（控制理论与控制工程专业论文）点燃式发动机建模与空燃比控制策略的研究.pdf

摘要 中文摘要 快滤发展的电子技术和计冀机技术越来趋多的应用劐车用发动机控制 系统，使得发动机朝着提高动力性和节能的目标发展。曰益严格的排放法 援对发动机控制系统提出了更麓的要求，藤搓赢空燃毖的控制精度楚改善 发动梳性能豹关键。 本文分析了点燃式发动机的物理特性，给出了发动机平均值模测，该 模型主要包括气路子模型、油路子模型和动力输出予模测。在m a t l a b s i m u l i n k 夔繇襞中，建立了蒸予警均篷模型豹赢燃式发动壤豹谤真模囊。该 模型的建立节约了研究成本，减少了开发周期，能对发幼机的相关内特性 进行分析及控制策略的研究与检验。 发动机进气逶路的非线性臻节主要包括节气门有效蕊积和容糗效率两 部分，本文分别浆愆了改遥静b p 掰络霸r b f 霹络对二鬻迸葶亍辨谈。采糟 这种熬于神经网络的模型对进气空气流进行估计，仿真结果表明该方法提 高了相应环节的辨识精度。 发凌爨是一令麓发 线瞧秘多撬动瞧黪系统，空燃魄对发动凝凌力性、 经济性和排放产生獯大的影响。本文综合分析了车用汽油机的空燃比控制 策略。分别介绍了熬于经典理论的p i d 控制及其与非线性控制相结合的方 法、瑗代控制技术秘智髓控制理论在发动枫精确空燃比控制中的应髑，研 究了它们静优点与不足，并分静千了箕发震趋势与应曩蓊祭。 考虑到被控对魏本身的非线性和时间延迟，针对发动机瞬态工况特性， 本文掇如了一种綦予神经网络的空燃比预测控制方法，给出了离散时间非 线黎发动租模鳘，蠲三层蔻镶毒枣经网络怼警爨魄透露了颈测强控裁，傣窦 结果袭明该控制方法提高了瞬态工况的空燃比控制精度，其控制效果优于 车用e c u 。 关键诵；空燃比，点燃式发动枫，建模，神经网络，瓣态工况，鞭溺控翻 a b s t r a 疆 a b s t r a c t t h ef a s t d e v e l o p i n g e l e c t r o n i c t e c h n i q u e s a n d c o m p u t e rt e c h n i q u e s a r e i n c r e a s i n g l ya p p l i e dt ot h ec o n t r o ls y s t e mo fa u t o m o b i l ee n g i n e t h e s et e c h n i q u e s l e a dt h ee n g i n ea l o n gt h ed i r e c t i o no fi n c r e a s i n gd r i v e a b i l i t ya n dr e d u c i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n 。w i t ht h ed a i l yt i g h t e n i n g s t a n d a r do fe x h a u s t e m i s s i o n ，h i g h e r r e q u i r e m e n t sa r er a i s e df o rt h ee n g i n ec o n t r o ls y s t e m ，w h i l ei n c r e a s i n gt h ec o n t r o l a c c u r a c y o f a i r - f u e lr a t i oi sc m c i a lt oe n h a n c i n gt h ee n g i n ep e r f o r m a n c e i nv i e wo ft h ep h y s i c a lc h a r a c t e r so fs p a r k i g n i t i o ne n g i n e ，t h i st h e s i sp r e s e n t sa m e a nv a l u ee n g i n em o d e l ( m v e m ) ，w h i c hm a i n l yc o n s i s t so ft h r e es u b s y s t e m s t h e a i r - f l o wd y n a m i c s ，t h ef u e l f l o wd y n a m i c sa n dt h ec r a n k s h a f td y n a m i c s u n d e rt h e e n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n k , as i m u l a t i o nm o d e lo f 嬲mi sb u i l tu p 。w h i c h h a sr e d u c e dt h er e s e a r c hc o s ta n ds a v e dt h ed e v e l o p i n gt i m e ，w i t hw h i c hs o m ei n s i d e c h a r a c t e r sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e sc a nb ea n a l y z e da n dt e s t i f i e d 。 a sf o rt h en o n l i n e a rp a r to f i n t a k em a n i f o l ds u b s y s t e m ，s u c ha se f f e c t i v et h r o t t l e a r e aa n dv o l u m ee f f i c i e n t ) ；m o d i f i e db pn e u r a ln e t w o r ka n dr b fn e u r a ln e t w o r k a r eu s e df o ri d e n t i f i c a t i o nr e s p e c t i v e l y e s t i m a t i o no fi n t a k ea i rm a s sf l o wi sm a d e b y u s eo f t h em o d e lb a s e do i ln e u r a ln e t w o r k , a n ds i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e m e t h o dp r o p o s e di n t h i st h e s i sh a si n c r e a s e dt h e c o r r e s p o n d i n g i d e n t i f i c a t i o n p r e c i s i o n a u t o m o t i v ee n g i n ei sah i g h l yn o n l i n e a ra n dm u l t i d i s t u r bs y s t e m a i r - f u e lr a t i o h a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h ev e h i c l ed r i v e a b i l i t y , f u e le c o n o m ya n de m i s s i o nl e v e l s t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fa i r - f u e lr a t i oc o n t r o ls t r a t e g yi sg i v e ni nt h ep a p e r s e v e r a lm e t h o d s a p p l i e d t ot h ea i r - f u e lr a t i oc o n t r o la r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y , s u c h a st h ep i dc o n 订o lb a s e d0 nc l a s s i c a lt h e o r ya n di t sc o m b i n a t i o nw i t hn o n l i n e a r c o n t r o lm e t h o d s ，m o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r ya n ds oo n ， w i t hw h i c ht h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do f a i r - f u e lr a t i oi sa l s oa n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r sa n d t i m ed e l a yo ft h ep l a n t , a sf a ra st h e t r a n s i e n td y n a m i c so fe n g i n ei sc o n c e r n e d ，i nt h i st h e s i sap r e d i c t i v ea i r - f u e lr a t i o c o n t r o lm e t h o di sg i v e nb a s e do nn e u r a ln e t w o r k i nt h i sp a p e rad i s c r e t en o n l i n e a r a b s t r a c t c o n t r o lm e t h o di sg i v e nb a s e do nn e u r a ln e t w o r k i nt h i sp a p e rad i s c r e t en o n l i n e a r e n g i n em o d e li s a l s o p r e s e n t e d ，u s i n gf o r w a r dn e u r a ln e t w o r ko ft h r e el a y e r st o p m d i c t a n dc o n t r o la i r - f u e lr a t i o s i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ec o n t r o lm e t h o d p r o p o s e di nt h ep a p e rh a si n c r e a s e dt h ea i r - f u e lr a t i oc o n t r o la c c u r a c yu n d e rt h e t r a n s i e n tc o n d i t i o n s ，w h i c hi sb e t t e rt h a nt h a to fa u t o m o t i v ee c u ， k e yw o r d s ：a i r - f u e lr a t i o ，s p a r k - i g n i t i o ne n g i n e ，m o d e l i n g ，n e u r a ln e t w o r k ， t r a n s i e n tc o n d i t i o n s ，p r e d i c t i v ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导鄢指导下避行的研究工佟和取褥静 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浓 或撰写过静研究或采，瞧不鼋含为获得苤塞叁茎袋其链教脊梳擒懿学霞戴诞 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赏献均融在论文中 乍了嘲确酶说鹗并表示了 囊 意。 学位论文作者签名：孪p 春私签字日期： 2 ，汐。；年，月却日 学位论文舨权使用授权书 本学位论文作者党全了解叁凌盘鲎有关保留、使用学位论文的舰意。 特授投墨鲞基堂可敬将学经论文豹全部或部分内容编入旃关数攥库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制警段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 彝国家套关郄门或极梭送交论文豹复印传和磁盘。 ( 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：毒p 拳事冬 导师签名： 参憎哆 j 签字两期：。一；年，月知矿e |签字目麓：乡。年掰胄函醴 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着社会发达程度的日益提高，汽车的数量与日俱增，从1 9 9 3 年至1 9 9 8 年，世界汽车总产量连续六年在4 7 0 0 万辆，目前我国汽车年产量达1 5 0 万辆左右，保有量超过1 0 0 0 万辆【l 】。随着产量和保有量的不断增大，汽车 在对人类文明做出巨大贡献的同时，也给人类的生存环境带来了越来越明 显的负面影响，其中由汽车内燃机直接引起的负面影响具体表现在如下几 个方面。 1 环境方面 汽油机燃油燃烧对环境造成的危害主要表现在大气污染、噪声和粉尘 等方面，其中尤其以大气污染最为严重。汽油机排气中的有害污染物主要 包括一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 和微粒( p m ) 等， c o 是有毒气体，n o x 极易与周围的水蒸气结合生成稀硝酸，直接损伤人 的眼、鼻、喉造成呼吸系统疾病。这些有害气体经汽车直接排入空气，给 人类赖以生存的大气环境带来严重的破坏。据报道我国的北京、上海等大 城市己进入世界十个大气污染最严重的城市行列，其罪魁祸首就是汽车的 废气排放。全世界每年排放的c 0 2 中汽车占1 0 还多，这造成地球逐渐变 暖| ；2 】。 2 能源方面 内燃机是石油产品的主要消耗者，据统计全世界的石油产品约4 6 被 内燃机消耗。按照目前汽车保有量的发展趋势，石油资源只能供全世界使 用到2 0 4 0 年至2 0 5 0 年左右【3 1 。本世纪两次全球性的能源危机说明了降低 内燃机燃油消耗量是十分迫切和必要的。各国内燃机工作者一直将降低汽 油机油耗作为重要的研究课题，并取得了丰硕成果，而且随着技术的进步， 汽油机的燃油消耗还将进一步降低。 由于排气污染和燃油消耗量巨大引起了诸多弊端，从六十年代起，美 国、日本、西欧等发达国家相继制定了汽车排放法规，从而强制提高汽车 的排放性能。各汽车生产厂家也从各方面入手，努力找出降低燃油消耗的 i 第一章绪论 措施。在全世界范围内，除了注重内燃机的功率输出效率外，股以降低 燃油消耗和减少排放污染为目的风暴正在兴起。 获得发动机良好性能的一个重要基础是发动机的控制。控制的主要目 的是保证发动机内的热力过程能按理想的方式进行，使发动机的设计思想 得以实现，发动机控制主要包括以下几方面： 1 空燃比控制：空燃比是一定量的混合气中所含空气与燃料的质量比。空 燃比对燃烧过程的影响最为显著，其主要原因是燃烧过程中火焰速度与燃 烧最高温度均随空燃比而发生较大的变化。 2 点火控制：保持可靠的点火是汽油机正常运行的基础，特别对装有三效 催化转换器的发动机来说更为重要。因为发动机缺火会导致未燃烧的h c 在三效催化转换器内部氧化燃烧，并由于温度过高而使催化转换器失效。 3 怠速控制：怠速指驾驶者离开加速踏板后发动机运行状态，或者指当发 动机与离合器分离时，无轴功输出的发动机运行状态。怠速控制必须使发 动机产生的转矩与所需要的负荷保持平衡，以维持一定的转速。 4 排放控制：汽车的排放污染源包括排气管废气、燃油蒸发气体和发动机 的逃逸气体，其中排气管排出的废气是主要污染源，利用排气催化转换器 对燃烧后的气体进行再处理( 氧化或还原) ，可以降低最终的排气有害成分。 目前车用内燃机主要是汽油机和柴油机，而汽油机在轿车和轻型车中 应用的比例达到了8 0 。随着时间的推移，传统的化油器式发动机难以满 足当前严格的排放法规和燃油经济性法规的要求。在电子技术和计算机技 术飞速发展的条件下，发动机电子控制技术使发动机朝着提高燃油经济性 和降低排放的目标发展。与传统的发动机相比，电控汽油喷射发动机大大 提高了发动机混合气空燃比及点火提前角的控制精度。 发动机的动力性、经济性及排放性能均与发动机的空燃比有密切的关 系。因此，本课题选定的研究对象是进气道多点电喷汽油机。本文研究的 目的是通过对发动机物理特性的分析，在m a t l a b s i m u l i n k 的环境中，建立 发动机的数学模型，并设计合理有效的发动机空燃比控制方法，提高空燃 比控制精度。在本文中，发动机建模和控制用到的数据均来自实验样机， 样机的主要技术参数详见附录1 ，下文中不再赘述。 第一章绪论 1 2 发动机空燃比控制的研究现状与发展特点 发动机的运行状态分稳态工况和瞬态工况两大类。稳态工况是指热机 状态下的稳定工况，此时发动机己充分预热，运转过程中转速和负荷均不 发生突然变化。稳态工况大致可分为怠速、小负荷、中负荷、大负荷和全 负荷几种情况。瞬态工况包括发动机的起动工况、汽车行驶中的急加速工 况和急减速工况。 目前，产品发动机在稳态工况通常采用闭环控制，其控制系统框图如 图1 1 所示，在发动机的排气管上安装一个氧传感器，根据排出废气中所 含残氧量的变化检测出进入发动机燃烧室内混合气的空燃比值，把它反馈 输入到计算机内，与设定的目标空燃比进行比较后，得出误差信号，经放 大器控制电磁喷油器的喷油时间，使空燃比保持在设定的目标值附近。 空燃比闭环控制可以达到较高的空燃比控制精度，同时也可消除因产 品制造差异或因磨损、老化等引起的性能变化，其工作稳定性好，抗干扰 能力强。空燃比控制的目标是把空燃比控制在理论空燃比1 4 7 附近一个很 窄的范围内，这主要是由于三效催化转化器在理论空燃比附近的净化效率 最高决定的。 控制系统 图1 - 1 闭环控制系统 产品发动机在瞬态工况时一般采用开环控制，先根据试验把确定的发 动机各运行工况的最佳喷油参数事先制成脉谱存入计算机中。在速度一密度 法计量系统中，发动机电子控制系统( e c u ) 通过进气管绝对压力( m a p ) 信 号和转速信号来计算进气量，根据节气门位置和进气管内气体压力的变化 情况增加喷油或减少喷油，所增减的燃油量通过查表得到。采用上述方法， 空燃比的控制精度直接依赖标定试验的精度，因此存在以下不足之处： 1 需要进行大量的标定试验。增加了产品开发成本和开发周期。 第一章绪论 2 发动机所用燃油的品质对空燃比的控制精度有很大的影响。 3 当喷油器及发动机的实际性能出现差异时，或由于长期运行、磨损、老 化等引起性能变化时，混合气不可能正确的保持在预定的空燃比附近。 以线性表格为基础的修正控制方式虽然具有较好的适应性，但它始终 是一种静态的补偿机制，由于发动机的时变非线性特性，它无法对发动机 的状态参数做出准确跟踪，并存在补偿盲区。 发动机是一个具有很强的非线性和多扰动性的系统，其工作时的各种 参数随着输出功率、转速及环境状况的变化而变化。由于湿壁效应等因素 的影响，空燃比经常会不断地发生偏移，发动机系统的复杂性给控制系统 的设计和优化增加了困难，要精确控制瞬态过程中的空燃比更加困难。而 在运营条件下，汽车发动机大多处于非稳态工况下工作，其在非稳态工况 下的行驶时间、燃油消耗量和有害排放等均占主导地位。 过去三十年来，对非线性、时变和具有不确定参数的对象进行辨识的 研究已取得了很大进展。神经网络所具有的学习能力和非线性特性为其在 系统辨识，尤其是非线性系统的辨识提供了一条十分有效的途径。 随着现代控制理论的不断完善与发展，二十世纪九十年代以来，各种 先进控制理论与技术已经应用到空燃比瞬态控制上来。当前经常使用的空 燃比控制方法一般包括以下几种控制方式：基于经典控制理论的p i d 控制、 基于模型的空燃比控制、自学习控制、模糊控制、神经网络控制以及滑模 变结构控制等。应用这些先进的控制方法提高了发动机瞬态空燃比的控制 精度，改善了发动机的性能。 1 3 本论文的研究内容和结构 为了降低排放，提高发动机的动力性和经济性，必须提高空燃比的控 制精度，而建立完善的发动机动态模型，改进发动机的控制方法是解决瞬 态工况下空燃比偏移的有效途径。因此本文研究的主要内容包括以下几个 方面： 1 在对发动机物理特性分析的基础上，采用平均值模型对点燃式发动机 建模，并在m a t l a b s i m u l i n k 的环境中加以实现。在分析了影响发动机性 能主要因素的基础上，选择发动机节气门开度、进气管绝对压力和发动机 转速作为输入，以有效节气门面积、容积效率作为输出，分别采用了改进 第一章绪论 的b p 神经网络及r b f 神经网络建立了各输入与目标输出的神经网络模 型，用于辨识发动机非线性环节参数。本文提出了基于神经网络的模型， 与传统的基于图表的方法及旧模型对空气流的估计结果比较，这种新方法 提高了模型的辨识精度。 2 本文研究了经典控制理论、现代控制理论和智能控制在汽油机空燃比 控制中的应用现状，并分析了各种控制策略的可行性及其发展趋势和应用 前景。 3 本文针对发动机瞬态工况的运行特性，提出了一种基于神经网络的空 燃比预测控制方法，仿真结果表明该控制方法是一种有效的控制策略。 本论文共分六章。第一章为绪论部分，简要介绍了汽油发动机空燃比 控制的意义与发展特点。第二章介绍了点燃式发动机及其电控系统的基本 理论，分析了影响空燃比控制的一些因素。第三章根据流体力学及空气动 力学建立了汽油机平均值模型，包括气路子系统模型、油路子系统模型和 动力输出子系统模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 的环境中实现，用神经网络对 进气通路的非线性环节进行辨识。第四章给出了对汽油机空燃比控制策略 的研究。第五章提出了一种基于神经网络的空燃比预测控制方法。第六章 对全文进行总结及展望。 第二章点燃式发动机及其电控系统基本理论 第二章点燃式发动机及其电控系统基本理论 2 1 汽油机基础 汽油机是将汽油和空气混合的可燃混合气燃烧后获得的热能，转化为 机械能的一种动力机械4 1 。随着电子技术的发展，其越来越多的应用到汽 车工业，传统的机械方式逐步被电控技术代替，微机的加入及微机速度、容 量的提高，使发动机控制功能越来越完善。 2 1 1 汽油机的工作循环 气缸中进行的每一次将热能转变为机械功的一系列连续过程称为内燃 机的一次( 作一次功) 工作循环。现用汽油机的工作循环通常都是四冲程 的，即曲轴旋转两周完成一次循环，每一次工作循环都包括进气、压缩、 做功和排气四个过程，四冲程汽油机的工作原理如图2 1 所示。 进气冲程 压缩冲程做功 中程排气冲程 图2 1 四冲程发动机工作原理图 在进气冲程中，活塞从上止点向下止点移动。随着活塞的下移，气缸 容积增加，在气缸内产生真空度，因此吸入混合气。而在压缩冲程中，活 塞从下止点向上止点运动，此时已进入气缸内的混合气被压缩a 混合气的 压缩程度越高，燃烧后爆发压力就越大，则作用在活塞顶上的压力也就越 第二章点燃式发动机及其电控系统基本理论 强。在做功冲程中，已压缩的可燃混合气被点燃而燃烧。燃烧所产生的爆 发压力推动活塞做功，并对外输出。在排气冲程中，通过活塞的向上运动 将气缸内燃烧气推出气缸外。汽油机在工作时，在气缸中连续不断周而复 始的进行着上述过程，输出功率，推动机车运转。 2 1 2 发动机汽油的供给方式 汽油机燃料供给系统的任务是根据发动机各种不同工况的要求将所需 空燃比的混合气均匀的供给各个气缸。其供给方式分为化油器式和汽油喷 射式两种。 在化油器中，节气门上方设有喉管，当空气流经喉管时，在喉部产生 真空度，由此将汽油从浮子室连续吸出来，被流经喉管的空气雾化并与之 混合进入气缸。近二十年来，尽管现代化油器性能有很大改善，但化油器 的工作原理和基本结构要素并未发生本质的变化。这些缺陷严重影响着汽 油机的换气质量、燃烧速度和过渡性能，不可能通过对化油器本身的结构 改进来彻底解决，不仅大大制约了汽油机动力性、经济性的提高，而且无 法从根本上适应日益严格的排污法规的限制。为了替代化油器，开发出了 电控汽油喷射系统。 电控汽油喷射系统一般由空气系统、燃料系统和控制系统等组成。它 利用各种传感器监测发动机的运行状态参数，并将这些参数( 发动机转速、 空气流量、进气压力、空燃比等) 转换成电信号，输送到电控单元( e c u ) 。 电控单元计算出所需的喷油量，然后通过控制喷油器的开启时间来控制喷 油量。与化油器相比，电控汽油喷射系统具有很多优点，尤其在过渡过程 的控制方面。 第一：空燃比控制精确，可得到更理想的混合气，这是采用电控后的最大 好处。电控不仅可保证流量变化时空燃比维持理想值不变，还可在工况或 环境条件变化时及时提供随之变化的空燃比，这是化油器无法达到的。 第二：可采用 闭环控制与三效催化转化器，可根据需要采用专门的排放 控制措施，同时使得点火控制精确，能对节气门快速变化时的充气量滞后 等问题做出适当的修正。 第三：电控汽油喷射完全不需要喉管，这就减少了空气阻力，提高了充气 效率，从而得到比化油器更高的功率输出。对于多点喷射，汽油被喷到各 第二章点燃式发动机及其电控系统基本理论 缸进气门附近的进气道内，无需对进气管加热来促进燃油蒸发，从根本上 解决了各缸混合气空燃比分配不均匀的问题，使发动机的冷起动和过渡性 能得到很大的改善。 第四：电控汽油喷射系统具有良好的耐热性能，且其控制自由度大，对动 力性、经济性等可以实现多目标控制。 电控汽油喷射系统可使发动机的功率提高1 0 ，在耗油量相同的情况 下，扭矩可增大2 0 ：从0 l o o k m h 加速度时间减少7 ：油耗降低1 0 ； 尾气排污量可降低3 4 5 0 ，系统采用闭环控制并加装三元催化器，排放 量可下降7 3 。电子燃油喷射系统有两种类型：单点汽油喷射系统 s p i ( s i n g l e p o i n t i n j e e t i o n ) 和多点汽油喷射系统m p i ( m u l t i p o i n t i n j e c t i o n ) t 5 1 。 2 2 汽油机电子控制的发展现状 汽车电子化首先是从发动机的喷油系统与点火系统控制开始的，应用 微机控制的初期，就是为了适应社会对排放法规与节油的要求，以后又应 用于发动机的其他方面。 汽车发动机电控喷射技术的应用始于1 9 6 7 年，波许( b o s c h ) 公司在本迪 克斯( b e n d i x ) 公司专利的基础上，率先推出了d 型汽油喷射系统，装在大 众公司的v w 车上。d 型喷射系统用电子电路控制喷油器的开启和持续时 间，具有宽广的控制自由度，这是化油器所不能及的。但是，该系统结构 复杂，成本也较高，长时间使用性能变化大。为了解决这一问题，波许公 司开发了l 型喷射系统。该系统采用可动阀式的空气流量计，直接测定进 气流量，再除以发动机转速可求得进气量，据此喷射相应的燃油，l 型喷 射系统是今天电控喷油系统的雏形。 1 9 7 9 年是发动机电子控制技术硕果累累的一年。福特汽车公司和通用 汽车公司分别推出了e e c i i i 系统和c 4 系统。目产汽车公司也开发出了 能综合控制点火时刻、废气再循环、空燃比和怠速，并具有自我诊断功能 的e c c s 系统。 2 0 世纪8 0 年代超大规模集成电路( v i s i ) 等电子技术的发展，使电子控 制元件具有结构紧凑、可靠性高、响应性好等优点。微型计算机被引入到 汽车领域，使电控技术得到了广泛应用。现代汽车发动机装有一系列电子 第二章点燃式发动机及其电控系统基本理论 控制系统，诸如节气门电子控n ( e t c ) 、燃油喷射电子控带i j ( e f i ) 、点火正 时电子控匍j ( e s t ) 和废气再循环电子控匍j ( e g r ) 等，这些系统统称为发动机 管理系统，因此未来的目标是综合运用发动机、电子技术和自动控制理论， 并使三者有机结合，实现发动机电子控制系统的最优化。 汽油喷射发动机改善了混合气的形成与分配，使汽油机的燃油经济性 与排放性能有所提高，由于当今世界各国严格的汽车排放法规要求，多数 电控汽油喷射发动机都带有混合气空燃比调节系统，使供给汽油机的混合 气成分经常维持在理论空燃比附近。而针对电控发动机系统，为设计出高 效的空燃比控制策略，应包括以下研究内容。 第一：对发动机的各分系统建立模型，然后利用模型来分析系统，最后确 定各分系统的控制目标。 第二：根据各分系统的控制目标，结合控制理论，选择最佳控制方式。 第三：协调各分系统之间的关系，实现综合控制，从而保证发动机的总体 性能水平。 2 3 空燃比控制基本理论 一般车用发动机的输出功率是通过驾驶员操纵油门来控制的。对汽油 机而言，油门的操作可直接改变节气门开度，由此调节进入气缸的空气量， 对应这个空气量e c u 按规定的空燃比供给适量的汽油，以获得所需要的功 率。 2 3 1 空燃比与扭矩、排气成分的关系 汽油机输出的功率( 即扭矩) 随空燃比的不同而变化，由图2 2 可以 看出，扭矩在空燃比等于1 2 5 ，比理论空燃比稍微浓时出现峰值。使扭矩 达到最大的空燃比称为功率空燃比。可燃混合气的浓度应能使混合气在气 缸中及时而完全地燃烧，因为燃烧得完全，燃烧的放热量就多，这不仅能 使发动机发出更大的功率，而且可使排出废气中的有害物质得到控制。 燃烧后排出的排气成分，主要包括二氧化碳( c 0 2 ) 、水蒸汽( h 2 0 ) 、 空气中不参与燃烧的氮( n 2 ) 、剩余的氧( 0 2 ) 、汽油中的碳氢化合物( h c ) 、 不完全燃烧产生的一氧化碳( c o ) 以及在高温燃烧过程中产生的氮氧化物。 第二章点燃式发动机及其电控系统基本理论 在上述排气程成份中，对大气有害的污染物主要是c o 、h c 和n o 。三种。 从图中可以看出，在理论空燃比附近，n o 。的含量较高，c o 、h c 含量较 低，在这个空燃比下，三效催化转化剂对混合气体能进行良好氧化与还原， 获得最佳的净化效率，这也是在空燃比控制中追求的目标。 厂 j 壮矩 | - 功率 理论空燃比 v c o 过 、悄o x _ 一_ 飞h c 1 11 21 31 41 51 61 7 1 8 空燃比 图2 - 2 空燃比与扭矩、排气成份的关系 2 3 2 空燃比的控制方式 根据实验分析和研究资料可知，由于燃油与空气的惯性差异及进气系 统油膜和热惯性的作用使得过渡过程的缸内空燃比相对于稳定工况会发生 瞬时变化【6 1 ，以前的空燃比计算通过实验结果归纳出的经验公式如下： 对于化油器和节气门体单点汽油喷射系统，有： 爿乃= 彳+ ( 鲁+ 鲁) 7 3 对于多点电控汽油喷射系统，有： 4 。一r + 0 0 0 9 、( 1 万a 讲。 + 百d k a 其中，爿f ，为非稳定工况的空燃比，爿r 为相应稳定工况的空燃比， d o ) d t 为曲轴角加速度，扰。出为节气门开度变化率。 现在电控系统常用的空燃比控制方式有两种，即速度一密度法和空气 流量法。 1 速度一密度法 第二章点燃式发动机及其电控系统基本理论 在汽酒唆瓣控翻发渤撬供澶辩，瓣速度一密度控测方法蕊受援据遗气慧 压力和发动枫转速的虽推算每循环的避气空气瀑，然后据此计算汽油喷油 a 里。 吸入进气管内充气的密度可以从理想气体状态方程中求得： p = 乏( g 瓦) ，式中p 怒进气管肉的兖气密度，艺楚进气管瘫戆气体绝对压 力，且是气体常数，l 撼进气管内气体绝对温度。 发动机不是一个理想的抽气泵，在进气冲程后进入气缸内的气体密度 与透气管蠹瓣气薅密度不是一样靛。这是因为农涟气过程中露残余气薅、 气体流动损失、进排气门重叠度、涤度变化等影响因素，使实际吸入气缸 内的气体密度有所改变，即气缸内的气体密度为反= p 仉。吸入气缸的循 环充气量为a m = 反玩，式中珥为充气效率，圪为工作容积，短充气效率 又是送气篱绝对压力和转速静函数。因忿，可骧把不丽遗气麓压力与不溺 转速时的最佳喷油值形成的三维曲筒图存入计算机中。发动机运行时，根 据瞬时的进气压力与转速的信息，用内插法从存储器中查得棚应的喷油饿， 镬考虑不嚣王援夔特点瓣爱终熬嚷 蠡瓣翅进萼亍系数校正。 从燃油配给角度看，燃油流量的谪节范围为8 0 倍左右，稀转速的变化 范围仅为1 0 倍左右，燃油量的调节范围约为转遮的8 倍 4 1 ，所以这种方式 可获褥较好豹燃油量调节精度，同时该控到方法容易实现，艟便于加工铡 造，成本较低。 2 空气流懋法 这种控制方法是通过测定吸入发动机的瞬时宅气流量来代替对上述进 气管压力瓣溺量，蔽撵黼撵载簸毽鼯塞发囊辍浚澳嚣闻熬公式，毽麦芎：这 种方法成本较高而很少采用。 2 。3 ，3 发动机瞬态器王况对空燃比的要求 发动机内进行的燃烧过程是一个非常复杂的物理一化学过程。这一过程 涉及到发动机进气、喷油、点火、燃烧、排气等许多子系统，并且涉及到 发动机在大螓度范围内炎纯豹吝种工提。发动椒只有较少静对闼处于稳态 工况运行，其大部分辩闼都楚在瞬态工况下。不箍瞬态工况下对空爨眈懿 要求各不相同： 1 冷起动与暖机期 第二章点燃式发动机及其电控系统基本理论 冷起动工况发动机的特点为： ( 1 ) 进气量较小，因而气缸内的混合气密度较低。加上起动转速低，无论是 混合气的湍流程度、气缸壁的温度或是压缩终点混合气的温度和压力都很 低。这些因素给混合气的点火和火焰的持续发展造成一定困难。为了能顺 利起动，往往要求较小的空燃比。 ( 2 ) 进气管与进气门的温度都较低，使燃油的蒸发气化较差，气化的燃油百 分比很小。为了满足燃烧所需的空燃比，不得不加大供油量，使空燃比进 一步变小。 由于以上特点，冷起动时要求浓的混合气，加浓的程度依温度而定。 起动后，发动机进入暖机期，此时发动机的特点为： ( 1 ) 气缸壁与燃烧室壁的温度仍然很低，稳定燃烧要求较小的空燃比。 ( 2 ) 燃油汽化仍较差，部分燃油凝结在进气道壁面，使得要求的表现空燃比 更小。 因此，在暖机期仍然需要浓混合气，其加浓的程度与温度有关。随发动 机温度的提高，加浓程度逐渐降低，到发动机充分预热后，才过渡到稳定 工况所要求的空燃比。 2 加速减速工况 汽车行驶中经常要急剧加速或急剧减速，为保证发动机平稳迅速过渡， 必须精确控制瞬态工况所要求的空燃比。 汽车发动机加速时，节气门突然开大，进气管压力随之增加。由于液体 燃料流动时的惯性及进气管压力增大后燃油蒸发汽化量的减少，大量的汽 油液滴会凝结在进气管、进气道和进气门表面，形成厚油膜，结果使进入 气缸内的有效空燃比被瞬间稀化，使发动机转速下降。在发动机加速时， 要短暂的多喷一些燃油来瞬间加浓混合气，从而获得良好的加速过渡性能。 当汽车行驶中减速时，驾驶者突然放开加速踏板，节气门突然关闭。此 时由于惯性作用，发动机仍然保持很高的转速。由于活塞的抽吸作用，使 进气管真空度急剧升高，绝对压力降得很低。压力的降低会促使附在进气 管、进气道和进气门表面及缝隙中的燃油加速汽化。而此时进入气缸的空 气量又少，结果导致混合气瞬间过浓。为避免这一现象的发生，在急减速 工况要瞬间稀化混合气。 第二章点燃式发动机及其电控系统基本理论 2 3 4 稀燃技术的应用 稀混合气燃烧一直是汽油机降低燃油消耗的有效方法之一，在控制适 当情况下，这种发动机可以同时获取减少排气污染的效果。当过量空气系 数a = 1 1 1 2 时，在节油的同时排气中的h c 也最少，这对于排量较大的 轿车发动机降低h c 排放尤为重要。由于电控汽油喷射对混合气成分的精 确控制，使汽油喷射发动机可以在a = 1 3 左右的稀混合气状态下正常运 行，并满足按欧洲汽车排放e c e l 5 0 4 法规的限值要求：若进一步满足美国 联邦现行的排放法规，则在电控汽油喷射发动机上必须随带三效催化转换 器，使c o 、h c 和n o 。等排气成分得到充分降低1 7 】。 新一代稀燃汽油机，要求专用一种稀混合气空燃比的氧传感器，使空 燃比在较宽的稀区范围内得到控制。新型稀燃发动机可以在a = 1 5 的稀混 合气下稳定运行，因此燃油消耗量又进一步的得到降低，而且它还带有三 效催化转换器，以降低排气中的h c 。由于燃烧稀混合气时排气中的n o 。 成分并不多，可以不经转化就能符合欧洲( e c e ) 排放法规界限的要求。在 怠速工况或全负荷工况下，这种稀燃发动机仍然可在理论空燃比下或稍许 加浓的混合气状态下工作。 汽油发动机实现稀燃的关键技术归纳起来有以下三个主要方面： 第一：提高压缩比采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较 强的空气运动旋流，提高气流速度，将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火 距离，提高压缩比至1 3 ：1 左右，促使燃烧速度加快。 第二：分层燃烧，如果稀燃技术的混合比达到2 5 ：1 以上，按照常规是无 法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动 在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到1 2 ：1 左右，外层逐 渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。为了提高燃烧的稳定性， 降低氮氧化物( n o x ) 的含量，现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术，即 将喷油分成两个阶段，进气初期喷油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内 均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃， 实现分层燃烧。 第三：高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃 烧速度增快，稀燃极限大。 以上三点只是对整体汽油发动机稀燃技术而言，具体到某种机型会有 l3 第二章点燃式发动机及其电控系统基本理论 所偏重。因为各种汽油发动机稀燃方式的技术措施不完全一样，甚至同一 部发动机在不同的工况下稀燃方式也会不完全一样。有些着重缸内气流运 动及燃油分布的配合，重点在分层燃烧。有些着重加大点火能量、增快火 焰传播速度和缩短火焰传播距离，重点在高能点火。 稀薄燃烧技术在提高汽油机燃油经济性和排放性方面的潜力已经得到 了公认，但是稀燃着火难题和传统分层稀燃造成的混合气浓度差异过大的 缺点一直是稀薄燃烧应用的障碍，同时其排气后处理难题仍制约着其在实 际车用汽油机上的应用。 2 4 影响空燃b 匕控制的因素 8 0 年代以来，前人的研究发现燃油的湿壁现象和进气管充气现象是引起 发动机瞬态空燃比偏离化学计量比的主要原因，详见文 8 - 1 1 。发动机在 使用过程中，可分为低速、高速、无负荷和全负荷等多种工作状态，根据 发动机转速与负荷的变化，供给气缸内混合气的浓度需要及时改变。本文 同时给出其它几个对空燃比影响很大但没有引起足够重视的一些因素，诸 如发动机脉动的存在、传感器响应特性及时间延迟等。 1 湿壁现象 对进气道喷射汽油机，燃油喷射在进气道内并在此与空气混合形成可 燃混合气。喷油器所喷入的燃油，部分经过汽化，以油蒸气的形式直接 进入气缸，而其余部分则以液态油滴的形式在进气管壁面上沉积下来，形 成一层油膜，吸附比例与喷射量、空气流速及温度有关【9 】。与此同时，形 成油膜的燃油又以1 t 的速率不断蒸发，蒸发出的油蒸气与上述油蒸气部 分燃油一起进入气缸。 当发动机工作在稳态工况时，油膜处于动态平衡状态，其存在不会对 空燃比产生影响。但瞬态工况下，由于油膜参数和燃油蒸发时间常数随工 况参数的变化而发生改变，破坏了油膜的平衡，使进入气缸的油量与喷油 嘴喷出的油量不相等。如负荷增大，进气量增加，要求喷射的燃油相应增 加，但因壁面吸附现象使增加喷射的燃油中有相当部分被壁面吸附，导致 实际进入气缸的燃油减少，使实际混合气偏稀。如负荷降低，则进气量减 少，要求喷射的燃油相应减少，但壁面上吸附的燃油按原速度蒸发并与空 气混合进入气缸，引起实际进入气缸的燃油过多，混合气偏浓。 第二章点臻式发裁辘及其龟按系统基零理论 2 。滋气溲管豹赫袭现象 由于进气系统的惯性、空气的可压缩性、活塞逡动以及迸气门开闭的 闯致技，透气管中始终存在麓一定秘压力波动。遮压力波动与避气管中 的非定常气体流动联系在一起，经研究指出，进气管中的 定常气体流动 存在以下几静现象： ( 1 ) 惯性效应 当发动机转速较礴时，避气门开启，则进气管中形成向气缸流动的浅 速气流。当谶气门关闭时，活塞处于下止点附近，活塞速度较慢，缸内聪 力稍裔上丹，但高速流动的进气流娃j 于惯性的作用，会使进气口处压力升 高，从而继续向气缸内充气。这种幽于惯佼作用而弓l 起的过度避气，称洚 进气管中的水锤效应绒惯性效应。巍转速升高时，惯性效应更明暇。 ( 2 ) 波动效应 当发动机稳态运行时，不同气缸、不同循环的波来回穿梭并在进气管 交宽干笨用，最后形成稳定的驻波。程进气过程串，海门蘸翻压力会严重彩 响气缸进气。如果在进气门打开时腱力处于极小假，由吸气创造的真空将 会 乍掰至i 波谷土，嗣蔼会弓 逛进气管大渡稻静驻波。发动税吸气过程波渤 效应的影响通常包含在它的稳态容积效率中，然而，当发动机的运行工况 发生变伲，骢渡没蠢辩闯停驻，困魏穗悫蜜积效率毽舂一定猿蓑。辩滚凌 效应的研究融经进行很多年了，但趄由于这个问磁极其复杂，关于瞬态进 气波动谍蘑麓文献秘然缀少。 ( 3 ) 温度效应和气体倒流现攘 扶速度麓度方程式霹浚篱窭，气红入翻空气缓璧滚戆令毽诗误差来 源于瞬态温度。通常假设进气温度很容易准确测擞或得到估计，大多数情 提下假设窀为嚣境瀑发。热聚等楚滚是绝热豹，郝么怼瀵气滚黪毽诗误麓 可能很大，假实际中温度的变化如此之小，以致于普通的温度传感器不能 溺量到它。扶能耋戴建疫考蕊，套遴气门据舞或芙阙时，空气爨骏或吸收 能量，从而引起瞬态温度的变化，空气与进气管壁之间的热传导嫩然很小， 疆逛不可怒巍，震要遴一步磺究。 由于进气门在活塞到达下止点腾关闭，当活黧上行时，缸内压力不断 上秀，羞蠼憾效应不大，则遗充入气缸的空气将可能会铡流入避气管。这 一倒流现象谯发动机低转逋时表现的尤为明显，这也是为了利用高转速时 第二二章赢燃式发蘑穰及箕电控系统萎本理论 豹溪壤效应露警致