（车辆工程专业论文）压缩天然气发动机电控系统的研制.pdf

西华大学硕士学位论文 压缩天然气发动机电控系统的研制 车辆工程专业 研究生陈飞指导教师孙仁云 由于全球石油资源日渐贫乏和大气污染日趋严重，代用燃料发动机的研究正成 为发动机领域的重要研究方向，尤其是压缩天然气作为一种清洁的代用燃料在发动 机上得到广泛的应用。天然气发动机以其良好的排放性能和经济性能具有广泛的应 用前景。本文以c n g 发动机为研究对象，以提高天然气发动机排放性能为主要目 标，开展c n g 发动机电子控制系统理论和试验研究，具有重要的现实意义。 本文在对天然气发动机的发展与现状进行深入分析的基础上，对c n g 发动机 电子控制系统进行了总体方案的设计，研制了电控多点同时燃气喷射系统、电控分 配点火系统和电控怠速控制系统，并对电控多点同时燃气喷射系统、电控分配点火 系统和电控怠速控制系统进行硬件和软件的设计，硬件方面给出了输入输出模块、 微处理器模块d s p 的设计，软件方面进行了基于嵌入式实时操作系统( d s p b i o s ) 的系统软件设计，介绍了设计过程中的几种抗干扰措施。 由于发动机的动力性、经济性和排放性能均与其瞬态空燃比密切相关，本文系 统阐述了基于开关式氧传感器的闭环控制策略，并对空燃比控制策略进行了仿真， 从理论上验证了此控制策略的可行性。 本文在单一燃料c n g 发动机上采用缸外进气阀处喷射供气、多点同时间歇喷 射技术，利用开关式氧传感器在稳定工况下实现闭环控制。可实现发动机各缸燃气 喷射量和喷射时刻控制，改善各缸混合气的一致性。完成了单燃料c n g 发动机 分配点火系统的设计，可实现发动机各缸点火提前角和点火通电时间的控制。实现 了基于转速的怠速模糊闭环控制，利用怠速空气控制阀实现了怠速的恒速控制。 本文进行了模拟试验和实机试验。利用信号发生器等装置模拟传感器产生信 号，观察高速输出口的喷气和点火特征并进行了结果分析。利用实验室提供的 y h 4 6 5 q 1 e 发动机，在其硬件基础上进行了改装，进行了怠速工况的试验，取得 西华大学硕士学位论文 了部分试验数据，并进行了结果分析，验证了此电控系统的可行性。 本文最后指出了所研制的电控单元不足之处和需要改进、完善的地方，提出了 改进方案和措施等进一步的研究展望。 关键词：c n g 发动机，a f r 控制策略，电子控制，r t o s i l 西华大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t 0 1 1c n g e n g i n ee l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e m s p e c i a l i t y ：a u t o m o b i l ee n g i n e e r i n g m a s t e rc a n d i d a t e ：c h e nf e i s u p e r v i s o r ：s u nr e n y u n t h er e s e a r c h0 1 1c l e a na l t e r n a t i v e f u e l st e n d st ob ea l li n c r e m e n t a l l yi m p o r t a n t d i s c i p l i n eo fe n g i n et e c h n i q u e sd u et ot h es h o r t a g eo f t h eg j o b a lp e t r o l e u ml e s o u r c ea n d t h es e r i o u sa i rp o n u f i o np r o b l e m s e s p e c i a l l y , t h ec o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ( c n g ) h a s b e i n gu s e de x t e n s i v e l ya sa c l e a na l t e m a f i v ef u e lo ne n g i n e t h u s ，c n ge n g i n ew i l lh a v e e x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf o ri t sh i g he f f i c i e n c ya n dl o we m i s s i o n i no r d e rt op r o m o t et h e d e v e l o p m e n to ft h en a t u r a lg a sv e h i c l et e c h n i q u e si nc h i n a , t h er e s e a r c ho nt h eb a s a l t h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n t so i lt h ee l e c t r o n i cc o n 仃o lc n ge n g i n es h o u l db ec a r r i e do u t t h ef o l l o w i n gw o r k sh a sb e e n 烈衄e di nt h ep a p e r ：d e v e l o p m e n to fc n ge n g i n ei s s u m m a r i z e d , e l e c t r o n i cc o n l r o ls y s t e mo fc n ge n g i n ei ss c h e m e d , a f l e wt y p er l a t u _ r a lg a s f u e l i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d ，a n de l e c t r o n i cc o n l r o lu n i t , ah i g h - e n e r g yg r o u p i n gi g n i t i o n s y s t e ma n di d l ec o n 仃o ls y s t e mf i l ed e s i g n e d h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ei n c l u d e di 1 1t h i s s y s t e m , i n p u tm o d u l e ，o u t p u tm o d u l e , m i c r o p r o c e s s o r ( d s p ) m o d u l e ；t h ep r o g r a mo f e m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ( d s p b o s ) w a sp r o g r a m m e do i ls o f t w a r e i nt h ep r o j e c t , t h ea i r - f u e lr a t i oc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hh a sa t g n i t yw i t hp o w e r , c o s t , e m i s s i o no fe n g i n e ，h a sb e e ns t u d i e da si m p o r t a n ta s p e c t c l o s e dl o o ps t r a t e g yb a s i n g0 1 1 s w i t c h i n go x y g e ns e n s o rh a v eb e e ne l a b o r a t e da n ds i m u l a t e d m o r e o v e r , i t sc h a r a c t e r s h a v eb e e na n a l y z e = df r o ms i m u l a t e dr e s u l t i ti so p e r a t i o n a l u s i n ga f rd o s e dl o o p c o n 拄o la n ds i m u l t a n e o u sm u l t i p l e 埘e c t i o n , a c h i e v e st h es t r i c tc o n t r o lo fn a t u r a lg a s q u a n t i t ya n d 蜘e c t i o nl i m eo fe a c hc y l i n d e r i tm a k e sh o m o g e n e o u s f u e lm i x t u r ei ne a c h c y l i n d e r c o m p l e t i n gg r o u p i n gi g n i t i o ns y s t e mc o n t r o l st h ei g n i t i o na d v a n c ea 叫ea n d t h eo p e n i n gt i m eo ft h ep 1 血哪l r yc o i la c c u r a t e l y b a s e do nf u z z yc o n u o l ，t h ei d l es p e e di s c o n t r o l l e di ns m a l lr a n g eb yt h ei s c v i i 西华大学硕士学位论文 t h r o u g ht h es i g n a l sg e n e r a t o r , as i m u l a t i v et e s ti sc o m p l e t e d b ya n a l y z i n g t h er e s u l t d a m r n , t h es i g n a l so f t h ei n j e e t i o na n dt h ei g n i t i o na r ea c c u r a t e t h ea f r i sc o n t r o l l e di n t h el l e a ro f16 8 t h r o u g ht e s ti nt h ec n ge n g i n e ( y h 4 6 5 q - 1 e ) ，s o m ed a t u mo f t h ei d l e s p e e da r es a m p e d , a n dp r o o f t h ec o r r e c to f t h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m a tl a s t , t h es h o r t a g e so f t h i se l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ma lep r o v i d e da n di m p r o v e m e n t s c h e m ea n dm e a s u r ee t ca r eg i v e ni nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：c n ge n g i n e ，a f rc o n t r o ls t r a t e g y , e l e c t r o n i cc o n t r o l ，r t o s i v 西华大学硕士学位论文 申明 本人申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及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含有其他人已经发表 过或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学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 确地说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归 西华大学所有，特此声明。 作者签名：酯l - p 绛乡月ff 日 导师签别：勃泸6 月甜 8 1 西华大学硕士学位论文 1 1 天然气汽车的发展状况 第一章绪论 世界石油资源危机和生态环境保护是2 1 世纪人类面临的主要问题，必将对传 统的燃油汽车产生巨大的影响，合理地利用资源及开发“清洁燃料”将是人类面临 的首要问题。随着世界范围内汽车保有量的激增，石油供需矛盾不断加剧，同时汽 车的有害排放物给人类及其生存环境造成严重的危害，促使世界各国在制定各种严 格的车辆排放法规来规范汽车的生产和使用的同时，开始大力发展代用清洁燃料汽 车。采用电能、太阳能以及氢等新能源作为汽车燃料在未来将会成为可能，但是在 今后较长的一段时间内，汽车发动机燃用气体燃料( 如天然气、液化石油气) 将是 最为现实和技术上比较成熟的石油代用能源。由于天然气在资源、成本等方面的优 势，天然气汽车迅速发展起来，且汽车改装、天然气储存及加气站的全套技术也曰 趋成熟。用天然气作为汽车燃料，不仅可以节约石油资源，降低燃料费用，而且作 为一种“清洁燃料”，可以大大降低环境污染【1 j 。 天然气等气体燃料是世界上继煤和石油之后的第三大天然能源。目前天然气资 源的探明量增长很快，据预测将在1 0 - 2 0 年内超过石油【2 。天然气将成为2 1 世纪 的主导能源，并在满足世界能源需求方面发挥越来越重要的作用。 1 1 】国外发展概况 据不完全统计，全世界的气体燃料汽车约6 0 0 多万辆，其中天然气汽车3 0 0 多 万辆，主要集中在天然气较丰富的俄罗斯、西欧、澳大利亚和新西兰等国家和地区， 以及受到环保法和国家政策制约的美国、日本等国家f 1 。天然气作为汽车燃料，于 2 0 世纪3 0 年代初被意大利人率先采用。到1 9 3 9 年，意大利已有】万辆汽车燃用 天然气。前苏联也早在1 9 3 8 年就研制出了两种压缩天然气汽车，并从1 9 4 7 年开始 批量生产吉斯1 5 6 和嘎斯5 1 b 型压缩煤气瓶汽车( 燃用以天然气为主的城市煤气) f 2 】。欧洲、法国、荷兰等国为补充其液体燃料不足，也相继采用了压缩煤气汽车。 但到五、六十年代天然气汽车发展依然很缓慢。直到1 9 7 3 年，第一次石油危机以 后，世界各国才对把天然气作为汽车燃料表现出了极大的兴趣，人们逐渐认识到汽 车燃用天然气既经济又清洁且安全的优点。各国都开始加强了对天然气汽车的试验 西华大学硕士学位论文 和研究。经过三十余年的发展，世界上已经有6 0 多个国家使用天然气汽车，共拥 有压缩天然气汽车3 3 0 多万辆，高压加气站6 6 0 0 多座，主要分布在俄罗斯、意大 利、阿根廷、美国、加拿大和新西兰等国 3 1 。现在，世界上已有越来越多的国家开 始使用天然气汽车。 由于俄罗斯天然气储量和产量均属世界之首，原苏联从1 9 3 8 年开始用天然气 作为汽车发动机燃料，5 0 年代初有2 5 0 0 0 辆汽车改用天然气燃料，加气站覆盖了 伏尔加地区和乌克兰南部，1 9 8 1 年苏联通过了天然气汽车运输计划，到1 9 9 3 年俄 罗斯的天然气汽车达到1 0 0 多万辆【4 。日本近几年来以燃气协会为中心全力推进天 然气汽车的研究和开发，而且通产省资源能源厅又制定了作为环境对策的普及天然 气汽车的基础建设计划，最近日本本田汽车公司推出的c i v i c 系列天然气汽车的 c o 、n o x 和h c 排放量比1 9 9 7 年美国联邦政府制定的标准低十倍，而且保持良好 的整车性能意大利作为最早开发天然气汽车并大规模应用的国家，目前已有4 0 多 万辆天然气汽车运行，澳大利亚、新西兰所发展的天然气汽车是以意大利引进改装 部件为基础，结合本国国情逐步开发出具有本国特色的产品，现在新西兰己拥有天 然气汽车约1 5 万辆。 美国在这方面也做得比较成功。出于能源和环境等方面的考虑，1 9 8 9 年美国政 府修订了n g v ( n a t u r a lg a sv e h i c l e ) 政策，鼓励使用和发展n g v 。1 9 9 0 年秋季美国 总统正式签发了美国清洁空气法修正案，要求减少汽车尾气排放，保护环境，修正 案同时允许使用天然气等作为燃料替代品，其中天然气被认为最有希望的代用燃 料。1 9 9 2 年美国联邦政府特别批准了天然气使用减税政策。据美国天然气协会； 统计，到1 9 9 2 年底，在美国本土上有大约5 万台天然气汽车在使用。压缩天然气 充气站也以每周三座新建站的速度发展。联邦环保局从1 9 9 4 年起对各型车辆实行 更为严格的排放限制，并在全美实施一项清洁空气示范计划，确定了必须推行清洁 燃料汽车的地区，要求在1 9 9 0 年人口达2 5 万人以上，污染严重的未达标区，都必 须制定发展清洁燃料汽车的计划。据国际天然气汽车协会19 9 7 年年报，美国拥有 压缩天然气汽车数量为约6 5 8 4 9 辆，加气站数量为1 1 0 2 个【5 】【6 】。 1 1 2 国内发展概况 随着经济和社会的发展，我国已成为能源消耗大国。目前我国能源结构不能满 足传统燃油汽车的发展，我国煤储量占世界储量的4 5 ，而石油储量仅占4 5 ； 在我国的能源生产结构中，煤占7 0 ，石油占2 0 ，其它为燃气和水电，而我国 2 西华大学硕士学位论文 的交通能源消费结构的7 0 来源于石油，2 5 使用电力。1 9 9 3 年起，我国己成为 石油净进口国，随着国民经济的发展，石油进口量逐年递增，2 0 0 0 年进口原油7 0 0 0 万吨、成品油3 0 0 0 万吨，支付外汇近2 5 0 亿美元【1 j 。预计2 0 0 5 年后将超过1 亿吨， 相当于科威特一年的总产量。大量石油进口不仅给我国外汇平衡造成沉重的负担， 而且还危及我国的能源安全。我国是天然气资源比较发达的国家，据评价，我国天 然气总资源量为3 8 万亿立方米，己探明储量是1 5 3 亿立方米，探明程度仅为总储 量的4 0 2 。预计2 0 1 0 年达1 0 0 0 亿立方米，国外天然气( 当量原油) 和石油产量 比为o 7 3 ：1 左右，而我国目前仅为0 1 ：1 左右，因此我国天然气产量有很大潜力， 这将为我国推广使用天然气汽车提供良好的资源条件。我国，1 9 9 7 年末天然气和液 化石油气汽车5 9 17 辆，其中天然气汽车4 5 9 4 辆。计划2 0 10 年发展到2 0 - 3 0 万辆， 3 0 万辆汽车年消耗天然气量为4 5 亿立方米，仅占当年天然气产量的4 5 ，可代替 汽油3 6 0 万吨【j 。 我国早在2 0 世纪5 0 年代就曾经对燃气汽车进行过研究。5 0 年代末，国家科委 制订了“天然气综合利用规划”，在四川建立了天然气汽车试验站，开展天然气作 为汽车燃料的研究试验工作。1 9 6 2 年4 月开始进行“压缩天然气汽车的研究”和 “液化天然气汽车的研究”，但后来由于种种原因，该项工作没有继续开展下去。 随着汽车工业的发展和能源的日益紧张，我国从八十年代中期重新开始c n g 汽车 的研究开发和推广工作。1 9 8 8 年四川石油管理局从新西兰引进充气装置和天然气 汽车的改装部件，并在南充建立了c n g 加气站，成为全国首先使用c n g 汽车的 单位。此后，四川石油管理局系统在吸收、改造和国产化上做了很多工作。到1 9 9 5 年底，我国天然气汽车发展到2 4 。0 辆。1 9 9 8 年我国成立了燃气汽车协调领导小组， 1 9 9 9 年4 月，我国开展了以国务院1 3 个部委联合领导的空气净化工程清洁 汽车行动，捌雒了北京等1 2 个省市为清洁汽车行动示范城市，特别是在公交车 和出租车行业推广使用燃气汽车，同时在全国，燃气汽车的发展出现高潮。1 9 9 9 年末全国已改装燃气汽车数万台，建立加气站7 0 余座，北京市发展较快，北京市 公交总公司1 9 9 8 年购买意大利产改装件，改装了2 0 0 台液化石油气公交客车，1 9 9 9 年引进美国康明斯公司单燃料压缩天然气发动机3 0 0 台，并己装车使用，2 0 0 0 年同样采用康明斯的天然气发动机，改装公交车约1 0 0 0 辆，到2 0 0 0 年底我国已拥 有燃气汽车。8 万辆。截止2 0 0 3 年1 0 月，全国已有天然气汽车6 8 万辆【2 j 。 我国在汽车工业“十五”规划里明确提出：发展单燃料c n g 发动机，提 西华大学硕士学位论文 高代用燃料汽车新占的比例，优化我匿汽车能源需求结构。这表明了我国大力发展 天然气汽车的决心。伺时，随着北京2 0 0 8 年奥运会的申办成功，北京市政府已郑 重承诺到2 0 0 8 年，“9 5 的公交车将采用天然气发动机，这些都给天然气发动机的 发展带来了极好的机遇吼 虽然近几年天然气汽车数量逐速增加，僵总体面言，普遍缺乏对该项技术的系 统研究和试验，使我豳这方面的工作与国外技术水平相比仍有较大的差距。我国现 阶段发展天然气汽车的重点是解决大气污染问题，改装对象己豳化油器式汽油车， 逐渐扩展到柴蘧车和电喷式汽、油车。改装方淘也从双燃料汽车向高性能的单燃糙天 然气汽车方向发展。随着国家对燃气汽车改装的支持政策的进步落实，以及加大 力度，为燃气汽车的发展创造良好的外部条件，这必将把我国的燃气汽车事业推向 一个新的阶段! t 2 本文研究方法概述 本论文利用了a m e s i m 软件的强大仿真分析平台构建研究对象，结合s i m u l i n k 实瑷联合仿真。这种利用软件闯备盘优势的互补饺，在雷前的汽车电子控制系统的 开发中已经成为主流的方法。由于电子控制单元的功能日趋强大，需要一个公共的 软件平台作为整个控制系统应用软件架构的基础，因此利用实时操作系统 d s p b i o s 作为整个愈控软件豹核心，对下面几章的研究方法和手段进行一下介绍。 1 2 a舳s i m 软件概述 a m e s i m ( a d v a n c e dm o d e l i n ge n v i r o n m e n tf o rp e r f o m a i n gs i m u l a t i o n so f e n g i n e e r i n gs y s t e m s ) 是i m a g i n e 公司于1 9 9 5 年推出的专门雳于液压机械系统靛 建模、仿真及动力学分析的优秀软件，该软件包含了i m a g i n e 的专门技术并为工 程设计提供交互能力。 作为设计软件包，a m e s i m 为用户提供了一个完善的时域仿真( 包括线性分析 及各种专业特性) 建模环境。可使用已有模型和( 或) 建立新的子模型元件，来构建 优化设计所需的实际原型。易于识别的标准i s o 图标和简单直观的多端口框图，为 用户提供了一个友好的界面，方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应用实例。 开敖的模型瘁基予物理原理和实际应用，包含大量一维流体机械系统设计及 仿真所必需的模型网【9 】。 4 西华大学硕士学位论文 1 2 2a m e s i m 与m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真概述 作为一个图形化的开发环境，a m e s i r n 采用从所有模型中提取出的构建工程系 统的最小单元基本元素来建模，在模型中描述所有系统和零部件的功能，而根本不 用书写任何程序代码。对于一个复杂的工程系统，往往涉及到多个领域，a m e s i r n 则突破性地实现了多个领域仿真，使工程人员从繁琐的数学建模中解放出来，而专 注于物理系统本身的设计。但在有些情况下，我们又必须对所研究的系统的某个子 系统进行深入研究，建立其数学模型，这时在a m e s i m 中建模就不如在 m a t l a b s i m u l i n k 中方便。这时就可以在m a t l a b s i m u l i n k 中采用方块图的模 式对数学模型进行建模，而在a m e s i m 中对其余系统建模，实现联合仿真。这样 一方面可以减小建模的工作量，另一方面又可以充分利用a m e s i m 智能求解器的 优越积分功能以及齐全的分析工具。在本论文中主要利用a m e s i m 软件提供的平 均值发动机模型和一些发动机专用模块库建立虚拟发动机，同时利用 m a t l a b i s i m u l i n k 建立发动机电控模块。 a m e s i m 与m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真需要a m e s i m 与m a t l a b s i m u l i n k 接口方法实现。这种接口提供一种方式将在a m e s i m 中建立的子模型转换成 s i m u l i n k 中的s - f u n c t i o n 函数，能像其它s i m u l i n k 中的s - f u n c t i o n 函数一样工作。 a m e s i m 与m a t l a b s i m u l i n k 接口建立需要进行如下的设置： 首先，需要安装a m e s i m 4 0 以上版本，安装m a t l a b 6 0 以上版本和v i s u a l c 斗- 卜6 0 ： 其次，设置系统环境变量：m a t l a b = m a t l a b ；a m e - = a m e s i m ： 最后，拷贝v i s u a la _ 6 o 软件旧心v c v a r s 3 2 b a t 到a m e s i m 软件安装目录 下。 a e 蠢i s m , a d m k ；d ) 霉榷黝1s u b s y s t e m - ) t 就拱默 z a t t a b i e s 。 ， s 0 1 v e z h 嗽藕v a r i a b l e s 一 。s m u tv a r i a b l e s f i gl 一1a m e s i m & s i m u l i n kn o r m a li n t e r f a c e 图1 - 1a m e s i m 与s i m u l i n k 接口示意图 西华大学硕士学位论文 在标准a m e s i m 与m a t l a b s i m u l i n k 接弱( n o r m a j 嘲删中a m e s 妇和 s 曲u l i n k 使用各鲁独立的积分求解器，a m e s i m 输出的s - f u n c t i o n 在s i m u l i n k 中作 为连续的模块( c o n t i n u o u sb l o c k ) 。如图1 1 中a _ m e s i m 得到状态变量( s t a t ev a r i a b l e s ) 和输入变量( i n v u tv a r i a b l e s ) ，输戡状态偏移量( s t a t ed e r i v a t i v e s ) 和输出变量( o u t p u t v a r i a b l e s ) i 磁1 弱。 1 2 3 实时操作系统d s p b 1 0 s 系统概述 实时操作系统( r t o s ) 是一段在嵌入式系统痿动后首先执行的背景程序。用户 的应罱程序是运行子r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求，进行资 源( 包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度和异常处理等工作。在r t o s 支持的系统中，每个任务均有一个优先级，r t o s 根据各个任务的优先级，动态地 切换各个任务，保证对实时性的要求。在编写程序时，可以分别编写各个任务，不 必同时将所用任务运行的各种可能情况记在心中，大大减少了程序编写的工作量， 而且减少了出错的可能，保证最终程序具有高可靠性。实时多线程操作系统，以分 时方式运行多线程，看上去好像是多个线程“同时”运行。线程之间的切换以饶先 级为根据，只有具有优先服务方式熬r t o s 才是粪正的实时操作系统，丽时间分片 方式和协作方式的r t o s 并不是真正的。实时 【1 2 。 多线程系统中，内核负责管理各个线程，或者说为每个线程分配c p u 时间， 并且负责线程之间的通信。态核提供的基本赧务是线程切换。之所以使用实时晦核 可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个线程，由实 时内核来管理它们。内核本身也增加了应用程序的额外负荷。代码空间增加r o m 的用量，志核本身的数据结构增加了r a m 的用量；但更主要的是，每个线程要有 自己的栈空间。通过提供必不可少的系统服务，诸如信号量管理、消息队列和延时 等，实时内核使得c p u 的利用更为有效。 当系统响应时间很重要时，要使用占先式内核。因此，绝大多数商业上销售的 实时内核都是占先式随核。最高优先级的线程一旦就绪，总畿德到c p u 的控制权。 当一个运行着的线程使个比它优先级高的线程进入了就绪状态时，当前线程的 c p u 使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的线程立刻得到了c p u 的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优先级的线程进入就绪态，则中断完成 时，中断了的线程被挂起，优先缀高的那个任务开始运行。 使用占先式内核，最高优先级的线程什么时候可以执行以及什么时候可以得到 6 西华大学硕士学位论文 c p u 的控制权是可知的。使用占先式内核使得线程响应时间得以最优化。 使餍占先式内核时，应焉程序不应直接使焉不可重入型函数。调用不可重入型 函数时，要满足互斥条件。这一点可以用互斥信号量，关闭中断等来实现。 d s p b i o s 是一个可裁减的实时操作系统内核。其适用于要求实时性，需要同 步和目标机与主机通信，和一些实时设备中。萁提供占先的多线程调度，硬件抽象， 实时分析和强大的图形配置工具。 d s p b i o s 中线程的优先级按从高至l 低分为：硬件中断、软件中断、任务和i d l 任务等四种。硬件中断能够完全满足线程实时性的要求，软件中断次之( 周期函数 正是基于软件定时中断) ，两任务具有执行的时闻柔性，实漪性要求不严格。i d l 任务等待循环是d s p b i o s 内核中最低优先级的线程，一般用于监视系统状态，或 其他些后台活动【1 3 】【m 。 d s p b i o s 对目标机内存占用量和c p u 的需求相对较少。同时提供以下的一 些方法进行目标系统的开发【1 5 j ： 所有对象能够进行静态和动态配置，也可在动态删除，同时被直接映射到 可执行程序映像中。这样减小代码大小，优化内部数据结构； 应焉数据( 诸如墨志等) 的格式在主机上定义； a p i 函数被模块化； 应用函数痒使用汇编语言编写，隧时被优化为最少的执行周期； 目标机和d s p b i o s 分析工具的通信被安排在i d l e 循环中，确保了分析 工具并不和程序任务发生干涉。假如目标系统太忙，分析工具将停止接受 和信息； 提供多种线程类型( 硬件中断、软件中断、任务、i d l e 函数和周期函数) ， 根据优先级切换，线程环境童动存储； 提供线程之间通信和同步，利用信号量、邮箱和资源锁； 管理错误和内存使用； 提供系统分析工具对程序行为进行监控； 西华大学硕士学位论文 王3 论文工作内容与课题意义 本论文是阶段性工作，主要包括以下几方面的内容： ( 1 ) 本论文首先通过查阅大量资料介绍了国内外天然气汽车的发展概况和技术 现状。在此基础上，分析了天然气发动机电控技术能发展概况及趋势。 ( 2 ) 通过对电控系统的研究，并依据实验室现有的条件及实验设备，提出将 y h 4 6 5 q 汽油机改装为电控单燃料天然气( c n g ) 发动机的总体改装方案，c n g 发动 机电控系统设计中应注意的几个重要同题。 。 f 3 ) 内子发动枫的动力性、经济悭和排放性能均与其瞬态空燃比密切相关，因此 研究发动机空燃比的控制策略显得尤为重要。本论文对空燃比控制策略进行了研 究，并对空燃比控制策略进行了仿真，通过仿真结果分析证明通常的基于开关式氧 传感器组成的闶环稳态工况空燃艺控制策略的可行性。 ( 4 ) 对燃气喷射系统、高能点火系统和怠速控制系统进行了硬件和软件的设计。 硬件方面给出了输入输比模块、微处理器模块，软件方面进行了喷气和点火的软件 编程，率先应用基于d s p b i o s 的实时多线程操作系统，同时介绍了设计过程中的 各种抗干扰措施。 ( 5 ) 进行了模拟和实机试验。利用信号发生器等装置模拟传感器产生信号，进行 模拟试验观察执行器的动作情况并对结果进行了分析。通过将整个系统应用于发动 视上进行实视试验，得到了部分工况盼实测结采，再次证臻了此系统酶可行性。最 后得出结论，并指出了所研制的电控单元不足之处和需要改进的地方，提出了改进 方案和措施等进一步的研究展望。 近年来，天然气汽车的研究和开发在我国迅速兴起。用天然气作为汽车燃料， 不仅可以节约石油赘源，降低燃料费用，而且作为一种“清洁燃料”，可以_ 大大降 低环境污染。目前，圈内应用的天然气汽车发动机大多是在原有汽油机基础上经简 单改装丽成的，保留原机供油系统，经改装增加一套压缩天然气的供给装置。主要 采用的供气方式往往是机械控制式混合器系统和毫子控制式混合器系统。枫械控制 式混合器系统即利用混合器前后的空气压差来控制气体燃料流量阀的开度，使它与 一定比例的空气在混合器中混合，形成可燃混合气。该方案有明显不足之处：一是 影响空气充量，气体燃料占据空气充量一般可达到1 9 1 5 ，从丽使发动枫动力 性下降；二是不能准确地控制空燃比，使空燃比随工况的变化而变化。因此，发动 机的排放性能的改观不大。鉴于机械控制式混合器系统的缺点，人们又开发了电子 s 西华大学硕士学位论文 控制式混合器系统，电控混合器式双燃料发动机的主要特点是：气体燃料和空气的 混合仍然采用混合器，但是气体燃料供给量由电子控制单元o 三c u ) 直接通过电磁式 流量控制阀来控制，它能够在一定程度上提高空燃比的控制精度，降低发动机的排 放，但对空燃比的控制仍然不十分精确。因此，要达到对天然气发动机空燃比的精 确控制，就必须开发天然气发动机的电控系统，从而真正实现节约能源，降低污染 的目的。多点喷射方式是迄今为止先进的混合气控制方式，可以减轻和消除由于气 门重叠造成的天然气直接溢出而导致h c 排放增加和燃气浪费，并可根据发动机转 速和负荷，更准确地控制空燃比，进一步提高发动机的经济性及改善排放特性，而 且对改善大气环境具有重要的现实意义和实用价值。目前发动机电控系统已经在汽 油机上得到了广泛应用，但在天然气发动机上的应用，我国还处于探索阶段。仅有 的一些电控天然气发动机的电控系统也都是购买的国外的产品。因此，对天然气发 动机电控系统进行研究，自主开发燃气汽车发动机的电控系统，对我国汽车工业的 发展有着重要的意义。 ” 。 9 西华大学硕士学位论文 第二章c n g 发动机电控系统a m e s i m 模型 与控制器模型的建立和仿真 本章将就c n g 发动机电控系统模型和控制器模型的建立和仿真进行全面介 绍。利用a m e s i m 和s i m u l i n k 联合仿真，研究天然气发动机处于稳态工况时，利 用开关式氧传感器实现闭环控制的可行性。 2 1a m e s i m 发动机平均值模型概述 ll o d 妫静魄 ；0 ，o1 囵瞪 ! - - o 如 扣_ o 卜黪 江弦盛 蔓。i鋈m i 6 m 建k 酗哦 0 | i b 龇 k 细，m ，氇 声墨ok 。k 铷八0 - 靶m 。嗡 k 一辩m 匿j 浩雩 | f i g2 1a m e s i mm v e m & i n t e r f a c ed e f i n i t i o n 图2 1a m e s i m 发动机平均值模型及其接口定义 面向控制分析的发动机模型【1 钮1 7 主要是用来对发动机控制系统进行设计、改 良和评估，平均值模型( 如图2 - 1 ) 就是一种典型的面向控制分析的发动机模型。 它的建模思想是基于发动机的一个或几个循环来预测平均的外部变量( 如曲轴转速 和进气歧管压力) 和内部变量( 如燃烧效率和充气效率) 的值( 如表2 1 ，参看1 2 页) 。 因为控制分析所感兴趣的对象正是这些变量的一个或几个循环的总体效果。经过对 模型参数的调整，平均值模型可以准确地动态预测必要的发动机变量的值，模型结 构紧凑，运算速度快，被广泛用于发动机的控制分析。平均值发动机模型是基于能 量守恒原理，将发动机看作为一个在进气道和排气道传递工质质量和焓流量的泵。 进入发动机工质质量流率( t h em a s sf l o wr a t e ) 是进气歧管工质密度的函数由 以下公式计算： 】o 西华大学硕士学位论文 d m 嗍玑警c 其中，f 表示发动机排量，p 。表示进入气缸的工质密度，7 7 ，表示充气效率为 进气入气缸工质压力和发动机转速的函数如图2 - 2 表示，妒p 刃表示发动机转速。 - 0 固 * 靠 0 q z 0 - 1 3 固 1 3 羊d x 发动机气缸进气压力( p a ) y 一发动机转速 z 一充气效率( 数据做了处理) f i g2 - 2v o l u m i n a le f f i c i e n c y 图2 - 2 发动机充气效率m a p 图 由于此发动机模型是基于能量守恒原理，从燃料燃烧产生的能量被分为3 个部 分，第部分旧) 被传递到发动机曲轴供输出；第二部分( 磁肩邑量通过废气被排除： 第三部分( 彩) 通过发动机体的热交换散失掉。 e 1 = 7 7 加d 幸( h 宰d m i j e d ，。 e 2 = ，7 。拍幸q h ，牛d m ，。阳。，；册( 2 - 2 ) e 3 = 级，木锄咖d ，。一e 1 一e 2 其中，r 。d 表示燃料燃烧释放的能量传递到曲轴上的比率，7 7 础表示燃料燃烧释 放的能量通过废气被散失的比率，( _ ，表示单位燃料流量产生的能量的一系列修正 西华大学硕士学位论文 系数的集合，锄聊鲫。表示喷射的燃料流量。 发动机输出扭矩通过e 1 计算，公式如下： ，一形删。+ e 1 o r q u e = _ 二一一 s p e e a 其中。卵表示泵气损失。 表2 - i 平均值发动机参数 端口 外部变量单位 i n o u t l 泵气效率附加增益 n u l l i n p u t 2 燃料转换效率附加增益 n u l l i n o u t 3 废气部分能量附加增益 n u l l i n p u t 4 全局热交换 研 o u t p u t 4 发动机壁温 i n p u t 5 废气中的焓流量j so u t p u t 0 废气中质量流量 g s o u t p u t 5 废气中气体分数 n u l l o u t p u t 5 废气温度 k i n p u t 5废气绝对压力b a r a l n p u 5废气密度 k g m 3 i n o u 6 点火喷油提前角修正d e g r e ei n p u y 7 燃料流量g si n d u t 8 进气管焓流量j so u t p u t 8 进气管质量流量 g s o u o u 1 ： 8 输出气体分数 n u l l o u 2 p u t 8 进气温度 k i n o u t 8 进气绝对压力 b a r a i n p u t 8 进气密度 k g m 3 1 n d u t 9 发动机输出扭矩 n m o u t p u t 9 发动机转速r e v m l ni n o u t 1 2 ( 2 3 ) 西华大学硕士学位论文 2 2 天然气发动机电控系统( 稳态工况) 模型建立 由于a m e s i m 软件提供了基于工程实际应用的图形化的建模方式，仅仅需要 将必要的系统应用到的虚拟的物理元件拖放到工作空间，设置模型的参数就完成了 模型的建立，削弱了对于多学科应用系统中建模的复杂性。 f i g2 - 3c n ge n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o l l i n gs y s t e m 图2 3 天然气发动机电控系统 天然气发动机电控系统模型( 如图2 3 ) 主要包括伽s i l i 】中的信号控制观测 器元件库、发动机模型库和机械元件库，还包括一个m a t l a b s i m u l i n k 接口模块。 天然气发动机电控系统模型包括以下元件【1 1 】【1 7 1 1 8 】： 吨声 此模型为无量纲信号到转速信号转换器( 1 1 ：l u nt or 0 乜巧s p e e du n i t ) ，通过将阶 跃信号转换为转速信号，提供给发动机平均值模型作为输入信号。 件fk 一左边的为阶跃信号( s t e ps i g m f ls o u r c e ) ，右边的为常数信号( c o n s t a 瞰 s i g 砌s o u r c e ) ，作为信号源使用。如将阶跃信号连接到节气门模型上作为节气门开 度传感器使用，连接到无量纲信号到转速信号转换器上作为曲轴转速信号传感器使 用，连接到平均值发动机模型上作为模型的输入参数使用。 叫。m 卜此模块为延时模块( c o n t i n u o u sd e l a y ) ，配合氧传感器使用，主要用来描述 氧传感器的转换延时的特性。 西华大学硕士学位论文 叫盯卜此模块为触发模块( t r i g g e r ) ，用来描述开关性氧传感器的过量空气系数为1 时，产生的废气中的氧浓度的浓稀变化。 将延时模块、触发模块和氧传感器模型合并为开关性氧传感器( s w i t c h i n gl a m d a s e n s o r ) 。 q 此模块为信号多路器e ( s i g n a ld u p l i c a t i o n ) ，将信号源发出的信号进行分配。 占此模型为空气压力源( a l a n o s p h e r i cp r