（光学工程专业论文）基于模型的天然气发动机转矩控制研究.pdf

西华大学硕士学位论文 1 概述 天然气作为清洁能源越来越多地作为车用燃料使用。国内外对天然气发动机 控制系统的研究不断深入，研究方法也更加先进。本章将简要综述天然气汽车 的发展以及天然气发动机国内外的研究现状。将本文所采用的基于模型的设计 方法与传统设计方法进行比较，表明采用基于模型的设计方法可以加快系统开 发速度与增加开发过程的灵活性。简要介绍基于模型开发过程中使用的快速原 型开发系统m a c s 5 6 5 和d s p a c e 的组成与功能。综述发动机基于转矩控制系统 的组成和功能。最后简要阐述本课题的来源和研究意义。 1 1 天然气汽车的发展现状 一、天然气资源状况 能源短缺和生态恶化是2 1 世纪人类面临的主要问题，能源短缺将直接影响 各国经济的可持续发展，而环境污染则直接威胁着人类的健康和生存。天然气 是当今世界能源的重要组成部分，它与煤炭、石油并列为世界能源三大支柱。 据初步测算【l 】，全球天然气可采储量约为1 3 7 亿吨石油当量，与石油基本相 当。随着勘探、开发和储运技术的进步，过去2 0 年内，探明储量平均每年增长 4 9 ，产量平均每年增长3 1 5 。有关专家预测，未来1 0 年内，全世界天然气 消费年均增长率将保持3 9 ，发展速度超过石油、煤炭和其他任何一种能源， 特别是亚洲发展中国家的增长速度会更快。世界天然气需求量将以每年2 6 的 幅度递增。预计2 0 1 0 年前后，天然气在全球能源结构中的份额将超过煤炭的份 额，2 0 2 0 年前后，将会超过石油所占的份额。 二、天然气汽车国外发展现状 天然气汽车工业在2 0 0 6 - 2 0 0 7 年的增长是过去五年间增长最快的一年，7 4 个国家拥有天然气汽车，世界范围内天然气汽车已经超过1 6 0 万辆。2 0 0 6 至2 0 0 7 年间天然气汽车增长2 9 ，加气站数量增长1 3 ，全球天然气加气设备增加了 1 3 3 8 台套【。 表1 1 和表1 2 分别列出了2 0 0 6 2 0 0 7 年天然气汽车和天然气加气站增长列 西华大学硕士学位论文 前1 0 位的国家。 表1 12 0 0 6 2 0 0 7 年天然气汽车增长最快的1 0 强国家 t a b l e1 12 0 0 6 - 2 0 0 7t h et o p1 0o f n a t u r a lg a sv e h i c l e sg r o w i n gc o u l l t r y s 国家2 0 0 6 年保有量2 0 0 7 年保有量增长数量 俄罗斯6 0 ，0 0 08 5 ，0 0 0 2 5 ，0 0 0 泰国 2 1 ，7 9 94 6 ，8 8 52 5 ，0 8 6 孟加拉国5 0 ，5 3 08 0 。0 0 0 2 9 ，4 7 0 美国 4 7 ，6 8 8 9 6 1 0 0 4 8 ，4 1 2 哥伦比亚1 3 8 ，0 0 01 9 8 ，8 4 46 0 ，8 4 4 中国1 2 7 ，1 2 02 0 0 ，8 7 37 3 ，7 5 3 巴西 1 , 2 5 3 ，16 31 , 4 2 5 ，5 1 31 7 2 ，3 5 0 伊朗 1 4 8 ，3 9 23 5 9 ，7 2 9 2 1 1 3 3 7 阿根廷 1 , 4 2 2 ，1 0 6 1 ，6 5 4 ，0 0 0 2 3 1 8 9 4 巴基斯坦1 , 0 0 0 ，0 0 01 ，6 0 0 ，0 0 0 6 0 0 ，0 0 0 表1 22 0 0 6 2 0 0 7 年天然气加气站增长最快的1 0 强国家 国家2 0 0 6 年加气站数量2 0 0 7 年加气站数量增长数量 意大利 5 8 86 0 92 l 瑞士 7 09 22 2 瑞典9 51 3 6 4 1 美国 1 2 81 7 24 4 中国 4 1 54 8 67 1 泰国 7 61 5 37 7 阿根廷 1 , 6 1 41 ，7 0 1 8 7 哥伦比亚 2 0 23 1 31 1 l 巴西l ，3 8 5l ，5 5 3 1 6 8 巴基斯坦 9 6 5 1 ，7 0 0 7 3 5 三、我国天然气汽车发展状况 我国是个石油资源缺乏的国家，从上个世纪9 0 年代中期开始由石油出口国 变成石油进口国。随着改革开放和工业的发展，尤其是汽车工业的发展，石油 的需求量猛增，石油依赖进口的比例越来越大。而我国是个天然气资源相对富 足的国家，所以开发天然气汽车有利于国家的能源安全。国家已经从政策层面 2 西华大学硕士学位论文 给予天然气汽车研究和应用很大支持和帮助，九五，十五期间由国家投入大量 的研究资金，专门成立“空气净化工程清洁汽车行动 领导小组，取得了 大量的科研成果。“西气东输 工程的建立并不断完善，使天然气的使用范围越 来越广泛，天然气汽车加气站网络将会不断扩大和完善，现行的天然气汽车将 会在更大的区域内使用。国家“8 6 3 计划中专门设立了天然气发动机与天然气 汽车项目，目的是增加天然气汽车在国内的应用范围、解决能源紧缺和环境污 染问题。 在市场和国家政策的双重推动下【2 】，国内的天然气汽车工业有了很大的进 展。2 0 0 7 年天然气汽车增加了7 3 ，7 5 3 辆，国内天然气汽车保有量达2 0 0 ，8 7 3 辆， 同时2 0 0 7 年国内加气站增加7 1 座，使总数达到4 8 6 座，位于世界第5 的位置。 2 0 0 8 的国际石油价格的不断上涨及国内柴油和汽油价格的大幅度的上涨，将会 使国内的天然气汽车市场占有率进一步扩大。 1 2 天然气发动机研究现状 一，天然气发动机国外研究现状 为了提高天然气发动机的性能，充分发挥天然气作为清洁能源的优势，国内 外研究人员采用了许多改进措施，如：电控多点顺序喷射技术、稀燃技术、高 压缸内喷射技术等，在一定程度上提高了天然气发动机的性能【3 4 1 。 卡特彼勒发动机研究所在3 5 0 0 发动机的基础上，利用该所研制的甲醇发动 机电热塞，开发了高压缸内直喷电热塞助燃式天然气发动机【5 】。在标定工况下， 此天然气直喷发动机的热效率超过原柴油机，无可见烟排放，n o x 排放比同型 柴油机低，燃料经济性明显优于原柴油机。 加拿大b r i t i s hc o l u m b i a 大学和w e s t p o r tr e s e a r c h 公司联合开发了天然气高 压缸内直喷系统，其特点是引燃料和天然气共用一个泵喷嘴【6 】。采用该技术对 d d c 6 v - 9 2 发动机改装后，热效率比原柴油机提高了5 ，n o x 排放降低6 0 ， h c 排放低于原柴油机。 美国西南研究院开发的天然气电控缸内直喷( n g d i ) 系统，采用专用喷气 装置，通过电子控制实现天然气缸内直接喷射和稀薄燃烧，结合催化技术，已 实现发动机超低排放吼研制的j o h nd e e r e8 1 l 大功率天然气发动机其排放已达 3 西华大学硕士学位论文 到加州空气质量协会的极低排放标准( i ，e v ) 。 日本研制的n i s s a na dv a n 小型超低污染天然气汽车，采用天然气单一燃料， 将压缩比由原型汽油机的9 5 提高到1 2 8 ，使发动机功率和扭矩均有较大提高， 低速时扭矩与原机相同，排放结果低于其限定值【8 】。日本学者後藤雄一和佐藤由 雄就降低火花点燃天然气直喷发动机部分负荷下未燃碳氢( t h c ) 排放和高负 荷工况下n o x 排放对策加以研究。通过进气节流来减小超越可燃极限的稀薄混 合气区，从而减少火焰熄灭的可能性，作为降低t h c 排放量的对策。另外，分 层燃烧特别是在过量空气系数高的工况下，在局部形成过浓混合气，n o x 排放 量增加。通过采用废气再循环( e g r ) 技术，以减少n o x 排放【9 】。 二、国内天然气发动机研究现状 在西安交通大学，以黄佐华教授为主的研究团队近年来在天然气直喷发动机 方面做了很多基础性的研究工作。他们利用快速压缩装置对直喷天然气发动机 的燃烧、喷射特性等进行了试验研究和分析，取得了大量的成果【1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 。如： 天然气直喷发动机燃烧效率分析、不同喷射时刻缸内直喷天然气燃烧特性、点 火位置对天然气直喷超稀燃烧的影响、喷射正时对天然气直喷发动机性能的影 响等。 在吉林大学，林学东、袁兆成教授等研究人员采用双喷射器双点火直喷方式， 通过在气缸盖位置上设置2 个火花塞进行双点点火，各火花塞的点火时刻由控 制装置任意调整；在气缸顶上设置2 个喷射器，将天然气燃料按设定的喷射方 式和时刻直接喷入气缸【1 5 】。缸内的进气涡流强度通过进气口入口方向调整。试 验研究表明：通过对两个喷射器喷射方式及喷射时刻的控制，可改善气缸内特 别是火花塞附近混合气浓度的梯度分布。由此实现分层燃烧，有利于控制燃烧 放热规律及n o x 的排放。 在上海理工大学，张振东、郭辉等研究人员以8 0 c 1 9 6 k c 为处理器，针对火 花点火式单缸发动机开发了一种天然气缸内低压直喷控制系统【1 6 ，1 7 1 。试验研究表 明：由于气体喷射器在进气门关闭后直接向缸内喷气，使空气的吸入和天然气 的喷入在结构和时间上完全分开，与原机相比大大提高了发动机的充气效率。 采用电控缸内喷气并配合压缩比的优化使天然气直喷发动机的功率和扭矩基本 4 西华大学硬士学位论文 恢复到了原机的水平。使用天然气作为燃料与汽油相比，发动机的h c 和c o 排 放均显著下降，体现了天然气直喷发动机清洁排放的突出优点。 另外，吉林大学孙济美教授等研究人员通过对点火正时和空燃比实施抖动控 制策略的研究，以发动机转速波动差作为寻优控制响应的判据，实现了以燃料 经济性为寻优目标的闭环优化控制策略 1 8 , 1 9 1 。在一台压缩比为6 的天然气低压直 喷发动机上验证了可行性。 西华大学交通与汽车工程学院与中国汽车工程研究院合作进行天然气直唛 发动机控制系统的研发，在电控系统方面取得了一些成果。国内的其它一些高 等院校，如：北京理工大学、北京交通大学等从不同方面，对天然气发动机及 其控制系统的研究做了大量的工作。 1 3 基于模型的开发设计方法 一、基于模型设计与传统设计方法的比较 基于模型的开发设计方法是指在系统设计过程中，所有信息传递、工作核心 与基础是若干系统模型，所有工程师都是利用统一的建模环境完成自己关注的 开发任务，其设计过程如图1 - 1 所示 2 0 1 。 系统h 析 i 程日 翌- - 一 厂一丁 麓一。麓 f i g 】1d e s i g np r o c e s sb a s e do nm o d e l 图1 1 基于模型的设计过程 在上述设计过程中，执行不同设计任务的工程师彼此在统一的环境下完成开 发工作。他们之间传递的不仅仅是设计文档，还包含系统模型。随着开发工作 王否 堕兰丕望堡主堂壁丝皇 的不断深入，每个工程师都把自己的设计工作增加到相应的模型中，因此，越 在开发后期，模型就越复杂。当需要具体实现产品或者进行集成测试时，通过 代码自动生成技术可迅速地完成代码生成、硬件在环实时仿真与测试，甚至可 以生成直接应用于嵌入式系统的产品级代码，避免了大量的手写代码工作。基 于模型的开发设计方法正在被汽车工程师广泛地采用口”。 而传统的开发设计过程是自顶向下、逐步细化的“瀑布式”开发方法，其设 计过程如图1 _ 2 所示。 * *系# # 煎；息 弋入7 厂 f i g 1 - 2 t r a d i t i o n a ld e s i g n p i x ，c c s s 图1 - 2 传统设计过程 在这种设计方法的过程中，不同类型的工程师彼此交换设计成果，逐步细化 设计任务，直到完成最后的产品。传统设计开发流程具有快捷、易于实现的特 点。但是，因为嵌入式系统本身复杂程度的增加以及设计研发周期缩短和市场 压力等诸多原因，传统的设计开发手段逐渐暴露出以下问题1 2 0 】。 ( 1 ) 信息的交流依赖于文档由于不同工程师对系统的认识与理解有一 定局限性，因此在系统开发的过程中会引入一些理解缺陷甚至是错误，而这些 缺陷和错误会一步一步地传递到以后的设计阶段。 ( 2 ) 早期设计阶段引入的错误要在开发后期才能发现由于设计的嵌入式 软件算法需要在硬件制作出来之后才能进行系统集成测试，因此在设计阶段早 期引入的一些设计错误要在软硬件产品都具备之后才能测试。但是在开发后期 发现的错误修改起来很复杂，极有可能需要重新编写软件，甚至重新开发硬件 才能完成错误的修正。 ( 3 ) 手写代码和文档由手工写代码需要花费很长时间而且很容易出现错 西华大学硕士学位论文 误，调试起来非常困难，可能会导致最后无法完成系统的集成。特别是在出现 需求更改的时候，需要修改大量的代码，而使工作非常繁琐和易出现错误。 采用基于模型的开发设计方法后，解决了传统设计过程中出现的问题，其突 出的优势表现在方面【2 0 捌： ( 1 ) 模型就是可以执行的规范在基于模型的系统开发设计过程中，所有 过程遵循统一环境下的统一模型。由于模型能够进行仿真计算，因而在设计初 期就可以针对设计思想进行仿真验证，这相当于把测试手段从系统设计的初期 就引入到了整个设计流程中。作为规范的模型能够通过执行仿真来验证自己的 正确性，从而保证了规范的正确性。 ( 2 ) 连续不断的测试和验证在整个基于模型的开发设计过程中，从设计 初期就进行离线的算法仿真测试，在产品实现之前通常还需要完成快速原型仿 真、软件在环仿真、处理器在环等仿真步骤，而产品实现之前需要完成硬件在 环仿真、人在环仿真等集成的测试手段，这些测试都是基于前面开发出来的系 统模型，即在每个环节都引入了仿真测试手段。通过充分利用仿真，可以考察 系统不同组件对整个系统的影响。 ( 3 ) 代码自动生成技术自动代码生成技术使快速原型仿真和硬件在环仿 真成了简单易行的测试手段，而嵌入式产品级代码生成技术则可以能够帮助工 程师节约大约7 0 的时间，可极大地提高工作效率。 二、基于模型开发设计的软件 现在市场主流基于模型设计的仿真软件是m a t h w o r k s 公司m a t l a b 软件下的 s i m u l i n k 、s t a t e f l o w 、r e a l t i m ew o r k s h o p 等工具箱。m a t l a b s i m u l i n k 是在 m a t l a b 产品基础上形成的，能够针对各种复杂的动态系统建立仿真和控制模 型。 在s i m u l i n k 产品基础之上形成了s t a t e f l o w 图形化设计与开发工具。它基于 有限状态机理论，通过对状态图、流程图的创建，针对事件驱动模型进行建模 和仿真。s i m u l i n k 结合s t a t e f l o w 之后，整个m a t l a b 产品族就可以针对连续时间 系统、离散时间事件系统进行建模仿真，从而能很好地完成模型开发和仿真【2 0 j 。 s i m u l i n k 能够结合r e a l t i m ew o r k s h o p ( r t w ) 将s i m u l i n k 框图化的模型转 7 西华大学硕士学位论文 变为标准的c c + 十代码，进行实时仿真、产品快速控制原型生成等。而利用r t w 扩展功能r e a l t u n ew o r k s h o pe m b e d d e rc o d e r 可以直接生产用于产品的嵌入 式代码。目前m a t l a b 产品中包含的系统目标有：e m b e d d e r t a r g e t f o r m o t o h o l a m p c 5 6 5 、e m b e d d e rt a r g e tf o r1 r f l l l e o nc 1 6 6 、e m b e d d e rt a r g e tf o rm o t o l r o l a h c l 2 、e m b e d d e rt a 堆e tf o ro s e k n d x 、x p ct a r g e t 等，这些处理器都是汽车 e c u 常用的c p u 芯片和操作系统，从而可以加快e c u 系统的开发。 三、快速原型开发系统 快速控制原型r c p ( r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n g ) 是通过一定的技术手段，用 于在短时间内形成与开发中的控制器功能一致性的测试原型装置。通过对这个 功能原型装置的实物试验来检验和修改设计。这样在产品样机生产之前，即可 确认设计的各项指标。使用r c p 技术，可以在费用和性能之间进行折衷；还可 在最终产品硬件投产之前，仔细研究诸如离散化及采样频率等对产品性能的影 响、算法的性能等问题。通过将快速原型硬件系统与所要控制的实际设备相连， 可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。而且，还可以利 用旁路( b y p a s s ) 技术将原型电控单元或控制器集成于开发过程中，从而逐步 完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换，应用开发过程如图1 - 3 所示。 f i g 卜3d e v e l o p m e mp r o c e s sw i t hr c p 图1 3 快速控制原型开发过程 r c p 技术的关键在于代码的自动生成和下载，同时还必须有良好易用的建 模、设计、离线仿真、实时开发及测试工具，这样才能加快设计和试验的开发 n 蜀 亘垩盔堂亟主兰焦鲨苎 循环过程。 现在市场上主流的快速原型开发系统有德国的d s p a c e 和荷兰t n o 公司的 m a c s 5 6 5 等，他们都是基于m 砒a b s i n 】u l i n “s t 砒e n o w r t w 工具箱的图形化的 快速原型开发设计系统，适用于基于模型的开发设计过程。 m a c s 5 6 5 是荷兰t n o 公司开发的一套汽车电控系统快速原型开发平台， 由主控制器、w m s p e e s 监控软件、模块、发动机控制等模块组成，他们之间 可通过c a n 总线或以太网进行数据通讯，具体方式如图】- 4 所示【2 e , l 。 f 巴乏 。；。p 餐涉嚣黼5 ii w m * 圜斗赫熟 s 鼗c “ 啼# 目) f i g1 - 4m a c s 5 6 5s y s t e m 图1 - 4m a c s 5 6 5 系统组成 主控制器是一个汽车通用e c u ，具有模拟量、数字量的输入和输出接口， 由用户通过软件自由地配置选用：w m s p e e s 软件是整个硬件系统人机交互接口， 能够读取和标定e c u 内部的数据，并能够将m a t l a b s 诎建立的模型写 入e c u 的f l a s h 或者r a m 存储器中。各部分功能将在第六章详细说明。 d s p a c e 实时仿真系统是由德国d s p a c e 公司开发的一套基于 m a t l a b s i m t d i n k 的控制系统开发、测试及半实物仿真的软硬件的工作平台， 实现了和m a t l a b s i m u l i n k 的完全无缝连接。d s p a c e 硬件系统中的处理器具 有高速的计算能力，并配备了丰富的i o ；软件环境的功能强大且使用方便，包 括实现代码自动生成下载和试验，调试的整套工具口】。 采用d s p a c e 系统，基于模型的快速原型开发过程如图1 - 5 所示。 西华大学硕士学位论文 0 _ r a p i dc o n t r o lp m t ”i 呜i m p l e m e n t a t l o n 圈器黉 f i g 1 - 5 r c pa n dp r o d u c t d e v e l o p m e n t b a s e d o n m o d e l w i t h d s p a c e 图1 - 5 采用d s p a c e 基于模型的r c p 和产品开发 d s p a c e 系统的软件使用控制工程领域的基本软件工具m a t l a b s i m u l i n k 作为其前端工具。利用r t i 工具，d s p a c e 可以直接继承开发人员在m a t l a b 软件环境下得到的s i m u ! i n k 算法模型，将这个模型自动转变成为可实时运行的 程序代码，并将代码下载至其专用硬件平台上运行。在s i m u l i n k 模型中，开发 人员可以使用的d s p a c e r t i 提供的各种实际物理信号接口，这样，模型算法生 成代码后，可以直接通过d s p a c e 专用硬件平台上对应定义的物理信号接口处 理真实的电气信号( 传感器反馈，执行机构驱动，总线通讯等) 。也就是说，在 d s p a c e 平台上运行的s i m u l i n k 模型，可以与真实的物理设备相互关联，实现对 理论设计的测试检验。 m a c s 5 6 5 与d s p a c e 是功能相似的快速原型开发系统，两者的侧重点各有 不同。m a c s 5 6 5 是专门针对汽车e c u 的快速原型开发系统，系统设计时更多 的考虑了汽车电子控制系统的特点和应用环境，使用起来比较方便。但是它没 有汽车系统被控对象的数学模型，需要用户自己建立发动机等汽车部件的数学 模型。而d s p a c e 不光是针对汽车电子控制系统而研制，它能够被用于航空、 军事等更多领域，系统具有通用性。两者在价格上有很大的差异：前者较为便 宜，后者由于其功能全，提供的系统组件多，价格较为昂贵。 1 4 基于转矩的发动机控制研究现状 发动机控制系统的主要任务是把驾驶者的需求转化为发动机的输出功率和 转矩，以克服车辆在行驶和加速时的阻力。而功率和转矩的输出，通过控制空 西华大学硕士学位论文 气充量、燃料量和点火提前角来实现。 在整车控制系统中，还有一些功能予系统( 如：怠速控制和转速调速等) 也 会要求对转矩进行补偿，需要调整发动机的输出功率。怠速等辅助控制功能都 会体现在对发动机输出转矩的影响上，因此，可能导致同时出现相互矛盾的需 求刚。当各种互相矛盾的需求同时出现时，彼此之间的协调很困难，如图1 - 6 所示。采用转矩控制的策略后，这种矛盾可以得到解决。转矩控制策略是首先 对各部件的需求进行优先级判断和协调：然后再利用得出的控制参数去实现指 定转矩的输出。 f i gl 一6t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d 幽1 6 传统控制方法 p i g1 - 7b o s c h m e - m o t r o n i ce n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m 图1 7b o s c hm e - m o t r o n i c 发动机电控系统 西华大学硕士学位论文 b o s c h 公司的m e m o t r o n i c 和d m o t r o n i c 发动机管理都系统都采用的 是基于转矩控制原理【2 5 1 。m e m o t r o n i c 发动机管理系统如图1 7 所示。 以前驾驶员使用加速踏板驱动机构的机械式连杆来决定节气门开度，即： 驾驶员直接实施气缸进气量控制，各种转矩需求直接以不相关的、独立的方式 调整控制参数。转矩控制系统和以前系统相比增加了电子节气门和电子加速踏 板，用电子加速踏板反映驾驶者的操作。转矩控制系统根据一定的算法，能够 将各不同的需求协调排序，然后控制电子节气门使其保持在一定的开度，从而 控制气缸的进气量，使发动机达到特定的转矩。协调控制策略还能综合控制点 火和燃料的喷射，从而使发动机获得最佳的排放和燃料经济性，其基本控制方 法如图1 8 所示1 2 5 删。 f i g 1 8p r i n c i p l eo f t h ee n g i n et o r q u ec o n t r o l 图1 - 8 发动机转矩控制原理 在采用转矩控制策略的发动机控制系统中，e c u 采集加速踏板位置传感器 信号，以反映当前驾驶者的驾驶需求，同时还要结合发动机工况和车辆运行参 数等因素，确定一个特定的输出转矩，通过协调气缸进气量、燃料喷射量、点 火正时等控制参数，获得对应的转矩，以达到需求的输出转矩，同时控制系统 将监测当前运行参数的变化情况。 该控制策略需要区分不同需求的优先程度，优先执行最至关重要的需求， 这是基于转矩控制的优势所在。采用转矩控制策略不仅能控制燃料喷射和点火， 还能较好地兼顾很多复杂的功能，如：启动、怠速、三元催化器加热等功能， 1 2 西华大学硕士学位论文 还能接受来自驱动系统和车辆动态控制系统的请求，如：防震颤控制、巡航控 制、最高车速限制、变速箱控制的换挡优化和牵引力控制等。 1 5 课题主要来源和研究的意义 一，课题来源 在预混合燃烧型天然气发动机中，天然气以气态形式在进气管处与空气混 合，于进气行程被吸入气缸点火燃烧阳。由于进气节流作用以及天然气没有蒸 发效应，造成了天然气发动机与汽油发动机相比存在1 0 1 5 的充气效率损失 和缸内平均有效压力降低，从而使输出有效功率和有效转矩均降低。 柴油天然气双燃料发动机混合气浓度随负荷降低而逐渐变稀，导致发动机 在中低负荷运行时混合气浓度过稀，使得燃烧不完全，h c 和c o 的排放会大幅 度增加；在高负荷时，混合气浓度虽然变浓，但极易引发强烈的爆震。并且， 由柴油机改装而来的双燃料发动机还存在因扫气而引起燃料损失和甲烷排放增 加问题 3 , 4 1 。 针对预混合燃烧型天然气发动机的诸多缺点，国内外都在寻找比较好的解 决方案。大量的基础试验研究表明：采用高压缸内直喷技术能够解决天然气预 混合燃烧型发动机的低效率与排放问题，对其燃烧机理和排放特性的研究已取 得了阶段性成果。 为了加快天然气高压喷射技术的应用，四川省教育厅在“重大培育 项目 中设立了“天然气高压直喷发动机控制系统关键技术研究 课题，以加快天然 气高压缸内喷射技术应用技术研究。本课题是该项目下的子课题：基于模型的 天然气发动机转矩控制研究，同时在完成课题的过程中受到四川省重点学科建 设项目：汽车电控系统快速开发平台建设的资助，并提供了软、硬件环境，为 课题的顺利完成奠定了基础。 二、研究意义 本文研究基于模型的天然气发动机转矩控制方法，通过理论推导转矩控制 的基本原理、控制变量和控制策略。研究天然气发动机电控系统基于模型开发 设计的方法，用m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 建立天然气发动机控制系统模型，并 西华大学硕士学位论文 建立发动机和电子节气门等被控对象模型，对建立的控制系统模型和控制策略 进行验证和确认。然后，利用m a c s 5 6 5 汽车电控系统快速开发平台等资源，建 立天然气发动机电控系统开发平台，通过代码自动生成技术，将建立的控制器 模型代码下载到控制器中运行，通过发动机信号模拟箱设置发动机工况，对每 个工况进行验证和在环测试与仿真。 本文的工作为以后深入研究天然气发动机控制系统和控制策略提供了一个 基础的研究平台。 。1 6 论文的主要研究内 一 结合“天然气高压直喷发动机控制系统关键技术研究 课题，本文完成了 以下主要研究内容： 第一章对天然气高压直喷发动机国内外研究现状和关键技术进行分析，介 绍了基于模型的设计方法和开发系统工具，并综述了转矩控制方法。 第二章分析发动机转矩的影响因素，从能量转换和工质流动的角度推导天 然气发动机转矩形成公式：= 乙( 九，e ，只，刀，m ，) ，结合电控系统可控参数将 其转化为a 、p 、口与转矩之间的关系。随后详细说明了在不同工况下，三个控 制参数控制策略。 第三章首先通过传感器的工作原理分析和标定数据，建立传感器模型；分 析并建立电子节气门系统模型。详细给出天然气发动机控制系统模型，并说明 每个模块的功能。 第四章利用m a t l a b s i m u l i n l d s t a t e f l o w 工具建立天然气发动机控制系统模 型。首先建立传感器信号检测与故障处理模型，然后，利用有效的传感器信号 建立发动机工作状态模型。在主控制器中，分状态建立相应的控制策略模型。 在底层驱动模型中对电子节气门控制系统做了详细仿真和算法研究，为后面硬 件在环提供相关控制依据。 第五章通过建立发动机模型，验证和确认控制器模型是否符合前面所述控制 策略的要求，验证控制器模型是否正确。离线仿真结果表明建立的模型符合系 统要求。 为进一步确认和验证模型对具体的控制器适应能力，第六章利用m a c s 5 6 5 1 4 西华大学硕士学位论文 快速原型开发系统，将模型转化成可执行的代码直接写到开发系统主控制器中， 通过w i n s p e c s 监控系统进行相关参数运行情况，并建立初始m a p 图标定模型。 第七章总结本文所做的主要工作，并对本文的不足和需要继续完善的工作进 行总结。 1 5 西华大学硕士学位论文 2 基于转矩的天然气发动机控制原理 为了对天然气发动机转矩进行控制，需要对转矩的形成和控制参数进行详 细地研究，从而为后续控制模型奠定基础。本章首先从“质和“量”的角度 分析转矩的影响因素，再从能量转换和工质流动的角度推导天然气发动机转矩 的形成公式。结合电控系统可控参数，将其转化为a 、p 、口与转矩之间的关系， 随后详细说明了在不同工况下三个控制参数控制策略。 2 1 转矩控制原理 一、转矩的影响因素 发动机动力输出的过程，从本质上看是进入发动机气缸中燃料的化学能转化 为曲轴有效输出功的过程。输出功率的大小，首先取决于单位时间内加入化学 能量的多少，这是“量 的环节。其次，取决于化学能转化为输出功的效率， 这是“质”的环节。所以，有必要从这两个方面去研究影响发动机转矩产生的 具体因素，从而对它们进行协调控制【2 5 ，2 8 捌。 从“量”的角度看，进入气缸的化学能涉及到进入气缸混合气的质量，即： 进入气缸的新鲜空气的质量、燃料的质量，同时还涉及燃料的低热值。同一发 动机使用的燃料性质为一定值，发动机的物理参数一定，所以影响发动机的动 力输出就在于进入缸内的新鲜空气质量和燃料的质量。 这里涉及到一个重要的概念一一过量空气系数a ，它为单位质量的燃料完全 燃烧所需的理论空气量2 i d 与实际供给空气量，的比值，九 1 为稀混合气；九 p c ) p n a ：盈 p q 1 见：p ) 鬲 p 2 p n ：、p c p lb p e p 2 。 一一进气管处压力随时间的变化；圪一一进气管加进气通道的体积； 互一一进气管内气体的温度；r 一一气体常数； 耽、朋0 一一分别为节气门处和进气门处的气体质量流量； 1 9 巧一一发动机排量；妒以且) 一一发动机充气系数； ，。、矗一节气门前的气体压力和温度，采用标况下的温度和压力； 、a j 、a 2 、a 、见均为常数； 口一一节气门开度( 4 ) 。 在稳定工况下，进气管处压力随时问