电子技术得到飞速发展，各种高性能和高可靠性的传感器、微处理器和执行器相继问世，使得电控技术在发动机性能优化中的应用成为可能。电控技术所带来的高燃油经济性、大功率输出、低排放、优良的冷启动和暖机性能、怠速控制精确等优点使其在现代发动机中处于举足轻重的地位。其中，空燃比的精确控制是一直关注的焦点问题。众所周知，空燃比是发动机运行时的一个重要参数，对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。随着空气污染的日益严重，对汽车尾气排放要求越来越严格，需要对空燃比进行精确的控制。目前，电控燃油喷射结合三元催化转化技术己成为车用发动机降低排放的最直接有效的方式。然而，三元催化器的转化效率受空燃比的影响很大，研究表明，要想获得较高的转化效率(80%以上)，要求空燃比控制在化学计量比(即空燃比为14.71误差不超过士3.5%2。进气流量的精确测量是空燃比控制的基础，按所采用的传感器不同分为基于进气压力测量和基于进气流量两类，其中，基于进气流量的空气质量传感器在汽车上得到了较为广泛的应用。1.2国内外研究现状传感器的特性问题成为研究的重点，对传感器的建模精度有了更高的要求，种传感器都存在传感器动态非线性，再使用线性动态模型和校正方法无法解决上述问题3。为此，国内外专家开始研究传感器的动态非线性问题，目前主要集中在传感器的动态非线性建模上。有以下几种模型:(1)volterra级数4。该模型的物理意义清晰，但系数较多，尤其是Volterra级数高阶核非常复杂，还需要构造特殊要求的输入信号，不易辨识。(2)神经网络模型。神电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析2经网络函数为非线性，但其实时性差，计算量大，对传感器输入信号有要求。同时，模型存在收敛问题。(3)块联模型，典型的有Wiener和Hammerstein模型。此类模型结构简单，非线性和线性分开识别，大大降低识别复杂度。同时，也便于非线性校正。为了精确控制空燃比，需要研究关键传感器的动态特性。针对上述传感器，国内外专家使用各种方法进行动态特性的研究。Buehler等提出以综合信息方法分析和控制热膜/线式MAF传感器，以节流阀位置传感器和发动机速度传感器的信息，来预测空气质量流量传感器的输出，并将预测值与实测的空气质量流量传感器输出进行比较，调整模型参数，得到空气质量流量传感器在不同进气量下的特性，以控制进气量5。Mrad等提出用时变自回归滑动平均(TARMAX)模型描述MAF传感器的动态非线性特性，预测传感器的响应6。FollmerWC和ZiesmerDA等人利用扰动测量技术对热线式MAF传感器小信号激励下的响应特性进行了研究7，但由于对其呈现出的整个变化特性缺乏了解，因而在ECU传统的控制策略中传感器的动态特性并未被充分考虑，以至于存在大的进气脉动时，无法准确地测量平均进气量8。但是这些方法或计算复杂，或难于实现，也不利于传感器的动态校正。国内，针对MAF传感器动态特性和动态非线性建模的研究较少。上海理工大学的李长武等设计了适用于内燃机的热线式态性能的研究9。上汽集团工程研究院研制了热膜式空气质量流量传感器，但没有进行动态性能研究10。长安大学的吴克刚从理论山分析了热模式传感器的动态特性11。但给出的数学模型与敏感元件的结构、材料、电桥电路和放大器的参数有关，仅对传感器设计有指导意义，无法用来分析产品型传感器的实际特性。氧传感器的响应特性不仅影响到空燃比的精确测量，而且影响到反馈控制器的调节时间和控制精度。出于各种目的，人们通过实验对不同氧传感器的动态性能进行了研究。合肥工业大学的谈建等在发动机实验台上，采用比较法对EGO传感器进行了稳态标定实验，根据实验数据，利用分段多项式法和非线性回归分析法建立了传感器的静态模型，取得了较好的结果12。任好等初步设计了动态标定实验方案，研究EGO传感器的动态特性，并采用了块联模型的建模方法解决其动态非线性问题13。LiMaoqing等人将TioZ薄膜氧传感器安装在温度恒定的电加热炉内，通过改变CO和CO2的流量或N2和O2的流量来调整炉内气压，研究了传感器动态特性，正、负阶跃的时域响应对比。为了估计氧传感器的中毒情况，MassimoCarriero等人14通过采用两个不同的加热装置(高温硅油和电加热器)把气体加热到实际废气温度，利用计算机控制3种不同模拟气体的流量，以实现N2/O2混合气和N2/CO混合气的快速切换，并利用N2来排出管道中的残余气体。根据一组在汽车上使用3过的氧传感器的动态特性测量结果，得到了不同的兄传感器开关特性与AFR漂移对称性的关系。罗志安15等人在汽油发动机台架上，对自行研制的HEGO传感器响应特性进行了研究。研究表明，若定义响应时间为入值发生变化，传感器输出达到始、末状态变化量的2/3所需时间，当入在0.961.04之间变化、排温为350和800时，混合比由稀到浓和由浓到稀的传感器响应时间分别为95ms、600ms和80ms、580ms。为了研究不同工作条件对HEGO传感器氧敏响应特性的影响，林健等人16在氧传感器专用测试平台上进行了一系列实验研究。结果表明，当定义响应时间为传感器输出在300mV600mV之间的切换时间时，在排温分别为350、650、850，从1.1变化到0.97和0.97变化到1.1时，氧传感器响应时间分别为6lms、106ms、144ms和98ms、30ms、22ms。根据CookJ.A等人的研究，认为ZrO:EGO传感器对空燃比阶跃变化的典型响应时间小于300ms17。1.3本课题研究内容简介1.3.1研究意义目前，日益严重的全球环境恶化己威胁到人类的生存和社会的发展，环境问题己被公认是当今世界所面临的最为严峻的挑战，机动车尾气排放是造成环境污染的主要原因之一18。据有关资料介绍，世界汽车保有量己经达到6.5亿辆以上，我国汽车也超过1000万辆，汽车数量和行驶密度的不断增加，加剧大气污染程度。我国首都北京地区大气环境中CO、HC、NOx的含量己经超过国家二级标准的规定，大气污染物中60.6%的CO、8.68%的HC、5.47%的NOx来自机动车辆的排放19。同时，有限的地下石油资源枯竭之日己近在眼前，据有关经济学家的反复论证，到2010年世界经济将发展到能源消耗的高峰，而世界上现已探明的石油储量到届时够用时间已缩短到30年，原先的产油国在21世纪将变成进口能源的国家，各国为能源安全而展开的石油争夺战将更加激烈20。为此，减少同等汽车数量条件下的汽车排放，提高汽车对石油的使用效率成了如今的一个重要议题，其中，提高三元催化转化装置的转化效率是一个重要的措施。然而，只有通过准确的将空燃比控制的14.7的水平，三元催化转化装置才能以最高的效率工作，本文就是研究怎样将空燃比控制在14.7的水平。1.3.2研究内容本课题研究燃用气体燃料发动机的空燃比控制技术。在本课题中采用过量空气系数。来表征发动机运转过程中的空气量和燃料量之比。当al.000时，说明这时混合气状态为稀。本课题所研究的空燃比控制器要求燃料空燃比控制系统能够根据不同的a况快速反应，调整燃料喷射量，使发动机过址空气系数a稳定在三元催化转化器有效工作范围内（0.995-1.005），实现良好的排放性能。另外为实现空燃比控制系统有效的转化，本文还设计了实现此功能的控制电路；选择了作为输入装置的废气氧传感器、转速传感器、节气门位置传感器；燃油喷射时间和喷射时刻的控制电路。1.3.3研究方案与技术路线本课题运用开环和闭环来控制燃气喷射量与喷油的时刻。当发动机处于过渡工况，如加载、卸载和加减速时，运用开环控制，根据转速信号和节气门位置信号对事先制取的燃气喷射占空比MAP图进行取值操作，从而控制喷油量和喷油时刻。当发动机处于稳定工况时，系统就采用开环与闭环相结合的方式控制，根据闭环系统中氧传感器反馈的废氧浓度信号不同，采取不同的空燃比控制策略实时计算喷气占空比，使系统工况较快稳定并达到较佳废气排放浓度。在闭环控制系统中，当废氧浓度波形信号较大程度偏离理想波形信号时，系统就采用增量逼近法，使空燃比快速地逼近理想空燃比范围(表现为过量空气系数。处于在窗口内)；当废氧浓度波形信号接近理想波形信号时，系统就采用PI控制，使空燃比稳定于理想空燃比范围:当废氧浓度波形信号处于低速振荡时，系统就采用固定增量法，使空燃比收敛于理想空燃比值。为实现研究目的，本课题主要