（动力机械及工程专业论文）电控cng发动机空燃比闭环控制系统研究与开发.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 随着社会的全面发展，环境污染和石油危机两大问题己经成为当前人类所面临 的两大主要问题。为了减少有害排放和降低能耗，世界各国都在积极开发新能源， 寻找代用燃料。天然气以其良好的可获得性、低污染性和经济性日益受到世界各 国的重视，所以天然气为燃料的发动机也因此成为内燃机领域最热门研究方向之 本文的研究工作是“重型商用车c n g 发动机产品开发”中的一部分研究内容， 该项目属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 。该课题以w d 6 1 5 增压柴油机为 原型机，开展了气体燃料发动机电子控制理论和关键技术的研究工作。该项目是 一个持续的长期的项目，而且正处于不断的完善之中。本文就是在前期课题所开 发的电控系统的基础上开发了空燃比闭环控制系统。之所以要开发该系统的目的 就是为了精确控制空燃比，以达到进一步改善c n g 发动机排放性能和经济性能的 目的。 在深入分析单燃料c n g 发动机的空然比闭环控制策略的前提下，本文确定了 智能式p 1 d 控制为核心的空燃比闭环控制总体设计方案。并进行了传感器性能分 析，在此基础上通过模块化设计出了宽域氧传感器控制器。在进行完所有设计工 作和准备工作以后，本文又进行了大量实验工作通过实验数据不仅证明软硬件 部分工作正常达到预期目的，而且还验证了本文所开发的空燃比闭环控制系统确 实对发动机的排放性能和经济性能有明显的改善。 关键诃：c n g 发动机；稀燃；空燃比；闭环控制系统 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o m p r e h e n s i v ed e v e l o p m e n to f s o c i e t y , e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d t h eo i lc r i s i sh a v eb e e nt h et w om a j o ri s s u e sw h i c hh u m a n i t yh a st of a c ea tp r e s e n t i n o r d e rt or e d u c eh a r m f u le m i s s i o n sa n dl o w e rt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n , m o l e ：a n dm o r e c o t m f a i e sa r o u n dt h ew o r l da l - ea c t i v e l ys e a r c h i n gf l e we n e r g yr e s 叫幽e sa n ds e e k i n g a l t e r n a t i v ef u e l w i t hi t sg o o dg a sa v a i l a b i l i t ya n dc h a r a c t e r , l o wp o l l u t i o na n d e c o n o m i ci m p o r t a n c e , t h en a t u r a lg a si sb e i n gf o c u s e db yt h ec o u n t r i e si nt h ew o r l d a n d w h ot on s en a t u r a lg a sa sf u e le n g i n ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n eh a sb e c o m et h e m o s t p o p u l a r r e s e a r c h d i r e c t i o n t b i sr e s e a r c hw o r ki sap a r to ft h e ”h e a v yc o m m e r c i a lv e h i c l ec n ge n g i n e p r o d u c td e v e l o p m e n t ”；t h ep r o j e c ti so n eo fn a t i o n a lh i 曲- t e c hr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp l a n s ( 8 6 3p l a n s ) i nt h i sp r o j e c tw d 6 1 5t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ea s t h ep r o t o t y p e , a n dl a u n c h e de l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dc n ge n g i n et h e o r ya n dc r i t i c a l t e c h n i c a lr e s e a r c hw o r k t h ep r o j e c ti sal o n g - t e r mp r o j e c ta n di nac o n s t a n tp e r f e c t i o t l t i l i sp a p e rr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e da fr a t i of e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mw h i c hw a so n t h eb a s i so ff o r m e re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e md e v e l o p e ds o m e t i m ea g o r e a s o nf o rt h e p u r p o s eo fd e v e l o p i n gt h i ss y s t e mi st og e tp r e c i s e a i r - f u e lr a t i oc o n t r o lt oa c h i e v e f l l r t h e ri m p r o v e m e n t so f c n ge n g i n ee m i s s i o n se c o n o m i cp e r f o r m a n c e a r e ra n a l y z i n gt h ef e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g yo fs i n g l e - f u e lc n ge n g i n e , t h i sp a p e r i d e n t i f i e dt h es m a r tp i dc o n t r o la st h ec o l eo f t h eo v e r a l ld e s i g nf o rt h i sp r o g r a m t h e n t h i sp a p e ra n a l y s i st h es e n s o rp c r f o r m a l l o g , b a s e do i lt h er e s u l to ft h ea n a l y z i n g , d e s i g n e dac o m b i n a t i o no fac o n t r o l l e ra n da m p l i f i e rf o ru e g os a l s o fw h i c hi sa i s o s u i t a b l ef o re c u a f t e rf i n i s h i n ga l lt h ed e s i g nw o r k sa n dp r e p a r a t i o n s , t h i sp a p e rh a s c o n d u c t e dal o to fe x p e r i m e n t a lw o r k , a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t ai t 啪b e c o n c l u d e dt h a tn o to n l yh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew o r k sn o r m a l l y , b u ta l s ot h ee m i s s i o n s a n de c o n o m i cp e r f o r m a n c eo f t h ec n g e n g i n eh a v eb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db yt h i s f e e d b a c k 心f u e lr a t i oc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：c n g e n g i n e ；l e a nb u m ；a i rf u e lr a t i o ；f e e d b a c ks y s t 锄 c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存，汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：1 文 ) 宠导师签 签字日期：爵f 嘲 签字日期 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 l f 学位论文作者签名：勺翠、厂欠签字目期：如如硅f 1 月日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘建华老师的悉心指导下完成的，刘建华老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来刘 建华老师对我的关心和指导。 刘建华老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向刘建华老师表示衷心的谢意。 张欣、郭林福老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表 示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李从新、申伟等同学对我论文中的c n g 发动 机特性研究工作给予了热情帮助，在此囱他们表达我的感激之惰。 另外也要感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 垡k 。 北京交通大学硕士学位论文 序 本文所设计的系统是“重型商用车c n g 发动机产品开发”中的一部分，该项 目属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 。本文所做的工作主要是电控c n g 发 动机空燃比闭环控制系统的研究与开发，基本上负责了从总体系统设计到各个模 块的软硬件的开发。总体设计由第二章完成。第三章为硬件方面设计开发，其具 体工作为：从分析宽域氧传感器的结构以及输入输出特性入手，设计了宽域氧传 感器的后端控制器的逻辑算法，并开发了其电路，设计p c b 板，最后实际搭建宽 域氧传感器后端控制器，还负责了后续的宽域氧传感器控制器离线测试，在线的 匹配标定实验。第四章为软件方面设计开发，主要工作有：空燃比闭环控制系统 的整体设计，确定控制策略和控制算法，编写智能式p i d 控制程序以及p i d 控制 参数的整定在本文的第六章还进行了空燃比闭环控制实验，通过与开环控制对 比的方式从精确性，快速性，稳定性等方面对所开发的空燃比闭环控制系统进行 了分析，以大量实验数据和分析来说明本系统的优势。 在系统设计与开发期闯，笔者受到北京交通大学动力系的极大帮助。尤其是 系统的总体设计阶段张欣老师给予了本文极大的建议和帮助，郭林福老师在软硬 件开发阶段给笔者悉心的指导，在空燃比闭环控制实验阶段刘建华老师的帮助是 整个论文得以最终的圆满完成。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 现代社会飞速发展，汽车已一跃成为最重要的工业产品之一。于国家而言，世 界几个主要发达国家如：美、德、日、法等都是发汽车工业作为支柱产业，因为 汽车工业不仅提供大量就业机会而且能大量吸收其他产业的产品已拉动其他产业 的发展。对于一个社会而言，汽车的拥有量可以从一个方面反映出该社会的发达 程度。自1 9 世纪末到今天的1 0 0 多年年问，汽车工业从无到有，从大到小以惊人 速度向前发展。目前汽车的产量已经超过5 0 0 0 万辆，汽车与个人活动的紧密结合 其结果就是大大的提高了工作效率，汽车扩大了人的活动范围，促进了城市的繁 荣，有助于地区经济发展。 汽车在当前社会里有着不可替代的作用，但是传统汽车发展至今也暴露出一些 问题，其中较突出的有：燃料问题，环境问题，交通拥挤问题等等。其中汽车的 燃料成为众多问题的核心：一方面现在汽车所用的燃料都是不可再生的，尤其消 耗殆尽的时候。另一方面：汽车燃料也是环境污染的重要因素，在世界上很多城 市，汽车尾气都是头号污染涮”。 没有燃料汽车就不能行驶，提到汽车使用的燃料大家都会想到汽油和柴油。汽 油和柴油是使用的最为广泛的汽车燃料，但是其存在效率，环境污染严重等问题。 针对汽油和柴油发动机暴露出来的问题当前有许多解决途径，比如：完全脱离 碳基燃料的氢发动机，燃料电池发动机以及天然气发动机等等。这些新型燃料发 动机各有优势，其中天然气发动机因为对发动机结构没有较大改动，结构简单成 本较低等优势成为现在发展较为成功的一种新型发动机。而且我国天然气资源很 丰富，非常适合发展天然气发动机。 以天然气作为汽车燃料有以下优点： 1 天然气是一种洁净的能源，主要成分是甲烷，燃烧后的主要生成物为二氧 化碳和永，其产生的温室气体只有煤炭的1 2 ，是石油的2 3 。 2 天然气汽车是一种理想的低污染车，与汽油汽车相比，它的尾气排放中 c o 下降约9 0 ，h c 下降约5 0 ，n o x 下降约3 0 ，s 0 2 下降约7 0 ， c 0 2 下降约2 3 ，微粒排放可降低约4 0 ，铅化物可降低1 0 0 。可见天 然气对环境造成的污染远远小于石油和煤炭，是一种优良的汽车发动机绿 绪论 色代用燃料。 3 天然气汽车的使用成本较低，比燃油汽车节约燃料费约5 ( p 。 4 天然气是一种低密度气体，稍有泄漏，很快就会扩散到大气中，因此，天 然气作为汽车燃料是比较安全的。 5 就汽车窗体顶端发动机而言，天然气容易扩散，在发动机中容易和空气均 匀混合，燃烧比较完全、干净、不容易产生积碳，抗爆性能好，不会稀释 润滑油，因而使发动机汽缸内的零件磨损大大减少，使发动机的寿命和润 滑油的使用期限大幅度增长。这些都会降低汽车的保养和运行费用，提高 汽车使用的经济性【2 】 另外，天然气发动机经过较长时间的发展技术已经比较成熟，成本相对较低。 天然气与煤炭、石油并列为世界能源的三大支柱。据研究资料显示，世界已探 明的石油储量，按汽车现在消耗的速度，还能支撑4 0 - - 7 0 年。而已探明的天然气 储量，预计可以开采2 0 0 年。从这个意义上讲，天然气汽车是2 1 世纪汽车工业发 展的一个重要方向。我国是石油消耗大国，已经超过日本成为继美国时候的第二 大原油消耗国，可是我国的石油储量并不丰富，据最新资料显示，我国石油进口 依赖度到2 0 5 0 年将达7 5 ，这已经严重影响了我国的能源安全问题。 与石油相比，我国拥有丰富的天然气资源，常规天然气总储量在3 8 万亿立方 米左右，约占世界天然气资源总量的1 1 ，最终可探明天然气地质储量约占2 2 万 亿立方米，我国大部分天然气的甲烷含量都在9 0 以上，都是优质、清洁的汽车 代用燃料。这些都是我国发展开发天然器发动机的物质基础和优势所在。 与丰富的储量相比，我目的天然气发动机技术以及其他配套技术，例如运输、 储藏等技术还比较罗有，我国的天然气发动机尤其是关键技术还停留在主要依靠 进口的阶段。 在我国发展高效、节能、环保的天然气汽车发动机还需要做到以下几点： 1 加快天然气发动机关键技术的研究 a 电子控制技术。应用先进的电控技术对天然气发动机的燃料供给、点火定 时等进行精确控制，是实现天然气汽车发动机高效率、低污染燃烧的关键之一。 电控系统主要包括电控单元、传感器和执行机构等。 b 空燃比控制技术。为协调发动机排放( n o h c ) 、气耗率和可靠性，空燃比 在整个万有特性图上的快速与精细控制是关键。 c 优化燃烧技术。发动机燃烧技术和高能点火技术及其协调优化是实现最佳 性能的必要条件。 d 先进的后处理技术。由于欧i 排放法规不仅要求限制天然气发动机的非甲 烷碳氢( n m h c ) 而且要求控制总碳氢排放( t h c ) ，先进的氧化型后处理技术就成为 2 北京交通大学硕士学位论文 关键技术之一 2 改善供气能力，加快加气站基础设施的建设 利用“西气东输”和进口天然气的管网建设在沿线和周边城市改善供气能力， 为大力发展天然气汽车提供必要条件。影响天然汽车发展的一个重要的因素是加 气站的建设。 3 贮气瓶的研制 研制储存量大、耐高压、轻质的车载复合气瓶已是一个必须解决的重要关键技 术。 4 政府政策的支持 政府的经济政策是影响燃气汽车发展的一个最重要因素。我国政府一直都大力 支持发展天然气发动机，国家在1 9 9 8 年成立了燃气汽车协调领导小组，1 9 9 9 年国 家科技部、经贸委、环保总局、机械工业局等十几个部委发起组织了“全国清洁汽 车行动”，该行动致力于燃气汽车等代用燃料汽车的研制开发和推广应用等。 近年来，我国天然气汽车数量增长较快，从总体上缺乏对天然气发动机控制技 术的系统研究与开发，使我国在该领域的技术与外国过先进水平有了较大的差距。 从长远来看，天然气将会成为最有前途的车用“低污染燃料”。因此，发展天然气汽 车，尤其是发展高性能的天然气发动机对解决环境问题和能源问题都具有十分重 大的现实意义。因此深入发展我国的车用天然气发动机技术，成为我国天然气发 动机工业的当务之急。 1 2 国内外发动机空然比闭环控制研究现状 从1 8 7 2 年问世以来，天然气发动机经历了先快后慢的发展。车用天然气发动 机技术的发展过程大致经历了三个阶段： 第一阶段是2 0 世纪6 0 年代以前。主要目的是以气代油，节约能源。这一时期 的技术研究主要是解决车辆的驾驶性能，尽量缩小与液体燃料发动机的各种性能 差距。 第二阶段是2 0 世纪6 0 年代以后到9 0 年代初。这个阶段的主要目的是解决汽 车尾气排放污染问题。先后开发了用于开环控制供气式汽车及开环控制的电喷供 气装置。 第三阶段是2 0 世纪9 0 年代以后。由于汽油机进行了技术改进，排放污染也大 大减少，天然气汽车优势不明显，从而促进了c n g ( c o m p r e s s e dn a t u r a lg a s 即： 压缩天然气) 汽车产业对发动机进行改造，开发出更先进的闭环电子控制、电子 3 数字控制、单点与多点电喷、高压直喷的燃气供给系统p l 。 精确控制c n g 发动机的喷射量对于改善其动力性、经济性以及排放性有着很 重要的意义。在众多技术中，空然比闭环控制技术对于精确控制喷射量极其重要， 可以说对于高排放性能的c n g 发动机来说空然比闭环控制几乎是必须的。1 9 9 5 年以后，在车用天然气发动机上采用了理论空燃比反馈控制稀燃等技术，使车用 天然气发动机效率、经济性，排放性和动力性都有极大的提高，车用天然气发动 机技术发生了质的飞跃1 4 j 。 在空然比闭环控制技术方面国外的研究机构和发动机公司起步较早，已经取得 了相当的成果，例如：美国康明斯公司。康明斯公司的b 5 9 g 型天然气发动机根 据天然气的物理性质和热力学的燃烧特性，采用稀薄闭环电子控制系统，即采集实 际空燃比的信号，通过当前工况计算得到理论空然比，再不断的修正实际空燃比 与理论空燃比之间的误差，可实现自动调节空气与天然气的配比，使空燃比保持 在2 7 ：1 ，与传统发动机相比，热效率和冷却器的燃烧温度提高2 5 5 0 ，排放达 到美国环保署清洁燃料车队超低排放标准【5 】。 国内在这方面的研究大多处于起步阶段，基本上都是理论研究，各大天然气发 动机厂商的产品中所用的空燃比控制系统大多都是引进的国外的技术。在理论研 究方面天津大学，北京交通大学，吉林大学，北京理工大学和清华大学等科研院 所开始得比较早，提出了很多中理论模型来实现空燃比闭环控制。其中，北京交 通大学动力系综合了多种控制方式的有点，提出了基于前馈p i d 及其变形控制器、 自适应模糊控制器以及基于简单神经元的控制方法，并将p i d 控制技术和模糊神 经网络相结合，在增量式p i d 控制器的基础上提出了一种新的模糊神经混合控制 器及其算法，并且将其实际应用到电控天然气发动机的空燃比闭环控制中，取得 了良好的控制效果。 1 3 本文主要研究内容及选题意义 本文研究的内容是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中的公关项目“重型 商用车c n g 发动机产品开发”中的部分研究内容，该项目的主要内容是：利用之 前长期积累的科研成果，借鉴国际先进的天然气发动机技术，通过采用多点顺序 点火、稀薄燃烧、增压中冷等多种技术先进技术，开发出产品级的重型商用车c n g 发动机，而且最终的产品要力争达到欧排放标准。 本文主要完成该课题中增压单燃料c n g 发动机的空然比闭环控制系统的软、 硬件开发，具体研究内容包括： 4 北京交通大学硕士学位论文 在参考大量理论资料以及分析了重型商用车c n g 发动机的空燃比特性的基础 上，提出了对c n g 发动机采用空燃比闭环控制的控制策略，即用尾气中反馈得到 空然比来控制喷射量的修正量。按照前期制定的控制策略选取适合c n g 发动机和 空然比控制的p i d 控制算法，最后编写程序。 按照课题需要，总体设计出外围硬件电路，包括信号采集、信号处理放大。具 体内容有：按照现有宽域氧传感器的输入输出特性设计出一个配套的信号放大器， 在反复检验以后制作成p c b 板；最后再与氧传感器进行匹配性实验和标定。 开展本课题进一步将先进的汽车发动机控制理论、汽车电子科学等应用到天然 气发动机的研发中。将进一步的完善了重型商用车c n g 发动机的电子控制系统。 其次，本文在天然气发动机空然比闭环控制系统的总体设计，软、硬件等方面 傲了独立自主的探索，使课题在空然比闭坏控制方面取得了一定成果，积累了一 定的经验。并且使整个发动机电控系统得到了完善。因此，本论文的研究内容具 有一定的学术意义和实用价值。 5 北京交通大学硕士学位论文 第2 章发动机空燃比闭环控制系统总体设计 2 1 发动机电控系统分析 与汽油机不同的是，对于天然气发动机来说到达理想的稀燃状态是非常重要 的，所谓稀燃就是天然气与空气比可达到1 ：2 6 左右，到达稀燃状态对提高平均有 效压力、使发动机热效率提高、改善经济性能、改善发动机的排放都起到很好的 作用【6 1 。 但是稀燃也要有一定极限，过量空气系数超过1 5 时，就达到了天然气发动机 的稀燃极限，混合气燃烧不稳定，热效率降低，导致功率下降加快，燃料消耗率 上升。因此，过稀的混合气对天然气发动机的动力性和经济性都是不利的。 由于天然气发动机是一个有延时的系统，其延时包括混合气形成过程的传播延 迟、燃烧完成后废气到氧传感器的传播延迟、传感器的响应延迟等。只采用以氧 传感器信号为反馈的闭环控制系统难以达到对空燃比的精确控制，因此发动机电 控喷射系统一般都采用前馈控制和闭环反馈控制相结合的方法控制燃料喷射量， 前馈控制根据发动机的当前运行工况决定基本燃料喷射量，反馈控制则根据检测 的氧传感器信号对基本喷射量进行补偿，从而精确控制发动机的燃料喷射量，实 现空燃比的优化控制。图2 i 为电控喷射天然气发动机空燃比闭环控制框图，图中 口为节气门角度，矗为发动机转速，e 为空燃比误差，为燃料喷射脉宽的基本值， 为燃料喷射脉宽的补偿值，t ；为总的燃料喷射值，丸。为目标空燃比值，t 为 空燃比的测量值【7 】。 图2 1 电控c n g 发动机空燃比闭环控制框图 发动机稳态运行时，控制系统采用前馈控制和闭环反馈控制相结合的方法实现 空燃比的恒值控制：由前馈控制通过节气门角度信号口和转速信号1 1 以及预先设 定的脉谱计算出喷射脉宽的基本值；然后通过从排气支管传回的空燃比数据， 7 发动机空燃比闭环控制系统总体设计 计算出其与理想空燃比的误差值，再结合节气门开度口，通过p i d 控制算法的运 算得到喷射脉宽的补偿值t 。之前的到的k 和气算术相加就得到喷射总量f ，。以 上过程就是在稳态环境下对c n g 发动机实施空燃比闭环控制的总体过程。 瞬态工况是c n g 发动机运行时经常出现的，即发动机的转速和负荷不断的变 化。瞬态运行工况既是发动机排放恶化较为严重的工况，也是发动机空燃比控制 的难点。 本文的目的主要是在瞬态工况下采用空燃比闭环控制系统对空燃比进行精确 控制，防止发动机在瞬态工况下排放性能的恶化，而且需要空燃比闭环控制系统 能迅速的将空燃比调节到期望值附近。 如前所述，本课题主要包括的两个大的方面的工作，一个是进行判断、远算、 比较、实施控制动作的软件层。另一则是进行信号采集的、放大的硬件层。下面 就分别介绍两个方面的前期总体设计。 2 ，2 空燃比闭环控制系统软件总体设计 软件开发是控制系统开发的重要环节，为保证软件编制的正确性和可靠性，对 软件的设计开发有一定的要求，如所开发出来的软件要易于编写、修改，阅读， 运行时的可靠性要高，便于后期维护和升级。 本项目采用程序模块化设计的方式来开发整个电控系统的程序。程序模块化设 计有以下几个优势： 1 复杂系统化大为小，化繁为简 汽车电子控制包括很多个部分，所涉及到的有增压、喷射、点火等各个方面， 因此汽车的电控程序也采用模块化的设计。这样既方便各个系统的单独开发、调 试以及各个模块的叠加，而且也方便各系统和整个系统的集成，在需要扩展模块 的时候也比较简单，不需要对其部分进行修改。 2 便于维护 不管是对系统升级还是纠错都只需要对模块内部进行修改，当需要扩充新的功 能的时候也只需要增加新的函数，有必要的话在增加一些新的全局变量，而不需 要对其他功能模块进行修改。 3 提高系统设计效率( 多人并行开发) 模块化在不同的程序设计方法中是不同的，如果不使用模块化设计模式，多人同 时开发会出现参数定义冲突，衔接性差甚至无法兼容等缺点。在模块化的程序中， 主函数只是调用每个函数模块，函数与函数之间，函数与整体之间只存在变量和 常量的调用以及返回值的问题。所以只要在设计初期只要作好划分模块，全局变 北京交通大学硕士学位论文 量的定义等工作就可以多人并行开发，缩短开发时间，提高开发效率。 本课题中是采用c 语言作为开发语言，c 语言是一种编译型程序设计语言， 它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。c 语言有功能丰富的库函 数、运算速度快、编译效率高、良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件 的控制。c 语言也是一种结构化程序设计语言，采用模块化程序设计方法非常适合 于发动机各个工况的控制软件开发更重要的一点是用c 语言来编写控制程序，会 大大缩短开发时间，明显增加软件的可读性，便于改进和扩充【酊。 由于本文后面选择了m o t o r o l a 公司出品的m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 作为e c u 的主 控芯片，所以本文选择了m o t o r o l a 公司与该芯片配套的开发环境c o d e w a r r i o rf o rs 1 2 1 7 1 。 该开发环境是面向以h c l 2 或$ 1 2 系列的单片机嵌入式应用开发软件包。包括 集成开发环境i d e 、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程 管理器、c 交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。 而且该编译环境模块化功能相当强大，对于每个函数的查询非常方便，非常适 合本文的模块化程序设计方式。另外，与所选芯片衔接性非常好，将程序写入芯 片，以及模拟运行都非常方便。 2 3 空燃比闭环控制系统外围硬件总体设计 空燃比控制系统的硬件的主要功能是采集信号；比较、判断、远算、发出指令； 执行控制指令。所以空燃比控制系统就由传感器，e c u ，执行元件三部分构成， 如图2 2 所示。 2 3 1 空燃比闭环控制系统的结构及其工作原理 传感器就包括转速传感器，节气门传感器，氧传感器或者是空燃比仪，其作用 就是采集到需要用到的信号。有些传感器得出的信号可能会出现太小，有干扰信 号，与所测量的量是非线性的关系等等问题，这就需要在后端加入放大器来实现 信号放大，滤波等功能，以便放大后的信号供e c u 使用。所以还需要在后期进行 传感器放大器与传感器的匹配标定实验。 而执行元件包括电控喷射装置、电子油门等等。它们执行由e c u 发出的控制 命令，如节气门开度的大小，喷射持续多长时间等等。 9 发动机空燃比闭环控制系统总体设计 图2 2c n g 发动机电控系统示意图 e c u 是整个空燃比控制系统的核心，其有关内容将在后面的小节中简要介绍。 需要说明的是如前文所述本文是“重型商用车c n g 发动机产品开发”中的部分 研究内容，有很多需要用到的硬件都是之前的横向课题的开发内容，而且很多硬 件设施的开发已经完成，从课题的现状来看，需要在本文中重点研究的有氧传感 器和氧传感器信号放大器，在控制过程中需要其它信号以及实旌动作都直接调用 其它传感器的已有的信号和现有执行元件即可。 在整个空燃比闭环控制都是围绕空燃比来进行的，最终控制结果简单的说由测 量得到实际空燃比来控制其他执行元件，再加上本课题中关于氧传感器放大器的 研究甚少，由此看见氧传感器放大器是本文硬件设计的重点。 2 3 2e c u 芯片的选型 e c u 作为电控系统的核心，在整个控制过程中的作用十分重要，其主要功能 包括：1 ，能够正确读取各个传感器或者传感器后端控制器测得信号；2 ，根据输 入信号对发动机的工况进行分析、判断；3 ，根据上一步的结果，再加上由脉谱图 和p i d 控制算法的结果计算出得到的修正量；4 ，根据最后的计算出的喷射脉宽， 点火提前角等等，向执行元件发动控制信号t 9 1 。 1 0 北京交通大学硕士学位论文 随着本项目的进行，e c u 功能不断的完善，同时需要检测和处理的信号也越 来越多，而且本课题中的信号如转速信号，节气门信号等都有很强的实时性，这 些都使得对e c u 主控芯片有很高要求，需要其有很强的处理能力和较高的处理速 度。比如需要的主控芯片有丰富的实时中断资源、加快远算速度和读取写入数度、 足够的数据空间等等。 根据本项目对单片机的要求，以及国内外市场上主要车用单片机的性能和价 格，本项目选择了m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 作为e c u 的主控芯片。 m o t o r o l a 公司出品的m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 在汽车电子领域应用相当广泛。 m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 为1 6 位微控制器，基于1 6 位h c s l 2c p u 及0 2 5 p m 微电子技术的 高速、高性能5 o v f l a s h 存储器产品中的中档芯片。其较高的性能价格比使其非常 适合用于一些中高档汽车电子控制系统。 m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 系列单片机主要有三大特点： 1 片内集成2 5 6 k b 的闪速存储器( h a s h ) 。近年来，随着闪速存储器( f l a s h ) 在微控制器片内的应用走向成熟，微控制器的开发、应用又迎来了手次新 的飞跃。f l a s h 是一种非易失性存储介质，读取它的内容同r a m 的读取 一样方便，而对它的写操作却比e p r o m 还要快。同时，在系统掉电后， f l a s h 中的内容仍能可靠保持不变。f l a s h 的主要优点是结构简单、集成密 度大、成本低。由于f l a s h 可以局部擦除，且写入、擦除次数可达数万次 以上，从而使开发微控制器不再需要昂贵的仿真器。 2 应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性。在以往不使用锁相环的微控制 器应用系统中，晶振电路由于其工作频率比较高而成为一个很大的干扰 源，这一问题给系统设计、线路板布局带来了很多不便。 3 简单的背景开发模式使得开发成本进一步降低，同时也使得现场实验，在 线调试以及系统升级变得更加方便【u j 。 2 3 3 宽域氧传感器选型及工作原理 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以 及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当 传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果 的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析 多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传 发动机空燃比闭环控制系统总体设计 感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感 器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要 求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量； 传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题 之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 2 灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏 度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注 意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大 系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减 少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量， 而且对其方向性要求较高，则应选择其方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多 维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持 不失真的测量条件，实际上传感器的响应总是有一定延迟，希望延迟时间越短越 好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影 响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测 量中，应根据信号的特点( 稳态、瞬态、随机等) 响应特性，以免产生过火的误差。 4 线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内， 灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测 量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要 求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所 要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看 作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长 期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此。要使传 感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之 前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采 取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后， 在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感 器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严 1 2 北京交通大学硕士学位论文 格，要能够经受住长时间的考验。 6 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一 个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足 整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目 的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的， 选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分 析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 如前文所述，要c n g 发动机达到更好的排放性能，经济性能等就要达到稀燃 的状态，所以就不能使用开关量的传感器，而是要使用能在比较宽的范围之内反 应出空燃比的变化的，这样就必须要一个宽域的氧传感器。 按照前面叙述的要求规则，以及本课题的情况和需要，本文选择使用的是n t k 的宽域氧传感器l i h l( n t kl 1 h 1u e g o ( u n i v e r s a la i r - f u e lr a t i oh e a t e de x h a u s t g a so x y g e n ) s e n s o r ) ，又可以称之为线性氧传感器。该氧传感器的测量范围非常宽， 能够及时、精确的反应这个空燃比的值，选择该传感器还考虑从到一下因素：该 传感器在汽车领域应用相当广泛，而且安装方便。 n t k l 1 h 1 的过量空气系数l a m b d a 的量程为0 6 - 1 5 ，通过理论计算得出可以 测量的空燃比最大可以达到2 7 ，完全可以满足c n g 发动机稀燃的要求，而且在稳 定性、频率响应特性、精度等方面的特性都比较好。 宽域氧传感器还必须有一个控制器，这个控制器比一般的s w i t c h i n gt y p e ( 开关 量传感器) 传感器复杂很多。图2 3 是对宽域氧传感器及其外围电路的一个简单描 述。从图上可以看出，宽域氧传感器由连接到参考电池( r e f e r e n c ec e l l ) 上的窄 量程氧传感器( n a l t o wb a n do x y g e ns e l l s o r ，或者称之为开关量传感器) ，耦合泵电 池 p u m pc e l l ) 和一个小的扩散室( d i f f u s i o nc h a m b e r ) 组成。图中黄色和绿色的 部分来表示外围的信号放电电路，其实这部分电路对宽域氧传感器也起到控制的 作用，这部分内容将在后面有所介绍。 1 3 发动机空燃比闭环控制系统总体设计 图2 3n t k 宽域氧传感器及其外围电路 在连接处的泵电池( p u m pc e l l ) 通过在特殊的电极表面能够将使氧粒子产运动， 运动方向会产生使两端的氧粒子趋于平衡的效果。 下面简要介绍一下宽域氧传感器的工作工程。 少量废气经过扩散孔，来到泵电池表面，参考电池能够感应出废气过浓还是过 稀，并以电压高低的表现方式将空燃比表现出来，该电压为、，s 。后端放大器将、r s 放大，并产生一个电流i p ，其有两个不同的方向。i p 会回流到传感器，废气通过 泵电池的小槽进入到n e r n s t 室的检测腔( 扩张口) 。这种结构要求检测腔中的混合气 始终保持在理论空燃比。当混合气浓度稀时，泵电池就将氧气从混合气中泵出。 当混合气浓度浓时，泵电池通过改变泵电流的方向就将氧气从外泵入检测腔中。 这样通过控制泵电流就可以控制检测腔中的混合气使混合气的浓度达到理想的空 燃比。由于泵电流和氧气的浓度成一定的比例关系，所以通过检测泵电流就可以 知道混合气的稀或浓。在理论情况下，燃气和空气都完全耗尽的时候，v s 等于参 1 4 北京交通大学硕士学位论文 考电压v r e f , 这个时候i p = 0 。 i p 会被放大，放大后得到v o u t ，其就是放大器的输出。 整个过程其实就是依靠泵电流去达到一种平衡的方式来测量空燃比的大小。由 于本课题有设计宽域氧传感器放大器的需要，后面小结将会对宽域氧传感器的输 出特性进行比较详细的分析i l l 】。 2 4 本章小结 根据项目的研发的需要，本章对c n g 发动机空燃比闭环控制系统进行了总体 设计，主要完成了一下部分的工作： 1 对c n g 发动机空燃比闭环控制系统的基本控制策略进行了研究，在结合 了c n g 发动机的特性以后，确定了空燃比闭环控制的策略。制定出了空 燃比闭环控制系统的设计思路，最后将课题分为软件层和硬件层分别设 计。 2 分析了软件层需要，清楚的了解到软件层需要完成的工作。选定了编写软 件的语言以及编写环境。 3 根据课题的需要从总体上设计硬件系统，选定了氧传感器的型号以及e c u 所使用的芯片。着重分析了宽域氧传感器的特性。为后期设计宽域氧传感 器信号放大器打下了理论基础以及前期准备。 北京交通大学硕士学位论文 第3 章宽域氧传感器控制器设计及开发 如前文所述，要让宽域氧传感器在c n g 发动机中发挥正常的功能，实现宽域 线性的表现空燃比就需要在其后端加上一个控制器，该控制器还有一个作用就是 放大从宽域氧传感器传出的信号，使其能被e c u 所用。本章的主要内容就是先从 宽域氧传感器控制器的输入信号特性分析入手，先确定宽域氧传感器控制器所需 要实现哪些功能，然后将功能分类例如加热、运算等，最后设计出实现这些功能 的电路模块，最后将这些模块按照一定的要求合并在一起得到硬件电路。硬件部 分的调试工作会在后面第五章完成。 3 1 宽域氧传感器控制器输入输出信号特性分析 前面已经将n t k 的宽域氧传感器l 1 h 1 选为本课题适用的氧传感器，其又可 以称之为线性氧传感器本文，在图2 3 中“电阻”，“电容”部分就是宽域氧传感 器后端放大控制功能的示意。在正常的传感器操作下，小量的废气样本会从扩散 孔，来到泵电池表面，这个时候它们有可能很浓，也有可能很稀。不管它们是哪 种情况，参考电池( r e f e r e n c ec e l l ) 都可以将它们感应并分辨出来，并产生一个电 压信号v s