（机械电子工程专业论文）汽车发动机低排放油器空燃比调节器及其控制策略研究.pdf

中雨大学硕士学位论贾 验型)汽油机空然比调节器，并进行了发动机台架性能试验。试验 结果表明该调节器对降低有害气体排放，提高燃油经济性都效果明 显 。 该 产 品 极 具 市 场 推 广 应 用 前 景 了 关 键 词 : 。 油 机 ， 、 油 器 ， -tcl,1 ,v 4 .空燃比， 模糊控制 .曰 . . . . . . . 中 查 主 兰 巫 主 塾丝生一 - 一 一一 一 一 一一一- ab s t r a c t t h e e x h a u s t g as o f a u t o m o t iv e g a s o l in e e n g i n e h a s b e c o m e t h e m a j o r a i r p o l lu t i o n i n t h e c i t y . t h e f a c t o r t h a t c a u s e s t h e p o ll u t i o n i s n o t o n ly t h e q u a n t i t y b u t a ls o t h e c o n c e n t r a t i o n o f th e h a r m f u l e x h a u s t g a s . ma n 、 一 l a w s f o r t h e e x h a u s t e m i s s i o n s h a v e b e e n p u t f o r w a r d in m a n y c o u n t r ie s . t h e t e c h n o l o g y o f e l e c tr o n i c f u e l i n j e c t h a s b e c o m e t h e m o s t e ff e c t i v e me t h o d t o r e d u c e h a r mf u l e x h a u s t e mi s s i o n s . h o w e v e r , t h e r e h a v e b e e n m a n y r e a li t y p r o b l e m s t o r e s o l v e b e f o r e th e s e t o f s y s t e m i s a p p li e d t o c a r b u r e t o r g as o li n e e n g i n e . o n t h e o n e h a n d ., i t i s e x p e n s iv e t o a p p 卜s u c h t e c h n i q u e t o p r a c t i c e . o n th e o t h e r h a n d i t i s d i ff i c u l t t o r e a l i z e t h e m a t c h b e t w e e n t h e t e c h n i q u e a n d th e r e a l p a r a m e t e r o f t h e a u t o . t h e r e f o r e , a n e l e c t r o n i c a i r - f u e l r a t i o r e g u l a t o r f o r c a r b u r e t o r s y s t e m o f a u t o m o t i v e g a s o l i n e e n gi n e i s d e s i g n e d t o r e d u c e e x h a u s t e m i s s i o n s i n t h i s d i s s e r t a t i o n . t h e r e s u l t s o f t h e d y n a m o m e t e r t e s t s s h o w e d t h a t t h e f u e l e c o n o m y a n d t h e re d u c i n g o f e x h a u s t e m i s s i o n s a re i m p r o v e d o b v i o u s l y . i n t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e c o n s t r u c t i o n , p r in c ip l e a n d c o n t r o l m e t h o d o f t h i s e l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m a r e a p p r o a c h e d . t h e m a i n p o in t s o f v i e w a r e a s f o ll o w i n g : 1 . t h e r e s e a r c h d e v e l o p e d t h e t e c h n o l o g y b a s e d o n勿- p a s s a i r m e th o d t o s a t i s f y t h e r e q u e s t o f t h e m u l t i - t y p e o f c a r b u r e t o r . c o m p a r e d w i t h o t h e r me t h o d s , t h i s t e c h n o l o g y c a n s i m p l if y t h e p r o c e s s o f t h e a s s e m b 蛛r e d u c e t h e c o s t o f m o d if i c a t i o n . r e d u c e t h e d i ff i c u l ty o f t h e i ii 甲m大学硕士学位论文 m a t c h a n d in c r e a s e t h e e ff i c i e n c y o f th e m o d if i c a t i o n . 2 . r e d u c in g h a r m f u l e m i s s i o n s i s f a r f r o m a s i m p l e m a t t e r 妙 m a n y s i m p l e c o n t r o l m e t h o d s . t h e f u e l u s e 氏t h e w a y i t i s b u rne d a n d h o w t h e e x h a u s t g a s e s a r e t r e a t e d a r e a l l a ff e c t e d卜 th e w a y w e d r i v e , t h e g e o g r a p h y a n d t o p o g r a p h y o f a c o u n tr y o r r e g i o n a n d t h e t y p e o f r o a d s w e u s e . t h i s d is s e r t a t i o n d e s c r i b e d t h e d e s i g n o f a k i n d o f f u z z v l o g i c c o n t r o ll e r , wh i c h i s f i t t o c o n t r o l a i r - f u e l r a t i o o n l i n e . t h e me t h o d i s p r o p o s e d t o o p t i m u m t h e f u z z y c o n t r o l s y s t e m衍 t h e s i m u l a t i o n o f n 2 4 t lab. 3 . a i r - f u e l r a t i o r e g u l a t o r n a m e d c s u - j d 0 1 h a s b e e n m a d e t o fi x th e g a s o l i n e e n g in e n a m e d c s 4 9 2 q - l a . a n d it s p e r f o r m a n c e h a s b e e n t e s t e d b y d y n a m o m e t e r . t h e r e s u l t s o f t h e d y n a m o m e t e r t e s t s s h o w e d th a t t h e f u e l e c o n o m y a n d t h e r e d u c i n g o f e x h a u s t e m i s s i o n s a r e i m p ro v e d o b v i o u s ly . i t i s w o r th y o f a p p li c a t i o n o n t h e m a r k e t : k e y w o r d s : g a s o l i n e e n g i n e ., f u z z y c o n t r o l e mi s s i o n s . a i r - f u e l r a t i o . 八r . . 史 w * # s = * tr ; 巨一一一 -一一 一 - 第 1 章绪论 1 . 1 现代汽车电 子技术的 应用现状及发展趋势 汽车电 子技术是汽车技术与电 子技术相结合的产物。 随着汽车工 业与 电子工业的不断发展，现代汽车上电子技术的应用越来越广泛，汽车电子 化程度越来越高。7 0年代中期后，微机在汽车上的应用，极大地促进了汽 车电子控制技术的发展。计算机技术、自 动控制技术、 汽车传感器技术等 构 成的 各种微机控制系统在现代汽车上得到广泛应用t $ 1 : 随着世界汽车保有量的迅猛增长和由此带来的排气污染、噪声、频繁 的交通安全事故、以及石油短缺等问题，国际组织和各国政府制定了汽车 法规或标准，强制性地加以颁布实施，如燃料经济性法规、机动车安全性 法规、环婉保护法规等叫。在人们对提高汽车综合性能的渴望中，汽车电 子技术满足了人们对现代汽车在动力性、经济性、安全性、 操作性、舒适 性以及减少排放污染等方面的要求。电控汽车的目的在于追求控制的范 围、精度、 适应性与智能性，以实现汽车运行的最优化。汽车的电子化最 早、最主要从发动机的控制开始，汽车发动机在采用电 控喷射与发动机管 理系统后，在降低燃油消耗、减少排气污染、提高动力输出等方面都取得 了显著的 进步f 7 1电 子控制改变了发动机的传统结构， 它使发动机的设计、 制造取得了突破性的发展与进步。 发动机控制微机化的优点有以下四点:( 1 )实现复杂控制的随意性 好。 ( 2 ) 燃油、点火等辅助系统可共同 使用运转参数， 进行集中控制，因 此可使发动机工作性能提高。 ( 3 ) 控制特性的数字化，可使发动机经常处 于稳定运转状态。( 4 )对于各种类型的发动机，微机硬件可以通用。因此， 汽车发动机低排放化油器空燃比调节器及其控制策略研19 汽车电 子控制是提高发动机综合性能的 最佳 途径1 火 有关资料表明，在 1 9 9 0年世界生产的轿车上，已有 9 0 0 /0 左右采用了 电子控制装置。由于微机在汽车上的应用发展迅速，且日益普及和完善， 在汽车工业发达国家，汽车已进入电子时代:到目 前为止，电控汽油喷射 系统 厂 e f i ) ,电控发动机点火系统、电控自动变速箱、电控防抱死制动系 统 ( a b s ) 、电 控悬架系统、电 控安全气囊 ( s r s ) ,巡航控制系统 ( c c s ) , 目 动空调、中央门锁、电 控仪表等已成为先进汽车的标准设各，并且上述 单独的微机控制系统已向 集中控制系统发展18 1 。 汇集汽油喷射控制、点火 控制和怠速控制的微机集中控制系统开始发展起来。未来汽车的控制变得 越来越集中化。电子技术与信息技术的结合使未来汽车将越来越 “ 智能 化” ，通过汽车内部网络的信息通讯实现汽车的高度集中控制和集中故隆 诊 断 ， 并能 与 车 外世 界 进行 广泛的 信 息交 流 【 a l 日 前， 除 少 数 汽车厂 家 ( 主要 集中 在一 些中 外合资 企 业) 外 ， 国 产汽 车的电子技术应用水平多数还处于初级阶段*国家对汽车电子技术的开 发、 引 进和应用十分重视。 在“ 九五” 规划中 将汽车工业提到了 较高位置叭 在我国已开始了发动机集中控制系统的研究，9 5年研究的汽油机集中控制 系统中 用两片 8 0 3 1 c p u组成一个电子控制单元 ( e c u ) ，一片用于 琳油喷 射和怠速控制，另一片用于电子点火控制。% 年研究的发动机电控系统用 一片s o c 5 5 2 芯片 ( 一个e c u ) 对空燃比、点 火正时、 怠速等进行控制 f 8 1 可以预料，随着我国轿车工业的发展，汽车电 控技术必然会得到愈来愈广 泛的 应用，并带动机械制造、汽车电子产品、 现代汽车维修等相关产业的 发 展 1 9 1 甲南六学硕士学位论又 1 . 2 汽车排放标准现况与低排放技术 1 . 2 . 1 汽车排放标准现状 环保问题和安全、节能成为汽车的核心 “ 三性” ， 面对当今日 益严 峻的 汽车污染，人们的环境保护意识日 趋强烈。 在汽车的各种污染中， 尾气污染对人们的生活环境影响最大，被认为是第一公害，它已 成为城 市空气污染的主要来源。 汽车对环境空气污染的大小不仅与汽车的总数量有关，还与汽车排 出的有害物的浓度有重要关系。以北京为例，现在汽车的总数虽然与发 达国家同等城市相比不多 ( 汽车保有量北京约 1 4 0万量，东京约 4 3 0万 量，洛杉矶约8 0 0 万量) ，但由于汽车排出的有害物浓度高，因而城市空 气中 有害物的浓度却大大超过发达国 家同等城市， 汽车排出的一氧化碳、 碳氢化合物、氮氧化合物等污染物分别占到空气中这些污染物含量的 6 3 % , 7 4 % , 3 7 %。由 于我国 对汽车排放实施控制较晚，力度不够， 致使 我国 汽车排放技术落后， 汽车有害物排放浓度过高 ( 约为发达国家的 1 0 多倍)i o l 。因此，城市 汽车大气污染的降低应重点放在减少汽车有害排 放物的浓度上。 世界各国相继出台了日益严格的 汽油发动机排放标准，欧洲汽油车 辆排放标准如表1 . 1 所示z i l 随着我国 汽车保有量的猛增，汽车排气污染的控制变得非常紧迫。 北京市技术监督局于 1 9 9 8 年8月2 5日 发布了 轻型汽车排气污染物排 放标准 i o l要求汽车尾气排放减少8 5 % 左右， 达到欧洲9 0 年代初汽车 排放水平， 并于 1 9 9 9 年 1 月 1 日 起执行此标准， 如表 1 . 2 所示。要求 在北京地区销售的轻型汽车和在北京申请领牌照的轻型汽车必须符合这 汽车发 动机 低祠 撇 化油器空燃比谓节器及 其控c 策略 研p 个地方标准。 表 1 . 1欧洲汽油车辆排放标准m l ; n 1 类汽车 满载质量小于 3 . 5 t ) 阶段 ( g / k m ) c o 2 . 了 2 3 . 1 6 2. 2 h c n o x 阶 附注 认可产品 ( 9 1 / 4 4 1 / e e c ) ( 1 9 9 2 / 1 / 7起执 行 ) 阶段2 ( 9 4 / 1 2 / e u ) 阶段 3 阶段 4 认可产品 行) 认可产 品 ( 9 6 ( 9 9执 (2 0 0 5 一盯。恶0.08 一。上。毗0.20.1 门u 050 c.1. 表 1 . 2北京汽油车辆排放标准 一 一 一 一一招 一l 一 一 一 一l6 一3. 一 一 -qu 1 9 9 9 1 9 9 9年 3月，国家技术监督局颁布了等效于欧洲 1号标准 ( 9 1 / 4 4 1 / e e c和9 3 / 5 9 / e e c )的四 项汽车排放新国 家标准，并定于2 0 0 0 年1 月1 日 起正式实施12 1 1 排放法规的颁布使得现在大部分国产汽车的高排放和越来越严格的 排放法规的矛 盾十分尖锐。如何降低和控制汽车发动机有害气体排放是 我国汽车界近期和今后最重要的研5 7, 课题之一， 超低排放汽车是未来汽车 工业的发展方向。这对汽车生产企业和与之有关的汽车发动机生产企业 山南大学硕士学位论又 是非常严峻的挑战。尾气的排放是否能满足环保法规的要求是决定企业 未来生存和发展的主要环节二 1 . 2 . 2 汽车低排放技术 汽车排放污染物主要指气态 c o , h c . n o x污染物和少量微粒。其污 染水平主要由汽车产品技术水平和燃油品质决定。燃油控制因素主要是 选用无铅汽油和清洁燃料。汽车方面主要在发动机上采取改进措施，可 分为两大类。第一类措施是通过改善发动机的燃烧，使有害排放物在其 产生过程中减少，如运用电子燃油喷射技术对发动机空燃比的控制、以 及对点火时间、废气再循环率的控制等都属于此类，可称为机内净化; 第二类是诸如催化净化器、热反应器、二次空气系统等使由发动机排出 的有害气体进一步降低的措施，称为机外净化。另外，还有排气系统、 燃油系统、 燃烧室优化设计等 i s ) 目 前燃油喷射系统已成为改善发动机综合性能的主流技术，被广泛 应用于高档轿车上， 其主要分为两 类11: 多点式喷射即每个气缸有一个喷油器。 节气门段喷射也叫单点式喷射，即仅在化油器所用的节气门段 喷油点，用一个喷油器将燃油射入气流。 多点式喷射系统为每个气缸配一个喷油器。喷油器装在紧靠气缸进 口的地方， 燃油喷入气流后即 进入气缸。根据发动机控制单元计算燃油 的基本喷射时间的不同，多点喷射可以分为d型和 l型。 d型的多点喷 射是指 e c u根据检测出的进气压力和发动机转速来计算喷油的基本时 间;而 l型的多点喷射则是指 e c u根据检测出的进气流量和发动机转速 来计算喷油的基本时间。汽油的单点喷射系统是将化油器技术与喷油技 术结合起来，喷油器通常设置在节气门前端原先安装化油器的位置附近二 汽车发 动机低排放化油器空燃比调节器及 其控制 策略研究 采用定时定量喷射燃油的方法供油，解决了燃料雾化及混合气在进 气歧管甲的分配问题，并能按不同工况较为精确地供给发动机最佳比例 的混合气，改善了发动机的动力性、 经济性: e f 工 十 三元催化技术”1 3 15 1 18 1 己 成为当 今汽车低排放技术主流。 三 元催化器对发动机尾气中有害气体的净化效果在发动机空燃比为 1 4 . 7 - 1 5 时最为有效， 大于或小于这个值时， 三元催化器都几乎会失效。 而e f i 的一个主要功能是能将空燃比控制在三元催化器所需范围，所以 e f i同 时也能大大降低排放。 1 . 3 研究课题的 提出及基本内 容 1 . 3 . 1 研究课题的 提出 现阶段须采取措施达到排放标准的汽车有两类:新生产轿车、化油 器汽车及在用车辆。就中高档轿车而言，大多数国 家采用 “ 电控燃油喷 射 ( e f i ) +三元催化技术” 方案 我国目 前在对中、 高档新车的改 造上 亦采用该方案。 “ 电控燃油喷射 ( e f i )+三元催化技术”方案是目前各 国广泛采用、最有效、最成熟的低排放控制技术。但是一方面该方案整 套系统成本高，如多点喷射系统 电喷发动机)每套成本超过一万元， 并且必须完全抛弃传统化油器发动机而使用电 喷发动机，另一方面，e f i 技术与不同汽车发动机匹配技术难度大。因此它不适合经济型车和广大 在用化油器式汽车的低排放改造。 由于在用车的 c o排放问题特别突出， c o的排放主要决定于混合气 浓度 ( 空燃比) ，因此采用旁通空气法使混合气变稀的净化装置便应运而 生1 0 iz a l 。 但此类型国产装置没有使 用电 子控制， 故此类装置的使用范围、 甲南大学硕士学位论艾 适应性和效果受到限制。从我国汽车工业现状与长远发展来看，研制出 适合经济型汽车和在用化油器式汽车降低排放的发动机电控系统，开发 与我国汽车配套的该类型汽车电子产品，发展我国的汽车电子技术是我 国汽车界近期巫待解决的课题之一。 因为汽车尾气中 c o , h c , n o , 的生成主要决定于混合气浓度，因此 对发动机空燃比 进行合理调节，使发动机尽可能多地运行在较稀混合 气 下，能够减少有害气体的排放。 发动机的混合气燃烧过程异常复杂，其检测也非常困 难，很难建立 精确的数学模型;即使找到模型，也通常会因模型过于复杂而很难被用 于实时控制。另一方面由于汽车在运行时，发动机存在不同工况，且运 行工况变化频繁，给控制带来困难。 现在国外在发动机点火和燃油喷射 的微机控制方面大多是在积累了大量的实验数据，建立数据库后，采用 查表法进行 控制。本课题亦采用微机控制方法对发 动机空燃比 进抒调节， 但由于我国在汽车工业方面技术落后，实验条件有限，不能完全靠现在 去做实验来积累数据，因此本课题必须应用能简化设计过程、降低成本 的控制方法和设计方法。 模糊控制是近 加 年才开始发展起来的一门新的控制方法，它与传 统的控制方法有本质的区别。 模糊控制在处理难以建模的不确定性过程 时，能简化设计过程，提高控制系统的可靠性。国内外许多专家学者成 功 地将 模糊逻辑 应用于 汽车的 各种控 制 门 。 1 . 3 . 2 本课题研究的基本内 容 本课题是湖南省科委汽车电子技术项目的子课题。基于 旁 通空气法的思想，本课题以 湖南长发发动机有限公司生产的 c s 4 9 2 q - 1 a 发动机为目 标匹配对象， 研制以 8 9 c 5 1单片机为核心的化油器式汽油发 汽生发动机低排放化油器空解比调节器及其控v *略研究 动机空燃比调节器电控系统，并用模糊逻辑控制方法对其进行控制。因 此，本文研究的重点有: 一、对国内外各种汽车低排放技术进行研究分析;根据化油器式发 动机特点，对发动机空燃比与排放关系及空燃比对发动机性能的影响作 分析研究，确定化油器式汽油发动机空燃比调节器电控系统方案及其控 制策略二 二、提出 空燃比调节器电 控系统的 模糊控制策略及其研究方法。 通 过发动机台架实验获取样本数据，以发动机转速和转速波动量 ( 波动率) 为输入量，旁通空气阀开度校正值增量为输出量，建立系统模糊控制器 模型。并用h a t l a b 对模糊控制系统进行过程仿真，优化 控制器参数。 三、 研制与 c s 4 9 2 q - l a发动机匹配的试验型空燃比 调节器系统，并 对系统性能进行发动机台架测试。 根据实验效果对系统进行改进: 中南大学硕士学位论丈 第2 章 发动机低排放化油器空燃比调节器 电控系统方案 2 . 1 汽油机有害排放的 影响因素分析 z .1 .1化油器空燃比 对汽车有害气体排放的影响 化油器是汽油机的一个重要部件，它能计量汽油，使汽油和空气按 一定比例混合，向发动机提供混合比适当、雾化良 好的可燃混合气。化 油 器的节气门控制进入发动机混合气的流量，调节发动机功率输出，以 适应不同负荷及转速的需要。 化油器能自 动改变混合气的 成分， 满足发动机的要求。化油 器腔体 内 有喉管。当空气被吸流经喉管时， 喉管内 产生真空度， 将计量的汽油 从喷油嘴吸出。空气的动能将吸出的汽油吹散成雾状。适当选择喉管和 量孔的截面积，再加一定的补偿方法，可将离开喉管的空气和汽油混合 气的成分在一定空气流量范围内控制在一定的比 例内。 汽油机在怠速、起动、加速过程以及全负荷运转时，需较浓的混合 气。因此，化油器除主油系外，还要配备怠速系、起动系、加逮系和省 油系等辅助油系或装置。这些装置连同由驾驶员操纵的节气门和阻风门 分别安装在化油器的上体、中体和下体三个本体中。 汽油和空气的混合比可以用空燃比 ( 其代号为 a / f ) ,燃空比 ( f / a ) 或过量空气系数 ( a)来表示。即: 空燃比 二a i f 吸入空气量 燃料消耗量 汽牟发动机低祠 傲化油器空燃比调节器 及其控制策略 研rl 燃空比 二fi a 姗料消耗量 吸入空气量 过 量 空 气 系 数= 。 = a 互 l 式中:l1 g燃油完全燃烧时理论 所需空气量 g ) o 对于汽油发动机 l = 1 4 . 7。这一比例称为 “ 理论空燃比” 。汽油机 空燃比的变化在 1 0 : 1 至 1 8 : 1 之间。新型稀薄燃烧汽油机能燃用空燃 比为2 0 : 1 或更稀的混合气(s 7 在汽车尾气中，主要有害成分为:h c , c o , n o x ，以及其他少量微 粒。影响这三种物质生成的因素较多，其中空嫩比对三者均有较大影响， 如 图2 . 1 所示 16 ) . c o的 排出 主要是在浓混合气下产生的，当 空燃比 较理 论空燃比小时，c o排出浓度直线增加;当空姗比减稀到较理论空燃比大 时， c o含 量几乎为零。残余c o是因为在发动机燃烧室内 存在局部的浓 混合 气。 h c在浓段和c c 情况相似，含量随空燃比 增大而减少， 在稀段 当空燃比大于 1 8时， h c随空燃比 增大而增加，这主要是由于混合气变 稀后，部分燃烧及发动机失火致使 h c排放急剧增加。n o x含量 在空燃 比 为1 5 -1 6 时 最大， 比 这 个 值小 或 大的 空 燃比 都 使n o x 排 放 含 量降 低。 在稀混合气一侧 n o , 降 低的原因 是由 于最高 燃烧温度降 低。 在浓混合气 一侧降低的原因是由于氧含量的降低。 由此可见，在混合气较稀 ( 空燃比较大)的一侧对降低 c o , h c , n o , 及燃油消耗率都是有利的。但混合气混合气太稀将使燃烧的 稳定性 变差，导致h c 增加及有效耗油率上升。 中南大学硕士学位论文 00dd00 耻下|十书11毛 c o , 、 1【 1 2 . . . i s 十.抓卜200以介 1苦1万we卜十卜丁1弓卜卜七l卜 印1050 空 燃比 图2 . 1 混合比与排气有害成分关系 2 . 1 . 2 其他运行因 素的影响 汽油 机的瞬态运行工况主要有起动、 加速、 减速等。发动机低温起 动时由于转速及温度低，空气流速低，汽油雾化差，各缸分 配均匀性差， 还有供给的混合气通常为浓混合气等，这些都使发动机的 燃烧不良。并 且为了保证汽车的良 好加速性，加速工况通常由加速泵增加进入缸内的 燃油量，即供给较浓的混合气，因而起动时发动机排气中的 c o . h c含 量很高。汽车减速时，由于节气门开度的突然减小，进气管内的真空度 增大，使壁面上的燃油蒸发加速，还育，从化油器量孔中流出的燃油由 于惯性的作用，仍流入进气管，这将使进入气缸的混合气过浓，排气中 的c o及h c 含量增大。 发动机在稳态运行下，一般当转速 n增加时，缸内气体流动增强， 燃油的雾化质量及均匀性得到改善， 湍流强度增大， 燃烧室温度提高: 这些都有利于降低c o及h c的 排放。 转速n 的变化 对n q排放的 影响 一 一 竺 些 垄 塑 些 土 鱼 丝 竺 丝 塑 塑 丛 丛 些 全 坚 逃 竺 互 - 一一 一 较复杂，如图 2 . 2所示。图中曲线在点火提前年为 3 0 c a 、进气管压力 为0 . 0 9 8 n i p a 的条件下得到的。 在燃用稀混合气、 点火时间不变的情况下， 随着n的增加，由于部分燃料在膨胀冲程压力及温度较低的情况下燃烧， n ( 、 生成量减少。 在燃用较浓的混 合气体时，火焰传播速度随转速 n的 提 高 而 提高， 散 热 损失 减 少， 气 体 温 度升高， 这使n o , 生 成 量 增 加 to 维持空燃比及转速不变，点火提前a调整到最佳点，则负荷增加对 c o和h c的 排放基本 没有影响。 对于n o , ; ， 随 着混 合 气变稀， 负 荷的 影响增大t o 翎栩翅翻恤 概余比尊，0乙 空燃 比 图2 .2 转速n 的 变化对n o x 排放的 影响 2 . 2 发动机对混合气成分的要求 由分析可知，当化油器向发动机提供较稀混合气时，尾气中有害气 中南大学硕士学位论文 体可以7 -l 大减少，尤其是 n o x的含量，且耗油率要下降。 但是汽车在运 行时，发动机存在不同的工况，所以化油器供给的混合气要与发动机的 工况相适应。否则，在稀空燃比下，发动机会出 现控制性能下降、功率 损失较大、回火、发动机温度升高等现象， 并且过稀空燃比会导致发动 机缺火甚至失火l9 1 因此，混合气与发动机的工况适应有如下主要基本要求: ( 1 ) 启动 启动时发动机温度较低，要求供给很浓的混合气。冷启动后，发 动机进入暖车，由于此时温度可能不高， 仍会有一部分燃料冷凝在较冷 的气缸壁面上，因此发动机需要得到暖车加浓。 ( 2 )加速 发动机加速时，节气门突然开大，可能在短时间内 使混合气变稀， 为了获得良 好的 加速过度性能，要求供给系统能短时间地使混合气加浓。 ( 3 ) 怠速 怠速指发动机在无负荷 ( 即对外不输出功率)的情况下进行空转。 此时节气门开度很小，由于转速低 ( 5 0 0 - 8 0 0 r / m i n ) ，化油器内的空气 流速也低，使得汽油雾化不良。为使怠速运转平稳，混合气一般较浓。 ( 4 ) 小负荷 发动机由怠速到中等负荷之间的负荷状态为小负荷，这时节气门开 度较小，进入气缸的可燃混合气较少，而上一循环残留在气缸中的废气 相对较多，所以对新鲜混合气的冲淡作用较大，因 此也一般供给较浓的 混合气。 ( 5 ) 中等负荷 汽车行驶的大部分时间内，发动机都是处在中等负荷状态 ( 节气门 开度中等) ，据统计，载重汽车经常使用的负荷为 5 0 % 左右，而轿车经常 汽车发动机低排放化油器空燃比调节器及其控制 策略研究 使用的 负荷为 2 0 %一s o w + 2 : 。因 此此时燃油经济性和尾气排放的 要求是 主要的，所以应供给较稀的混合气 ( 主要是a ? 1的稀混合气) ，在保证 一定功率的情况下，使发动机获得较佳的燃油经济性和低排放: 6 ) 大负荷 大负荷运行时发动机应发出较大的功率，以适应克服外界阻力的需 要。这时，供给相应浓的混合气。 保持发动机转速一定， 将节气门 置于各种不同的位置，可获得相应 于最大功率的。 值曲 线1 和相应于最小耗油率的。 值曲 线2 9 .图23 中 曲线3 是希望得到的理想化油器特性。 如图,) . 3曲线3 在大负荷到全负 荷阶段，从接近曲 线 2逐渐向曲线 1 过度，是由经济性和低排放要求为 主逐渐变为以动力性要求为主。 一 ; ， : : : ; : : z z 卜 七 - - - - 一 一l一，下 i户尸口 呀 尸 ，分户护 产一户广 j一 r甲 一 、 勺-尸 沪 z 曰 图2 . 3可姗混合气浓度随节气门 开度的变化关系 ( 转速一定) , _ 相应于最大功率的a 值;2 一相应于最小油耗的a 位;3 - 理想化油器特性 由 于发动机既要满足低排放要求， 又需在一定期间 保持良 好技 术状 态，满足不同工况，因此在对混合气空燃比 进行精确控制方面，智能化 的电子控制优于其它控制方法而起到较好的效果。 中南大学硕士学位论文 2 . 3空燃比调节器微机控制系统组成 本文设计的空燃比调节控制器期望发动机尽可能多的使用较稀混合 气，从而降低有害气体排放并节油，同时又要满足发动机不同工况对空燃 比的要求。否则，对发动机混合气空燃比的失控将导致发动机动力下降、 化 油器回火、发动机温度升高甚至熄火。 在较多情况下，发动机失火前， 过稀的混合气将使发动机缺火，导致发动机运转不平顺，转速波动较大。 因此发动机转速及转速的波动程度是反映混合气空燃比对发动机不同工况 实时适应的最重要、最快速的信息，并且易于检测。因 此本文设计的空燃 比 调节器以发动机转速及转速的波动变化量作为控制系统的 输入。节气门 开 度、水 温等也是控制中非常重要的参数，但为简化研究过程， 暂不作为 控制器输入变量，而仅在实验过程中作参考量。 空燃比 调节器微机控制系统在化油器式发动机原有结构上作一定改 造，主要实现混合气配比 ( 空燃比) 控制，基本设计思想如下:给喉管式 化油器设计一个气体补偿系统，从空气滤清器下方引出 补气通道到化油器 下节，中间设有一个空气放出阀，阀门开度由一个微型步进电 机控制。设 置一个控制用微处理器，输入是发动机转速和转速的波动率 ( 运转的平顺 性信息) 。微处理器根据输入信息， 通过计算，输出适当控制量给步进电 机，驱动空气放出阀调整混合比，在节气门部分开度条件下实现闭环控制。 控制系统的构成如图 2 . 4所示，控制系统由 传感器、电 控单元、 执行 机构组成二 系统设置的传感器有发动机转速传感器、 线性节气门开度传感器、热 敏电 阻式水温传感器。发动机运转的平顺性通过转速波动量计算判定。 电 控单元选用 mc s - 5 1系列 8 9 c 5 1单片机作为中央处理器，外接 汽车发动机低材 澈 化油器空燃比调 节器及其控制 策略 研究 e p r o m , r a m 存储器和a / d 等多种功能模块。 执行机构由一个旁通空气放出阀和一个与旋转阀心联结的微型步进电 机构成。系统旁通空气阀阀体部分如图2 . 5 所示。 由于引入旁通补气通道，因此 生 )a a 凡f o * a f二 ， 、 ，二、，二*g a h b l l a o rs * -. tr . l l 式中，于一 引入旁通补气通道后的空燃比，竺 一 原有空姗比。 凡f u 阀门截面积由 化油器节气门大小和混合气稀释程度a a 决定。 式中 s f=v 凡a a ( 杏坦: ) 一 ( a o i f . ) a o i f o s 一 阀 门 截 面 积 ， s ， 一 化 油 器 节 气 门 大 小 ， p一 保 障 系 数 。 电子控制装置的输出控制步进电机的旋转方式与角度，进而调节空气 放出阀开度。控制器根据目 标发动机对混合气的要求预先编定程序。 通过 在研制阶段进行测试，决定发动机不同运转条件下需要的旁通空气阀开 度，并将这些数据存进微机的存储器。当发动机在一定条件下工作时，微 机将输入信息和贮存数据对照，据此向控制系统发出相应控制信号，通过 调整空气放出阀开度实现对发动机空燃比的调节。控制响应时间仅决定于 发动机转速对混合气变化的响应。 甲南大学硕士学位论文 图2 . 4 发动机空燃比调节器系统 1 . 空气滤清器 2 . 节气门 3 . 节气门传感器 4 . 发动机 5 . 转速信号提取 6 . 温度传感器 7 . 微处理器 8 . 接口电路 9 . 微型步进电机 1 0 . 旁通空气阀 - 一 一 - 兰 奎c z 业些kfi 4k .i 竖 丝 竺 : ik5 i fi 兰 塑 9 竺 a l i t - 一 一 一 a一一 a 3 ) 97 飞骊 ( 7 v i日。 ( ? o ) a a (28 )(60) 图2 . 5 旁通空气放出阀阀体部分 中南大学硕士学位论文 4系统控制策略的提出 工业中常用的控制算法有经典的p i d控制、最优控制和自 适应控制 。对于简单的控制对象或已知模型的控制对象，上述控制算法一般均 2.等 可得到较好的控制性能。如果系统是未知的，系统模型往往通过参数估 计等辨识方法来获得。但是，对于复杂的控制对象甚至是较简单的时变 系统，一般都很难得到非常满意的控制结果。在对汽车的控制中，一方 面由于汽车在运行时，发动机存在不同工况，对不同工况响应的发动机 是一个时变的非线性系统;另一方面有些情况 ( 如油气混合过程、发动 机元件磨损、泄漏等)很难找到其精确的模型，即使找到模型，也通常 会因 模型过于复杂而很难被用于实时控制 飞 “ 模糊逻辑理论” 是由美国学者加利福利亚大学著名教授 l a .z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出， 在近2 0 年发 展起来的 新理论2 4 1 。 模糊控制理论是以 模糊数学为基础，应用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推 理进行判决的一种高级控制策略。它是一种不依赖被控对象数学模型的控 制方法，属于智能控制范畴。因此，模糊控制适合对汽车发动机的控制: 由 于发动机控制过程复杂，常规模糊控制器结构和知识表达形式鱼 一， 难以处理复杂控制所需的启发性知识。因此需建构具有专家系统特征 的模糊控制系统， 对旁通空气阀 进行控制。图 2 .6为模糊控制系统的基本 结构示意图。 该控制系统结构的控制规则集以 模糊控制为最基本的 控制规律，同时 还具有多种控制模式，以 适应发动机在不同工况对空燃比的要求 ( 如发动 机启动、 加速) 。系统通过把检测机构得到的数据与知识库里存放的知识 校验，获取多种控制棋式所需的启发性知识，最后由 “ 控制决策调度”调 汽车发 动机低材 撒化油器空燃比调 节器及 其控fr 慌g研r 用合适的控制方式实施控制。 图2 . 6 专家模糊控制系统结构 本文所设计的空燃比调节器以模糊控制为最基本的控制规律。由于单 一的模糊控制集规则难以适应发动机较宽的转速变化范围，因此本文专家 模糊控制系统内的模糊控制器采用分层多规则集的变结构模糊控制器。即 在汽车不同的工况内，同一模糊控制器用不同的控制规则集。其设计思想 如图2 . 7 所示。 过程状态判断 控制规则集 r ! 控 制 规 则 集 r l . f 藏 i a r , 图2 . 7分 层多 规 则集 结构 本文主要讨论控制系统模糊控制器的设计与研究方法。本文设计的 空燃比调节器对旁通空气放出阀的控制过程主流程图如图2 . 9 . 中南大学硕士学位论文 系统初始化 发动机工况检测 处于正常运转其它控制子程序 转速及其波动检测 转速波动超过闽值开阀子程序 检测值规范化 模糊控制器 输出值精确化 被控对象 图2 . 8 系统控制过程主流程图 汽主发动机低祠 敝 化油器空燃比调节器及其控制 策略研究 第3 章汽车发动机空燃比 特性测试与分析 本文设计的空燃比调节器微机控制系统以发动机转速及转速的波动 变化量 ( 波动率)作为控制系统的输入信息。在建立系统控制模型之前， 必须对稀混合气对发动机性能的影响，尤其是对发动机转速披动许可闽 值 ( 允许的转速波动范围)的影响做大量的测试与分析，才能为系统模 糊控制器的设计提供较多的经验数据，并为计算机仿真提供基础样本数 据。本研究对湖南长发发动机有限公司 ( 原长沙发动机厂)生产的 c s 4 9 2 q - 1 a型发动机进行了台架实验。化油器采用发动机原配 c s h 2 0 3双 腔分动式化油器 ( 长沙化油器厂生产) ，分电器采用原配机械触点式分电 器。发动机台架实验系统采用日本小野发动机测试系统。 中南大学硕士学位论文 3 . 1 表 3 . 1 目标发动机性能 c s 4 9 2 q - l a 汽油机技术参数 扁 笋 c s 4 9 2 q - 1 a 型式水冷、直列、四冲程 缸数4 缸径 x行程09 2 x 9 2 ( m m ) 总工作容积2 . 4 4 5 ( l ) 压缩比7 . 2 : 1 工作顺序1 - 2 - 4 - 3 额定转速4 3 0 0 - 4 5 0 0 r / m i n ( 1 2 0 p s ) 最大功率6 3 . 2 k w / 4 3 0 0 - 4 5 0 0 r / m i n 最大扭矩1 8 1 . 3 n . m / 2 8 0 0 - 3 0 0 0 r / m i n 最低比油耗2 9 2 . 4 g / k w . h 外型尺寸8 6 0 m m x 5 8 0 m m x 7 2 6 m m 重童1 7 3 k g 怠速转速5 5 0 r / m i n 怠速排放c o 4 . 5 % h c 9 2 x 9 2 m m 燃烧室型式蚕豆型 总工作容积2 . 4 4 5 l 尹.- 压缩比 最大功率 最大扭矩 最低比油耗 点火顺序 试验仪器 7 . 2 : 1 6 3 . 2 k w / r mi n - 1 8 1 . 3 n m / r mi n 2 9 2 .4 g / k w h / r m i n 1 - 2 - 4 - 3 日 本小野发动机台架测试系统 汽车尾气分析仪 ( me x a - 3 2 4 j a) 试验机机号0 9 0 1 9 2 h 三、 试验条件: 本试验按照 j b 3 7 4 3 - 8 4 汽车发动机性能试验方法进行，试 验时不带风扇、散热器、消声器、空气滤清器等，发动机与测功机 采用柔性联接。 试验时，采用9 0 号汽油，机油牌号:s a e 1 5 w/ 2 0 四、 试验方法: 发动机暖机至水温 8 0 0 c ，节气门全开。试验同一发动机装配 c s u - j d 0 1型空燃比调节器前后两种情况，从高速到低速依次做 4 0 0 0 , 3 8 0 0 , 3 5 0 0 , 3 2 0 0 , 3 0 0 0 , 2 8 0 0 , 2 5 0 0 , 2 2 0 0 , 2 0 0 0 , 1 8