（电力电子与电力传动专业论文）准均质稀薄燃烧发动机的建模与控制.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t i ti sn e c e s s a r yt oa p p l ye l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g yt ot h ee n g i n ei n o r d e rt oe c o n o m i z eo ne n e r g ya n dr e d u c et h ee m i s s i o np o l l u t i o n t h e n e wt e c h n o l o g y ，q u a s i h o m o g e n e o u sl e a nb u r n ，c a ng i v ef u l lp l a yt o t h e a d v a n t a g e o fl e a n b u r n ，a n d t h u s h e l p t or e d u c et h ef u e l c o n s u m p t i o n a n de m i s s i o no ft h e e n g i n e h o w e v e r ，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 t h eq u a s i h o m o g e n e o u sl e a nb u r ne n g i n em o d e li s p r e s e n t e di nt h i s p a p e rf o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el e a nb u r ne n g i n e o nt h eb a s i so f t h em e a nv a l u e e n g i n em o d e l ，t h i s l e a nb u r ne n g i n em o d e lc a nb e b u i l tu po ft h r e es u b s y s t e m s ：m a n i f o l da i rm a ss f l o w ，f u e lv a p o ra n d f u e l f i l m ，a n d c r a n ks h a f ta n d l o a d i n g t h u s s c i e n t i f i cb a s i sis p r o v i d e d f o rt h ea i r - f u e l r a t i o ( a f r ) c o n t r o l s c h e m ef o rt h e q u a s i h o m o g e n e o u sl e a nb u r ne n g i n ea n df o rt h ee m i s s i o nr e d u c t i o n c o n t r o ls c h e m ef o rt h eq u a s i h o m o g e n e o u sl e a nb u r ne n g i n eb ya f r s w i t c h i n g t om e e tt h e s p e c i a lr e q u i r e m e n t0 ft h ea i r f u e lr a t i oc o n t r o lf o rl c a n b u r ne n g i n e ，as l i d i n gm o d e - n e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls c h e m ef o rt h e a i r - f u e lr a t i oo ft h eq u a s i - h o m o g e n e o u sl e a nb u r ne n g i n ei s p r e s e n t e d i nt h i sp a p e rb a s e do nt h eq u a s i h o m o g e n e o u sl e a nb u r ne n g i n em o d e l i nt h i s s c h e m e ，t h es l i d i n g v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l s t r a t e g y ，i n w h i c ht h ef e e d b a c kc o n t r o li si t s k e yi d e a ，i sd e s i g n e du s i n gf u z z y e x p o n e n t i a la p p r o a c ha n da d o p t e dt oc o n t r o lt h ea i r - f u e lr a t i ou n d e rt h e c o n d i t i o no fq u a s i - s t e a d ys t a t e a tt h es a m et i m e ，t h en e u r a ln e t w o r k m e t h o di sa p p l i e dt ob u i l dt h ei n t a k ea i rf l o wo b s e r v e ra n dr e a l i z et h e i n s t a n t a n e o u sf u e ic o m p e n s a t i o n t or e d u c et h ee m i s s i o no ft h eq u a s i - h o m o g e n e o u s1 e a nb u r ne n g i n e ，a c o m p r e h e n s i v ec o n t r o ls c h e m ef o rt h eq u a s i h o m o g e n e o u sl e a nb u r n e n g i n ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l e o fn o xs t o r a g e r e d u c t i o nc a t a l y s tc o n v e r t e ra n di t s s p e c i a ld e m a n d f o rt h ec o n t r 0 1 s y s t e m ，t h es l i d i n g m o d e n c u r a ln e t w o r kc e n t r e l s c h e m ei s a d o p t e dt o c o n t r 0 1t h e i n j e c t i o np u l s ew i d t h ，w h i l et h e a b s t r a c t m a pc o n v e r t i n gm e t h o dc o m b i n e dw i t ho n l i n ec o r r e c t i o ni sa d o p t e d t or e a l i z et h ec o n t r o lo ft h et h r o t t l eo p e n i n ga n dt h et o r q u e b a s e d k n o c k i n gc l o s e d l o o pc o n t r o ls c h e m ei sa d o p t e dt o c o n t r o lt h es p a r k i g n i t i o nt i m i n g t h ee x p e r i m e n t s s h o wt h a t b y t h i s s c h e m e ，t h e f l u c t u a t i o no ft h eo u t p u tp o w e rc a nb ec o n f i n e dt o as m a l l e rr a n g e ， a n di tc a nb ef u r t h e rr e d u c e da f t e rc e r t a i n t r a n s f o r m ，a t i o n b y t h e l e a r n i n g c o n t r 0 1 t h u st h ea f rs t e pp r o c e s so ft h ee n g i n ec a nb e o p t i m i z e d t os a t i s f yt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fc o n t r o le x p e r i m e n t so fg a s o l i n e e n g i n e ，t h e a u t h o rh a s d e v e l o p e d a ne l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m s u i t a b l ef o rl e a nb u r n g a s o l i n ee n g i n e w i t ht h e s e l f d e v e l o p e d h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e q u a s i - h o m o g e n e o u s l e a nb u r n e n g i n e a i r f u e lr a t i oc o n t r o le x p e r i m e n t sa n dn o xe m i s s i o nc o m p r e h e n s i v e c o n t r o le x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u to nat o y o t a8 ag a s o l i n ee n g i n e w i t ht h i s s y s t e m b yt h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s ，i t c a nb es h o w nt h a t a p p l y i n gs l i d i n gm o d e n e u r a ln e t w o r ks c h e m et oc o n t r o lt h ea i r - f u e l r a t i oo ft h eq u a s i - h o m o g e n e o u sl e a nb u r ne n g i n e ，t h eo v e r s h o o tc a n b er e d u c e dt o0 2a f ru n i t a tt h es a m et i m e ，t h ec o m b i n a t i o no f c a l i b r a t i o na n di t e r a t i v e l e a n i n g c o n t r o ls c h e m ei s p r a c t i c a b l e t o c o n t r o lt h ea f rs t e p p r o c e s s o fal e a nb u r ne n g i n ew i t ht h en o x s t o r a g e r e d u c t i o nc a t a l y s t t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ee l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e mh a sr e l i a b l ep e r f o r m a n c e sa n dc a nc o m p l e t e l yf u l f i l l t h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t k e yw o r d s ：q u a s i h o m o g e n e o u s l e a n b u r n ；g a s o l i n ee n g i n e ；a i r f u e l r a t i o ( a f r ) ；e 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 ；n e u r a ln e t w o r k ； s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ；n o xe m i s s i o n i 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，也不包含为获得盘洼盘堂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。 学位论文作者签名 刁毫1签字日期：炒多年力月哕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘茎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：刁 签字日期：夕多年，月多曰 导师签名 列够 签字日期：厕钐月夕日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 汽车问世一百多年来，汽车的生产规模和保有量不断增大，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。 汽车是石油资源的主要消耗者，据统计全世界石油产量约4 6 是由汽车消耗的。1 9 7 3 和1 9 7 9 年两次世界性的石油能源危机严 重而深刻的影响了汽车市场，提高发动机的燃油经济性也成为政府 部门和生产商的关注热点。为了降低油耗，世界各国都在制定相应 的措施。日本规定以19 9 0 年的油耗为基准，到2 0 0 0 年应降低8 ； 德国要求汽车厂家到2 0 0 5 年油耗应降低2 5 。美国自19 7 8 年实施 轿车平均燃油经济性c a f e ( c o r p o r a t ea v e r a g ef u e le c o n o m y ) 标 准以来，平均汽车油耗大约下降了4 0 。美国加州还规定，在今后 1 0 一1 5 年内每年降低2 ，也就是共降低3 0 的油耗【”。 汽车在路面上行驶，其排气污染物扩散在大气中，是大气污染 的一个主要来源。汽车的主要排气污染物氧化碳( c o ) 、碳氢化 合物( h c ) 、氮氧化物( n o x ) 以及微粒都对人体健康有较大危害。 此外，汽车尾气中还有一些对人体健康虽无直接伤害，但是会造成 气候变化，从而影响人类生活环境的温室气体。目前大气层中的温 室气体浓度增大过多所造成的大气温度持续升高，可能会带来气候 的灾难性变化1 3 i 。 为了限制汽车的排气污染，7 0 年代末和8 0 年代初各工业发达 国家相继制定了汽车尾气排放法规。其中，美国、欧洲和日本的汽 车排放法规是当今世界上三个主要排放法规体系，许多国家都不同 程度采用这些法规。目前，美国法规规定的c o 、h c 和n o x 的排 放限值比未控制前分别下降9 6 、9 8 和9 0 ；日本下降9 5 、9 6 和9 2 ；欧洲下降8 5 ( c o ) 和7 8 ( h c + n o x ) j 。 第一章绪论 汽车尾气排放也是我国大气环境特别是城市大气环境的主要 污染源。近年来上海城区内机动车排放的c o 、h c 和n o x 分别占 到总排放的8 6 、9 0 和5 6 ，北京市在非采暖期，机动车排放的 c o 、h c 和n o x 也分别占到总排放的6 0 、8 6 8 和5 4 7 。国家 环保总局提供的数据表明，全世界2 0 个大气质量最差的城市中， 中国占了1 0 个。汽车发动机所带来的环境污染是我国城市和社会 经济可持续发展中必须解决的重大问题【5 】。 我国在1 9 9 8 年之前只实行汽车怠速排放法规，随着大气污染 状况的恶化，日益严格的汽车排放法规也相继实施。我国等效采用 欧洲的排放法规，由环保、汽车、交通部门联合发布的汽车排放 控制技术政策中已明确规定2 0 0 0 年采用欧i 排放法规，2 0 0 4 年 采用欧i i ，2 0 0 8 年采用欧i i i ，2 0 1 0 年争取与国际接轨( 北京、 上海、广州等城市实施期限会提前) 。这意味着国外用了3 0 年走过 的历程，我国要在10 年内完成。 我国的能源问题也比较突出。我国从1 9 9 3 年成为原油净进口 国以来，油品进口以每年8 0 0 1 0 0 0 万吨的幅度增加，2 0 0 0 年我国 进口原油约7 0 0 0 万吨。按此发展趋势，2 0 1 0 年我国石油总需求的 4 7 需进口。内燃机是我国石油的主要消费渠道。2 0 0 0 年，我国内 燃机的石油消费量约占石油总消费量的6 1 ，约为1 2 8 亿吨。近 十年来，我国汽车工业一直保持1 0 以上的增长速度。随着汽车总 量的增加，内燃机石油消费量还将迅速增加，石油供需矛盾必将日 趋严重。同时，我国内燃机的能源利用率比国外低得多。据统计， 我国内燃机燃油消耗率平均为每千瓦小时o 2 2 - 0 3 5 公斤。能源利 用率与国外先进机型相比要低1 0 一2 0 以上，每年多耗油超过3 0 0 0 万吨，相当于年石油消耗量的六分之一。因此，开展内燃机高效、 节能研究可以缓解我国石油供需矛盾，确保我国能源安全。 当前我国轿车用发动机的主流仍是汽油机，因此，提高汽油机 的燃油经济性和排放水平仍然是当务之急。稀薄燃烧技术在提高汽 油机燃油经济性方面的潜力已经得到了公认，特别是准均质稀混合 第一章绪论 气燃烧新技术的提出，解决了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，克服了发动机技术对稀薄燃烧的应用 的障碍，但是其排气后处理难题仍制约着在实际车用汽油机上的应 用。车用三效催化转化器的工作窗口很窄，只有在空燃比为1 4 7 0 3 之间时才能对h c 、c o 一和n o x 三种有害排放物同时高效转化。 发动机稀燃时的空燃比为1 8 3 0 ，此时t t c 、c o 可被三效催化转化 器完全氧化，但是三效催化转化器对n o x 的还原能力很差，只有不 到l o ，不能通过三效催化器来降低n o x 的排放。因此，稀薄燃烧 排放物n o x 后处理的好坏是稀薄燃烧发动机能否应用的关键。 目前，降低稀燃n o x 的排放的方案主要有两种：n o x 吸附还原 催化转化器和n o x 选择还原催化转化器。其中n o x 吸附还原催化转 化器的催化效果已被国外一些大的汽车公司的研究成果所证实。 n o x 吸附催化转化器的再生过程原理要求发动机必须定时的工作于 浓混合气的状态，同时保持输出功率稳定，这对普通的发动机控制 系统来说是难以做到的。解决这个问题的方案就是开发专用的稀薄 燃烧发动机控制系统，设计有针对性的稀薄燃烧发动机控制方案， 对稀薄燃烧发动机的各项控制参数进行特殊的综合控制。对该系统 及方案的实施离不开对发动机电子控制系统的研究和分析。 1 2 车用汽油机电子控制的发展及研究现状 1 2 1 车用汽油机电子控制的发展 1 9 6 7 年，德国b o s c h 公司推出了d j e t r o n ic 电子控制汽油喷 射系统，迎来了发动机电控技术百花竟开的春天。排放法规出台和 石油危机这两方面的压力，加上电子技术的飞速发展，使此后的电 喷技术发展驶上了快车道。 首先是对空燃比控制技术的提高，对空气流量的测量，由速度 一密度法发展到用空气流量计的直接测量；从开始利用翼片式、卡 门涡旋式等空气体积流量计，到1 9 8 1 年推出热线式空气质量流量 第一章绪论 计；同时还发展了利用排气氧传感器的空燃比闭环控制技术。它固 然是为了适应排气后处理中三效催化转化器的需要，但空燃比闭环 控制技术和自学习控制技术的发展，大大改善了由于车一车异性、 老化等造成的空燃比控制误差。 其次是微机的加入以及微机速度、容量的提高，使电控系统控 制功能越来越完善。进气道汽油喷射由简单的多点喷射发展到顺序 喷射，从而进一步改善了排放和瞬态性能。多种传感器的应用，使 控制器了解整个发动机的运行条件和环境条件，进而可能针对不同 工作模式进行智能化控制。随车故障诊断系统可对喷射系统以至控 制器本身进行检测，避免了故障运行时的性能恶化，并提高了可靠 性和维修的便利。由于这些原因，电控汽油喷射得到了迅速的产业 化发展坤j 。 1 2 2 车用汽油机电子控制技术的现状 表1 1 发动机控制项目览表 名称控制量操作量目的使用理论传感器执行机构 燃料消耗最空气流量计 空燃比控制空燃比燃油喷射量最优控制喷油_ ； 小，达到排放氧传感器 废气再循环 e g r 盎 e g r 阎门法规的要求 程序控制 水温传感嚣 e g r 阀门 控f l ( e g r l 开度 节气门开度传感 器 点火时刻 点火时刻 点火线圈通同上+ 回避异同上+ 最曲轴转角传感器火花塞 控制断时间常燃烧优控制p 】爆震传感器点火线圈 调节水温传感器分电器 v c m 阀门 怠速控制怠速转速真空电磁阀维持设定的p i d 控制转速传感器 a a c 阀门 的电流怠速转速 f i c d 电磁 阀 燃油泵驱动 燃料流量油泵电压 减小噪音和 计划控制 转速传感器 燃油泵 拄制电力滇耗空气流量计 氧传感器加氧传感器 加热器电压 氧传感器的 开关控制 转速传感器氧传感器 热控制温度活性化空气流量计加热器 点火开关 空调切换空调的动空调继电器高转速急加转速传感器空调继屯 控制作电流速空调切除空训开关器 发动机是一个很复杂的被控对象，发动机控制系统又是由许多 小的子控制系统或小的控制项目组成，较全面的可见同本的松村利 第一章绪论 夫在1 9 9 3 年提出的电控汽油喷射发动机控制项目一览表 j ，见表 卜1 。其中，空燃比控制是发动机控制中最重要的控制项目。图1 1 是发动机空燃比控制的结构框图，发动机的燃油经济性低排放和好 的动力性都强烈地依赖于精确的空燃比控制，其控制的本质是：在 空燃比粗调时采用前馈控制( 即开环控制) ，而在空燃比微调中采用 反馈控制( 即闭环控制，用排气中的氧气含量作为反馈量) ，二者同 时存在，见图卜1 ，其中基本燃油喷射量由进气流量及发动机转速 决定；另外对发动机的种种不同工况再加上修正喷油量，这是前馈 图1 - 1 发动机空燃比控制系统框图 控制部分，反馈控制部分是由氧传感器( 它的输出是继电器型非线 性的) 检测出排气中的氧的浓度，实现空燃比的反馈微调【8 1 。 近十几年来，汽车发动机产品的空燃比控制的这种基本组成框 架一直未变。这种空燃比控制虽然包括冷启动加浓、热启动加浓、 加速加浓等，它仍然是以发动机稳态模型为基础的控制方法，而实 际中发动机尤其是汽车发动机少有在较长时间内运行于一个稳定 的状态，并且测量装置传感器和发动机本身都存在不可忽略的时间 延迟，因此这种传统的空燃比控制的精度有限。 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。要精确 控制发动机稳态运行过程中的空燃比比较容易，而要精确控制瞬态 过程中的空燃比则比较困难。特别是进气道喷射式电控多点喷射汽 油机，由于湿壁效应的影响，空燃比会不断地发生偏移，发动机系 第一章绪论 统的复杂性给控制系统的设计和优化增加了困难。 自动控制理论是编制和优化控制软件，使电控系统实现精确控 制的理论基础。当前经常使用的空燃比控制方法一般采用以下几种 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。随 着微处理器和d s p 技术的飞速发展，将使得基于复杂控制算法的运 用成为可能；而控制理论的发展将使空燃比的控制方法得到进一步 的发展。几种控制方法互相交织、相互弥补不足，将成为空燃比控 制的发展趋势。 1 3 本课题的提出及研究内容 目前，国外在汽车发动机技术上的研究已完全过渡到第3 代， 即电控喷射阶段。随着微机、电子技术的日臻完善、材料工艺的蓬 勃发展以及控制理论的不断成熟，发动机电控技术有望取得更大的 突破，发动机电控技术的开发研究仍将是二十一世纪汽车工业的重 要课题。 我国在发动机电控技术方面与发达国家有很大的差距。新概念 燃烧理论的研究进展对发动机电控系统提出了更高的要求，也给我 国的发动机电子控制技术的研究和开发带来了新的机遇和挑战。 准均质稀薄燃烧模式，是对传统分层稀燃模式的突破，有利于降 低发动机的油耗和排放，是稀薄燃烧理论的新进展，使用二次喷油 专利技术已经在进气道喷射汽油机上得到了验证【9 1 ，但是能够实现 二次喷油供油方式的电控系统并无真正的产品出现。另外，发达国 家对于能够控制稀燃发动机使其配合n o x 吸附还原催化转化器工作 的电控系统的研究也不对发展中国家公开，因此，对准均质稀薄燃 烧汽油机模型及控制技术的研究开发势在必行。 本课题是国家自然科学基金重点项目( 车用内燃机新概念燃烧 过程的研究) 的研究内容之一，主要研究内容包括： ( 1 ) 根据流体力学及空气动力学对汽油机建模的研究，包括 第一章绪论 进气歧管空气流量子模型、燃油喷射油膜蒸发子模型和动力输出子 模型，以及针对稀燃汽油机控制的特殊环节电控节气门和二次喷油 的数学模型。 ( 2 )系统地分析当前产品发动机电子控制系统空燃比控制方 案以及各种非线性智能控制在空燃比控制中应用的研究现状。 ( 3 )根据滑模变结构控制理论及神经网络控制的基本原理， 在稀薄燃烧发动机空燃比控制中应用滑模控制和神经网络理论，研 究滑模神经网络控制系统的总体设计方案及控制器的实施方法， 采用b o o s t 软件进行仿真研究，使其达到稀薄燃烧发动机对空燃 比控制精度的要求，并在一台实际的稀薄燃烧发动机上进行滑模 神经网络空燃比控制试验。 ( 4 ) 分析稀薄燃烧汽油机的工作原理、排放控制方案及对控 制系统的特殊要求，研究迭代自学习的稀薄燃烧汽油机综合控制方 案。该方案可以达到使空燃比配合n 0 x 吸附催化转化器的再生过程 并将转速和扭矩的波动控制在较小范围内的目的。在实际稀薄燃烧 发动机上进行试验，并对试验结果进行分析和研究。 ( 5 ) 针对稀薄燃烧发动机空燃比控制和n 0 x 排放综合控制的 试验要求，自行设计硬件和软件，研制开发套功能完善的稀薄燃 烧发动机电控开发系统，以满足本课题的应用要求。 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 2 1 概述 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 从8 0 年代早期开始，国外许多学者就已根据对物理现象的深入理解推 导出一系列的发动机模型。发动机模型有以下五方面的用途【1 0 。1 4 ： ( 1 ) 作为实时模型用于硬件在回路测试。设计合理的发动机模型在发 动机控制系统硬件在回路测试中可以起到很好的作用。在车辆中 进行测试是昂贵的，为了在极限情况下测试e c u ，通常需要寒 冷和炎热的环境。另一种困难是缺乏原型车，导致实验不得不推 迟。控制软件越复杂，越需要完整的硬件在回路测试。硬件在回 路测试对仿真器的要求很高，仿真是实时的，发动机和车辆的模 型必须是尽可能的真实，这方面的工作很具有挑战性。 ( 2 ) 在控制方案中作为嵌入式模型。在基于模型的发动机实时控制方 案中，往往包含着一个嵌入式发动机模型。利用发动机模型构造 状态观测器以预测无法测量或者难于测量的发动机变量。状态观 测器方法在车载诊断系统( o b d ) 中也得到了应用。 ( 3 ) 作为非实时模型用于对发动机控制策略的检验。非实时检验方式 能使控制系统的开发者在设计发动机控制策略时不受硬件条件 和软件复杂程度的制约。新的控制思想使用图形化的语言得以快 速实现，并且易于重复以考察其鲁棒性。使用这种方式，新的控 制算法可以在几小时甚至几分钟内得以实现，而在传统的开发方 式中这一过程则需要几天或是几周的时间。 ( 4 ) 作为评价发动机传感器模型和执行器模型的系统模型。大的汽车 生产厂商往往需要零部件供应商提供其所生产的零部件的模型， 以方便进行新开发产品的仿真。作为系统模型，发动机和控制系 统的模型用来评估不同的传感器和执行器的模型，同一发动机模 型可以评估不同的传感器和执行器。这种方式也方便了零部件供 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 应商对自己的零部件进行系统测试。 ( 5 ) 作为整车仿真系统的子模型。一个完整的动力传动或整车仿真系 统必然包含发动机模型，这类发动机模型更注重对发动机输出转 矩的预测。仿真系统越复杂，子模型的复杂程度越低，系统中的 发动机模型对发动机缸内运动的细节关注程度越低。 对于发动机控制系统的开发来说，前三点更受到关注。在八十年代初 期，计算机实时模拟系统的运算能力不强，同时发动机电控系统的控制策 略也较为简单，因而图表模型得到了广泛的应用，其中较为典型的是1 9 8 0 年d o b n e r 建立的发动机数学模型1 1 。该模型对发动机的特性进行了较全 面的描述。由供油( 化油器或燃油喷射) 、进气管、能量转换和动力输出四 部分组成。模型的输入量为节气门开度、空燃比、e g r 、点火提前角及负 荷扭矩；输出量为发动机转速和进气歧管绝对压力。各子模型以图表的形 式存在，数据通过大量试验获得。此模型实际上是以发动机稳态特性的描 述为重点，对于发动机动态特性的描述仅考虑了各工作过程的时间延迟和 进气歧管绝对压力及发动机转速增量的积分。 随着对发动机工作机理研究的深入，出现了许多新的发动机模型 i h 3 ， 其中最值得注意的是平均值模型。与图表模型不同，平均值模型以代数方 程和微分方程的形式对进气歧管内进气、供油及曲轴转速建立动态模型。 平均值模型对迸气管内进气及油膜的动态特性有较为深入的描述，可以对 发动机瞬态过程空燃比的响应进行分析。这对于以空燃比为重要控制目标 的控制系统来说尤为重要。平均值模型具有既可以描述发动机动态特性， 又不需很大的模型运算量的特点。因而此类模型在发动机电控系统的设计 中和发动机实时模拟系统的开发中得到广泛应用。较为典型的发动机平均 值模型是1 9 8 9 年e l b e r th e n d r i c k s 提出来的【l ”。但是，发动机平均值模 型的研究一直都只针对普通发动机，并未涉及稀薄燃烧发动机的特殊环节， 例如电控节气门和燃油二次喷射等。 借鉴平均值模型的形式，结合准均质稀薄燃烧发动机的特点，本文提 出了一个稀薄燃烧发动机模型。该模型包括：进气回路子模型、燃油回路 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 子模型和动力输出子模型，并在以下几节分别论述。 2 2 进气回路子模型 。 火花塞 图2 - 1 发动机简图 转化器 进气回路子模型是发动机模型中最主要的部分。在推导进气回路子模 型之前，对发动机有如下三个假设： ( 1 ) 进气歧管内的气体流动遵从理想气体定律。 ( 2 ) 进气管内的燃油喷射对气管内气体压力的影响可以忽略。 ( 3 )进气管内气体的压力和温度处处相同。 2 2 1 进气压力状态方程 发动机的简图如图2 一l 所示。进气歧管空气流量子模型是对进气管内气 体流动进行分析得到的。进气管内空气量的变化率r n 。，即为节气门处空气 质量流量，f 2 。和进气门处空气质量流量r h 。的差，如公式( 2 - 1 ) 所示： 砌。= 廊。一砌。 ( 2 - 1 ) 进气门处空气质量流量廊。可由速度一密度公式得到： 峨= 去( 2 - 2 ) 其中：n 一一发动机转速 屹一一发动机排量 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 口一一迸气管内空气密度 叩。一一充气效率 由理想气体定律可得： 尸2 m 矿a 。面p m = a n 其中：m 。一一进气管内空气质量 y 一一进气管内容积 p 一一进气管内空气压力 r 一一普适气体常数 乙。一一进气管内空气温度 将式( 2 - 3 ) 代入式( 2 - 2 ) 可得 略去甏p 。 再次对进气管内空气使用理想气体定律可得： 删。= 硭 将式( 2 - 5 ) 对时间取微分，可得 咿筹 将式( 2 - 6 ) 、( 2 - 4 ) 代入( 2 - 1 ) 可得 或 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 面p m a n v = 一去甏p 一城脚一) ( 2 - 7 ) 卢一= 一去铷以。+ 争帆( 口, p m a n ) ( 2 _ 8 ) 其中：口一一节气门开度 式( 2 - 8 ) 即为进气歧管进气压力状态方程。其中充气效率刁。和节气 处空气质量流量r n 。，为未知的需要建模的变量。在发动机的控制过程中， 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 充气效率叩。是无法直接测量的，节气门处空气质量流量廊。可通过进气流 量传感器( m a f ) 测量得到，但其使用有一定的局限。这方面的内容将在 第三章中详细论述。 2 2 2 充气效率模型 本文的充气效率模型是完全根据文献得到的。在文献【15 1 中，作者提出 了一个充气效率的回归模型，其中包含了进气和排气的温度和压力的变化 的影响，其表达式为： 叩哪曲( 玎，p m , p 耐) = b o + b l ( p p 。佣) + 6 2 胛o8 + 6 3 玎2 ( 2 - 9 ) 其中：p 。一一排气压力 下标v a m b 的含义是指基于大气条件的充气效率，温度的影响隐含在其 中。由于幂指数0 8 与1 相近，且对真正的发动机并不确切，因此可将充气 效率与转速 的关系简化为二次多项式。对发动机模型来说，充气效率对 p e x h p 。的依赖是不理想的，因为引入了一个新的未知变量p 。，因此需 要寻求充气效率对压力依赖性的新的表达。 文献【1 4 】的作者在一台福特1 1 升发动机上所作的实验显示：在任一给 定曲轴转速下，充气效率与进气压力呈线性关系，与发动机转速呈二次关 系。其他研究者【m 1 的研究成果与这一结论吻合，对多台福特1 1 升发动机的 实验统计结果也证实了这一结论。即充气效率和发动机转速和进气压力的 函数关系为： r v o l ( n ，p 。抑) = r l m o + 叩啪1 门+ f l y 2 订2 + 叩啊】p ( 2 - 1 0 ) 下标v o l 的含义是指基于进气条件的充气效率。 式( 2 - 1 0 ) 所表示的充气效率是一个简单的抛物曲面，其抛物线形状 取决于n ，曲面斜率取决于p 。 2 2 3 节气门处空气质量流量模型 节气门处空气质量流量r h 。，在一些文献中是作为一个等熵缩放喷管建 立的f ”】。这种方法是不精确的，因为进气在流经进气门的时候被分成了两 路，一路为主导气流( d ) ，另一路为剩余气流( s ) ，如图2 2 a 所示。使用 1 ， 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 双路等熵缩放喷管，可以得到更为精确的模型，如图2 2 b 所示。图2 2 c 所示 为两路气流的压力示意图。显然，两路气流具有同样的入口条件，取为节 气门之前的气体压力和温度p 。、a 但是，两路分流气流的喉部位置不 嘞 墨单 t c ) 图2 - 2 双路节气门气流模型 同，背压也不同，剩余气流的背压p 。总是高于主导气流的背压p ，) ，其中p 。 可取为p 。因此，主导气流的流经节气门时的压力损失为整体压力损失 ( p 。一p 。) ，剩余气流流经节气门时的压力损失为整体压力损失的一部分 ( j ( p 。p 一) ) ，其中j o ，1 。设护为剩余气流与主导气流的比例，是一 个装配常数。 节气门处空气质量流量模型如式( 2 一1 1 ) 所示： 确。( 口，p 。，p 。，气。) = 筹芋= 属( 口) ：( p ，) ( 2 - 1 1 ) 、1 舯 式中： 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 度( p ，) = 而l 卢：( p ，) + 上v + 一l 刖一d ( 1 一b ) ) p ，：堕 p 蛐 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 厂r 1 互 以加塑堕掣；笔半芷 ( 2 _ 1 4 ) p t c 一p 。 p 。：f 三r 0 5 2 8 3 ( 2 - 15 ) “2 l 而j 枷5 2 8 3 ) 卢1 ( 口) = b l o + b l lc o s ( 口) + 岛2c o s 2 ( 口) + b 1 3c o s 3 ( a ) ( 2 - 1 6 ) 乙。为大气温度，p ，是节气门两侧的压力比。p 。是节气门两侧的压 力比的临界值，低于此值气体以音速流动。r 是绝热指数，此处取空气的 绝热指数1 4 。岛、历和。是压力比和喉部面积的函数，占、u 和b - b ， 是装配常数。 综合公式( 2 - 8 ) 、( 2 - 1 0 ) 和( 2 - 1 1 ) 即为进气回路子模型的主要内容。 然而，对于稀薄燃烧发动机来说，电控节气门系统也是必不可少的一部分， 因此，以下将对电控节气门系统进行建模。 2 2 4 电控节气门系统模型 电控节气门系统的结构简图如图2 3 所示。其中，节气门轴承的摩擦是 不可忽略的；打开节气门和关闭节气门所需要的输入也是不同的；发动机 摩擦 图2 3 电控：霄气门系统的结构简图 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 进气流经节气门时，气流对节气门盘产生作用。是节气门的负载扭矩。 对节气门体运动的分析使用牛顿第二定律，得到如下方程： 西= 曲 ( 2 17 ) m = 瓦( 2 1 8 ) 其中：a 一一节气门角度 国一一节气门角速度 瓦一一驱动扭矩 回位弹簧的作用总是使节气门关闭，目的是在节气门电控系统失效时起 到安全保护作用。当节气门全关时，回位弹簧还有一个角度口。因此，回 位弹簧的扭矩表达式为： 乙= 毛 + ) 。( 2 - 1 9 ) 其中：乇一一弹簧扭矩 丸一一弹簧弹性系数 毛a 一一预应扭矩 对摩擦的处理使用标准摩擦模型，即包括静摩擦和动摩擦。其中动摩 擦和角速度成比例关系。得到的摩擦转矩和节气门运动方向相反，大小和 驱动力矩以及角速度有关。如式( 2 - 2 0 ) 所示： 驴 t 。嘶国拈巍q ( 2 - 2 0 ) 其中：7 1 ，一一摩擦转矩 r 一一驱动力矩 r 一一静摩擦转矩 k ，一一摩擦系数 发动机迸气流经节气门时，气流对节气门盘的作用是节气门的负载扭 矩t 。对此负载转矩建模是比较困难的，它同节气门的几何形状有关，因 此在控制中将其作为未知扰动处理。但是，在小范围时间段内，显然有： t = 0( 2 - 2 1 ) 力矩电机的输入是p w m 波，设“为e c u 向节气门的输入，则力矩电机 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 的输出为： 综上，作用在节气门上的打开方向的力矩为： t= 一瓦一l = 岛“一t k 1 ( a + 口o ) = k 3 u k l o 一( 七1 口o + 瓦) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 其中( 毛+ 五) 与系统的状态无关a 考虑摩擦的影响，可得： 乙= t 一0 ( 2 - 2 4 ) 公式( 2 一1 7 ) 、( 2 一1 8 ) 、( 2 - 2 0 ) 、( 2 - 2 1 ) 、( 2 - 2 3 ) 和( 2 - 2 4 ) 即为电 控节气门的模型方程。其中，摩擦巧和负载t 比较复杂，在控制中往往通 过非线性的控制方法进行处理。 2 3 燃油回路子模型 2 3 1 普通发动机燃油回路模型 对于进气歧管内的油膜，人们提出了很多模型，其中a q u i l 1 0 提出的油 膜模型8 l 得到了较为普遍的认同，其简图如图2 4 所示。a q u i n o 认为，由 喷油嘴所喷出的燃油，一部分( 占总量的比例为d ) 以油蒸气的形式直接进入 气缸，而其余部分( 占总量的比例为卜d ) 则以液态油滴形式在进气歧管壁面 上沉积下来，形成一层油膜。与此同时，油膜内的燃油又以1 居。的速率不 断蒸发，蒸发出的油蒸气与上述d 部分油蒸气一起进入气缸。根据图2 5 所 示的模型方块图，可以得到下述方程组： 廊妊订= d 廊厮+ 珈雁， ( 2 - 2 5 ) ， i 雕，：士卜晌俨，+ ( 1 一d ) m 埘 m 雕v2 。【- m 俨v + 【1 一埘j 其中：砌j 驯一一进入气缸燃油质量流量 胁村一一喷油器喷油质量流量 痂胁一一壁面油膜挥发质量流量 f ，一一壁面燃油蒸发时间常数 ( 2 2 6 ) 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 d 一燃油直接雾化的比例因子 图2 - 5 油膜模型方块图 公式( 2 - 2 5 ) 和( 2 - 2 6 ) 即为普通气道喷射汽油机的燃油回路模型， 然而，对于稀薄燃烧汽油机来说，并不完全适用，需要做出适当的改进。 2 3 2 准均质稀薄燃烧发动机燃油回路模型 对于气道喷射汽油机来说，若要实现准均质稀薄燃烧，较可行的方案 是采用二次喷射这种供油方式。二次喷油的具体实施方案是在气道内燃油 喷射的发动机上，将每循环所需的燃油量分作两部分分别在不同期间喷射， 一部分在进气行程之前喷射，另一部分在进气行程喷射。第一次喷油在于 形成大部分的均质混合气，因而其喷射时期应在进气门远未打开时进行。 此时将大部分燃油喷到气门口处，借助气门口处的高温使燃油蒸发雾化， 17 第二章准均质稀薄燃烧发动机模型 由于喷油较早，燃油蒸发雾化的准备时间较长，这部分燃油基本形成均质 的稀混