（车辆工程专业论文）基于模型的发动机管理系统的实时过程分析.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o j r r j i ii i j i i j 5 9 4 保密- k 2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e a p p l i c a t i o no ft h er e a l t i m e - o v e r a l l p r o c e s s a n a l y s e o nar a p i d - - p r o t o t y p i n g - s y s t e mf o rm o d e l l b a s e d g a i n i n go fe n g i n ep a r a m e t e r s s c h o o l d e p a r t m e n t ：c h i n e s e g e r m a nc o l l e g e d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：a u t o m o b i l e e n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：y u n y uh u s u p e r v i s o r ：p r o f z h u o p i n gl i p r o f h e l m u tp u c h e r s e p t e m b e r ，2 0 0 7 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，撰写成博士硕士学位论文“基于模型的发动机管理系 统的实时过程分析”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：吲彳谚孑 嘲年罗月厢 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 摘要 本文主要研究内容为一种新型的区别于传统的发动机管理系统的开发，即 基于模型的发动机管理系统。它的开发顺应了新的燃烧技术( 如均质充量压缩 燃烧技术) 的需求，能够弥补传统发动机管理系统的不足，不需要种类繁多的 传感器，具有系统结构简单，准确性高等优点。它的理论基础源自近些年对基 于缸压的发动机管理系统的研究，即通过获取缸压信号，对其进行分析，可以 获取多种发动机的状态参数，可用于发动机的管理控制。在此基础上，以及利 用柏林工业大学内燃机系与德国i a v 公司共同开发的t h e m o s 软件工具，我 们搭建了用于发动机过程信号实时分析计算的仿真模型，并借助快速原型系统 d s p a c e 以及一款轿车柴油机搭建了试验台架。通过在此台架上进行静念与动 态试验，并将结果与高精度一维的g t p o w e r 发动机模型的仿真结果进行对 比，我们可以从分析结果中看到，该系统准确性较高，能够获取多种重要的状 态参数，这对于实现发动机的控制至关重要。随着压力传感器、快速原型系统 等硬件设备的发展，可以预见该发动机管理系统将大有可为。 关键词：基于模型，基于缸压，压力指示，发动机管理系统，过程分析 摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ed e v e l o p m e n to fan e we n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m ，n a m e d m o d e l - b a s e de n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m t h i ss y s t e mm e e t st h en e e d so fn e we n g i n e c o m b u s t i o nt e c h n i q u e s ，s u c ha sh c c i t h i ss y s t e mh a sa d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a l e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m f o re x a m p l e ，i tn e e d s1 e s ss e n s o r sb u tc a l lb em o r e a c c u r a t e t h ed e v e l o p m e n to ft h i s s y s t e mi sb a s e do nt h et h e o r i e so fc y l i n d e r - p r e s s u r e 。b a s e de n g i n em a n a g e m e n ts y s t e md e v d o p e di nr e c e n ty e a r s f i r s t l y , as i m u l a t i o nm o d e lo fe n g i n ew a sb u i l tf o ro v e r m lp r o c e s sa n a l y s ew i t ht h e s o f t w a r et o o lt h e m o s ，w h i c hi sd e v e l o p e db yi a vg m b ha n di n n e rc o m b u s t i o n e n g i n ei n s t i t u t eo ft ub e r l i n t h e nat e s tp l a t f o r mw a sb u i l tu p ，w h i c hc o n s i s t so ft h e r a p i d 。p r o t o t y p i n g s y s t e md s p a c ea n dac a rd i e s e le n g i n e t h i r d l y , s t a t i ca n d d y n a m i ct e s t sw e r ec a r r i e do u tt ot e s tt h es y s t e m t h er e s u l t sw e r ea l s oc o m p a r e dt o t h a to fao n e d i m e n s i o n a lg t p o w e rs i m u l a t i o nm o d e l a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s e i t c a nb es e e n ，t h a tt h i ss y s t e mi so f h i g ha c c u r a c ya n dal o to fi m p o r t a n tp a r a m e t e r sc a n b eo b t m n e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r es u c ha ss e n s o r sa n dr a p i d p r o t o t y p i n g - s y s t e m ， t h em o d e l b a s e d e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e mw i l lh a v eaw i d ea p p l i c a t i o na n d b r i l l i a n tf u t u r e k e yw o r d ： m o d e l b a s e d ，c y l i n d e r - p r e s s u r e b a s e d ，p r e s s u r ei n d i c a t i o n ，p r o c e s s a n a l y s e i i 1 1 研究背景1 1 2 基于模型的发动机管理系统研究重点的技术现状1 1 3 背景知识：均值充量压缩燃烧( h c c i ) 发动机及其现状4 1 3 1h c c i 概念4 1 3 2h c c i 燃烧的影响冈素4 1 4 本研究的内容及意义7 第2 章基于缸压的发动机管理及压力指示基础l o 2 1 基于缸压的发动机管理1 0 2 2 压力指示基础1 5 2 2 1 指示设备1 5 2 2 2 测量装置的空间布置1 8 2 2 3 指示测量的评价1 9 第3 章发动机台架试验系统2 1 3 1 试验台架及快速原型系统2 1 3 i i 压力传感器2 l 3 i 2 快速原型系统( r a p i d p r o t o t y p i n g s y s t e m ) 2 6 3 1 3 被测发动机2 7 3 1 4 试验台架2 8 3 2 硬件连接2 8 第4 章发动机实时分析模型3 1 4 1t h e m o s 。简介3 1 4 2 发动机过程计算3 3 4 2 1 气缸热力学分析3 3 4 2 2 - l 质热力学参数3 5 4 2 3 气缸内热传递3 7 4 2 4 换气过程3 8 i i i 4 0 4 1 4 3 2 数据输入模块4 2 4 3 3 进气模块4 3 4 3 4 气缸模块4 4 4 3 5 排气模块4 6 4 3 6 废气再循环模块4 6 4 3 7 数据输出模块4 7 第5 章基于实时分析模型的试验结果与g t - p o w e r 发动机模型计算 结果的分析比较4 8 5 1 静态工况分析5 0 5 2 动态工况比较5 7 5 3e g r 模块验证6 0 第6 章总结与展望6 6 6 1 全文总结6 6 6 2 工作展望6 6 致谢6 7 参考文献6 8 个人简历7 1 i v 符号说明 符号说明 缩写字母 e g r d v a g p a h c c i 废气再循环 压力过程分析( 德语： 全过程分析 均质充量压缩燃烧 i g n i t i o n ) 脉冲宽度调节 曲轴转角 上止点 下止点 单位 m 2 k j k g k k j k g k k j k g k j k g 0 m g k j k m o l m i n - 1 k m o l b a r b a r j j j k g k k j k j k g j d r u c k v c r l a u f a n a l y s e ) ( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o n 含义 截面积 等压比热容 等容比热容 焓 燃料热值 曲轴位置 空气质量 化学计量空燃然比 燃料质量 元素的相对分子质量 发动机转速 元素的量 奴塞尔常数 压力 平均指示压力 油门踏板量 燃烧放热量 气缸壁传热量 气体常数 雷诺数 温度 内能 比内能 功 v 删队眦眦 特么勺。巩以l啪尬聆m m p肼一妨甄尺贴丁u撕矿 效率 过量空气系数 密度 曲轴角速度 充量系数 v i n 暑 吲 第1 章引言 1 1 研究背景 随着环保政策、能源政策限制力度的加大，对汽车发动机的能耗与排放的 要求越来越严格，为了满足这些要求，出现了越来越多的新型发动机技术( 如 现代燃烧技术、新型燃油喷射技术等) 应用，以及随着大量电子控制技术的技 术的应用，使得发动机管理系统日趋复杂，也对其提出了更多的要求。因此， 开发新型汽车发动机管理系统产品是未来汽车领域的一个必然选择。 1 2 基于模型的发动机管理系统研究重点的技术现状 基于模型的发动机管理系统的基础是一个以缸压信号为基础的发动机管理 系统。由于传感技术和电子技术的发展，在过去的十几年中出现越来越多各种 类型的基于缸压的发动机管理技术或概念【i j 。在此领域的研究方向主要集中在 开发低成本传感器、对缸压信号的实时分析以及新型的控制策略。 但是面对出现的大量基于缸压的发动机管理系统的文献，目前的汽车制造 商们面对此领域的文献仍采取保守态度。原因在于，在内燃机控制中集成指示 测量技术，是一个相对较新的研究领域。 以下分不同的研究重点介绍该领域的技术现状。 采集信号技术的发展 信号采集技术是基于缸压的发动机管理系统的前提条件。在过去的十几年 中，传感器技术有了很大的发展。为了评价燃烧过程，并对其进行控制，在燃 烧室中有多种信号可以采集。m o s e r 【2 】和t r u s c o t t 【3 】讨论了对不同燃烧室信号一 一缸压、火焰辐射和离子流的控制。一些文章中【4 6 】讨论了利用离子流分析的 应用。国内张玉银等【7 】介绍了光纤测量技术在研究汽油机燃烧过程方面的应 用。m o s e r t 2 】说明了，由于气缸压力通过热力学关系及测量位置与其它过程有量 或者质的关系，所以最适合用于( 汽油) 发动机的控制，但是准确地测量和评 价气缸压力也是比较困难的。 p e s t a n a 1 0 】介绍了在一汽油机中使用廉价的压电传感器。对于缸压传感 器，建议测量步长为2 到3 度测一次，并需要对信号进行数值处理。g a s s e n f e i t 【1 1 】中研究了在2 种不同测量步长下，工作过程、缸压信号精度及所需计算时问 章引言 传感器的详细数据及其设计。并将此传感 器和k i s t l e r 公司的6 0 0 1 型传感器信号作了比较。s u g i t a n i 1 3 】和t a k e u c h i0 4 l y r 绍了一于1 9 9 2 年就量产的缸压传感器，其基本元件为一压阻式敏感元件，此外 还有一产生直流电、进行电路放大、温度补偿的集成电子元件，测量的步长比 较宽。k u e s e l l 掣挎1 7 】介绍了一种压阻式缸压传感器，适合汽油机的批量使用。 其测量步长为l 度曲轴转角，测量精度为1 2 b i t 。w a t a n a b e 1 8 】介绍了将压阻 元件集成于火花塞密封件中作为传感器。其使用1 0 位的信号处理器。 w l o d a r c z y k 等【1 蛇1 1 中介绍了一种廉价、耐用的缸压传感器，与p e s t a n a 1 0 】、 k u e s e l l 等【1 5 1 7 1 以及w a t a n a b e 1 8 】介绍的传感器不同，这是一种可视压力传感 器，j o h n s o n 2 3 1 介绍的柴油机也使用此类传感器，该文的一部分内容阐述了其 工作原理。s e l l n a u 2 6 】介绍了一种适合量产的廉价的传感器，它通过压阻元件在 气缸外部获取缸压信号，信号精度1 0 b i t 。 k o e n i g 2 4 】介绍了一种基于d s p ( 数据处理器) 的实时指示系统，它集成 于发动机控制器中，可对高精度的燃烧室测量信号进行控制( 1 2 缸1 0 0 0 0 m i n 1 ) 。信号精度1 4 b i t 。硬件和软件可以同时处理不同的输入信号和不同的曲轴 转角信号。 t r u s c o t t 【3 】和m u e l l e r 等【2 5 】介绍了欧盟a e n e a s 项目支持下开发的基于缸 压的发动机管理系统。文章介绍了适合量产的压阻型缸压传感器和一种用于实 时数据处理的快速原型系统。获取的缸压信号是与曲轴转角同步的，精度 1 2 b i t 。 国内北京工业大学在气缸压力信号采集系统方面做了较多研究2 7 乏9 1 。其中 中使用的压力传感器均为火花塞式压电传感器。 缸压信号分析： 缸压信号与燃烧状态的关系是许多研究的共同基础。以下是对一些研究的 分类： 由缸压信号确定的信号( 比如压力峰值及此时曲轴位置) 来分析燃烧状态 【4 ，1 0 ，2 7 ，2 8 】；由压差确定的参数( 缸压倒拖工况压力) 来分析燃烧状裂1 5 ，1 6 ，1 7 ， 2 9 】；由压力商确定的参数( 缸压倒拖工况压力) 来分析燃烧状态 2 3 , 2 6 】。 基于缸压的发动机管理系统的控制策略 2 关于基于缸压的发动机管理系统，之前已经有一些理论上的研究，尤其是 最近5 、6 年出现的论文比较多。但目前大部分文献都是对汽油机的控制。因此 也已经有对发动机点火角控制、l a m b d a 控制、敲缸和失火诊断方面的应用。 其控制策略大致分为以下几种： 确定压力峰值l o c a t i o no f p e a kp r e s s u r e ( l p p ) 法，比较容易实现，也不需 要对传感器进行标定。对浓混合气，l p p 控制可以提供有效的点火时间控制。 但是对于稀混合气、怠速状态、高e g r 率的情况不是非常有效，也不能用于对 e g r 、空燃比或其他控制变量的控n t 3 2 】。 平均有效指示压力可以从压力曲线估计出来。丰田生产的发动机控制系统 在发动机第一个气缸内安装了一个压力传感器，每个做功行程采样四次，用于 估计平均有效指示压力。此方法对控制扭矩波动【3 3 - 3 5 】以及监测失火比较有效， 但对于其他变量的控制作用有限。 有一种经验算法“相位算法”，通过识别压力波形曲线形状，来估计空燃 比 3 6 - 3 8 】。这种方法不需要对传感器进行标定，可以获得一系列空燃比与其他变 量之l 日j 的关系，但是，对于点火时刻等其他一些变量的控制不适用。 还有一种叫压差法1 3 9 - 4 1 】，由r o b e r tb o s c h 公司开发。压差是指实际测量 得到的燃烧压力和计算得到的压力，对压力差值在上止点和上止点后1 8 0 度之 间的积分值可用于失火监测、点火时刻控制、稀燃极限监测。这种方法要求传 感器标定。 柏林工业大学的内燃机研究所，也已经在这方面进行了较多的研究。 j e s c h k e 的博士论文【lj 为在快速原型平台上用基于缸压的发动机管理模型对柴油 机的燃烧过程进行了控制，并在台架及整车上做了试验。他采用的快速原型平 台为e t a s 公司生产的a s c e t s d 系统。其增压压力及进气量的控制还是采用 常规控制方法。l a r i n k 的博士论文【8 】在此基础上进行了增压控制和废气再循环 控制。他采用的快速原型平台为也为a s c e t s d 系统。目前着重于开发基于缸 压的发动机管理系统的软件。 国内，对于气缸压力的识别算法的文献相对较多，以及基于气缸压力进行 故障诊断。基于缸压的发动机控制管理方面也属于较新的领域。 在该领域，开发低成本的传感器、缸压信号实时评价以及控制策略方面仍 有巨大的发展空间。 3 第1 章引言 1 3 背景知识：均值充量压缩燃烧( h ( 3 c i ) 发动机及其现状 1 3 1h c c i 概念 均值充量压缩燃烧( h c c i ) 方式区别于传统的发动机燃烧方式，它最早 是由o n i s h i 等( 1 9 7 0 ) 提出的，并在一二冲程的发动机上实现。它能有效降 低传统内燃机的燃油消耗和排放问题，特别是能同时降低柴油机n o x 和颗粒 物( p m ) 的排放，并进一步增加热效率，因而被认为是发动机燃烧技术的一 个重大进步。 h c c i 是均匀的可燃混合气在气缸内被压缩直至自行着火燃烧的方式。随 着压缩过程的进行，气缸内的温度和压力不断升高，已混合均匀或基本混合 均匀的可燃混合气多点同时达到自燃条件，使燃烧在多点同时发生，而且没 有明显的火焰前锋，燃烧反应迅速，燃烧温度低且分布较均匀，因而，只生 成极少的n o x 和微粒( p m ) ，在低负荷时具有很高的热效率。 h c c i 燃烧取决于不用火花塞点火或喷油器喷油时燃料被压缩后自燃着火 的能力，且它主要受到燃料和空气燃烧化学反应动力学的控制，混合气的成 分、缸内温度和压力的变化历程等对h c c i 燃烧都有重要影响，所以根据运转 工况的需要来调节这些参数可以获得预期的h c c i 燃烧过程【4 2 1 。 1 3 2h c c i 燃烧的影响因素 ( 一) 温度的影响 h c c i 燃烧的着火时刻对进气温度十分敏感，随着进气温度的提高，将出 现着火提前的现象，因此，控制缸内温度将是控制h c c i 燃烧着火时刻的一个 关键因素。一般通过调节进气温度控制h c c i 燃烧以及着火始点。 在进气管加装进气加热装置、引入废气再循环( e g r ) 可以提高进气温 度，n a j t 和f o s t e r 及后来的t h r i n g 对四冲程柴油机做的h c c i 研究就是通过废 气再循环后的电加热装置实现对混合气加热的。试验研究了空气流速和进气 温度对发动机的影响，随着进气温度或空气流速的增加，燃烧效率增加，h c 和c o 排放降低；在低温、低流速区，各缸压力相对变化较小，在某一特定的 温度条件下，各缸的着火时刻相差很大，温度很低时，甚至出现一缸着火而 另一缸熄火现象；考虑到怠速工况的h c 和c o 排放，可以采用低流速和高进 气温度的措施来提高燃烧效率；对于大负荷工况，平均有效压力随进气温度 4 降低而增加，而为了提高效率增大功率输出，必须对各缸进行反馈控制以优 化各缸燃烧相位；在进气歧管喷水可降低混合气的温度，从而降低压缩冲程 缸内的温度，推迟着火时刻，并且能够降低燃烧速度和峰值压力，增大h c c i 在大负荷时的运转工况范围；进气加热装置所需的电压较高，并且装置本身 体积很大，只适合于在试验室进行基础研究；喷水会导致h c 和c o 排放的增 加，对n o x 的控制作用却很小，阻碍了这种方法的应用。 ( 二) 负荷的影响 1 低负荷工况 h c c i 柴油机运行在低负荷工况时，循环供油量小，混合气浓度稀，而反 应物浓度是影响燃烧反应的一个重要因素，加之此时缸内温度较低，使h c c i 燃烧的着火时刻显著推迟，甚至出现失火现象。在出现失火循环后，后继循 环爆发压力往往突然升高，这是由于失火循环残余的部分燃油在缸内，导致 下一循环油量增加，引起爆发压力突升。 2 高负荷工况 h c c i 柴油机运行在高负荷时，循环供油量大，此时缸内温度高，混合气 浓度大，使燃烧反应的速度加快，从而容易引起着火过于提前的现象。过快 的燃烧速度将造成压力升高率迅速增大，并出现燃烧压力振荡现象。燃烧粗 暴时，相关的噪声、振动和冲击负荷增大，容易造成发动机零部件损坏，同 时n o x 的排放也急剧升高，限制了h c c i 燃烧的负荷扩展。 ( 三) e g r 的影响 废气再循环( e g r ) 能提高进气温度，改变混合气的着火特性，从而影 响着火时刻。引入废气再循环的目的还在于它稀释了混合气的浓度，能有效 减缓燃烧速度，降低燃烧噪声，为大负荷区h c c i 燃烧控制提供了一种有效手 段。同时，废气再循环能够回收一部分废气的能量。当e g r 率小于3 0 时， 氧浓度的下降并不足以影响燃烧，此时废气再循环对控制着火始点的作用很 小。c h r i s t e n s e n 等的研究结果表明，废气再循环推迟了着火时刻，提高了指示 效率，降低了未燃h c 的排放量，同时，排气温度增加，可以利用氧化催化装 置来氧化未燃h c 。与汽油机h c c i 燃烧相比，柴油机h c c i 燃烧更容易实 现，在传统柴油机上，因其压缩比较高，将空燃比和e g r 率控制在一定的范 围内，接近室温即可成功实现柴油机的h c c i 燃烧。柴油机h c c i 运转工况范 围受敲缸、失火及较低的平均有效压力值的限制，但比汽油机h c c i 燃烧达到 5 第1 章引言 敲缸时的空燃比大。低温反应的自燃时刻受e g r 率的控制，而主放热阶段的 开始时刻则受空燃比影响较大。 ( 四) 气门正时的影响 改变配气j 下时可以改变缸内残余废气量和缸内温度，增大气门负重叠期 ( 提前关闭排气阀，延迟开启进气阀) ，使缸内残余废气量增大，残余废气 再压缩的温度增加。残余废气的高温有利于燃料的蒸发，形成均质混合气， 同时较高的缸内温度又会使h c c i 燃烧的着火时刻提前，从而容易造成大功率 状态下工作粗暴，并引起最大输出功率下降。 内部e g r ( 可变气门j 下时) 的温度效应大于其对混合气的稀释，对于柴 油机这种容易发生低温自燃的燃料，负气门重叠期增大易造成大负荷着火过 于提前，限制了最大输出功率。 在小负荷工况范围内，较大的负气门重叠期有利于h c c i 燃烧的稳定 性；在大负荷工况范围内，较大的负气门重叠期不利于h c c i 燃烧的稳定性。 ( 五) 压缩比的影响 压缩比是另一个影响燃烧相位较大的因素，改变压缩比可以改变混合气 的密度和压力，从而对其自燃温度产生影响。改变压缩比的主要方法是调整 燃烧室容积、工作容积和改变配气相位。在利用可变压缩比控制h c c i 方面， l u n d 技术学院试验结果表明，压缩比对燃烧效率的影响很大，压缩比增加则 热效率增加，而燃烧效率减小，导致热效率增加量的减少，研究还发现，高 压缩比可替代进气预热。当压缩比高达1 7 ：l 时，绝对有效效率上升，n o x 排放下降，但是因为反应时间缩短，c o 排放增加。该试验h c c i 的可实现转 速范围分别为1 0 0 0 - - - 5 0 0 0 r m i n ，负荷范围处于怠速和0 4 4 m p a 平均有效压力 之间。随着压缩比提高，稳定h c c i 燃烧所需的热e g r 率降低，因此用冷 e g r 配合高压缩比可以控制燃烧速度，从而扩大h c c i 运转工况范围。 随着发动机控制技术的不断发展，人们想出了许多燃烧控制方法，常用 的有废气再循环( e g r ) 、可变压缩比( v c r ) 可变气门定时和双燃料等。 使用这些控制方法，在h c c i 燃烧的控制方面已经取得了显著的进展。h c c i 发动机的应用模式目前看来主要有两种：一种是与点火式发动机混合使用， 低负荷及低转速时h c c i 发动机运行，高负荷时运行点火式发动机；另一种是 与电机混合使用，这种情况下，h c c i 发动机始终在最优的状态下运行，在高 负荷状态下与电机共同运行。 6 e m s ) 通过电子控制 等进行优化控制，使 发动机工作在最佳工况，达到提高性能、安全、节能、降低废气排放的目的。 2 0 年前，发动机管理系统只需从6 个传感器中收集信号，就足以给燃油喷 射器、点火系统或分电器发出的触发脉冲信号。而今天的发动机管理系统可能 要从2 0 多个传感器中收集信号，除控制供油和点火以外，还需要进行怠速控 制、尾气排放控制、进气控制、增压控制、失效保护、后备系统控制和诊断系 统等。其主要的传感器包括主要包括空气流量传感器、空气温度传感器、节气 门位置传感器、冷却液温度传感器、转速传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位 置传感器、爆燃传感器、车速传感器、氧传感器等。信号采集和传输量大大增 加，运行速度和精确度的重要性与同俱增。因此，现在的发动机管理系统很多 都采用了1 6 位处理器，而有些系统，则采用了2 4 位甚至3 2 位处理器。发动机 控制单元依据预先调好的各变量关系图进行情况处理，可以说，常规的发动机 管理模型足基于参数的，如图1 1 所示。 此外，各种部件的控制相对独立，各种被控参数之问的影响考虑不足，而 且这些参数一旦确定就无法更改，这样就无法调整因制造误差产生的各个发动 机的不同情况。但是如果我们使用一个的模拟发动机过程本质的用数学公式描 述的模型，如图1 2 所示，通过较少的测量参数( 缸压、进气压力、排气压 力) ，计算获得较多的“虚拟状态参数”，这些“虚拟状态参数”在系统中重 新作为闭环控制和诊断算法的输入参数，这样，就可以减少安装在发动机上的 传感器数量，降低成本，此外，不需要在e c u 中存储大量的数据就可以获得更 加精确更加快速的反应。 7 铡麓藏 蘩t l i 池啦匿 荔之动机箍发 疆t 疆度 受气曩 麓t i j 转燕 艇传端嚣 蟮耱传谚嚣 耨缘博绱器 鞠蝴p 置 l 、轮触憧疆 豁濂珐峨他 翟 叫鼎缝卜一 i 特竹燕缝 ： 1 卜 一一一一一一 ，0 啼 l ! 7 卜一 l l ，7 卜一 一步7 ： 叫! ：一 ： i 季奄剜器 疃油麓 点火媲蹶 想袖袋踺电器 点缝壤勰 破遣i 檄嚣 盛薅执 r 嚣 舨彝蠹始d f r 髑 f 5 齄雅挎毵 图1 1 传统发动机管理系统e c u 控制方式 驻攒掰缓参数 l l i 一，男秀h 嗲 l + r 蔫，l l 卜 l，溺 ri 二。瑟滋p 猁 参l删 瞩 _ 卜一 ? ，困 “譬矧 ：。磁坤 鬻一 墨4互镭 确 l r 鐾7 瓤。j 霞翻 k 镕叠 l 力 l _ 警谚黝 _ i - 礴 力 擘m杪塑缪望 l 撩 i _ 疆鍪 i 石 垮h i e j 图1 2 基于模型的发动机管理系统e c u 控制方式 电嚣 8 的法规推动了现代燃烧技 约能源和降低排放方面的 的一些研究机构和企业都 在大力开展这一领域的研究工作，并成为目前发动机领域的一个研发热点。 h c c i 均质充气压缩点火发动机的基本问题是其燃烧过程主要受燃烧化学动力 学控制且其运行范围较窄，其着火起始点不再受点火时刻或者说喷油时刻的影 响，而是受气缸充量条件的影响，不能通过常规的负荷、转速等反馈信号来加以 控制，而以气缸压力信号为基础的基于模型的发动机管理系统就能较好的解决 这些问题。 本文所做的工作，为柏林工业大学内燃机系( f a c h g e b i e t v e r b r e n n u n g s k r a f t m a s c h i n e n ) 开发新型基于缸压的发动机管理系统项目的一部 分，也是发动机气缸热力学过程分析( t h e m o s - d v a ) 软件开发项目的一部 份，主要内容是以现有的热力学分析软件t h e m o s 圆为基础，建立用于实时分 析的发动机模型并建立相应的硬件系统，通过实验验证该系统的实用性、可靠 性及优越性。此外本研究所做的工作还包括操作界面的设计。本研究为将来基 于模型的发动机管理系统的开发提供了一个良好的基础。 9 第2 章基于缸压的发动机管理及压力指示基础 第2 章基于缸压的发动机管理及压力指示基础 2 1 基于缸压的发动机管理 气缸压力是燃烧过程的一个重要参数，从它可以直接或间接地获取许多燃 烧过程的相关参数，通过获得这些参数可以对发动机实施比较优化的控制，比 如点火时刻的优化控制、废气再循环率的优化控制及爆震失火诊断等等。图 2 1 说明了一个基于缸压的发动机管理系统的基本结构。 ( 影响燃烧的参数) 持续喷油时间 起始喷油时刻 三至三三 i 增e g 压r 压力气缸充量 排放 发动机转矩 噪音 ( 表明燃烧品质的参数) 图2 1 基于缸压的发动机管理系统基本结构 燃烧及充 最的控制 燃烧评价 这些用于控制和评价发动机过程的参数往往可以通过函数关系式从缸压信 号中导出，所以基于缸压的发动机控制是以函数关系为特征的。为了实现快速 的发动机管理响应，这些函数需要满足实时计算的要求，但同时计算值又要包 含足够的信息量。 图2 2 说明了一个普通四冲程发动机的一个工作循环的气缸压力过程，在 发动机管理系统中需要我们实时地获取并分析缸压信号。 1 0 曲轴转角【。c a 图2 2 四冲程发动机的一个工作循环的气缸压力过程 一个工作循环的压力过程在热力学分析中一般可以分为两个阶段：高压 ( 压缩及膨胀) 阶段和低压( 换气) 阶段。表2 1 中给出了大多数比较重要的 能从缸压信号计算得到的参数【l 】： 表2 1 可从缸压信号获取的参数 序参数符号单位应刚直接 弓来源 l 甲均指示压力 p m i h d b a r 负荷控制缸压 2 指力扭矩的最大值 m m a xn m 负荷控制缸压 3 最大指示扭矩时的曲轴位 m m a x w oc a 燃烧质量评价 缸压 置 4指示扭矩的最小值m m i n n m 安全性参数 缸压 5 最小指示扭矩时的位置 m m i n w oc a 控制参数 缸压 6 最高压力p m a x b a r 安全性参数 缸压 7 最高压力时的曲轴位置 p m a x w oc a 燃烧质量评价缸压 8 增压压力p l a d b a r 气体动力学 缸压 9 放热曲线的最高峰时的压d e l t a q b a r 燃烧质量评价缸压 差 1 0压力最高时的压差 d e l t a p b a r 燃烧质量评价 缸压 l l 排气背压p a s a b a r与气体动力学相关缸压 1 2最大压力梯度 d p m a xb a r oc a 缸压 1 3最大压力梯度时的曲轴位 d p m a x w oc a 缸压 置 1 4放热曲线最高峰时的缸压 p d q m a x b a r 燃烧质量控制缸压 第2 章基于缸压的发动机管理及压力指示基础 续表 序 参数 符号单位应用直接 号来源 1 5 燃烧前缸压p s b b a r 与气体动力学相关缸压 1 6最大燃烧压力 p d i f f m a x b a r 燃烧质量评价燃烧 压力 1 7 最大燃烧压力时的曲轴位p d i f f m a x w oc a 燃烧质量评价燃烧 置 压力 1 85 0 最高燃烧压力 p d i f f 5 0 b a r 燃烧质量评价燃烧 压力 其中燃烧压力为气缸压力与倒拖工况( 即无燃烧) 下气缸内压力之差，也 即燃烧引起的压力升高，即图2 2 中两条曲线中间的部分。该过程用来评价燃 烧过程更为直观。需要注意的是，对于增压发动机倒拖压力不可作为参考值， 需要实时地计算非燃烧引起的气缸内压力。 平均指示压力为单位气缸容积所做的指示功，它可以直接从缸压信号计算 得到： = 詈= 吉如y t ， 平均指示压力能够表明气缸内工质的放热特征。由于气缸压力可分为高压 阶段和低压阶段，所以如下可以定义高压段的两个下止点之间的平均指示压 力： 一肋= 古p d 矿 ( 2 2 ) 高压阶段的平均指示压力可直接用于发动机的控制和调节，因为发动机的 转矩正比于所有气缸的平均压力： m 。：业 ( 2 3 ) 2 z 以 其中对于四冲程发动机口= 2 。 瞬时指示扭矩可由下式确定： m f ：只( 缈) d r _ ( e ) ( 2 4 ) 以口 其中尘掣为气缸工作容积变化过程。由此我们可以确定发动机最大指示扭矩 d 驴 和最小指示扭矩以及此时它们所处的曲轴位置。 缸压峰值可以说明发动机的负荷。它可以作为全负荷工况下发动机安全运 行的监控量。我们可以在指示压力曲线上确定其大小及位置，但其测得的大小 1 2 第2 章基于缸压的发动机管理及压力指示基础 还取决于测量设备的标定和零位校准。缸压峰值p 。，是作为活塞受到的载荷和 设计参数，在柴油机上也是作为一个监控参数。以及通过最大缸压时的曲轴位 置我们可以得出发动机是否以较高的效率运行的结论。 出现压力峰值时的曲轴位置包含了燃烧时间方面的信息，如果将此变量用 于燃烧时间控制，则要注意，在低负荷情况下，活塞到达上止点时的压缩压力 会高于整个燃烧阶段的缸压，此时则应该使用燃烧过程段的压力峰值。 对于柴油机，其工作循环我们常常用热力学等容过程来近似，在压缩终了 时能达到的压力越高越好( 不出现燃烧) ，此时气缸内工质的压力和温度都 高，利于加快燃烧速度，从而提高发动机效率。所以我们评价燃烧的参数有燃 烧起始时刻的缸压p 。 p 曲= p 帆6 j ( 2 5 ) 同样，排气被压越低，发动机的效率就越高。且被压对涡轮增压器的转速 起着决定性作用，也就影响了发动机增压压力。此外，废气再循环阀两端的压 力差决定了再循环废气量。所以排气被压对发动机的控制起着重要作用。 燃烧过程中的最大压力梯度描述的是缸压变化快慢的一个指数，也就是反 映燃烧的快慢，对于发动机，燃烧过程越快，其效率也越高。此外，它也是判 断燃烧噪声的一个指标，它由缸体以固体声向外传播。这一最大梯度的产生的 一个外在表现就是柴油机的敲击。如果不采取喷油调节措施( 比如预喷油) ， 则会在燃烧过程中持续产生不可忍受的发动机噪声。 对发动机燃烧过程的热力学分析一般使用燃烧放热过程曲线。该曲线描述 了随曲轴位置变化，气缸内能量转化的过程。根据热力学定义，我们可以如下 从测得的气缸压力导出气缸内的能量变化： 图2 3 ( 左) 描述了气缸内实际气体压力变化的过程，我们可以将其分为2 个过程，即1 2 绝热压缩( 或膨胀) 过程，2 3 等容放热( 或吸热) 过程。 1 3 第2 章基于缸压的发动机管理及压力指示基础 图2 3 气体热力学状态过程 假设压缩过程为绝热过程，按照理想气体状态方程可推出压力变化与容积 的关系： p y ”= c 。胛s r jp ：= p ，( 甚 ” 假设放热过程为等容过程，则系统的放热量可按下式计算： q = c ，朋( 乃一疋) 其中q 为工质的等容比热容，朋为工质的质量。 假定气体为理想气体( m ，r 为常数) ，且圪= 匕，则有： 正= 普及正= 等 将上式代入2 7 式中可得到： 蚬= 扣卜槲 其中以一1 ：垒二旦：旦。将其转化为积分的形式就是： 蛾= 者吵d 矿+ 击影d y甩一l，l l 另外一个描述放热过程曲线为累计放热量，即上式的积分。 在以上两个过程曲线上，我们可以得到一系列描述燃烧的参数： ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 1 4 能量转换时的活 通常定义为总能 量的2 至5 转化的时间点。也成为2 点或5 点。 燃烧终止时刻( 单位：o c a ) ，燃烧终止时的活塞位置。也可以定义为 9 5 或9 8 燃烧点。确定的方法与确定起始点的方法相似。 燃烧5 0 累积放热量的曲轴转角c a 5 0 ( 单位：o c a ) ，是燃烧过程曲线 的极点。一般实际使用定义为5 0 的累积燃烧放热量。这一参数用于发动机效 率的优化( 上止点之后7 1 0 0 c a ) 或者低n o x 排放及排放高温( 上止点之后大 于l o o c a ) 。 燃烧持续时间( 单位：o c a ) ，是判断负荷、噪声的产生以及效率的一个 标准，燃烧时间越短，缸压梯度越大，说明发动机负荷越高，且产生噪声，反 之燃烧时间越长，发动机效率越低；c a s 0 时刻可以用以评价发动机效率是否 优化( 一般在在压缩上止点后7 1 0 度曲轴转角) 。 除了以上作用，通过压力过程还可以用来分析发动机爆震。 2 2 压力指示基础 由以上分析我们可以看到，压力信号在发动机的控制中起了非常重要的作 用，因此我们首先需要能够准确地测得发动机的压力信号等状念参数，因而有 了指示技术的发展。“指示”( 德语：i n d i z i e r u n g ) 原本是指快速测量曲轴 转角对应的气缸压力。现在的定义更为广泛了，不仅包括进气管、气缸、排气 管内的压力，还包括发动机点火、喷油的控制信号。 指示的最终目的在于直接获取发动机内的各种信息，予以评价。在汽车行 业，将会逐步实现车载测量的批量化生产。 2 2 1 指示设备 ( 1 ) 压力传感器 为了降低安装传感器对发动机带来的影响，最好使用微型传感器。这样 对发动机缸盖只做最小改动而可实现高标准测量。另外还有无需对气缸盖头 做任何改动就可以测量缸压的方案。 对于相对较低的被测压力可以使用压阻式传感器。压阻式传感器由外 壳、硅膜片和引线组成，其核心部分是做成杯状的硅膜片，通常叫做硅杯。 1 5 基础 中的扩散掺杂法做四个 相等的电阻，经蒸镀铝电极及连线，接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线 相连。膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和 大气相通，也有