（电力电子与电力传动专业论文）准均质稀燃发动机测控系统设计.pdf

a b s 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 oa ne n g i n ei no r d e rt o e 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 n p o l l u t i o n t h en 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 ot h ea d v a n t a g eo fl e a nb u r n ，a n d t h u sh e l pt or e d u c et h ef u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o no ft h ee 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 a ne x a c ta i r f u e lr a t i oc o n t r o li st h ef o u n d a t i o no faf i n ec o m b u s t i o nf o ral e a n b u r ne n g i n e s om a n ya fc o n t r o ls c h e m e sa n d s t r a t e g i e sa r es t u d i e dd e e p l yi nt h i s p a p e r t os a t i s f yt h es p e c i a lt e s tr e q u i r e m e n t so fl e a nb u r ne n g i n es oa st oa c q u i r et h e b e s tr u np a r a m e t e r sa n dt oo f f e rt h er e l i a b l er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t o ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，at e s tc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hi s b a s e do l la ni d e ao f a s s o c i a t i n gv i r t u a li n s t r u m e n tw i t he l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g y t h es o f t w a r ep r o g r a m m e db yl a b v i e w7 0c a na c q u i r ea l lk i n d so fp a r a m e t e r so f t h ee n g i n e ，a n df r e e s c a l e s16 - b i th ig hp e r f o r m a n c es c mc o n t r o lt h ei g n i t i o na n d i n j e c t i o n o ft h ee n g i n e t h u s ，i to f f e r sar e l i a b l ea n dc o n v e n i e n t p l a t f o r m f o r p e r f o r m a n c et e s ta n dn o xe m i s s i o nt e s to fl e a nb u r ne n g i n ew i t hc o m b i n i n gt h e a d v a n t a g eo fl a b v i e wo nd a t aa c q u i s i t i o nw i t ht h ev i r t u eo fs c mo nr e a l - t i m e c o n t r 0 1 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 ea 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 d n o xe m i s s i o n c o m p r e h e n s i v e c o n t r o l e x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u t u s i n g s e l f - d e v e l o p e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls 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 tc a nb e s h o w nt h a tt h em a i np a r a m e t e r so fe n g i n er u n n i n gc a nb et i m e l ya n da c c u r a t e l y r e f l e c t e di n t h i ss y s t e m ，a n dt h ei n j e c t i o nt i m i n g ，i n j e c t i o np u l s ew i d t ha n di g n i t i o n t i m i n gc a nb ee x a c t l yc o n t r o l l e da sr e q u i r e d 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 lt e s ts y s t e mh a ss t a b l ea n dr 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 lt h e r 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 sl e a nb u m ；a i rf u e lr a t i o ( a f r ) ；v i r t u a li n s t r u m e n t ： 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 o xe m i s s i o n 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，也不包含为获得墨盗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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兹时、姆 签字f = i 期：歹刀年罗月7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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：兹_ 、卿 签字同期：弘刁年一印月口7 同 翩繇俦将 签字日期：2 口0 7 年7 月7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从1 9 世纪6 0 年代内燃机问世以来，经过不断的创新和完善，已经成为当 今世界用量最大、用途最广、热效率最高的热能机械，也是人们赖以生产和生 活的重要动力设备。然而，随着生产规模和保有量的不断增大，内燃机在对人 类文明作出巨大贡献的同时，也给人类的生存环境带来了越来越明显的负面影 响。这些负面影响主要体现在两个方面：一方面是能源紧缺问题，另一方面是 环境保护问题。 从能源的角度来看，汽车是石油资源的主要消耗者，汽车工业的快速发展使 石油资源的消耗不断加剧。1 9 7 3 年和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，发达国家纷纷对汽车的燃油经济性制定了强制性法 规【。美国的标准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 ) 要求在未来的1 0 1 5 年内发动机的油耗要降低3 0 ，美国汽车星球大战计划甚至提出了每百公里 油耗3 升的开发目标。欧洲汽车工业协会提出了一项自我限制法案，2 0 0 5 年要 将油耗限制在每百公里6 升以内。日本2 0 0 0 年基准轿车要比1 9 9 0 年节油8 5 ， 商用车在2 0 0 3 年要比1 9 9 0 年节油4 一6 。 我国的能源问题也比较突出。我国石油人均剩余可采储量只有世界的1 1 0 。 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，按此发展趋势，2 0 1 0 年我国石油总需求的4 7 需进口。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，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，我国能源利用率与国外先进机 型相比要低1 0 - 2 0 以上，每年多耗油超过3 0 0 0 万吨。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。 从环境保护的角度来看，内燃机自诞生那天起就在不断地往大气排放着各 种不利于人体健康的毒性气体。排放的废气主要由一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物 ( t o ) 、氮氧化物( n o x ) 以及微粒等组成。c 0 直接对人体有害，而h c 和n o x 在太阳 的紫外光照射下会形成光化学烟雾，对人体的危害极大。1 9 5 5 年美国洛杉矶曾 被光化学烟雾笼罩几天，几千人受害，三百人死亡【2 j 。内燃机排气微粒大多小于 0 3l jm ，其主要成分是碳及其吸附的有机物质，这些物质具有不同程度的致癌 第一章绪论 作用1 3 j 。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。因此，为保护环境 各国纷纷制定了相应的排放法规。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 0 、h c 和n o x 的排放限值比未控制前分别下降了9 6 ，9 8 和9 0 ；日本 下降了9 5 、9 6 和9 2 ；欧洲下降了8 5 ( c 0 ) 和7 8 ( h c + n o x ) 。 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。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。 按照我国汽车工业“十一五”规划，至1 2 0 1 0 年，我国汽车产销量将达n g o o 万辆， 民用汽车保有量达n 5 5 0 0 万辆，汽车化水平达至1 4 0 辆千人。面对呈现激增态势 的机动车保有量，机动车尾气带给城市环境的压力仍然不容乐观。如果不能够 执行严格的排放标准，恐怕很多城市都将很快陷入“行车难、污染重”的僵局。 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，“节能减排”也已经成为政府工作的重中之重。 能源和环境两大问题迫使汽车工业面临既要在保证发动机动力要求的前提 下降低发动机的燃油消耗，又要满足排放法规的严峻局面。因此，提高汽油机 的燃油经济性和降低排放仍然是当务之急。 1 2 汽车发动机电子控制技术的发展及现状 1 2 1 汽油机电控技术的发展过程 1 9 6 7 年，德国博世( b o s c h ) 公司推出了d 型模拟电子控制汽油喷射系统， 迎来了发动机电控技术百花竞开的春天。在其后的十年当中，博世公司又相继 开发出l 型电控汽油喷射系统和用氧传感器提供空燃比反馈信号的闭环控制系 统，进一步提高了空燃比的反馈控制精度，使排气净化技术又提高了一步。 与空燃比采用电子控制的同时，点火装置也迈出了电子化的步伐。1 9 7 3 年 美国通用汽车公司开始采用i c ( 集成电路) 点火装置。1 9 7 6 年，美国克莱斯勒汽 车公司首先开发出模拟式点火时刻电子控制系统( e l b s ) 。1 9 7 7 年美国通用汽车 公司研制成功数字式点火时刻控制系统( m i s a r ) ，该系统体积小，由中央处理 器( e c u ) 、存储器( r a m ，r o m ) 和模数( a d ) 转换器等组成，是一种真正的计算机 控制系统。同年，美国福特汽车公司开发了能同时控制点火时刻、废气再循环 第一章绪论 和二次空气的发动机电子控制系统( e e c ) 1 9 7 9 年，博世公司开始生产集电子控 制空燃比和点火时刻于一体的m o t r o n i c 数字式发动机集中控制系统【4 1 。与此同 时，美国和日本各大汽车公司也竞相开发出与各自车型配套的数字式发动机集 中控制系统，例如：美国通用公司d e f i 系统、福特公司e e c i i 系统，以及日本日 产公司e c c s 系统，丰田公司t c c s 系统等。这些系统都能够对空燃比、点火时刻、 怠速和废气再循环等方面进行集中控制，有的还具有备用电路和自诊断功能， 控制精度越来越高，控制功能也更趋完善。 由上述可以看到，汽油机电子控制技术经历了从模拟电路到数字电路，从 单独控制到集中控制的发展过程。目前，国外在汽车发动机技术上的研究已完 全过渡到电控喷射阶段。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。 1 2 2 国内汽油机电控技术的研究现状 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。我国早在五、六十年代吉林工业大学 和上海船舶研究所等科研单位就进行了燃油喷射装置的研制和实验室工作，并 取得了一定成效。进入八十年代，我国进口的轿车，大部分都装有电控系统。 长春汽车研究所、吉林工业大学、清华大学等单位正在进行着单点喷射与多点 汽油喷射系统、点火正时、爆震检测、氧传感器反馈系统等电控项目的研究与 开发，都取得了一定的进展。但是由于我国工业基础薄弱，研究工作仍处于对 电控系统部件的引进与消化阶段，立足于国内制造确实还要相当长的实际，无 论是汽车电子产品的种类、质量和档次，还是其可靠性，与国外相比均有一定 的差距p j 。但是随着我国国民经济的高速发展，汽车工业越来越受到国家的重视。 早在“八五 期间，国家就把开发汽车工业作为整个工业体系中的支柱产业来 扶持，并且把开发汽车电控汽油喷射与点火系统列为重点研究项目。由于发动 机电子控制技术是降低汽油机排放、改善其燃油经济性的主要措施，因此对汽 油机电子控制技术的研究具有十分重要的意义。 1 3 汽油机稀薄燃烧技术的发展及研究现状 1 3 1 稀薄燃烧技术的发展 第一章绪论 稀薄燃烧就是指发动机在实际空燃比大于理论空燃比的情况下燃烧，这样 燃料几乎能完全燃烧，并且也减少了换气损失，从而实现在部分负荷时的节能 和降排。 远在发动机管理系统还处在开环控制的年代，就有人在部分负荷时采用较 稀的混合气来提高发动机的燃油经济性。典型的早期稀薄燃烧系统分为： ( 1 ) 统一式燃烧室稀燃系统( 2 ) 预燃室式稀燃系统。由于当时机外废气处理技术不 高，满足不了排放法规要求，所以这些稀燃发动机未能大量生产i o j 。 随着人们对燃油经济性的要求进一步提高，内燃机工作者们对稀薄燃烧的 研究取得了很大进步。当今的稀燃系统大都基于多气门，尤其以四气门为代表。 在多气门汽油机上采用电控燃油喷射技术实现稀薄燃烧是当今汽油机发展的主 流，可分为进气道喷射稀薄燃烧系统和缸内直接喷射稀薄燃烧系统。 试验表明f 7 】，缸内直喷式汽油机具有良好的经济性和动力性。但它还存在着 一些缺点【8 】f 9 】【1 0 】：高负荷时容易生成碳烟，即在高负荷时，空燃比要维持在理论 空燃比或稍微浓一些，燃油的分布由于不均匀，而在浓区容易产生碳烟；由于 喷油器在缸内，因此喷油器上容易积累沉积物；由于结构复杂，在结构的布置 上也比气道喷射汽油机困难。正因为它的技术难度大，并且价格较高，主要用 于高档轿车上，汽油机的全部缸内直喷化尚需要很长一段时间。目前，大部分 汽油机仍然采用气道喷射的供油方式，也就是说，气道喷射方式目前是多气门 稀燃汽油机的主流。在气道喷射的基础上采用稀薄燃烧方式，只须在现有基础 上加以改进，生产线的变动很小，更加适合我国的国情，因此，加紧对汽油机 稀薄混合气气道喷射的电控研究具有重大意义。 1 3 2 稀薄燃烧技术的研究状况 在汽油机的众多技术中，稀薄燃烧技术长期以来是人们研究的热点，被认 为是目前汽油机最有前途的技术之一。为充分挖掘汽油机燃油经济性和排放方 面的潜力，广大研究人员和设计人员在稀燃方面做了许多工作。 稀薄燃烧技术的优势主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 对经济性的改善。从图1 1 l l i 】可以看出，随着空燃比的增加，发动机油 耗明显下降，这主要来自几个方面的原因：首先，采用稀薄混合气燃烧时循环 热效率提高。汽油机的实际循环的指示热效率可以用热力学公式表示为： ”1 一刍 第一章绪论 从指示热效率与压缩比e 和绝热指数k 的关系可以看到，提高工质的压缩 比和绝热指数有利于指示热效率的提高。随着空燃比的提高，空气所占的量增 加，因此工质的绝热指数逐渐接近于空气的绝热指数。与理论空燃比1 4 7 相比， 若发动机工作于空燃比2 0 和2 7 ， 热效率将提高8 和1 2 。另外， 由于稀燃混合气燃烧温度低，燃 烧产物的离解损失减小，并且降 低了与气缸壁的传热损失，也使 热效率得以提高【1 2 】【13 1 。其次，由 于稀燃发动机一般不受到高负荷 时爆燃极限的限制，可以采用较 高的压缩比，有利于热效率的提 高，从而改善发动机的燃油经济 性。第三，采用稀薄混合气燃烧 时，因进入气缸内的空气量增加， 使发动机泵吸损失减小，这对汽 油机部分负荷经济性的改善非常 明显，从而对经常工作于部分负 f u d - + rl , n u l v m c n c ct j + t i o il 1 21 0 o s0 6 1 3 i s1 72 0 2 a i r f u e lr * - i o 图1 1 稀燃对发动机经济性和排放的影响 荷工况的轿车具有重要意义。另外，因其稀薄燃烧界限宽，在部分负荷时能采 用变质调节，使节流损失小，从而改善了燃油经济性。 ( 2 ) 对排放的改善【1 4 1 。从图1 1 中可以看出，随着空燃比的增加，由于采用 稀的混合气使燃烧温度降低，n o x 的排放明显减少，同时，燃烧产物中的氧成分 有利于h c 和c o 的氧化，使h c 和c o 的排放也减少。然而，随着空燃比增加 到一定程度，由于燃烧速度的降低可能会使燃烧不完全，h c 的排放会迅速增加。 如果能合理地设计紧凑的燃烧室，并组织好空气运动使燃烧在短时间内完成， 就可以使三种排放都大大减少。 尽管稀燃能提高经济性并同时改善排放，但在实际应用中还存在一些问题： 当混合气变稀时，着火延迟时间加长，火焰传播速度减慢，使得完全燃烧更 加困难。当混合气变稀时，如果火花塞周围的燃油混合气浓度降低，最小点 火能量迅速增加，火核难以形成，不仅使点火困难，而且使滞燃期增长，使得 最佳点火提前角( m b t ) 增大，使燃烧效率降低，燃烧循环变动增加。在燃 烧稀薄混合气时，由于混合气分层将不可避免地在火花塞附近出现混合气过浓 或浓混合气区域过大的状况，而这些区域恰恰是高温区域，使这些地方的n o x 生成增加。另外，稀燃时由于排气中始终为氧化氛围，因此有害排放物n o 。的 百i-uo一一oc一聃：011j1盎_ucou ull可；og：oz 第章绪论 还原比较困难。采用稀薄燃烧方式时，空燃比的变化范围很大，而喷油定时 和点火提前角都和空燃比有关，因此，喷油定时和点火提前角的拧制都要随着 空燃比的变化而改变；同时，为了提高稀燃极限，还要采用可变的空气运动形 式以便和喷油定时相结合形成缸内混合气分层；为了降低排放还需要采用e g r ： 为了与稀燃三效催化转化器同时工作，空燃比还要在浓稀之间定期交替等等。 所以，采用稀燃会增加控制系统的复杂性。 1 4 本课题的提出及研究内容 目前汽油机面临节能和降排的迫切要求，因此展开对准均质稀燃发动机电 控系统的开发和研究工作势在必行。针对这一现状，作者在以下几个方面做了 大量的工作： ( 1 ) 利用虚拟仪器技术实现对发动机工作状况的实时检测与控制。用 l a b v i e w 编写一套上位机软件，能够对发动机运行各参数进行实时监控并能随时 保存这些参数。此外，上位机的控制指令能通过串口发送给e c u ，再由e c u 根据 这些指令对发动机运行状态进行调整。 ( 2 ) 系统地分析当前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 ) 针对稀薄燃烧发动机空燃比控制以及喷油定时和点火定时控制的试验 要求，自行设计硬件和软件，研制开发一套功能较为完善的稀薄燃烧发动机电 控系统。 ( 4 ) 准均质稀薄燃烧发动机空燃比控制和n o 。排放试验。利用开发好的系统 对丰田8 a 稀燃发动机进行大量试验，探索提高稀燃发动机性能和改善排放的措 施。 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制策略的研究 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制策略的研究 2 1 准均质稀薄燃烧 燃用稀混合气是车用汽油机实现节能净化的一条有效途径，稀混合气燃烧 技术多年来一直是国际上研究的热点。目前，四气门汽油机口益成为轿车用发 动机的主流，在进气道喷射发动机上实现稀薄燃烧的重要技术主要在于缸内有 适当的涡流存在、最佳燃油喷射时间的控制以及全区域空燃比控制。但这些因 素一但控制不好，就会造成混合气的过度分层，一方面混合气过浓使得排放恶 化，另一方面混合气过稀使油耗上升。为了解决这些问题，天津大学刘书亮教 授提出了准均质稀薄燃烧的概念，是指在气缸的大范围内形成均质稀混合气， 只对火花塞周围的混合气实施小范围的局部加浓【l 川。 在通常情况下稀混合气虽然不能被火花点燃但能被火焰引燃，这是分层燃 烧技术成立的基础。分层燃烧是解决稀燃着火难题的成功技术。它是缸内气体 流动形式与供油技术良好匹配的成果。在着火时刻，火花塞周围具有适合于着 火的浓混合气，而在燃烧室其他部分是较稀的混合气。在浓稀区域之间，混合 气自然分层，这就是传统的分层燃烧概念【l6 1 。由于电控喷射技术提供了油气匹 配的灵活性，因而现代分层燃烧系统均以电控技术为基础。实现准均质稀薄燃 烧的技术手段是二次喷油技术。 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和气，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，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和气i l 。第二次喷油则在于在火花塞周围形成 易于点火并形成初期燃烧火焰的局部浓混和气，因而第二次喷油易选择在活塞 运行速度较高、进气门开度较大的区段，使油束直接随气流进入气缸，形成少 量的在气缸中间的浓混和气用于点火及形成足以维持稀混和气稳定燃烧的初期 火焰团。控制第二次喷射的燃油量，可以调节火花塞附近的可燃混和气的浓度。 电控系统为该方案的实施提供了方便和可行性。在不同的进气模式下二次喷油 量所占比例、喷油定时、点火定时对该稀燃系统及发动机性能的影响是研究的 重点。 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制莆略的研究 二次燃油喷射方式实施方式如图2 - l 所示。二扶燃油喷射方式是可行的：在 气道内燃油喷射发动机上，喷射时刻的可选范围很宽，只要能为喷油嚣留有一 定的间歇时间即可。二次燃油喷射是将每循环所需燃油量分作两份分次喷射， 总的燃油喷射时间比单次燃油喷射多了一个无效期( 不到i m s ) 。一般来说，普 通的喷射器在发动机工作的转速范围内实现每循环( 7 2 0 。c a 期间) 聩油两次是 没问题的。每循环二次间隔为3 6 0 。c a 的燃油等量喷射是简单的二次喷射方式， 可看作是独立燃油喷射方式在发动机每循环内工作两次。从控制角度来看，二 次燃油喷射方式不过是在独立燃油喷射方式的基础上增加了一个分配两次燃油 喷射量的参数这在控制软件上是很容易傲到的。 图2 一l 二次喷油方式实摊方案 22 发动机电子控制系统空燃比控制策略 2 21 概述 电控系统是发动机的核心，而空燃比( 气缸内空气与燃料的比例) 控制又是 电控系统中核心控制之一，空燃比控制性能的好坏直接影响着发动机动力性能、 经济性能和捧放性能 1 w 。e ( 砌对空燃比的控制是通过对燃油喷射量的控制来完成 的。发动机工作时，e c u 从传感嚣得到空气流量的信息，通过若干计算之后，决 定喷油量，从而使混合气的空燃比达到预先设定的值。在整个过程中，e c u 输出 的控制指令只是一个触发喷油器的控制信号。在这一个喷油信号中e c u 控制了 信号的脉宽以及时刻。喷油信号的脉宽决定了喷油量的多少。这一脉宽是下列 参数的函数： 1 ) e c u 通过计算确定的目标空燃比。 2 ) 空气流量。 3 ) 发动机的其它工况参数如节气门位置传感器、捧气氧传感器、进气压 力传感器、进气温度传感器等提供的信息。 4 ) 喷油嚣的流量特性 e c u 在控制喷油脉宽时可采用两种方式：开环控制与所环控制。在开环方式 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制策略的研究 中，每一次喷油的脉宽都是由e c u 计算出来的。在这一方式中，e c u 计算脉宽的 目的是为了“配制”出一定空燃比的混合气，但对于喷油后实际形成的混合气 到底是怎样的空燃比，并没有检测。在闭环方式中、e c u 并不只是计算喷油脉宽， 而且要记录下当前的喷油脉宽，然后从排气氧传感器信号检测这一脉宽形成的 空燃比，并与目标空燃比相比较，从而决定下一次喷油的脉宽。显然，闭环控 制的空燃比控制要比开环控制的更精确，因为闭环控制方式实际上可以补偿喷 油系统的各种误差，这些误差可能包括进气压力误差、喷油压力的误差、喷油 器的流量误差等等。换句话说，闭环控制不但可以克服各台发动机之间的差别， 还可以克服发动机在整个使用寿命内随着使用时间增加而产生的各种老化。然 而，不是所有的工况都可以实施空然比闭环控制。首先是某些工况不能采用理 论混合气，例如，冷起动及冷却水温度较低时，需要较浓的混合气来维持稳定 运行，而节气门开度很大时也需要较浓的混合气以保证最大转矩：其次是氧传感 器和三效催化转换器也有一个温度阈值，在预热期或排气温度过低时也无法进 行闭环控制。所以，在大部分电控系统中，对空燃比的开环控制与闭环控制这 两种控制方式都存在。何时采用开环控制，何时采用闭环控制，均由控制策略 决定，各厂家的系统略有不同。般采取表2 - 1 所示的策吲2 0 j 。 表2 - 1 不同空燃比控制方式适应的主要工况 控制方式工况不能采取闭环控制的原因 冷启动所需 l 且随温度而变 氧传感器尚未能起作用 开环控制 暖机期 所需入 l 且随温度而变 节气门全开工况所需功率混合气入 l 闭环控制除以上以外的工况 此外，当氧传感器失效或某些其它故障使电控系统进入失效安全模式时， 系统也会自动转向开环控制。少数系统只有开环控制方式，没有闭环控制，在 经济型轿车上仍可看到这种系统。 要进行空燃比的闭环控制，必须配备能反馈空燃比信息的排气氧传感器 e g o 。闭环控制的目的，般是为了使入= 1 ，以保持三效催化转换器的高转化效 率。所以，通常空燃比闭环控制、e g o 和三效催化转换器三者是互相联系的，缺 一不可。 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制策略的研究 在采用空燃比开环控制时，e c u 计算并确定喷油脉宽的过程如图2 - 2 所示。 在这过程中，e c u 首先要计算出气缸充气量的大小，并根据各传感器的信息和 事先存入的策略选定目标空燃比，然后根据进气量和目标空燃比计算出每缸所 需要的喷油量，最后根据事先输入的喷油器特性决定喷油脉宽。 转速 计算空气质量流量： 1 空气质量流量法 2 速度一密度法 计算每缸每循环 充气量 计算每缸每循环 喷油量 确定空燃比 的校正量 确定目标 空燃比 计算喷油脉宽| 一 喷油器特性 计算喷油时刻 喷油器驱动器 曲轴角信号 凸轮轴信号 各种传感器信 号 转速负荷 图2 - 2 喷油脉宽的产生过程 2 。2 2 气缸循环充气量的计算 要计算气缸的循环充气量，根据所配置的传感器不同，可采用速度一密度法 或空气流量法两种方法1 2 1 】。 1 ) 速度密度法 速度一密度法所需要的传感器信息包括：转速n 、进气管压力m a p ( 动、 进气温度m a t ( 力。另外，还需要事先输入发动机排量( 力、充气效率( j 7 ) 以及气 体常数腊。 气缸内每循环充入的空气量m 口为： 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制策略的研究 所。= p v r l = 而p 砌= c 等，7 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，c = v r 作为一个常数可以事先输入，p 和t 均可由传感器测出， 只要知道刀就可算出m 口了。然而r 是一个十分复杂的函数，它至少与发动机转 速、配气定时、迸气管与进气阀设计、排气压力、排气背压、e g r 和曲轴箱通风 等因素有关。一般的处理是通过试验样机的台架试验，将r 整理成转速和进气 压力的m a p 图，将此图存在e c u 的r o m 中，供计算时调用。 2 ) 空气流量法 当采用热线式空气流量计时，由于空气质量流量信号m a f 已能表征空气质量 流量m a ，所以每缸每循环的充气量就可以很方便地表示为 m 口= 丽m o l ，j ( 2 2 ) 其中：i 一为气缸数 当采用容积式空气流量计时，只能测出体积流量，则需转化为质量流量， 然后再计算出每缸每循环的充气量。 在实际的计算程序中，为了提高程序运行速度，计算机上不会是一步一步 按推理方式进行的，往往结合目标空燃比、流量计的特性、喷油器常数等，直 接由流量计的电压或频率信号的数值直接算出喷油脉宽。这需要结合各系统元 件的具体参数进行演算，将最后的公式输入程序。这种演算及最后的公式，各 厂家都不相同，但原则上都可沿用以上概念。对于对计算结果有影响的传感器 读数，同刁一样，将它们以表格的形式输入e c u 做成脉谱图，存入r o m 。发动机 运行时，微机可根据数据插值，直接得出基本喷油的脉宽。 2 2 3 空燃比的开环控制 如图2 2 所示计算流程所表示的一样，在对空燃比采用开环控制时，必须确 定目标空燃比( a f ) 。一般来说 a f ( 目标) = a f ( 基本量) + a f ( 校正量) 为了程序计算的方便、快捷，通常计算出a f ( 基本量) 相对应的喷油脉宽厶， 而将a f ( 校正量) 用相应的校正因子f 。代替。并单独列出电源电压的校正量乙，得 到与目标空燃比对应的喷油脉宽t 为 ，o 一) 、 ，= t p 疋+ t 譬 驯 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制策略的研究 大多数的电控系统都采用了脉谱( m a p ) 的方式来确定a f ( 基本量) 。 采用脉谱的形式来确定控制量的数值，是电控系统中用的最多的方法。即 事先将经过优化的控制值以二维数表的形式存入r o m ，运行时只要根据工况条件 进行查表即可。这种方式所占的计算时间短，且结果比较精确。 脉谱通常是根据试验样机在试验台架上进行的试验确定的。这一工作称为 屯控发动机的标定。例如为制取a f 的脉谱，可以分别将转速和负荷逐一设定。 在每一种设定的转速和负荷下，将混合气的a f 值由d , n 大不断变化，同时测量 发动机的转矩、油耗率和排放，再根据不同的优化目的，选择一个最佳的a f 值 记录下来，从而得到脉谱图上的一个点。对所有的转速和负荷重复以上试验， 确定足够多的点，最后形成脉谱图。可见，要得到一张精确的脉谱图，工作量 是相当大的。 由于发动机的转速和负荷是发动机运行工况的特征量，也由于它们对各种 控制量，如空燃比、点火提前角的影响最大，所以几乎所有的脉谱图都以转速 和负荷作为变量，其中转速单位以r m i n 表示，而负荷通常用进气管压力( 如系 统配置m a p 传感器) 或节气门位置( 如系统不配置m a p 传感器) 表示。为了提高精 度，可以将转速和进气管压力分得较精细，如转速间隔为4 0 0 r m i n ，m a p 间隔为 l o k p a 。但是，间隔划分越小，试验工作量就越大，往往需要高额的费用与大量 的时间。无论如何划分转速和负荷的间隔，二维数表总是有限的离散量，而实 际运行时的转速和负荷都可以是任何数值。所以，微机在实际确定基本量时往 往要采用二维插值的方法，通常可以利用相邻点的值进行二维线性插值。 电控程序中，几乎每一种待控制参数，都需要有相应的脉谱图。这样的脉 谱图相应地称为a f 脉谱、点火提前角脉谱、点火闭合角脉谱、暖机加浓因子脉 谱、功率加浓因子脉谱等。对于某一种脉谱，f f j j 委h a f 脉谱，又可迸步按工况 划分成若干种，即不同的工况采用不同的a f 脉谱。这些工况如起动工况、暖机 工况、怠速工况、部分节气门工况、全节气门工况、急加速工况、急减速工况 等等。由此可见，电控程序中可含有大量的脉谱，每一个脉谱又含有大量的数 据，这些数据在微机中占据了相当部分的r o m 内存。 2 2 4 空燃比开环控制的校正量 电源电压影响喷油器线圈产生的电磁提升力。当电源电压较低时、喷油器 针阀延迟时间和开启反应时间均增加，从而使有效喷油时间缩短。另外，低电 压还会使燃油泵转速降低。当燃油输出压力低于压力调节器可调节的工作范围 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制策略的研究 时，燃油轨内的压力降低，进一步喊少了喷油量。由于汽车上的电源电压一直 在变动，当起动机接通时蓄电池电压可降至1 1 v ，高速运转时发电机电压又可高 达1 4 v 、为了获得稳定的空燃比控制，对电源电压的校正是十分重要的。电源电 压的校正通常采用加上一段脉宽进行补偿的方式。所补偿脉宽的长短与喷油器 特性及其驱动器类型有关。 冷却水温度反映了发动机的工作温度，这一温度将影响混合气的汽化程度 以及燃烧的速度。为了保证燃烧所需要的有效空燃比，需要根据冷却水温度调 整混合气的空燃比，即根据冷却水温度校正喷油脉宽。这种校正常采用将基本 脉宽乘上一个校正因子的方式，而这一校正因子则随冷却水温度降低而加大。 进气管内空气温度t 既影响到进气的密度同时又影响混合气的燃烧，因而必 须对喷油脉宽作相应的校正，通常也是采用乘一个校正因子的方式。 发动机在高负荷、高转速下进行功率加浓校正。当发动机处于部分负荷下 运行( 节气门为部分开启) 时，空燃比的控制原则是在保证一定的排放标准的前 提下，尽量降低燃油消耗。因此，对于开环控制方式，部分负荷时常以经济混 合气为控制目标：对于闭环控制方式，为满足三效催化转换器转化效率的需要则 以化学计量比为控制目标。然而，当发动机处于全负荷工况( 节气门开度大于 8 0 一8 5 ) 时，空燃比的控制目标转向功率混合气，以求获得最大转矩。此时， 对混合气的加浓程度主要与节气门位置传感器的信号有关。在节气门全开时， 空然比控制在1 2 5 左右。从部分节气门开度到全开之间，则采用较平滑的过渡。 采用功率加浓校正后，排放会变差。尽管由于全负荷工况占整个运行工况的时 间份额不大，但对于某些排放法规来说，还是会使每次试验的排放增加。 对采用速度一密度法计量循环充气量的系统，如何确定充气效率，是对空 燃比控制精度影响最大的因素。一般的处理是将刀的关系事先输入e c u 内存，用 以计算给定工况下的进气量：也有的系统是采用刁脉谱直接对喷油脉宽进行校 正。这种系统在计算基本脉宽时假定刁为1 0 0 ，计算出基本脉宽后再根据刀脉 谱查出充气效率校正因子，以相乘的方式对脉宽进行校正。 2 2 5 瞬态工况空燃比控制 加速工况、减速工况均属于瞬态工况。在瞬态工况中，燃油喷射的控制与 稳态工况下的控制有所不同，主要是进行加速加浓和减速减稀的校正。 加速加浓因子与发动机温度和加速时的迸气管压力有关。为决定加速加浓 因子，一种方法是采用与冷却水温有关的时间函数。当冷却水温高时，加浓因 子的初值较低，并随时间呈线性减少：另一种方法是采用不同的校正因子分别对 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制策略的研究 负荷变化量和冷却水温进行校正，即使加速加浓因子局荫 只f = 尻 ( 2 4 ) 式中，屁，为满足负荷变化量的校正因子。负荷变化量常用进气管压力变化 表示，也可记为充气量的变化( q n ) 。x ( q n ) 越大，意味着进气管压力变化 率越大，忍，将增大。是依赖于冷却水温的校正因子，在负荷变化量相同的 加速工况下，冷却水温越低，户赫越大。 减速时的校正因子也可用与加速加浓因子相类似的方法决定，即采用与冷 却水温有关的时间函数，或者采用不同的校正因子分别对负荷变化量和冷却水 温进行校正。当采用时间函数时，随时间发展，校正因子由小于1 的初始值变化 到1 ，且初始值随e c t 而变，e c t 越高，初始值越小。当采用不同的校正因子时 = ( 2 5 ) 式中，局沩满足负荷变化量的校正因子：嘲依赖冷却水温的校正因子。 2 2 6 空燃比的闭环控制【2 2 】 图2 - 3 空燃比闭环控制示意图 1 一空气流量计或压力传感器 4 一喷油器5 一氧传感器 2 一转速传感器3 一发动机 6 一三效催化转换器 7 - e c u 对空燃比的闭环控制，是利用安装在排气管中的氧传感器检测排气中的氧 含量，将这一信号反馈至e c u ，完成闭环控制，如图2 - 3 所示。在这里、空燃比 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制策略的研究 闭环控制、排气氧传感器和三效催化转换器三者是紧密联系的，缺一不可。 车用发动机一般使用开关型氧传感器( e g o ) ，e g o 信号会在入= l 处产生阶跃。 e c u 就是根据这一信号实现对空燃比的闭环控制，并逐渐将空燃比调整到化学计 量比。 由于反应的滞后，e g o 电平阶跃的时刻所感受到的空燃比其实是e c u 在若干 毫秒之前输出的空燃比。正是由于这种滞后存在，影响着空燃比的控制精度。 一般情况下，产品发动机的空燃 l a f 可控制在1 4 7 士l ，a f 平均值可控制在 1 4 7 d ：o 0 5 。 2 3 控制理论在空燃比控制中应用的研究现状及趋势 2 。3 。1 概述 根据前述对产品发动机的空燃比控制方法的分析可以看出，产品发动机的 空燃比控制在稳态和瞬态工况都存在着一定的局限。 稳态工况时，由于氧传感器只能定性地测量发动机空燃比相对于当量空燃 比的浓稀，而不能测量混合气浓稀程度，因此喷油控制系统在增加或减少喷油 量时，其增减速率不能随着实际空燃比的浓稀程度来调整，因而会增加系统的 调节时间：由于氧传感器的测量基准是当量空燃比，因此该方法只能以当量空燃 比为目标进行反馈，对于大负荷、暖机等需要较浓混合气的工况，只能进行开 环控制。 瞬态工况时，由于空燃比的滞后，一般都采用开环控制，并根据节气门位 置和进气管内气体压力的变化情况通过校正因子增加喷油或减少喷油，校正因 子通过查表得到，该表由试验进行标定。采用这种方法，空燃比的控制精度完 全依赖于标定试验的精度，因此存在以下不足之处：需要进行大量的标定试验， 增加了产品的开发成本和开发周期：发动机的制造公差对空燃比的控制精度有 很大的影响：发动机的使用和保养情况对空燃比的控制精度有很大的影响：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。 产品发动机的空燃比控制在稳态和瞬态工况的这些局限性，已经越来越不 能满足日益严格的排放法规对空燃比控制精度的要求。随着排放法规的日益严 格、现代控制理论的不断完善及微电子技术的快速发展，如何再提高空燃比控 制的精度是现在发动机控制中最热门的研究项目之一。 从早期的经典控制项目到目前的智能控制，控制理论在汽车电控中得到广泛 的应用。主要有p i d 控制、最优控制、自适应控制、滑模控制、模糊控制、神 第二章准均质稀燃发动机空燃比控制策略的研究 经网络控制以及预测控制等。现代控制理论的发展使得电控系统适应复杂的多 变量系统、时变系统和非线性系统，甚至对于数学模型不甚精确的系统也能实 施精确有效的控制【2 3 1 。而这正是发动机电控得以实现的前提。 控制理论的发展大致分为4 个阶段，如表2 - 2 所示。 表2 - 2 控制理论发展阶段表 时间理论实际应用背景 5 0 年代一6 0 年代 单变量控制理论( 经典控制理论)单机自动化 6 0 年代7 0 年代多变量控制理论( 现代控制理论)机组自动化 控制管理综合自 7 0 年代8 0 年代大系统理论 动化 8 0 年代一9 0 年代 智能