（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的发动机集中控制系统的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 发动凝集中擦翻系统楚汽车电子的核心部分。电控溃溘技术代替了传统静亿 油瓣的机械式结构，实现了对喷油量的精确控制，对改善发动机的排放性、缀济 牲移动力後其毒熏簧意义年# 作滔。 本文酋先介绍了发动机的工作原理和基本特性，然后对发动机控制原理进行 了曩箨究。探讨了蹬漓量黧发动穰转速、节气门开发之闻瓣关系，分辑了迸气潺度 和誉电池电压等对喷油量的影响，列出了相应的数学关系式。论文还分析了最佳 绩 鑫对麦l 与发动撬转速魏关系，磷究了点火疆藏角帮蠲台角在发动瓠不同工凝下 的影响因素，找出了点火提前角与发动机爆震之间的关系。基于发动机控制原理， 本文提毫了发动穰控裁系统翡基本控裁方案寨改遂翡双溺环控潮方案。理论分耩 表明了改进的双闭环控制方案可以使发动机获得最佳的空燃比和快速响应。 基于平垮 蠢点炎理论，本文建立了汽涟发动氍的数学模鍪鞫绩襄模垒，傣真 验证证明了浚数学模型的有效性。为了进一步摁高发动机的性能指标，论文在改 避瓣双翅环控铡方案静基萋鑫上，辩电控搂漕磐畿控裁繁貉送行了研究，设计了基 于模糊p i d 的电控喷油系统，并在m a t l a b s i m u l i n k 下建立了仿真模型。仿 真绥莱验谖了该撩穰策臻耱骞效逑撵裹发动橇豹穗赢速菠，黯谈定转速遴行快速 跟踪，同时保证了发动机的排放性和经济性。 最君，本文班d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 为孩心，擒造了发动鞔集中控键系绞懿疆 件系统，设计了硬件功能模块的具体实现；同时对软件设计做了相应介绍，绦出 了主要程廖戆流纛爨。 关键溺：发动援蘩审控涮系统；邀控缕演；模糊p i d ；傍真；d s p a b s t r a c t e l e c t r o n i cc o n c e n t r a t e de n g i n ec o n t r o ls y s t e mi sac o r eu n i to fa u t o e l e c t r o n i c s e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o nt e c h n o l o g yr e p l a c e st h et r a d i t i o n a lc a r b u r e t o r m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，r e a l i z e st oc o n t r o lf u e l a c c u r a t e l y ，a n d h a sa l l i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ea n de f f e c tf o ri m p r o v i n gt h ee n g i n e se m i s s i o n ，e c o n o m i c a la n dp o w e r p a r a m e t e r s 。 f i r s t l y ，t h ee n g i n e so p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e d ，a n d t h e nt h ee n g i n ec o n t r o lt h e o r i e sa r es t u d i e di nt h ep a p e r t h er e l a t i o na m o n gt h ef u e l ， s p e e da n dt h r o t t l e i s d i s c u s s e d ，t h e i n f l u e n c eo ft h ei n f l o w t e m p e r a t u r e a n d a c c u m u l a t o r sv o l t a g ef o rt h ef u e la r ea n a l y z e d ，a n dt h em a t h sr e l a t i o n sa r el i s t e d 。鞭撑 r e l a t i o nb e t w e e nt h eb e s ti n j e c t i o nt i m i n ga n dt h es p e e di sa n a l y z e d ，t h ei n f l u e n c e f a c t o r sa b o u ts p a r ka d v a n c ea n ds p a r kc l o s e si nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n sa r e s t u d i e d ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e ns p a r ka d v a n c ea n de n g i n e sk n o c k i n gi sf o u n d b a s e do ne 魏譬遗ec o n t r o lt h e o r i e s ，t h ee n g i n eb a s i sc o n t r o ls c h e m ea n di m p r o v e d d o u b l ec l o s e d l o o p s c h e m ea r e d e s i g n e d t h et h e o r i e s a n a l y s i si n d i c a t e s t h e i m p r o v e dd o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mc a nm a k ee n g i n ea c h i e v et h eb e s t a i r f u e lr a t i oa n df a s tr e s p o n s e t h ee n g i n e sm a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o nm o d e ia r ee s t a b l i s h e db a s e do n m e a nv a l u es p a r ki g n i t i o nt h e o r yi nt h ep a p e r ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t e d p r o v et h em o d e l sv a l i d i t y t oi m p r o v ef a r t h e re n g i n e sp e r f o r m a n c e s ，t h ei n t e l l i g e n t s t r a t e g yo fe f ii ss t u d i e d ，e f is y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nf u z z yp i d ，a n da s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e du n d e rm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，t h e r e s u l t sv a l i d a t et h ec o n t r o ls t r a t e g yi m p r o v e se f f e c t i v e l yt h er e s p o n s es p e e d ，t r a c k s f a s tt ot h es e t t i n gs p e e d ，a n dg u a r a n t e e st h ee c o n o m i c a lp a r a m e t e ra n de m i s s i o n p a r a m e t e r ah a r d w a r eb a s e do nd s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) f o re l e c t r o n i cc o n c e n t r a t e de n g i n e c o n t r o l s y s t e m i se s t a b l i s h e da n dm o s tf u n c t i o nm o d u l e sa r e d e s i g n e d f h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ed e s i g na n dt h em a i np r o g r a m sf l o wc h a r ta r ea l s op r e s e n t e d i nt h ep a d e r k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cc o n c e n t r a t e de n g i n ec o n t r o ls y s t e m ；e l e c t r o n i cf u e l l n j e e t i o n ；f u z z yp i d ；s i m u l a t i o n ；d s p i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：多彩r 年岁月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学町以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：俩。 铷鹳：埘 日期：勿汀年；月刁日 日期：彬年弓月2 7 曰 顺士学位沦文 1 。l 研究背景 第1 章绪论 随着科学技术和经济高速发展的2 l 世纪的到来，汽车作为人类最重要的代步 和交道运输工具，正在全球范曩内急捌攥长。汽车工数已经成为当今毯雾最大最 重要的工业部门之一，成为世界上许多豳家的支柱产业，在人类的经济生活中发 挥羲举足辍薹豹馋蠲”】。毽在汽车是久类带来笈刹窥效蘧懿羼辩，迄对环境造成 了严重的影响。当今世界汽车保有量已越过6 亿辆，每年向大气层摊放2 亿吨有 害气钵，占大气污染总量的6 0 戳上，是公认敬污染大气层麴“杀手”。环壤污 染、能源危机等问题越来越困扰人类。熬个社会的可持续性发展问题融经提。上日 程，各基玻赡和整个程技爨正麸务个方磁对环境阉题绘予高瘦关注，希望尽块豹 解决环境问题。 2 0 0 2 冬，中黧石浊冷迸日量矗逗7 0 0 0 万吨大关，预计到2 0 0 5 年，中国石油 进口量将选到1 亿吨，2 0 3 0 年，中国的石油日净进口量将从现在每天不足2 0 0 万 捶增加到每天9 8 0 力援。翦苓久发动妁伊拉克战争，其本质就怒戆源筑枧号l 起的。 中网为了寻求能源安全，正在通过各种浆道与主要石油出口国达成协议。而根据 重窳环保中心预测2 0 1 0 年汽车怒气接救量将占空气污染源匏6 4 埘。因此，躬 决汽车能源与污染问题，对我国汽车工业未来的发展和能量安全及环境保护肖着 重袋的柞照。2 9 燃纪9 0 年代以卷，用谯蚤国辏车发动机上的发动枫袋中控制系 统邋常都采用超大规模集成电路组成的电脑和数字控制方式，能同时对汽油喷射 系统、电予点火系统、撼被控制系统以及电予节气门等进行控制。发动机集中控 制系统的实现，大大减少了环境污染和熊量消耗。实践证明，汽车采用发动机集 中控制系绞，可以节约燃浊1 3 左右。对汽油机蜀言，燃料燃烧越完全，排救物 中有害物成分越少。而使用发动机集中控制，如采用空燃比闭环控制系统，w 保 证发动机空燃比处于理论空燃比附近，不仅节销燃油砸且可使h c 值降低4 0 、 n o x 降低约6 0 p l 。因此发动机集中控制系统的开发凝有重要的意义和作用。 另一方面，发动机集中控制技术一藏被外方所掌握，中国必须加大对发动机 集中控制系统的研究和开发力度，争取在汽车产业领域里有自己的一席之地。因 此，对发动机集中控制系统的研究是完全必要和紧迫的。 基于d s p 的发动机集中控制系统的研究 1 2 电控汽油喷射系统的发展 汽车的发明给人类带来极大的便利，但也带束一系列的问题，主要表现在环 境污染和能源消耗两方面。为了同时解决汽车发动机的排气净化和经济性两大难 题，满足趋于苛刻的排放法规，汽车工程师将电子控制技术与燃油喷射技术相结 合，由此而诞生了电控汽油喷射系统。如今，电控汽油喷射系统( e f i ) 己越来越 多地装上了汽车，已取代了传统的化油器【4 j 。 对电控汽油喷射系统的诞生做出最大贡献的要数德国博世( b o s c h ) 公司。 博世公司于1 9 1 2 年就开始研究汽油喷射系统。第二次世界大战中，由于飞机对战 争胜负起重要的作用，而发动机混合气的配制对飞机的性能和飞行高度影响很大， 但在寒冷高空中、汽油容易在化油器中结冰，造成发动机停机。因此，1 9 3 7 年博 世公司采用机械方式来控制可燃混合气的配制，首次在航空发动机上应用了汽油 喷射系统。1 9 5 2 年，博世公司将汽油喷射系统从飞机“移植”到汽车上，将其装 备在奔驰3 0 0 s l 型轿车上。此时仍然采用机械控制技术。 1 9 5 3 年，美国本迪克斯( b e n d i x ) 公司开发研究电控汽油喷射系统，并于1 9 5 7 年开发出e 1 e c t r o j a t o r 电控汽油喷射系统。限于当时的电子技术，这种系统采用 了晶体管电路，体积庞大，并不实用，没有得到推广，但这套系统被称为现代燃 油喷射系统的“雏形”。1 9 6 2 年，博世公司从本迪克斯公司购买了电控汽油喷射 系统的专利、并在其基础上加以研究，改进后于1 9 6 7 年推出博世d 型电控汽油 喷射系统，称为d - - j e t r o n i cs y s t e m 。这是第一个实用型的电控汽油喷射系统，最 先装备在大众汽车公司的v w 一1 6 0 0 型轿车上，开创了电控汽油喷射的新时代， 继而在欧洲各大汽车厂获得推广。d 系统采用电路控制的燃油喷射，根据发动机 的转速和进气压i 力间接测量进气量，并进行大气压力的修正，由于采用机械真空 膜片式的进气压力传感器( m a p ) ，并非现代的压电晶体式，所以进气量测量精 度不够理想。 1 9 7 3 年，博世公司开发并推出了博世l 型电控汽油喷射系统( l j e t r o n i c s y s t e m ) 。这种系统改用叶片式空气流量计来计量进气量，克服了老式d 型压力 传感的主要弊端，一直沿用至今。可以说博世l 型电控汽油喷射系统是一种成功 的电控汽油喷射系统。 几乎在同一年，博世公司推出另一种控制方式完全不同的汽油喷射系统：博 世k 型汽油喷射系统。这是一种机械控制的连续喷射系统，根据发动机吸入的空 气量由燃油分配器来计量和分配喷油量。博世k 型喷射系统价格相对较低、维修 方便、性能也可靠，在欧洲得到了广泛的应用。为了满足苛刻的美国废气排放法 规，博世公司1 9 7 6 年推出了采用闭环控制的k 型汽油喷射系统。该系统在发动 机的排气系统中设置了氧传感器，通过检测排放废气中氧含量的变化来调节燃油 硕上学位论殳 喷射量，从而更精确地控制空燃比以保证发动机的良好燃烧。带有氧传感器的k 型喷射系统在降低排放污染方面又前进了一步。 2 0 世纪7 0 年代，单片微处理器被应用到汽车上。在研究电喷的同时，也开 始了对汽车其余部分的电子控制的研究。1 9 6 0 年开始使用集成电路调节器代替电 磁振动调节器，1 9 6 9 年开始研制汽车变速器的电控装置，1 9 7 0 年开始使用电控防 滑装置( 即防抱死制动系统) ，1 9 7 7 年数字单片机开始用于点火系统，同年又研 制出同时控制点火时刻、排气再循环和二次空气的电控系统。以上系统都是对发 动机的各个部件分别控制，各自独立，但是发动机的各个参数是互相关联的，所 以这些系统的功效都有很大的局限性。在1 9 7 9 年开发出了综合控制点火时刻、空 燃比、排气循环和怠速速度，并具有自我渗断功能的发动机集中控制系统。这种 类型的系统各家公司都有自己的命名，博世公司命名为m o t r o n i c 系统，即数字式 发动机控制系统；丰田公司命名为t c c s ，即丰田电脑控制系统：日产公司命名 为e c c s ，即日产集中控制系统。集中控制系统的特征是：从模拟电路发展到数 字电路，控制的对象已不再局限于汽油喷射控制，还包括点火系统控制，自动变 速箱控制、a b s 防抱死制动控制等等。现代轿车上几乎全部采用集中控制系统。 1 9 8 1 年，r 立公司和博世公司研制成功热线式空气流量计，它标志着电控汽 油喷射系统进气量的检测方式得到了很大的改进。博世公司将带有这种流量计的 电控汽油喷射系统称为博世l h 系统。它的最大特点是反应快、阻力小，还能适 应各种海拔高度的大气压力而不需进行修正。 随后博世公司对k 型喷射系统以作了进一步改进，于1 9 8 2 年开发出电子控 制的机械式连续喷射系统( 博世k e 系统) ，在燃油分配器上增设的电液调节器( 电 子差压阀) ，能根据各种不同工况控制燃油量。 除了上述的多点汽油喷射系统( m p i ) ，1 9 8 0 年出现的单点汽油喷射系统 ( s p i ) ，或称节气门体喷射系统( t b i ) ，博世公司将其命名为m o n o - - j e t r o n i c 。 单点喷射系统价格低，应用在小型车辆上。 电控汽油喷射技术日趋完善，性能优越，使得电控汽油喷射装置从7 0 年代末 开始得到迅猛发展。在1 9 7 6 年至1 9 8 4 年的9 年间，德国轿车中采用电控汽油喷 射系统的比重有8 增长到4 2 ，f 1 本则由3 增长到18 ，美国则达到3 9 。 据统计，1 9 9 2 年美国的1 0 0 ，日本的8 0 和欧洲的6 0 的轿车中均采用了电控 汽油喷射装置，显示了其强大生命力。而且近些年来一些发展中国家也加紧开发 电控汽油喷射技术，在一些无法规或要求不很严的地区采用电控汽油喷射技术也 越来越多。不仅轿车上，而且越来越多的其它类型车上也采用了电控汽油喷射技 术，这充分证明了它强大的生命力和竞争力。表1 1 给出了国外主要公司电控汽 油喷射系统的名称、开发年代和主要功能。 基于d s p 的发动机集中控制系统的珂f 究 表1 1 国外主要公司电控汽油喷射系统 6 国别公司名称年份系统名称主要控制功能 1 9 6 7d j e t r o n i c 燃油多点喷射 1 9 7 3k j e t r o n i c 燃油多点喷射( 机械控制) 德 1 9 7 3l j e t r o n i c 燃油多点喷射 b o s c h 1 9 7 9m o t r o n i c 燃油多点喷射，点火正时，怠速，废气 国 再循环 1 9 8 1l h j e t r o n i c 燃油多点喷射 1 9 8 2k e j e t r o n i c 燃油多点喷射( 机械一电子式控制) 1 9 8 6m o n o j e t r o n i c 燃油单点喷射 1 9 7 9e f i 燃油多点喷射，点火止时，怠速 g m 1 9 8 0d e f i ( t b l ) 燃油单点喷射点火正时，怠速，废气 美 再循环 1 9 7 9e e c 。1 1 1 ( c f l ) 燃油单点喷射，点火止时，怠速，废气 国f o r d 再循环 1 9 8 2e e c i v 燃油单点喷射，点火正时，怠速，废气 再循环，采用1 6 位微机控制 c h r y s l e r 1 9 8 0e f i 燃油多点喷射，点火正时 日产 1 9 7 9e c c s 燃油多点喷射，怠速，废气再循环 1 9 8 0t c c s 燃油多点喷射，怠速，废气再循环 日丰田1 9 8 4t - l c s 燃油多点喷射，怠速，废气再循环用 丁稀薄燃烧系统、 本 三菱1 9 8 0e c l 燃油多点喷射，点火正时，怠速，废气 再循环 五十铃1 9 8 1i t e 燃油多点喷射，点火正时，怠速，废气 再循环 日野 1 9 8 le t 燃油多点喷射 l i l c a s1 9 8 2e m s 燃油多点喷射，点火正时，废气再循环 1 3 国内外研究现状 中国加入w t o 后，国际汽车巨头纷纷在中国投资，中国正成为全球最大的 汽车消费市场。但中国的传统汽车产业一直落后于外国，国内汽车厂大多是合资 企业，由外方掌握着技术的决策权，所使用的电子产品也多由外方配套商提供， 作为核心部分的发动机集中控制系统尤其如此。纵观发动机电喷技术，中国市场 几乎被博世、德尔福、西门子威迪欧及日本电装这些厂商所垄断。国内掌握核心 技术的企业微乎其微。在国外企业大举进军中国市场的环境f ，国内电喷系统生 产企业所面临的机会越来越少。目前国内企业与电喷系统生产有关的主要有两家： 一家是上海的联合汽车电子有限公司，这是国内十几家企业联合起来，与德国罗 伯特博世有限公司共同投资组建的合资企业，主要从事汽油发动机控制系统 ( e m s ) 及其零部件的开发生产。另外一家是无锡的威孚集团，博世汽车柴油系 统股份有限公司就是它与博世公司合作建立的。目前，威孚集团在合资公司中仅 占3 3 的股份。这两家企业都是借助于博世的技术支撑市场，很难说是中国的自 主品牌1 7 j 。发动机集中控制系统技术的国产化已经刻不容缓。 最新控制理论在发动机集中控制系统上的应用，大大改善了汽车发动机的性 能和指标。发动机集中控制系统研究的内容主要包括电控喷油系统、电子点火系 统和排放控制系统。现在的电控喷油系统已经实现了空燃比闭环控制。采用空燃 比闭环控制是基于降低废气有害排放物考虑的。发动机运行时，混合气在理论空 燃比1 4 7 ：1 附近一个很窄的范围内可以实现h c 、c o 、n o x 通过化学作用转化 为h 2 0 、c 0 2 和n 2 ，从而可以将有害排放物减少9 8 以上。其工作原理是：通过 不断检测两状态氧传感器( 氧传感器反映发动机混合气的空燃比情况) ，e c u 发 出命令给喷油量控制装置，使空燃比始终在理论值附近波动( 1 4 7 ：1 ) 。采用空 燃比闭环控制的电喷发动机，由于能使发动机混合气始终在较理想的情况下运行， 从而减少了发动机的有害排放物和油耗。 目前，国外已经成功将智能控制应用在发动机集中控制系统中。国内关于这 方面的研究也进行的如火如荼，关于这些研究的文献也相当丰富。如：陈恒的基 于遗传算法的发动机模糊控制j ，韩以仑的基于专家系统的汽车发动机怠速控制 的仿真试验研究【9 】，姜丁的e f i 系统自学习模糊控制的研究【l ，都很有借鉴意义 和参考价值。文献【1 0 】提出了以发动机转速为反馈的闭环模糊自学习控制器，很 值得研究。从这些智能理论出发开发的产品有的已处于试车阶段。这种基于智能 控制的发动机集中控制系统的优点是：可以适应各种工况的要求，从而达到经济 省油、减少排放和增加动力的要求。 1 4 本文研究的目的和内容 本文研究的目标就是研究汽油发动机集中控制系统及其d s p 实现。本文具体 安排如下：第一章介绍电控汽油喷射系统的发展和国内外研究现状。第二章分析 了发动机的工作原理和特性，并研究了发动机的各种控制原理如喷油量控制原理、 喷油正时原理、点火提前角和闭合角控制原理等，提出了发动机的基本控制方案 和改进的双闭环控制方案。第三章建立了平均值点火发动机的数学模型，在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了其仿真模型，并进行了仿真验证。第四章探讨 基十d s p 的发动机集中控制系统的研究 了发动机的智能控制策略，建立了基于模糊p i d 的电控喷油智能控制器，进行了 数字仿真。第五章采用t i 公司生产的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，设计实现基于 o s p 的发动机集中控制系统的硬件电路，并设计了相应的软件流程图。 硕 学位论文 第2 章汽车发动机基础 2 。1 汽油机的工作原理 汽油机是一种点燃式或奥托循环式外源点火的内燃机，它将燃油台有的能量 转换藏动黢，使瘸一令委予黎烧整舞都懿混舍气鬻割装翟寒形成空熬瀵台气( 镬 用汽油或某种燃气) 。当活塞下降时，混合气被吸入燃烧室，然后随着活塞的上升 被压缓。一个羚罄点灾澡跌特定戆薅阕瓣隔点火，稳矮火花塞点燃混合气。撩浇 过穰释放的热能使得气缸内的压力升高，活塞向下推动曲轴，从而提供实际的做 功戆量( 确力) 。程每一令燃浇行程之后，疲气被撵出气嚣，瑟簿熬空燃瀑合气又 被吸入。对于汽车发动机来说，这种气体的交换通常是根据四冲程原理来设计的， 懿黧2 ，l 聚示。 图2 1 四冲穰发动机示意图l o t t o c ( 上止点) ；u t - b d c ( f 史点) ；致一气缸下搏容积； 一最小压缩昝积；s 一活塞行程 令完整豹德耀嚣要麴轴转动两周。嬲挣程汽涟规每个工终镬环要经过避气、 压缩、做功、排气四个活塞行程，如图2 2 所示。 l ，进箕行程 进气门开，排气门闭。活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动，曲轴旋转半 月( i 8 0 。) ，燃烧童容积逶灏增大，产生真空，遗过开囊的遂气门吸入掰鲜的空 燃混合气。汽油发动机运行时要求个特定的空气和燃料比例( 空燃比) ，理论上 完全燃烧数理想空燃比值是1 4 。7 ：l ，这被称为化学当鬟比( 理想配比) 。 一7 * 硕士学扣论殳 第2 章汽车发动机基础 2 1 汽油机的工作原理 汽油机是一种点燃式或奥托循环式外源点火的内燃机，它将燃油含有的能量 转换成动能，使用一个置于燃烧室外部的混台气配制装置来形成空燃棍台气( 使 用汽油或某种燃气) 。当活塞下降时，掘合气被吸入燃烧室，然后随着活塞的卜升 被压缩。一个外部点火源以特定的时间间隔点火，利用火花塞点燃混合气。燃烧 过程释放的热能使得气缸内的压力升高，活塞向下推动曲轴，从而提供实际的做 功能量( 动力) 。在每一个燃烧行程之后，废气被排h 气缸，新鲜的卒燃混合气又 被吸入。对丁汽车发动机来说，这种气体的交换通常是根据四冲程原理来设计的， 如图2 1 所示。 o t 乞 u t 图2 1 四：十程发动机示意图i t ” o t t d c ( 上止点) ；u tb d c ( 下止点) ；气缸工作容积； 一最小压缩容积；s 一活塞行程 一个完整的循环需要曲轴转动两周。四冲程汽油机每个工作循环要经过进气、 压缩、做功、排气四个活塞行程，如图22 所示。 1 进气行程 进气门开，排气门闭。活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动，曲轴旋转半 周( 1 8 0 。) ，燃烧室容积逐渐增大，产生真空，通过开启的进气门吸人新鲜的空 燃混合气。汽油发动桃运行时要求一个特定的空气和燃料比例( 空燃比) ，理论上 完全燃烧的理想空燃比值是1 4 7 ：l ，这被称为化学当量比( 理想配比) 。 完全燃烧的理想空燃比值是1 4 7 ：l ，这被称为化学当量比( 理想配比) 。 摹_ fd s p 的发动机集中控制系统的研究 第千】= 拧：避气第2 行程t 压缩第3 行程：撼斑第4 杼程：捧气 图2 2 四冲程汽油机的工作循环】 2 压缩行程 进气门、排气门均关闭。曲轴和飞轮的惯性将活塞从下止点推向上止点，曲 轴又旋转半周( 1 8 0 。) ，气缸内混合气被压缩，温度、压力升高，混合气温度约 3 0 0 ，压力约6 0 09 0 0 k p a ，空气和汽油进一步均匀混合。压缩比可用气缸工作 容积h 和最小压缩容积k 来计算： = ( “+ ) ( 2 1 ) 压缩比的范围根据不同发动机的设计从7 ：1 到1 3 ：1 。提高压缩比可以提高发 动机的热效率，更有效地利用燃油。压缩比的增加受到爆震( 或过早着火) 极限 的限制。爆震指的是由于压力的过度增加而发生的不可控制的混合气燃烧。燃烧 爆震会导致发动机的损坏。采用适当的燃油和燃烧室构造可以改善爆震极限，从 而使压缩比达到更高。 3 作功行程 进气门、排气门继续关闭。压缩行程接近终了，活塞将达上止点时，火花塞 产生电火花点燃混合气。混合气迅速燃烧，温度、压力急剧上升，推动活塞从上 止点向下止点运动，通过连杆推动曲轴旋转，输出动力。发动机转速和扭矩的提 高使得输出功率提高。 4 排气行程 进气门闭，排气门开。曲轴和飞轮的惯性将活塞从下止点推向上止点运动， 将燃烧后的废气排出气缸。然后，重复整个工作循环。进排气门的开启时间有一 定的重叠，这样可以改善气流和振荡方式以加强气缸的充气和扫气。 2 2 发动机特性 发动机的主要性能指标随工况而变化的关系称为发动机特性。若这种关系以 一：垒呈型塑垒鳖：= = = = ! = = 曲线形式表示，则称为发动机特性曲线。 发动机特性曲线是全面了解发动机性能在不同工况下变化情况的依据。根据 特性曲线的形状，可以选定最合理的工作区域，以利于在工作中充分发挥发动机 的性能。 发动机特性有多种，但应用最多的为负荷特性和速度特性。 2 2 1 负荷特性 发动机的负荷特性是在发动机转速不变的情况下，其它性能参数随负荷变化 的关系。作为横坐标的负荷可以是有效功率凡，而作为纵坐标的性能参数则有燃 油消耗率坟、耗油量b 及排气温度等。不同转速下的发动机负荷特性曲线变化 的趋势是差不多，只是具体数值的不同。普通汽油机负荷特性曲线的特征，开始 启动时玩最大( 此时需要浓混合气) ，但随节气门逐渐开启负荷增大而虬减少直 至最低点，此时节气门接近全开。继续开大节气门，以又会开始上升，曲线呈现 一条内凹抛物线。曲线的最小比值越低越好，同时以随负荷的变化越平缓，发动 机在不同负荷下工作的经济性越好。从曲线的形状，可以分析出哪一个负荷区域 是最经济的。汽油机负荷特性曲线如图2 3 所示a 互 ； 荸 - 坤 o = 4 33 f ， ； 、 ￥ 、 。 、 ， 、 7 0 0 u 6 5 0 1 t 6 0 0 2 8 2 4 2 0 蔷 铀 1 6 1 2 1 03 04 0 5 0 6 0 7 0t 町q 0 凡，k w 图2 3 汽油机负荷特性【1 2 】 2 2 - 2 速度特性 发动机的油门固定不动，发动机的有效功率p 。有效转矩t ”燃油消耗率 6 。等性能参数随转速的变化关系，称为发动机的速度特性。如油门放在最大供油 位置时的速度特性称为发动机的外特性。发动机的速度特性是在制动试验台架上 测出的。保持发动机在一定节气门开度情况下，稳定转速，测取在这一工况下的 有效功率、燃油消耗率等，然后调整被测机载荷( 扭距变化) ，使发动机转速改变， 再测得另一转速下的功率、燃油消耗率。 发动机的速度特性，特别是外特性，对配套的运输机城具有重要意义。虽然 各种型号汽油发动机外特性曲线不会完全一样，但基本还是呈现上述的形态，通 过发动机外特性曲线图可以了解发动机的性能和特点，了解功率、扭矩、耗油量 和转速之间关系，并找出发动机最佳的工作区域。回答诸如为什么要根据负荷变 化换档，为什么中等转速最经济等等。汽油机外特性曲线如图2 4 所示。 葶 0 t 2 粤 掣 宕 一一1 、 弋 寸 、 、 。 、 r 、 、 i 1 7 、 z 。一一 一， 2 3 发动机控制原理 竹打- r m n i 图2 4 汽油机外特性【1 2 】 2 - 3 1 喷油量控制原理 燃油供给装置向进气管提供一定比例的燃油与空气相混合， 合气燃烧时按下式进行化学发应： c a h b4 - x o z a c 0 2 - i - b 2 h 2 0 空气和燃油的混合比，即空气质量g 。和燃油质量g ，之比， 式如下： ； 芒 形成混合气。混 ( 2 2 ) 称为空燃比，公 硕二l ：学位论文 a f = g j g u ( 2 3 ) 汽油完全燃烧并且只生成c 0 2 和h 2 0 时的空燃比称为理论空燃比，约为1 4 7 左右。但是空燃比除了对排放有影响外，还对发动机的性能和油耗有影响，达到 零污染并不是空燃比控制的唯一目的，对空燃比的控制要综合考虑发动机的排放、 动力性和燃油经济性，即尽可能降低汽车尾气中有害物质的排放量；尽可能 改善发动机运行的经济性：尽可能提高发动机的动力性。图2 5 所示为空燃比 与燃烧温度、输出功率与油耗率的关系【i “。 浓一空燃比_ + 稀 图2 5 空燃比与燃烧温度、输出功率与油耗率的关系 2 3 1 1 决定喷油量的物理因素 电子控制燃油喷射系统使用电磁喷油器在每个气缸的进气管内喷射燃油，并 通过激励信号的通断控制油嘴的开闭。单次喷射量的计算公式为： g ，= 。j d ，b ，一p b h ( 2 4 ) 式中：p 。为喷油嘴的流量系数； 只为喷轴嘴的面积； d ，为燃料密度； p ，为燃料压力； p 。为进气压力； d ，为开阀时间。 对特定型号的喷油嘴来说，其流量系数和喷嘴面积都是定值。而由于燃油压 力调节器的作用，使喷油嘴的喷油压力与进气歧管的压力差br 一见) 保持恒定， 所以喷油嘴的每次喷油量仅与开阀时间成j 下比，因此每次燃烧需要的燃油量，可 以通过控制喷油时间来确定，即 g ，= k t( 2 5 ) 式中：k 为常数( 对于特定的喷油嘴来说) ； r 为喷油时间。 十油耗率输出功率燃烧温度 基于d s p 的发动机集中控制系统的研究 2 3 1 2 决定喷油时间的因素 对于己知特定的喷油器来说，喷油量是由喷油时间来决定的，所以对喷油量 的控制问题已经转化为喷油时间的控制问题。实际喷油时间丁由下式决定： t = l c l ( 2 6 ) 式中：丁为实际喷射时间； 丁。为基本喷射时间； t 为喷油器无效喷油时间，当e c u 输出信号驱动喷油器工作时，由于喷油器 动作的滞后，开阀时间比关阀时间瓦长，把( 一t ) 的时间，即喷油器不喷 油时间称为无效喷射时问； f 为基本喷射时间修正系数，它是考虑空燃比变化时的修正系数，它与下列 中的各项有关： 疋= g ( f o ，e ，吒) ( 2 7 ) 式中：f ，为与发动机温度有关的修正系数； 为加减速运转时的修正系数； e 为理论空燃比反馈修正系数； f 为学习控制产生的修正系数； l 为大负荷，高转速运转时的修j 下系数。 2 3 1 3 基本喷油时间的计算 根据式( 2 3 ) ，如已知每缸进气质量( 瓯) 与目标空燃比( a i f ) ，就可以 确定每次燃烧需要的燃油质量，即 g ，= g i ( a f ) ( 2 8 ) 又根据式( 2 5 ) ，喷油时间由下式决定： t = g 。i i ( 刮f ) ( 2 9 ) 如果空燃比4 f 设为理想值1 4 7 ，那么这个喷油时间就定义为基本喷油时间 l 。对于不同的发动机系统，k 和g 。是不同的，它们由各自发动机系统的物理机 构所决定。 2 3 ，1 4 与发动机温度有关的修正系数e ， 1 起动后燃油增量的修正系数 冷发动机起动( 靠本身的动力能够维持转动状态) 后的数十秒内，应进行燃 油修正，发动机越冷，燃油增量越大，需修正的时间越长，这是因为在低温起动 后的一段时问内，进气门及气缸壁处的汽油汽化不良，造成燃油供应不足，此时 把符合空燃比1 4 7 的汽油量供应给发动机，由于汽化不良，附着在进气门及气缸 壁处的汽油不与空气混合，仍会使实际参与燃烧的混合气变稀，如果不进行燃油 硕士学位论文 增爨修正，就会发生怠速运转不稳、振动、发动机熄火等现象。因此，冷发动机 起动蓐戆增量掺委，是对戴嚣造艘戆燃洼供绘不是嚣一耱枣 偿擅蘧。 2 暖机时燃油增量的修正系数 冷车起动嚣，接善裁遂入发动艇暖辍对期。瑗辍对燃；蠹增霪豹修萋，瞧跫对 发动机冷态时燃油供给不足的一种补偿措施，在进行起动后燃油增量修正的同时， 进行暖规修正时趣较长，应在冷秘拳涅蹬达到蕊定蕴藏壹持续避行。发动飙完 成趣动后不久，进气门和气缸内蹙的温度随着燃烧过程的进行会很快上升，与此 网聪冷却永澄度也不颤上丹，发礁规逐步达到鹱枧拔态。可以说，暖规对燃濑增 量的修正，是与冷却水温度的整个上升过程伴随而行的，而且也随冷却水温度的 上舞蕊逐澎衰减。图2 。6 为暖掇热浓越线。 l 囊 爨 03 06 09 0 时间s 魈2 6 暖枫加速照线 t 8 一主要决定j 二时间的部分；b 一主要决定于发动机温度的部分 3 。高瀛时燃油增量的修正系数 高温时燃油增量的修正，是在发动机高温怒动工况下进行的。例如，汽窜高 速雩亍驶后发动机熄火l o 3 0 m i n ，此时发动机处于高滠下的再起动，就应进行高 温燃油增爨修正。一般汽车在高速行驶时，由于行驶中的风力冷却作用，汽油温 度不会太商，充其嶷也就楚5 0 。c 发右，如果此时发动机熄火，发动机就成为热源， 会使汽油滠度上升至8 0 1 0 0 。c 。一旦远到这样的温度，喷油器中的汽油会出现 沸腾，产生汽油蒸汽，在喷油器喷射的汽油中，因含存蒸汽丽使汽油喷射量减少 造成混合气变稀，为了解决因汽油蒸汽弓i 起的混合气交稀的问题，应采用高流起 动时燃油增量修正的措施，一般熄当冷却水温媵上升到设定值( 如1 0 0 ) 以上 时，迸行高温燃油增量修芷。高湓起动燃油增羹修正，可以利用冷都水温度传感 器，也可以开发一种瓤型的汽油滠度传感器，在高温下，用汽油温度传感器威接 检测温度，根据汽油温度进行高湓时的燃油增燮修正，可使控制的精确度更简。 基十d s p 的发动机集q j 控制系统的研究 2 3 1 5 加减速运转时的修正系数兄， 在汽车进行加减速时，仅使用燃油基本喷射量，则混合气的空燃比相对于目 标值会产生一定偏移。一般情况下，偏移趋向是，加速时混合气变稀，减速时混 合气变浓。因此，要分别进行燃油增量和减量的修正，如果不进行加速减速时的 燃油量修正，发动机就会产生“喘振”，车辆产生前后方向的振动现象，排气中 的有害成分也会增加。 当喷油器将汽油喷入进气管后，有一部分将附着在进气门及其附近，加速时， 节气门突然打开，使附着在这些部位的燃油增加，由于附着的汽油汽化需要一段 时间，因此加速时实际供应的燃油相对不足，致使此时的混合气比目标空燃比时 稀。 进气管压力的高低和附着部位温度的高低，对附着燃油的汽化速度具有十分 强烈的影响。进气管的压力越高( 意味着大负荷) ，附着燃油的汽化速度降低， 则附着燃油汽化速度越慢，在加速工况时，进气管内压力升高，附着燃油的汽化 速度降低，因而附着的燃油数量增加。考虑两种因素的影响，加速时燃油修正系 数e 。由两部分组成，即： = 凡。 ( 2 1 0 ) 式中：凡，为满足负荷变化量的修正系数，它反映出加速时进气管内压力突 然增高，是表征发动机负荷变大时的修正系数，发动机负荷一般用每一进气行程 中吸入的空气量或者节气门的开度来表示，负荷变化量越大，意味着进气管压力 变化率大，修正量也就越大。 f 。为满足冷却水温度不同时的修正系数，它反映加速时汽油附着部位的温度 不同，引起燃油汽化速度变化的修正系数，在负荷变化量相同的加速工况下，冷 却水温度越低，加速修正系数越大。 减速时节气门开度减小，进气管压力降低，促使附着在进气门附近的汽油加 速汽化，因此与加速工况相反，这时混合气变浓。减速与加速时一样，也要考虑 这两种因素的影响。 2 3 1 6 大负荷高转速运转时的修正系数e ， 发动机在部分负荷下工作时，空燃比的调整是在考虑一定排放性能的前提下， 尽量提供经济的混合气成分，以获得最低油耗。相对于部分负荷，当汽车在节气 门全开的大负荷下行驶时，要求发动机输出更大扭矩，节气门开关是传递发动机 负荷状态的传感器，通过节气门位置可把全负荷信号输入e c u ，实现大负荷控制 为开环控制，氧传感器的反馈控制停止作用。当发动机在高转速运行，即汽车高 速行驶时，同大负荷行驶时基本一样。 硕上学位论文 2 3 1 7 理论空燃比反馈修正系数只 为了适应排放法规提出的排放要求，汽车上都装有三元催化反应器，三元催 化作用时必须是混合气在理论空燃比附近，才能使c o ，h c 的氧化作用与n o x 的 还原作用同时进行，才能具有向c 0 2 ，h 2 0 ，0 2 ，n 2 无害化充分转化的能力。为 了有效地利用三元催化反应器，充分净化排气，就要提高空燃比的控制精度，使 其尽可能地维持在理论空燃比为中心值的范围内。根据氧传感器的输出特性，氧 传感器输出信号电压在理论空燃比处发生跃变，e c u 有效地利用这一空燃比反馈 信号，将其信号电压与基准电压进行比较，判断混合气的浓稀程度进行控制。如 较理论空燃比浓，则缩短喷油时间，反之则延长喷油时间，这就是反馈控制。从 进气管内形成混合气开始，至氧传感器检测排气中的含氧浓度，需要经过一定时 间，这一过程的时间包括混合气吸入气缸，排气流过氧传感器，以及氧传感器的 响应时间等。由于存在滞后时间，要完全准确地使空燃比保持在理论空燃比1 4 7 附近是不可能的，因此实际控制的混合气的空燃比总是保持在理论空燃比1 4 7 附 近的一个狭窄范围内。 采用氧传感器进行反馈控制，即闭环控制期间，原则上供给的混合气是在理 论空燃比附近的，但是有些条件下是不合时宜的。如发动机起动时以及刚起动未 暖机时，由于发动机冷却水温度低，这时需要较浓的混合气，如按反馈控制供给 的混合气在理论空燃比附近，发动机可能会熄火