（电力电子与电力传动专业论文）稀燃发动机电控系统设计研究.pdf

a b s t i 认c t a st h e e n e r g ys o u r c e c r i s i sc o n t i n u o u s l yi n c r e a s e s ，f u e le c o n o m yo f a u t o m o b i l e sh a sb e c o m et h ek e yp r o b l e mw h i c hi n f l u e n c e st h ed e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l ei n d u s t r y l e a nb u mt e c h n o l o g yo f f e r s c o n s i d e r a b l e p o t e n t i a l i t y i n i m p r o v i n gg a s o l i n ee n g i n ef u e le c o n o m y 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 fl e a nb u r nt e c h n o l o g ya n dt h ee m i s s i o n c o n t r o lo fg a s o l i n ee n g i n e ，a l le l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ms u i t a b l ef o rl e a nb u m g a s o l i n ee n g i n eh a sb e e nd e v e l o p e d t h i ss y s t e mc a na c h i e v et w i c el n j e c t i o na n d c o n t r o lt h ep r o p o r t i o no ft h ef u e li n j e c t e da tt h ef i r s tt i m et ot h es e c o n dt i m ea n d t h e i n j e c t i o na n g l e s i tc a na l s oa d j u s tm i x t u r et ob er i c hp e r i o d i c a l l yf o ras h o r tt i m e w h i c he n a b l e st h en o xs t o r a g e r e d u c t i o nc a t a l y s tt ow o r k ，s ot h ee m i s s i o nc a nb e r e d u c e d m i l et h em i x t u r e sd e n s i t yc h a n g e s ，t h ec o n s t a n to u t p u tp o w e ri so b t a i n e d b ys y n c h r o n i z e dc o n t r o lo ft h ei g n i t i o nt i m ea n d t h r o t t l eo p e n i n g t h ee c uo ft h es y s t e mh a sc16 7s e r i e ss i n g l e - c h i pa si t sm i c r o p r o c e s s o r , a n d c o n t r o l st h ee n g i n ei nt h ec e n t r a l i z e dw a y t h ee c uc a nf u n c t i o na st h o s eo ft h e a d v a n c e da u t o m o b i l e sa n da l s oh a sc e r t a i na b i l i t yt oe x t e n di t sc a p a b i l i t y u s i n gf u z z y p a r a m e t e rs e l f - t u n i n g p i dc o n t r o l l e r , t h ef l u c t u a t i o n o ft h e s p e e dd u r i n g t h e t r a n s i t i o n a lt i m ec a nb ea d j u s t e dw i t h i nt h ee s t i m a t e da n da c c e p t a b l er a n g e t h es y s t e mi sm a i n l yu s e di nl e a nb u r ne x p e r i m e n to ny h 4 6 5g a s o l i n ee n g i n e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tq u a s i h o m o g e n e o u sl e a nm i x t u r ec o m b u s t i o na n da f t e r t r e a t m e n tb yn 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 n e ri sf e a s i b l ef o rl e a nb u r n t e c h n o l o g ya n di t se m i s s i o n ，a n dt h i sl e a nb u r ng a s o l i n ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mc a n b a s i c a l l vs a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fa c c u r a c ya n ds p e e do fc o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，i th a s r e l i a b l e p e r f o r m a n c e s ，s t r o n g r e s i s t a n c et od i s t u r b a n c e ，p e r f e c tf u n c t i o n a n d c o n v e n i e n tu s e k e yw o r d s ：l e a nb u m ；g a s o l i n ee n g i n e ；a i r f u e lr 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 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基堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一圊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： 纬。完 i 签字日期：矽p 易年，砂月w 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：叁壅盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鎏盘鲎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、汇编以供查阕和借阕。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： 劈。尧 签字日期：沙6 年似月沙日 导师签名： 签字日期：纱形年t 调析 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 石油汽车消耗的【。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 国都在制订相应的措施。美国自1 9 7 8 年实施轿车平均燃油经济性c a f t ( 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 - 1 5 年内每年降低2 ，也就是共降低3 9 的油槲3 1 。 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0 2 2 - 0 3 5 公斤。能源利用率与国外先进机型相比要低l o 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。 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一氧化碳( 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。 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 第一章绪论 9 5 、9 6 和9 2 ；欧洲下降8 5 ( c o ) 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。近年 来上海城区内机动车排放的c 0 ，h c 和n o x 分别占到总排放的8 6 ，9 0 矛1 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。 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 4 年采 用欧i i 排放法规，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1 0 年 内完成【5 1 。 由于各种燃油消耗法规以及排放法规的出现，使汽车工业面临着既要保证 发动机的动力要求，又要降低发动机的燃油消耗，还要满足排放法规的严峻局 面。而当前世界解决汽车发动机燃油经济性和排放的方法主要分成两个方向， 即增压中冷直喷式柴油机( t d i ) 和稀薄燃烧汽油机。当前世界上微型汽车发动机 主要为汽油机，在论文中主要研究改善汽油机的性能，即围绕稀薄燃烧展开。 1 2 发动机电子控制技术 1 2 1 传统结构的制约及电子技术的发展 对于汽车发动机而言，设计师追求的目标是：尽可能降低汽车尾气中有害 物质的排放量，尽可能改善发动机运行的经济性，尽可能提高发动机的动力性。 汽车诞生1 0 0 多年来，为改善汽车的使用性能，其机械结构一直处在不断发展和 完善的过程。汽车机械结构方面已经非常完善，靠改变传统的机械结构和有关 结构参数来提高汽车性能已临近极限。7 0 年代以后，随着电子技术的发展和微 电子技术在工业上的广泛应用，微型计算机在性能和价格方面进入实用阶段， 出现了一大批集成度高、功能全、成本低、抗干扰能力强的适合于恶劣条件下 使用的单片微机。给汽车电子装置的发展提供了必要的物质条件，再加上能源、 环境等社会问题的迫切需要，以微处理器为控制单元的数字式电子控制装置找 到了广阔的应用前景，发展了电子燃油喷射，电子点火控制系统，满足了发动 机经济性、动力性与排放的需求。 2 第一章绪论 1 2 2 电控技术的发展 由于能源危机、环境污染等问题，各国制订了严格的法规，并不断逐级强 化。为了满足汽车的燃油经济性、行驶性，尤其是废气排放法规的日益严格的 要求，各厂家对传统的机械式化油器做了各种各样的改进与革新，直至今日， 化油器也难以满足着日益严格的要求。由于电控汽油喷射系统比化油器计量更 精确，雾化燃油更精细，控制发动机的工作更灵敏。因此，其在经济性、动力 性与排放上表现出更明显的优势。正是化油器本身的局限性，导致了电控汽油 喷射系统的迅速发展【6 】。 1 2 2 1 电控汽油喷射的优点 电控汽油喷射系统建成电喷系统，它是以一个发动机电子控制模块为控制 中心，利用安装在发动机不同部位的传感器测得发动机的各种工作参数，按照 由发动机电子控制模块中设定的控制程序，精确地控制喷油量、点火提前角， 使发动机在各种工况下都能以最佳状态工作。目前喷油和点火大多己集中由一 个e c u 控制，也称之为发动机管理系统( e m s ) 。在软、硬件上略加改动补充， 还可以扩展其功能，由于其全数字化的精确控制，具有传统化油器式发动机无 可比拟的优势，主要表现在以下几方面【7 】： 1 提高发动机的动力性。电喷系统的进气道可以设计成光滑的圆筒状，减少了 化油器供油系统中的喉管的阻力，可以提高进气量和充气效率，因此可以提高 发动机功率。 2 提高发动机的经济性，减少燃油消耗。由于电喷系统可以精确地控制混和气 的空燃比，使混和气更均匀，使燃烧更及时，与化油器式发动机相比，可以减 少燃油消耗8 左右。 3 降低排放污染。由于采用数字控制，使发动机始终保持所需的最佳空燃比和 点火时刻，加之可以方便地采用三元催化、e g r 等，使废气中c o 、h c 、n o x 含量 被控制在最低水平。 4 响应速度快。由于微机的运算速度极快，反应灵敏，减少了滞后现象，加速 性能得到改善。 5 适应性强。由于控制系统采用各种修正，所以冷启动性好。还可以不受温度、 海拔、磨损等情况变化的影响，随时校正供油量。 6 工作可靠性好。由于电控单元e c u 在1 0 万公里中的故障率仪为千分之一，所 以发动机的故障率( 尤其是供油系统的故障率) 大大减少。 1 2 2 2 发动机电子控制系统主要功能 第一章绪论 发动机电子控制的目的是实现对发动机性能的最佳控制，即通过对影响发 动机性能的各个重要的参数的自动控制，使发动机性能在任何工况下都保持在 最佳值。 根据发动机原理，对于设计指标一定的发动机，影响其动力性能、经济性 能和排放污染的主要因素有混合气浓度和点火时刻，并且它们对发动机动力性 能、经济性能和排放污染的影响常常是相互矛盾的。其中，空燃比是对发动机 动力性、经济性和排放影响最大的因素之一，当发动机其它条件不变时，随空 燃比的变化，其功率与燃油消耗率会发生较大变化，如图卜1 所示。而对汽油机 来说，始终保持可靠的点火是正常运行的基本前提，特别是对于装有三效催化 转化器的车用发动机来说更为重要，因为缺火会导致未燃碳氢在三效催化转化 器内部氧化燃烧，并由于温度过高而使催化转化器失效。点火完成了燃烧的初 始化，并由于温度过高而使催化转化器由于燃烧始点的不同，燃烧过程以及气 缸压力的变化都会不同，结果导致了发动机性能的变化，同时也给燃油消耗率 带来很大的影响f 8 1 。 t ( v ，p ，b e 缨 趴_ j 火焰泓度t 塞 ii 1 01 2 1 41 6 馆觚 浓 一审燃 艺一 氍 图l 一1 空燃比与发动机性能的关系 人们对发动机的动力性能和经济性能的要求在不断提高，排放法规对发动 机污染物排放量的限制日益严格，而在不同的工况下人们对发动机性能的要求 有着不同侧重。为了使发动机在任何工况下，特别是在过渡工况下都具有良好 4 第一章绪论 的性能，必须对混合气浓度和点火时刻等对发动机性能有重要影响的参数进行 精确和灵敏的控制。 电子技术的发展，使得用计算机控制的发动机电子控制系统去控制影响发 动机性能的主要因素成为可能。发动机的动力性包括加速和加浓，采用电控系 统可使过渡段扭矩较大；而在经济性方面，部分负荷时采用包括稀燃等一系列 在常规汽油机上无法实现的手段，在不发生爆震时，尽量将点火提前角提前， 从而最大限度的提高燃油经济性【9 1 。 发动机电子控制系统控制内容包括： 主要控制：1 电控燃油喷射( e f i ) 2 电控点火装置( e s a ) 、怠速控制( i s c ) 辅助控制：1 排放控制 2 进气控制、增压控制 3 发电机控制 4 燃油泵控制 5 油门踏板控制 6 超速控制 7 警告提示、自我诊断与失效保护等 1 3 汽油机稀薄燃烧技术概述 稀薄燃烧技术应用于汽油机，在满足日益严格的排放法规并提高汽油机的 燃油经济性方面具有很大潜力，近年来采用稀燃技术改进发动机的燃烧性能一 直是研究人员和设计人员所关注的热点。 1 3 1 稀薄燃烧的优势 稀混合气燃烧与通常的燃烧相比，具体说来具有如下的优点： 1 热效率随空燃比增加而增加，并且在空燃比接近无限大时达到理论最大值。 采用稀混合气燃烧，当发动机的空燃比达n 2 0 以上，与当量空燃比的发动机相 比较，热效率将提高8 以上。这是因为当空燃比增大后，比热比增大；而且稀 燃混合气的燃烧温度较低，一方面燃烧时壁面热传导较少，另一方面，化学成 分的分解损失较少，有助于完全燃烧。 2 稀燃混合气燃烧时，缸内有足够的氧气，可以避免由于不完全燃烧产生c o 和 h c 的现象；燃烧温度降低，可以抑l j n o x 产生所需的高温条件。 3 稀燃技术有利于改善发动机部分负荷性能，这对于经常工作在部分负荷工况 5 第一章绪论 的轿车具有重要意义。在传统的发动机上，一般采用调节节气门开度的方法调 整发动机的负荷，造成节流损失，增大了泵吸损失，增加了燃料消耗量。在稀 燃发动机上，当功率变动时，可以采用变质调节，不用节气门，泵稀损失减小， 从而有利于改进部分负荷时的热效率。 正是由于以上的优点，近年来采用稀燃技术改进发动机的燃烧性能一直是 研究人员和设计人员所关注的热点。 1 3 2 稀燃技术解决方案 1 实现稀燃的困难 当混合气的空燃l v , a f 略大于理论空燃比( a f 在1 6 - - - 1 8 之间) 时，燃油消 耗率、n o x 和c o 排放降低。进一步增大空燃比( 比如大于1 9 ) ，燃油消耗率、n o x 和c o 将继续减小。但如果采用均匀的燃油空气混合气，将存在下歹0 l j 约因 素： ( 1 ) 发动机的点火性能恶化。对应于一定组成的预混可燃混合气，都存在着 一个可以点燃它的最小点火能量( 最小点火能量与混合气的成分、空燃比以及 流速有关) ，最小点火能量在静止气流条件下，在比理论空燃比略浓时达到，当 混合气变稀时，最小点火能量迅速增加。 ( 2 ) 由于混合气变稀，需要一定的时间以便产生足够的迅速反应的预燃化学 物质，因而必须增大点火提前角。由于点火提前角的增大以及稀混合气火焰传 播速度的降低，从而增大时间损失。 ( 3 ) 燃油消耗、h c 排放趋于增大。随着混合气空燃比增大，火焰温度和火焰 传播速度降低，使得混合气燃烧速度减慢，燃烧不充分，降低燃烧的效率。同 时部分燃烧还带来h c 排放增大的不利因素。虽然n o x 随着空燃比的增加而降低， 然而，空燃比增加到一定的程度时，失火频率和循环变动增加，为了扩大稀燃 极限，不得不采用冲量分层的方法扩大稀燃极限，这又会使n o x 的排放增加。 ( 4 ) 操纵性能下降。随着混合气变稀，燃烧时可能产生失火现象，并且燃烧 循环变动增大，输出扭矩波动加大，发动机的运转变得不平衡。 2 实现稀燃的措施 为了克服实现稀燃的困难，研究人员主要采取了以下措施： ( 1 ) 采用结构紧凑的燃烧室，尽量提高燃烧速率，减少热损失。一般采用火 花塞放在正中的半球形或篷项形燃烧室，或其它紧凑型的燃烧室，并应用尽可 能高的压缩比。 ( 2 ) 组织一定强度的进气涡流或滚流。通过设计可变涡流强度的进气道，在 6 第一章绪论 中低负荷时应用较高的进气涡流比，并使进气涡流运动与喷油定时有机结合起 来，得到充量轴向分层的效果，或者通过组织滚流运动，获得横轴分层的效果， 缩短燃烧持续时间，减少平均指示压力的变动率，扩大发动机的稀燃极限，提 高燃油经济性，减少h c 排放；在高负荷时，应用较低的进气涡流提高发动机高 速全负荷的容积效率。 ( 3 ) 应用高性能点火系统和宽火花间隙( 么= 1 2 1 5 m m ) ，或者采用多点点 火系统，扩大稀燃极限。 ( 4 ) 应用电控技术，对空燃比进行精确的控制，实现发动机在各个工况下运 行均处于最佳状态。 ( 5 ) 准均质稀薄燃烧技术是克服稀燃困难的有力手段，有关这方面的论述详 见第二章。 1 4 本课题的研究内容 我国发动机电控技术上处于缓慢发展的低级阶段，对国产发动机电控系统 进行全面的电子化改造势在必行。目前，就我国大多数汽车厂商而言，电控燃 油喷射系统全面应用将是一个多方位、长时间的努力过程。由于稀薄燃烧汽油 机的点火提前角、喷油定时、空燃比以及其他控制参数的控制和调整与燃用理 论混合气的发动机有所不同，因此，适用于稀燃汽油机的电控系统在稀薄燃烧 汽油机的开发过程中的作用显得格外重要。国外的公司已经有此类的开发系统， 但是价格非常昂贵，甚至有一些咨询公司根本就不对发展中国家提供。 所以开发一套具有独立知识产权的电控系统是在必行。此电控系统需要满 足的控制要求有：保证混合气浓度为当量比时发动机的正常运转；保证稀燃状 态发动机的正常运转；维持为了达到稀燃状态下的最优排放而采用的空燃比在 浓稀之间转换时发动机的稳定运转。 针对上述特定控制要求，作者开发了一套适用于稀燃汽油机的电控系统， 所实现的功能有： 1 常规车用发动机e c u 所必备的功能，包括喷油量控制、喷油定时控制、点火时 刻及能量控制、爆震控制、怠速控制、氧传感器及催化转化控制等。 2 根据准均质稀薄燃烧的技术要求，实现二次喷油、可变喷油提前角、可变二 次喷油比例、可变空燃比等控制功能。 3 针对稀混合气燃烧时对排气后处理的特殊要求，控制发动机按空燃比的特定 规律( 满足n o x 的吸附一还原过程) 运转。 7 第二章准均质稀薄燃烧发动机燃烧机理 第二章准均质稀薄燃烧发动机燃烧机理 2 1 发动机工作原理 活塞在气缸内往复直线运动的两个极限位置称为止点。离曲轴旋转中心最 远的称为上止点；离曲轴旋转中心最近的称为为下止点。上、下止点问的距离 称为活塞行程。四行程发动机包括四个活塞行程，即进气行程、压缩行程、膨 胀行程和排气行程，如图2 1 所示。 电火花点火 迸气门打开 气 搏气仃打开 ( a ) 进气( b ) 压缩( c ) 爆发( d ) 排气 图2 1 四行程发动机的工作原理示意图 ( 1 ) 进气行程 活塞由上止点运动到下止点，此时进气门打开，排气门关闭，如图2 1 ( a ) 所示。随着活塞下移，气缸内气体容积逐渐增大，缸内压力降低。当低于大气 压时，空气被吸入气道，并与汽油混合形成可燃混合气。可燃混合气经进气道 和进气门进入气缸。这一过程将持续到下止点、进气门关闭为止，最终整个气 缸充满新鲜可燃混合气。 ( 2 ) 压缩行程 为了使吸入的可燃混合气迅速燃烧，产生较大压力，从而使汽油机发出功 率，需要在燃烧前将可燃混合气压缩。这是在飞轮惯性作用下，曲轴通过连杆 推动活塞由下止点移动到j 二止点的过程，此时进、排气门均关闭，如图2 1 ( b ) 所示。随着活塞上移，气缸内气体容积缩小，可燃混合气被压缩，压力、温度 8 第二章准均质稀薄燃烧发动机燃烧机理 均升高。当活塞接近上止点时，可燃混合气被火花塞点燃，开始进入燃烧过程。 ( 3 ) 燃烧膨胀行程 活塞由上止点移动到下止点，此时进、排气门仍关闭，如图2 1 ( c ) 所示。当 活塞移动到上止点稍后时，被点燃的可燃混合气释放出大量热量，使缸内压力、 温度急剧升高。高温、高压燃气膨胀做功，推动活塞下移，并通过连杆带动曲 轴输出机械能，除了维持发动机本身的持续运转外，其余的能量用来对外做功。 ( 4 ) 排气行程 在飞轮惯性带动下，活塞由下止点向上止点移动，此时进气门关闭，排气 门打开，如图2 1 ( d ) 所示。高压废气先行高速冲出排气门，然后随着活塞上移， 气缸内的废气被继续强制推出排气门。这一过程持续到上止点附近进气门打开、 排气门关闭为止。至此，发动机完成一个工作循环。经过一个工作循环，这期 间活塞在上、下止点间往复移动了四个行程，相应的曲轴旋转了两周。如此重 复地进行，发动机便可持续运转下去。 在这四个冲程中，当气缸处于燃烧膨胀过程时，气体燃烧做功，推动活塞 运动，有扭矩施加在曲轴上，曲轴转速增加。反之，当它处于吸气、压缩及排 气过程时，活塞在飞轮惯性力作用下运动，曲轴转速降低。 2 2 稀燃发动机工作原理 稀混合气燃烧概念的提出已有近三十年的历史，其优势已为工程技术人员 所接受。而稀混合气燃烧的实际组织过程却远非如此简单，它最终决定该系统 成功与否。早期的稀混合气燃烧系统结构较为复杂，影响因素多，难以控制， 不易在所有工况下获得较好的性能。所以虽有不错的试验结果却难以应用于产 品。 稀混合气燃烧可以改善燃油经济性，降低排放指标、提高发动机的抗爆性。 然而，当混合气的空燃比超过2 0 ：1 时，混合气只能被火焰引燃而不能被火花 点燃。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。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。当代稀混合气燃烧系统由于广泛 采用电控技术具有结构简单，易于控制，可靠性高，各工况下都能获得较高的 性能等优点，实用性大大增强。 9 第二章准均质稀薄燃烧发动机燃烧机理 分层燃烧系统从组织混合气分层的位置来分，可分为进气道喷射分层燃烧 和缸内直接喷射分层燃烧。进气道喷射分层燃烧是一种低成本的技术方案。正 因为如此，它已经被国际上许多汽车生产厂家所接受。缸内直接喷射分层燃烧 是最引人注目的技术，它可实现很高的热效率、动力性和极好的响应性，被认 为是发动机工程师的梦想。然而由于直接喷射式汽油机的研制成本高、难度很 大，需要对燃烧室、气流运动等多方面进行重新设计和试验优化且需要采用国 内无法买到的高压喷油器。鉴于上述原因，目前大多数发动机厂家以研究气道 喷射式稀混合气燃烧系统为主，研究气道喷射式稀混合气燃烧发动机也更适合 我国国情。 国内外对于稀薄燃烧系统实现的研究中，都有意组织适当的进气涡流和滚 流运动来实现分层燃烧。目前，已提出多种分层充气燃烧方案，根据充气分层 产生原理不同，大致可以分为涡流分层燃烧系统和滚流分层燃烧系统。 2 3 准均质稀薄燃烧与二次喷油 天津大学内燃机国家重点实验室刘书亮教授提出在进气道喷射发动机上通 过可控喷油形成准均质混合气的概念，继而实现准均质稀薄燃烧。实现这种可 控喷油概念的技术支持就是进气道喷射发动机的二次喷油技术【1 3 】。 下面详细介绍了通过可控喷油形成可控准均质混合气的理论依据及过程， 依照这一理论，在一台未做任何结构改动的4 6 5 发动机上，也就是说只是利用 普通的进气道，不去有意组织缸内气流运动，通过二次喷油技术，成功地实现 了准均质稀薄燃烧。 2 3 1 准均质稀薄燃烧 在汽油机上，用分层燃烧技术可以燃用平均空燃比远大于均质混合气燃烧 界限的混合气。根据传统的分层燃烧方法，混合气由浓到稀形成自然分层，为 提高分层燃烧的稀燃极限，往往要求在大范围内即燃烧室整个区域内的混合气 有很高的分层度，即稀浓区的混合气浓度有较大差异。在发动机转速较低和负 荷较大的情况下，混合气混合雾化较差，一方面在燃烧期间浓混合气区得不到 充足的氧气而造成燃烧不完善且在火花塞附近混合气过浓易出现失火现象；另 方面，分层度过高会使稀混合气区浓度远低于混合气平均浓度，在气流运动 较弱、混合雾化较差时产生未燃h c 。在整个混合气范围内进行整体性分层会造 成混合气浓区和稀区差异过大，并不是组织稀混合气燃烧的最理想方案1 4 0 11 4 。 因而当前对于均质稀混合气燃烧的研究在国际上已引起研究人员的瞩目。 l o 第二章准均质稀薄燃烧发动机燃烧机理 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。组织混合气分层的主要目的是为火花塞周围提供适宜浓度 的可燃混合气。然而这部分浓混合气无需多，只要能保证可靠地点火且其燃烧 能量足以使其他部分的稀混合气稳定燃烧即可。因此，以大范围内的均质混合 气为基础对火花塞周围的混合气实施小范围的局部加浓，无疑是一种很好的混 合气分布情况。我们将这种混合气分布称作为准均质混合气。在这种情况下， 由于局部的浓混合气仅占总喷油量的一小部分，占主体的均质稀混合气浓度与 总的混合气浓度接近，这就避免了传统分层所造成的混合气浓度差异过大。这 显然对于混合燃烧是有利的，有利于降低发动机的油耗和排放。要实现这种准 均质稀薄燃烧概念，混和气的形成是关键因素。实践证明，二次喷射以一种较 灵活的供油方式，比较成功地解决了这一课题l l3 1 。 2 3 2 二次喷油 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 的燃油鼍分作两部分分别在不同期间喷射，一部分在迸气行程之前喷射，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系混和气【1 4 】。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合气用于点火及形成足以维持系混合气稳定燃烧的初期 火焰，控制第二次喷射的燃油量，可以调节火花塞附近的可燃混合气的浓度。 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。 二次燃油喷射方式与普通的同时喷射方式、分组喷射方式及独立喷射方式 有着一定的区别。同时喷射方式及分组喷射方式造成各缸混合气的汽化及分布 不均匀，二次燃油喷射方式与独立喷射方式相仿，都保证了各缸混合气的均匀 性；不过二次燃油喷射方式比独立喷射方式在每循环中多了一次燃油喷射。 二次燃油喷射方式实施方式如图2 2 所示。二次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，只要能为喷油器留有一 定的间歇时间即可。二次燃油喷射时将每循环所需燃油量分作两份分次喷射， 第二章准均质稀薄燃烧发动机燃烧机理 总的燃油喷射时间比单次燃油喷射多了一个无效期( 不到l 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) 喷油两次是 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做到的【2 2 1 。 v h ，i 一 v h l 一- i 吸气压缩做功排气吸气压缩做功 捧气 i 循环1 第1 次喷油 土 循环2 第1 次喷油 l 循环1 第2 次喷油 循环2 第2 次喷油 2 3 3 二次喷油控制 1 斡 3 抖 4 # 2 斡 图2 2 二次喷油喷射实施示意图 7 p f ) or 排气 吸气压缩 p 胀 排气。吸气 压缩 _ 膨胀 排气 _ 膨胀 吸气 p 胀 吸气 - 膨胀 e 胀 “吸气 _ 膨胀 吸气 吸气 _ 膨胀 吸气 p 胀 吸气 图2 3 二次喷油方式图例 二次喷油实现准均质稀薄燃烧需要控制每缸喷油时刻和喷油比例，以4 缸 机为例，二次喷油的喷射图例如2 3 图所示，因此在实现过程中，e c u 不仅需 要判缸信号，还需要曲轴角度信号。并且从上图可以看出，在4 缸机上实现二 次喷油的话可以采用两种喷射方式：分组喷射和顺序喷射。 对顺序喷射来说，摔制方式与当量比控制方式相类似，当量比控制的电控 1 2 第二章准均质稀薄燃烧发动机燃烧机理 系统中，e c u 输入信号既有曲轴信号又有判缸信号( 一般7 2 0 。一个) ，可以很 容易的得知每缸的吸气和做功的时刻，在这种系统中可以精确的控制喷油时刻 和喷油比例。 对于当前的分组喷射系统，输入信号一般只有曲轴转角信号，根据这个信 号，只能判断出此时处于某个缸的上止点处，而此时的上止点是压缩上止点还 是排气上止点无法判别。因此对于这种系统，可以控制二次喷油的时刻，但是 无法控制喷油比例，只能是每次喷油都是总喷油量的二分之一。 第四章稀燃发动机电控程序设计 第三章稀燃发动机电控系统电路设计 本设计主要应用在4 6 5 四缸稀燃发动机上。发动机电控系统的最终目的是： 提高排放质量、提高单位油耗的里程数和改善驱动性。所采取的主要措施包括： 通过闭环或开环的控制方式控制喷油、点火。 系统需要满足的控制要求为： 1 为了使发动机在实际运行过程中可靠稳定地运转，需要针对不同工况确 定发动机运转状态。高负荷时，发动机应运行于当量比状态，满足功率要求； 部分负荷时，发动机应运行于稀燃状态，发挥稀混合气燃烧的优势。因此稀燃 电控系统也应实现在常规状态下的e f i 功能。 2 稀混合气燃烧时系统实现以下功能： 精确控制空燃比，实现稀混合气燃烧。 调整二次喷油，实现准均质稀混合气燃烧。 控制发动机定时的由稀燃状态转入浓混合气或是当量比状态，满足n o x 吸附还原催化转化器再生过程的要求。 首先各传感器信号将发动机的运行工况以电信号的形式传送给e c u ，e c u 根 据这些信息判断当前工况，作出相应的控制策略：中高负荷时，使用正常的控 制策略；小负荷时，采用稀薄燃烧策略【3 2 】。 该系统可以对现场参数进行实施精确地采集，及时做出处理、决策，最终 由控制单元送出开关量信号，使执行机构做出迅速响应动作，以达到最佳控制 效果。按功能来分，主要分为三部分：前向通道的数据采集部分、后向通道的 输出执行部分、e c u 直接控制部分，下面将按照功能的分类对该系统各组成部分 分别加以介绍。 3 1 电子控制单元( e c u ) 电子控制器e c u 的作用是将输入信号按设定的程序进行计算处理，并输出 处理结果。它是一种以微处理器为核心，用来完成某个控制过程的装置。除微 处理器外，还包括存储器、a d 转换器、输入输出通道、通讯接口等元件。稀燃 电控系统e c u 的内部结构图如图3 1 所示。 单片机是e c u 中应用最广泛的微处理器，目前各大汽车公司的产品化的发 动机e c u 中，采用的主要有m o t o r o l a 、i n f i n e o n 、n e c 等半导体公司的8 位和 1 4 第四章稀燃发动机电控程序设计 1 6 位微处理器。 网 i s e n s o r i i j 图3 1 集中控制单元e c u 结构原理图 本系统采用i n f i n e o n 公司c 1 6 7 系列的c 1 6 7 c r l 6 位单片机，c 1 6 7 系列单片 机功能强大，是i n f i n e o n 汽车半导体专门为发动机控制设计开发的微处理器，包 含了发动机控制所需的几乎所有功能，还具有良好的抗干扰性，非常适用于车 用发动机e c u t 3 l j 。 c 1 6 7 c r 的结构包含了r i s c 和c i s c 处理器的优点，它以非常合理的方式 将高性能的周边子系统连接在一起。中央处理器c p u 的处理速度很快，许多指 1 5 第四章稀燃发动机电控程序设计 令的执行时间只有一个机器周期，即使是1 6 1 6 位的乘法也只需5 个机器周期。 c 1 6 7 c r 的存储器采用统一编制的方式，片上空间包括2 k 字节的r a m 、1 k 字节s f r ( s p e c i a lf u n c t i o nr e g i s t e r ) 和2 k 字节的x r a m ( e x t e n s i o nr a m ) 。 片上资源不足时，用户可扩展外部r a m 和r o m ，最大扩展空间可达1 6 m 。 c 1 6 7 c r 的系统资源丰富、使用灵活、反应迅速，包括：c a p c o m 模块、 定时器( g p t ) 、内置1 0 位a ，d 转换功能、硬件看门狗、快速串行口和c a n 接 口等，这些资源非常适用于发动机实时系统的控制要求，在使用及编程过程中 非常方便。 3 2 前向通道数据采集 3 2 1 传感器 利用传感器检测发动机的运行工况及其变化情况，并将这些信息以电信号 的形式传送给电子控制单元e c u ，由e c u 完成决策、控制功能。进行现场参数 测量的传感器主要包括以下几种： 进气歧管压力传感器 发动机运转时，随着节气门的开大，进气量将增加，进气歧管内真空度随 之减小，进气歧管压力传感器通过检 测进气歧管内的压力，测量进气量。 膜盒式进气管压力传感器内有一个 密封的弹性金属膜盒，膜盒中间保持 真空，膜盒周围的气压使膜盒受压内 缩。为测量进气歧管压力，将膜盒与 周围的气室与发动机进气歧管相通， 使作用在膜盒周围的压力为进气歧 管压力。当进气歧管压力变化时，膜 盒随之收缩或伸张，将膜盒的变化通 过一个传动杆去操纵可变电阻的滑 动触点，可将进气歧管压力的变化转 变为电阻或电压的变化，e c u 根据电 压测得进气歧管压力。 进气温度传感器 s i 图3 2 膜盒式进气管压力传感器工作原理图 l 膜盒2 气室3 通进气歧管 4 基准电压5 输出电压 进气温度传感器是检测发动机吸入空气温度用的传感器。由于吸入空气温 1 6 第四章稀燃发动机电控程序设计 度的变化会引起空气密度发生变化，因此需要进行燃油喷射量修正。为使测量 及修正精确，通常是将其安装在真空测量部位附近。进气温度传感器的感应元 件为负温度系数的热敏电阻，即电阻值随温度的升高而降低。工作时与一个标 准电阻串联，并在两端加上5 v 的参考电压，从热敏电阻上取出的电压信号及温 度信号。 排气氧传感器( e g o ) 大多数三元催化剂都只能在当量比下工作，才能使c o 、h c 的氧化功能与n o x 的还原功能同时起作用，否则催化器不能有效工作，甚至仅仅1 的偏差也会对 后处理有明显不利的影响。但即使最好的开环控制也不能保持这样严格的精确 空燃比，因而将发动机燃烧的混合气精确控制当量空燃比非常重要。而这种控 制是通过氧传感器的反馈控制得到的。 开关型氧传感器的电压输出曲线在当量混合比( 入= 1 ) 的范围内发生一个 阶跃。这个电压就表示测得的氧气浓度信号。用其进行闭环控制，可以使空燃 比精确地保持在入= 1 。氧传感器测量排气中的氧，发出混合气浓度与当量空燃 比相比是浓或稀的信息。当出现与入= 1 这个值相偏离时，传感器电压输出信号 发生突变，这一变化由e c u 进行处理。对喷油量进行修正，增加或减少喷油量。 开关型氧传感器的输出在理论空燃比附近发生跳变，线性空燃比传感器能 在宽广的范围内检测空燃比，可以对稀燃发动机进行反馈控制。 爆震传感器 爆震传感器安装在发动机缸体上，是一个按固定传声原理工作的压电陶瓷 式加速度传感器。其内部是一个压电陶瓷片，一个惯性配重通过螺钉紧压在压 电陶瓷片上，使之产生一定的预压力。当发动机出现爆震时，产生1 1 0 k h z 的 压力波；这一压力波通过缸体传给爆震传感器，又通过惯性配重，使作用在压 电陶瓷片上的压力发生变化，产生约2 0 m v g 的电动势；这一信号传送给e c u ， 经滤波后，再转化成指示爆震的数字信号。该信号经过放大后，e c u 根据这一信 号调整点火提前角，消除爆震p 3 。 节气门位置传感器 节气门体上装有节气门位置传感器，它将开度转变为电信号输送给电脑。 节气门位置传感器是一个线性电位计，由节气门轴带动电位计的滑动触点。在 不同的节气门开度下，电位计的电阻不同，从而将节气门开度转变为电压信号 输送给电脑。电脑通过节气门位置传感器可以获得表示节气门由全闭到全开的 所有开启角度的连续变化的模拟信号，从而更精确的判断发动机的运行工况。 1 7 第四章稀燃发动机电控程序设计 图3 - 3 线性可变电阻性节气门位置传感器 1 基准电压2 输出电压3 接地 3 2 2 信号输入与处理 3 2 2 1e c u 的输入极 输入级的作用是将电控系统中各传感器检测到的信号通过i o 接口送入微