（载运工具运用工程专业论文）瞬态油门控制器的开发与应用研究.pdf

摘要 汽车发展面临着环境保护和石油资源枯竭两大难题，由此对汽车性能要求日 趋提高。而作为汽车核心的发动机直接影响汽车的经济性、动力性、排放性。燃 烧过程作为发动机工作循环的中心环节，将影响发动机的品质，因此设计研发一 种瞬态油门控制器，实现汽车发动机瞬态工况的再现，研究汽油机的瞬态燃烧过 程对减少有害物排放，降低燃油消耗及提高动力有非常重要的现实意义。 本文提出瞬态工况的概念，分析了典型的瞬态工况，并以发动机转速和转矩、 油门开度为变量对瞬态工况进行分类。针对目前的实际情况以及要实现的瞬态工 况，提出开发瞬态油门控制器的合理方案，本文选择采用单片机控制步进电机的 方案开发出瞬态油门控制器的硬件系统，采用汇编语言开发出瞬态油门控制器的 软件系统，烧入单片机，完成瞬态油门控制器的开发，再对瞬态油门控制器控制 油门开度以及油门开启速度进行精度测试，测试结果表明本文所开发出来的瞬态 油门控制器完全符合预定的精度要求，用瞬态油门控制器控制油门可得到任意的 油门位置，并且可以反复的实现同一个动作。 最后，本文利用开发出来的瞬态油门控制器，进行发动机负荷( 转矩) 不变， 用不同的油门开启速度改变发动机转速的瞬态实验，利用燃烧分析仪对实验数据 进行采集，并对采集的数据进行实时分析和后处理，再根据处理后的结果进行分 析，得出本文所研究的瞬态工况的燃烧规律：实验表明在转矩相同时，以不同的 油门开启速度打开油门，发动机达到同一转速时，油门开启速度较小，发动机的 最大燃烧压力、平均指示压力、平均有效压力反而要大，而发动机的燃烧放热率、 累积放热率、最大燃烧压力对应的曲轴转角等均要滞后；油门开启速度相同、负 荷不同时，当发动机达到同一转速，负荷较小时发动机的最大燃烧压力、平均指 示压力、平均有效压力也较小，而发动机的燃烧放热率、累积放热率、最大燃烧 压力对应的曲轴转角等滞后角也较小。 关键词：汽油机；瞬态油门控制器；瞬态工况；燃烧特性；实验研究 a b s t r a c t 。i 。h e r ea r et w oi s s u e si nt h ed e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l e ，o n ei st h ed e p l e t i o no f o l lr e s o u r c e s ，t h eo t h e ri se n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，t h u st h er e q u i r e m e n t st oi m p r o v e t h ev e h l c l e sp e “o 珊a n c e sg r e wd a ya n d d a y t h ee n g i n ea st h ec o r ep a r to fav e h i c l e ， d l r e c t l yl m p a c t so nt h ee c o n o m y ，p o w e r ，e m i s s i o n s t h ee n g i n e sc o m b u s t i o nc y c l e s a st h ec e n t r a ll i n k ，w i l lh a v ea ni m p a c to nt h eq u a l i t yo 九h e e n g i n e ，s ot od e v e l o pa t r a n s l e n tt h r o t t l e c o n t r o l l e r ， t o r e p r o d u c t i o nt r a n s i e m o p e r a t i n gc o n d i t i o n so f g a s o l l n ee n g l n ea n dt os t u d yt h et r a n s i e n tc o m b u s t i o np r o c e s so f g a s o l i n ee n g i n et o r e d u c eh a r m f u le m i s s i o n s ，如e lc o n s u m p t i o na n dt o i m p r o v et h ed r i v i n gf o r c eh a sa v e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e 1n l sp a p e rp u tt o r w a r dt h ec o n c e p to ft r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a n a l y z e d t y p l c a lt r a n s l e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n du s e de n g i n es p e e d ，t o r q u ea n dt h r o t t l e o p e n i n gf o rt h ev a r i a b l e so nc l a s s i f y i n gt r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h e c u r r e n t ， a sw e l la st h et r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s w a n t e dt oa c h l e v e ，ar e a s o n a b l es c h e m eo f d e v e l o p i n gt h et r a n s i e n tt h r o t t l ec o n t r 0 1 l e r w a sa d v a n c e d t h ep a p e rd e v e i o p e dh a r d w a r es y s t e mo f t h et r a n s i e n tt h r o t t l ec o n t r o l b yt h es l n g l e c h i pt oc o n t r o las t e p p e rm o t o r ，d e v e l o p e ds o r w a r es y s t e m o ft h e t r a n s i e n tt 1 1 r o t t l ec o m r o l l e rb ya s s e m b l yl a n g u a g e ，b u r n i n gi n t ot h es c m ，c o m p l e t e d t h ed e v e l o p m e n to ft h et r a n s i e n tt h r o t t l ec o n t r o l l e r t h e nt h ea c c u r a c vo ft r a n s i e n t t l l r o t t l eo p e n i n ga n dt h et h r o t t l eo p e n i n gs p e e dw e r et e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ed e v e l o p e dt r a n s i e n tt h r o t t l ec o n t r o l l e ri nf u l lc o r n p l i a n c ew i t ht h ep r e d e t e r m i n e d p r e c l s l o n a n yt h r o t t l ep o s i t i o nc o u l db ea c h i e v e da n dt h es a m ea c t i o nc o u l db e r e p e a t e db yu s i n gt h et r a n s i e n tt h r o t t l ec o n t r o lw i t h f i n a u y ，t h i sp a p e ru s e dt h et r a n s i e n tt h r o t t l ec o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h et 1 1 r o t t l e t h ee n g i n e1 0 a d ( t o r q u e ) k e p tt h e s a m e ，o p e n e dt h et 1 1 r o t t l ea td i f f e r e n tt h r o t t l e o p e n l n gs p e e dt oc h a n g et h ee n g i n es p e e do ft h et r a n s i e r l te x p e r i m e n t s ，t h e nu s e dt h e c o m b u s t l o n a n a l y z e rc o l l e c t i n gt h ee x p e r i m e n t a l d a t a ，w ek e p tc h a s i n ga r e r ， a c c o r d l n gt ot h er e s u l t so fa n a l y s i s ，a c h i e v e dt h ec o m b u s t i o nl a wu n d e rt h et r a n s i e n t o p e r a t l n gc o n d i t i o n ss t u d i e db yt h i sp a p e r ： e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o ww h e nt h e e n g l n et o r q u el nt h es a m e ，c o r r e s p o n d i n gt ot h es a m es p e e d ，d e c r e a s e dt h et 1 1 r o t t l e o p e n l n gs p e e d ，t h em a x i m u mc o m b u s t i o np r e s s u r eo ft h ee n g i n e ，t h ea v e r a g e p r e s s u r e o nt h e1 n s t r u c t i o n s ，t h ea v e r a g ee f f e c t i v ep r e s s u r ei n c r e a s e d ，a n de n g i n eh e a tr e l e a s e r a t e ，t h ec u m u l a t j v eh e a tr e l e a s er a t e ，t h ec r a i 呔a n g l eo ft h em a x i m u mc o m b u s t i o n p r e s s u r ea l ll a g g e db e h i n dt h ep a c e t oo p e nt h et h r o t t l ea tt h es a m es p e e d ，f o rt h e s a m er o t a t i o n a ls p e e d ，e n g i n el o a dd e c r e a s e d ，t h em a x i m u mc o m b u s t i o np r e s s u r eo f t h ee n g i n e ，t h ea v e r a g ep r e s s u r eo nt h ei n s t r u c t i o n s ，t h ea v e r a g ee f f e c t i v ep r e s s u r e r e d u c e d ，a n dt h el a ga n g l eo fc r a n ka n g l eo ft h ee n g i n ec o m b u s t i o nh e a tr e l e a s er a t e ， t h ec u m u l a t i v eh e a tr e l e a s er a t ea n dt h em a x i m u mc o m b u s t i o np r e s s u r ed e c r e a s e d k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；t r a n s i e n tt h r o t t l ec o n t r o l l e r ；t r a n s i e n to p e r a t i n g c o n d i t i o n s ；c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：j 乃枰5日期叩年聊多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：牺枇； 导师签名：丢y 扛 日期：刁年歹月j ) 日 日期：文州年j 、月g 日 第一章绪论弟一早 三百了匕 1 1 课题研究背景及意义 近几年来，随着我国汽车产业的迅猛发展，汽车开始进入家庭，汽车在国民 经济建设和人民日常生活中得到越来越广泛的应用，但是汽车排放所造成的污染 以及汽车对能源的消耗也越来越大，它们已成为汽车发展的两大难题。 自上个世纪5 0 年代，首次认定汽车的碳氢化合物和氮氧化合物是造成加州 化学烟雾主要制造者之后，发达国家政府制定了严格的汽车尾气排放法规，如欧 洲的欧i i i 和欧法规，美国制定的e p a 法规。在我国，汽车发动机所带来的环 环境污染也是我国城市和社会经济可持续发展的中所必须解决的重大问题比1 。为 保护全球变暖，全球主要工业国家签订了京都议定书，京都议定书规定， 到2 0 1 0 年，所有发达国家二氧化碳等6 种温室气体的排放量，要比l9 9 0 年减少 5 2 1 。据西班牙环保部门8 月份发布的一份资料显示，汽车和暖气占二氧化 碳总排放量的5 4 。又据媒体报道，在2 0 0 7 年卢森堡举行的欧洲理事会会议上， 成员们一致表决继续赞成削减汽车二氧化碳排放量，期望2 0 1 2 年在欧洲达到 1 2 0 9 k m 排量目标1 。 表1 12 0 0 0 年世界各地区已探明石油开采年限表b 1 地区可开采年限( 单位：年) 中东地区 8 7 北美洲 1 4 中南美洲 3 7 亚太地区16 非洲 2 9 欧洲 9 独联体国家 2 4 从表1 1 可以看出：世界石油可使用年限很有限。数量庞大的汽油机汽车需 要大量的汽油支撑，汽油提炼原料一一石油的储备却不令人满意。全世界石油可 采量只有1 4 2 l 亿吨，其中，沙特3 6 2 亿吨，伊拉克l5 5 亿吨，俄罗斯6 7 亿吨， 美国3 9 亿吨，中国只有3 3 亿吨。石油越来越少，而耗费量却越来越大，美国年 耗费量为9 7 亿吨，世界上其它国家加起来，比美国的耗量还多得多。按现在的 年采量，只能维持3 9 9 年；若按实际需求量( 每年5 0 亿吨) 计算，世界的石油 量储量只够用2 8 4 年。所以，全世界都面临着石油能源危机哺1 。汽车发展也面 临着石油资源短缺的巨大压力。到2 0 0 0 年底，我国民用汽车保有量已达1 5 8 0 万 辆，一些大中城市的轿车保有量增长更快 1 。而目前，我国汽车汽油消耗占整个 汽油消费量的7 5 5 随1 ，每辆车平均每年消耗汽油高达2 2 8 吨，而日本只有1 1 吨凹1 ，一方面是数量庞大的使用汽油机的汽车数量；另一方面，每辆汽油机汽车 油耗却很高，正是由于存在这样的问题，改善内燃机燃烧的问题引起了国内很多 专家和学者的关注。 由于当前我国轿车用发动机的主流仍是汽油机n0 1 ，因此就需要对汽油机作进 一步研究。回顾汽油机研究的历史，以往每项改良措施的效果评价大都针对某一 特定工况性能的改善，事实是在道路上行驶的汽车6 0 8 0 n 的时间是处于起 动、加速、减速等过渡工况，即瞬态工况。在瞬态工况时，汽油机所表现出的性 能称为汽油机瞬态性能，此时，汽油机的输出功率、油耗、排放、噪声等都将偏 离稳态性能，真实反映汽油机性能指标的是瞬态性能而非稳态性能n 2 叫引。经验指 出n 7 1 ：一台按稳态工况指标设计良好的汽油机，在实际运行中往往得不到所希望 的指标，原因是在设计中只注重稳态性能，忽略了瞬态性能。因此，对汽油机瞬 态性能的研究具有重要的现实意义。 在汽油机测试技术的发展过程中，最先是在稳态运行工况下通过采用机械式 传感及记录设备来完成试验数据的测量与记录，汽油机的测试都是在常规的试验 台架上稳态地进行。这种在稳定运转工况下进行汽油机各种参数测量的方法已不 适应对汽油机在瞬态工况下运转情况的研究，汽车的开发和设计迫切需要一种能 直接模拟汽车在道路实际行驶时汽油机所处的瞬态运行工况并能对各种参数进 行动态测量的试验台架装置。 为了研究汽油机瞬态工况与瞬态排放等瞬态性能的需要，国外已开发了先进 的汽油机动态试验台，能够实现道路负载仿真和驾驶员仿真，有较好的综合性能， 但价格昂贵。由于目前国内没有汽油机瞬态试验台生产，而通过研制瞬态油门控 制器，并将其应用到普通的实验台架上，就能够模拟汽车在实际道路上的各种瞬 态工况并通过相应的仪器对各种参数进行测量、分析，这样可以节约大量的设备 费用，具有重要的经济意义。通过应用瞬态油门控制器后，各种瞬态试验可按同 一规范进行重现和比较，能很好地进行质量检验，大大节省了新产品的研制时间， 而且排除了驾驶员的技术差异和汽车传动系的影响，试验结果更可靠，测试精度 更高，试验费用更节省，所以，开发瞬态油门控制器具有非常重要的现实意义。 2 1 2 国内外研究及应用现状 2 0 世纪7 0 年代，国外一些研究机构及公司开始研究开发汽油机动态仿真实 验系统，借助于不断更新的计算机技术和现代控制理论，经过几十年的发展，在 仿真内容、控制方法及硬件配备等多方面逐步趋于完善，己步入实用阶段，研制 成带有高精度自动控制系统的汽油机动态试验台架系统，如德国申克公司 ( s c h e n c k )“d y n a s d c 系统、奥地利李斯特公司( a v l ) “p u m a i s a c 系列， 德国西门子公司( s ie m e n s ) 的“c a t s 系列等。这些计算机控制的动态试验台架， 各个系统组成部分都具有足够高的响应速度和很小的非线性失真，可模拟汽车行 驶时汽油机所处的瞬态工况，可利用计算机程序控制对汽油机进行预置设计方案 的运转控制及把与汽车道路试验相同的负荷加载到汽油机上，可对各种参数进行 测量并直接在试验台架上进行数据处理或通过网络向上位计算机传送试验数据， 有较好的综合性能，但价格昂贵。 油门控制器在国外发展较早，在国外的研究试验得到大力发展，并日趋成熟。 油门控制器在控制策略上由先前的线性控制到现在的非线性控制；驱动由步进电 机到直流电机；集成了多种控制系统的开发研究制功能；采用冗余设计( 配备功 能相同的元件并相互检测，防止信号及功能失误而产生故障) 和系统故障检测与 失效保护等。经过三十多年的发展，油门控制器的功能已经得到了很大的完善， 控制精度非常高，并逐渐发展成为电子油门，广泛的应用在现代的汽车上，如奔 驰、b m w 以及德国大众的奥迪系列等等。 我国也有一些高校和科研单位也进行了发动机油门控制控制系统的开发研 究n 卜2 叫，如清华大学研制的油门控制器，油门执行器主要由直流力矩电机和拉线 机构构成，汽车发动机台架油门执行器内部安装与电机旋转方向相反的拉力弹簧， 控制系统通过功率驱动电路调节电机线圈中电流大小来调节其输出力矩，不同的 输出力矩可以通过与其内部拉力弹簧反力矩相平衡而稳定在任意恒定位置。油门 执行器与发动机油门相连来控制其油门位置，发动机在不同的油门位置时发出的 功率不同，直接影响着发动机扭矩和转速输出对于发动机转速调节是一个相当重 要的环节，采用p i d 控制，油门执行器具有很好的稳态和动态调节特性；此外清 华大学还在分析非线性车辆纵向动力学模型及简化模型基础上，采用一种简化非 线性模型设计自适应油门控制器，并应用李亚普诺夫理论证明了传动系统存在动 态过程时控制系统的稳定性。通过对基于简化线性和非线性模型的自适应控制器 的仿真研究，发现后者具有更好的收敛性；基于非线性模型的自适应控制器可以 通过自适应调节减小参数不确定造成的干扰，当传动系统存在动态过程时可以保 证车速跟踪误差有界。吉林大学利用p i c 系列单片机，采用参数在线p i d 控制方 法设计了一种发动机油门控制器。该控器在不需要执行机构精确数学模型的条件 下，能根据设定值与测量值的偏差自动改变算法实现对发动机油门开度的精确闭 环电子控制。该油门控制器响应速度快、超调量小、跟踪误差小，鲁棒性好。但 是都不是专门针对瞬态工况实验用的油门控制器，且操作较为复杂。 1 3 本文的主要任务 本文主要目的是开发一种运行可靠，操作简单，适用性能力比较强的瞬态油 门控制器，并应用这种瞬态油门控制器在发动机试验台架上进行瞬态燃烧试验， 换句话说，本文开发的瞬态油门控制器主要是用于实验。 燃烧过程作为内燃机工作循环的中心环节，直接影响内燃机的经济性、动力 性、和排放指标乜卜24 | ，所以对汽油机燃烧过程进行研究将有助于揭示其燃烧规律， 为实现汽油机燃烧过程优化提供理论支持和参考依据，同时也能丰富和完善发动 机的燃烧理论，研究汽油机瞬态工况下的燃烧还有助于改善汽油机的经济性。汽 油机经济性提高，单位车辆需要汽油量减少，有助于节约燃油，并有助于延长现 有石油资源使用年限，给寻找其他代用燃料和其他高效类型燃烧提供更多空间和 时间。本文的实验针对的是电喷式汽油发动机。 主要研究任务如下： ( 1 ) 归纳总结课题的研究背景、意义、国内外研究现状等，提出汽油机的瞬态 工况的概念，对典型的瞬态工况分类； ( 2 ) 针对汽油机的油门，开发瞬态油门控制器，实现各种瞬态油门操纵，即实 现油门的开度随时间变化的控制。开发瞬态油门控制器，包括执行器及控 制系统的开发，要使其能够很好的符合各种瞬态工况的要求； ( 3 ) 拟定瞬态工况，根据拟定的瞬态工况，在汽油发动机试验台架上进行试验， 测量气缸压力和曲轴转角等主要参数； ( 4 )对不同油门开启速度下的瞬态工况进行示功图分析并对试验数据进行后 处理，比较分析不同油门开启速度下的瞬态工况各燃烧参数的差别，找出 瞬态燃烧特性的规律和影响瞬态燃烧特性的因素； ( 5 ) 总结实验结果，得出不同油门开启速度下的瞬态工况的燃烧规律以及影响 瞬态燃烧特性的因素。 4 第二章汽油机瞬态工况 2 1 瞬态工况的概念 发动机的运行情况简称工况，决定于其输出的转矩( 或功率) 和曲轴的转速。 当发动机曲轴的转速刀、输出转矩疋及其内部热平衡q 基本不随时间f 变化时的工 况称为稳态工况。在稳态工况下，发动机各工作过程参数之间存在着一定的函数 关系。由于汽车发动机的实际运行工况大都随路面阻力的情况而不断变化，因此 发动机曲轴的转速力、输出转矩疋及其内部热平衡q 等参数中的一个或几个参数 会随时间f 的变化而变化，则称此工况为瞬态工况心6 3 0 | 。 实验研究发现，即使在稳态工况下也还总有偶然的不确定因素影响着发动机 的工作过程，从而使各相继循环之间气缸内的参数指标产生偏差一一即所谓的循 环变动。因此，严格说来发动机始终是在非稳定的瞬态工况下工作着，将发动机 的工况分为稳态工况和瞬态工况是相对的。通常，若在所研究的时间区段内，发 动机性能指标变动的平均偏差不超过2 口，则我们认为该工况为稳态工况。 在正常热力状态下工作的汽油机，通常是通过曲轴转速刀、输出转矩z 、节 气门( 即通常所说的油门) 开度k j 和空燃比彳f 来实现工况的调节与控制，亦即 当上述厅、z 、k 。及彳f 这四个量确定时，便确定了汽油机的工况。以时间f 作 自变量来考察，则当咖衍、识衍、扰。衍和幽f 刃这四个量都约等于零时认 为发动机处于稳态工况；当砌讲、以衍、批d 衍、剃f 衍中有一个或者多个 不为零时认为发动机处于瞬态工况。 因此在瞬态工况下，用于确定汽油机工况的参数是以、疋、k ”4 f 、咖者、 d z 西、批j 刃和幽f 出八个量。对于化油器式汽油机，空燃比么f 是油门开度 k 。及其变化率认。协的函数，电控汽油喷射式发动机在不考虑温度补偿时也是 如此。故在大多数情况下，可由，z 、k j 、砌衍、识西和旅d 衍六个量决 定汽油机的工况。 2 2 典型瞬态工况 有关瞬态工况，国内外学者依据发动机供油控制机构的变化、曲轴转速的变 化以及发动机的热力状态提出了各种不同的分类方法。吉林大学的刘忠长等学者 提出了五种典型的瞬态工况模式：恒转速变转矩工况；恒转矩变转速工况；转矩 转速正比变化工况；冷起动工况( 发动机处于反拖转态) ；自由加速工况。本文 5 认为瞬态工况的分类应以油门位置和曲轴转速的变化为基础。在汽油机典型过渡 过程( 汽油机从一个工况过渡到另一个工况的变化过程) 中包括以下一些瞬态工 况。 ( 1 ) 当汽油机曲轴转速增加、转矩也同时增加( 砌衍 o ，妃出 0 ) 时，那 么必有油门开度增加( 狄j 衍 0 ) 。 ( 2 ) 当汽油机曲轴转速增加、转矩不变( 幽，盔 o ，妲峦= 0 ) 时，则可能 出现以下两种情况： 油门开度增加( 承d 衍 0 ) ； 油门位置不变( 积d 班= 0 ) 。 实际中这两种情况经常依次发生，从而出现加速时的两个阶段，即加速初期 对应油门的开启过程，加速过程的中间段和结尾则是在油门位置不变的情况下进 行的。 ( 3 ) 当汽油机曲轴转速增加、转矩减小( 锄西 0 ，妃西 0 ) ； 油门开度不变( 越。出= o ) ； 油门开度减小( 冰d 出 0 ) ，则必有油 门开度增加( 扰j 衍 0 ) 。 ( 5 ) 当汽油机曲轴转速不变，转矩减小时( 砌衍= o ，犯衍 0 ) ，则必有油门 的开度减小( 认。衍 0 ) ； 油门开度不变( 扰d 出= o ) ； 油门开度减小( 放d 出 0 ) 。 ( 7 ) 当汽油机曲轴转速减小，转矩不变时( 砌西 o ，识衍= 0 ) ，则此时必有 油门开度减小( 批j 西 o ) 。 ( 8 ) 当汽油机曲轴转速减小，转矩减小时( 幽衍 0 ，以也 0 ) ，则必有油门 开度减小( 旅d 衍 0 ，以讲= o ) 时这种瞬态工况进行实验 研究。 6 2 3 瞬态工况下汽车发动机工作过程的特点 在瞬态工况下，汽车发动机的动力性、经济性、生态性及其他指标与稳态工 况下的相应指标相比存在差异。要分析瞬态工况与相应稳态工况下发动机工作过 程差异的特点，就必须对发动机各系统的物理现象进行分析。在瞬态工况下造成 这些差异的主要原因有： ( 1 ) 发动机运动质量惯性矩，矗的影响。它只发生在发动机转速发生改变的 瞬态过程，由于它的存在就排除了在增转速过程中获得超过相应稳态工况动力 性、经济性指标的可能性。这部分惯性功率损失。可以被减少，但不可能被消 除。比较发动机在稳定工况和瞬态工况的有效转矩乙和乃，有 l = l 一乙， ( 2 1 ) 乃= 互r l r 一，房 ( 2 2 ) 其中瓦、巧和乙、乙，分别为稳定工况与瞬态工况时的指示转矩和机械损 失转矩；，是发动机运动质量相对曲轴中心线的转动惯量；占为曲轴角加速度。 ( 2 ) 发动机内部热平衡被破坏。由于发动机各零部件热力状态不同，特别 是气缸一活塞组零部件在不同工况下具有的大热容量，将导致这些零部件地热力 状态远比发动机工况变化的时间要长。其显著特点是与发动机其他系统的瞬态过 程相比，传热系统的瞬态过程延续时间要长。发动机的每一工况对应着一定的热 力状态，这种热力状态是以气缸内传热过程的速度、组成气缸容积零部件的温度 及受热强度为标志的。 当发动机由一个工况向另一个工况过渡时，机体内的热平衡由于零部件平均 温度地变化而受到破坏。工况改变后，新的热平衡不能瞬时到来，而是需要一定 的时间来改变零部件的热力状态，以达到与发动机新工况相适应地热力状态。这 种当工况变化时零部件温度变化滞后于发动机工况的情况，被称之为热惯性。对 不同零部件和同一零部件的不同位置，这种热惯性是不同的。因此，发动机在瞬 态过程中总是存在着热力状态的滞后。这种热力状态滞后直接影响到发动机地混 合气形成与燃烧，进而对其动力性、经济性和排放特性也产生影响。 ( 3 ) 混合气形成与气缸充量的变化。与稳态工况相比，瞬态工况下发动机 工作过程参数的变化是由进入气缸的混合气量变化和混合气形成失调而引起的。 当发动机转速或转矩改变时，导致进入气缸内的新鲜充量随时间发生改变，同时 也导致充气效率发生变化。关于瞬态工况充气效率的变化特性，至今有着不同地 研究结果。有一种见解认为气缸中充气量的差异与两种因素有关：一是与瞬态过 程产生的附加空气动力损失有关。二是与增速时零部件的热力状态变化滞后于工 况的变化有关。所谓混合气形成失调或破坏，主要是指混合气成分、各缸混合气 7 的数量和质量上分配的均匀性偏离了相应稳态工况所要求的最佳值。各缸混合气 分配的不均匀性，使瞬态工作过程恶化、发动机功率下降、经济性变坏、燃烧产 物的有害排放增加。 ( 4 ) 点火失调。即使点火提前装置按稳定工况的理想点火特性工作时，也 很难保证在瞬态工况下的点火提前角处于最佳值。这是因为在瞬态工况下，气缸 内的可燃混合气成分较稳态工况时发生了变化，如加速时混合气不可避免要稀 化，且加速越快混合气往往就越稀，而传统点火提前调节装置的工作与混合气成 分的改变无关。 ( 5 ) 燃烧过程恶化。瞬态工况燃烧过程恶化是由上述一系列现象所引起的。 瞬态工况下燃烧和放热过程进行的好坏最终取决于充气效率、过量空气系数、点 火提前角和气缸一活塞组热力状态的综合影响。而影响瞬态工况燃烧过程的最重 要的原因便是混合气形成的失调。综合有关瞬态工况下燃烧和放热过程的试验研 究资料表明，诸如燃烧持续角、明显燃烧期、最高燃烧压力、压力增长率和有效 放热系数等，这些燃烧过程的参数与瞬态过程实现的方法、油门开度及其变化情 况、起始转速和瞬态过程经历的时间等因素有着极大的关系。但由于影响因素很 多，实践还不够深入，故目前尚不能阐明导致燃烧过程特性的具体原因。 除上述以外，可能还有其他因素影响着瞬态工况下发动机的性能，但以上因 素是最基本的，可以作为深入研究的基础。 8 第三章瞬态油门控制器的开发 3 1 开发目的及总体方案 3 1 1 开发目的 汽油机瞬态试验需要这样一种瞬态油门控制器，它能够实现两种控制功能： ( 1 ) 通过精确控制油门开度、匀速转角速度( 油门开启速度) 等；( 2 ) 实现重复同 一动作控制。目前国内汽油机自动化试验台架的油门控制器只有对油门开度、汽 油机转速等稳态参数的控制功能，不能实现汽油机的瞬态工况控制。所以急需开 发这样一个瞬态油门控制器，在研究汽油机瞬态燃烧及排放特性时来实现其瞬态 控制。 3 1 2 性能要求 瞬态油门控制器的性能要求如下： ( 1 ) 油门开度控制 彳一b ，( 彳 b ；么，b 1 0 0 ) ； b j 彳，( 彳 b ；彳，b 1 0 0 ) 。 彳。召为油门开度任意位置。 ( 2 ) 油门开启速度控制 油门开启速度缈可变范围：o 。s 缈9 0 。s 。 ( 3 ) 控制精度 油门位置控制精度1 。，油门开启速度2 0 s 。 3 1 3 方案选择 由瞬态油门控制器的性能要求可知，这是位置、速度运动控制系统，用电机 控制系统来实现比较适合。一般认为电机控制系统由执行电机和控制电路两个主 要部分组成2 1 。对这两部分方案选择，决定着系统的设计难度、系统性能、系统 精度以及系统成本。 ( 1 ) 执行电机的选择 运动控制系统中大多采用步进电机或数字式交直流伺服电机作为执行电机 q 以适应数字控制的发展趋势。步进电机是一种离散运动装置，它与数字控制技术 有本质联系。目前，在国内的数字控制系统中，步进电机的应用非常广泛。全数 字式交流伺服系统的出现使得交流伺服电机越来越多地应用于数字控制系统中。 两者在控制方式上相似( 脉冲串和方向信号) ，但在使用性能和应用场合上存在着 较大差异。 1 ) 步进电机和交流伺服电机性能比较 控制精度不同 两相混合式步进电机的步距角一般为3 6 。、1 8 0 ，五相混合式步进电机步距 角一般为0 7 2 0 、0 3 6 0 。也有一些高性能步进电机的步距角更小，如四通公司生 产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0 0 9 。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式 交流伺服电机为例，对于带标准2 5 0 0 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采 用了四倍频技术，其脉冲当量为3 6 0 。( 2 5 0 0 4 ) = o 0 3 6 0 。对于带17 位编码器的电 机，驱动器每接收2 1 7 = 1 3 1 0 7 2 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 3 6 0 0 1 3 1 0 7 2 = 9 8 9 秒，是步距角为1 8 0 步进电机脉冲当量的l 6 5 5 。 矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以 其最高工作转速一般为3 0 0 6 0 0 ，m i n 。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额 定转速( 一般为2 0 0 0 ，m i n 或3 0 0 0 ，m i n ) 内都能输出额定转矩。 低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象，振动频率与负载情况及驱动器性能 有关。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非 常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术克服低频振动现象，比 如在驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服 系统具有共振抑制功能，系统内部具有频率解析机能( f f t ) ，可检测出机械的共 振点，便于系统调整。 运行性能不同 步进电机一般采用开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步现象，停 止时转速过高易出现过冲现象，为了保证其控制精度，应处理好升、降速问题。 交流伺服驱动系统采用闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采 样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现丢步、过冲的现象，控制性能更为 可靠。 速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速需要2 0 0 4 0 0 脚。交流伺服系统的加速性能 1 0 较好，从静止加速到其额定转速仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，但由于交流伺服 系统成本较高，控制复杂，在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电 机。 2 ) 步进电机控制系统特点 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或转速的控制电机，每给一个脉 冲信号，电机就转动一个角度或前进一步，其机械角位移和转速分别与输入电机 绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例。步进电机广泛应用于数控机床、自动化仪表、 计算机外部设备、自动传送机械、自动加工和测试设备等各种要求定位精度高和 调速方便的场合。步进电机的特点归纳起来主要有以下几点： 电机的旋转角度与输入脉冲数量成比例，即： 9 = b 拧 ( 3 1 ) 式中：p 为旋转角度：幺为步距角，其大小为见= 3 6 0 。丸p ( 丸为相数，p 为 转子齿数) ：疗为输入驱动电路的脉冲数。电机转速与输入脉冲频率成正比，所以 转速范围从零速起到较高转速均可平滑变化。 起动、停止、正反转的响应性好。在自起动区内可瞬时起动或停止，起动 时间大约5 聊s ，瞬时停止、瞬时正反转可任意进行。 步距误差不会长期积累，可以组成结构简单而精度相当高的开环控制系 统，不需要位置反馈，系统结构简单。 负载直接与电机轴连接就可以进行超低速运行，可以不使用齿轮等减速机 构，故系统紧凑。 步进电机具有较大自保持转矩，可自由地设定其停止位置，而不靠电磁或 者机械的制动办法。步进电机不仅在励磁状态下具有大的保持力矩，即静止转矩， 而且在非励磁状态下，由于转子采用永久磁铁，也具有较大的保持力矩。 步距角选择范围大，控制灵活。 可靠性高。决定步进电机寿命的实质上是轴承；没有检测传感器和反馈电 路，控制系统简单，可靠性高。 步进电机主要应用在开环、控制精度及响应速度要求不太高的运动控制场 合。 由以上步进电机传动控制系统特点以及瞬态油门控制器性能要求可知，采用 步进电机传动控制系统，完全能满足它的性能及参数要求，并且能简化系统设计、 降低成本。 ( 2 ) 电机控制电路方案选择 在运动控制系统中，目前较为可行的电机控制电路是可编程序控制器( p l c ) 、 p c + 运动控制卡、单片机系统。现将三种电机控制电路的特点及应用分述如下： l l 可编程序控制器( p l c ) 。许多品牌的p l c 都可选配定位控制模块，有的p l c 本身就具有运动控制功能( 如松下f p 0 ) 。这种方案一般适用于运动过程比较简单、 运动轨迹固定的设备，如送料器、自动焊机等。如果需要简单修改少量运动参数， 如速度、位移，则可与工业人机界面配合使用。p l c 的接口都以模块化，使用起 来比较简单，但是成本较高。 p c + 运动控制卡。近十年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次 的开放式运动控制系统发展很快，目前正朝着标准化开放体系结构的方向发展。 p c 十运动控制卡的方案随着p c 的普及越来越多，也是运动控制系统的一个主要 发展趋势。这种方案一般用在运动过程、运动轨迹都比较复杂，而且柔性比较大 的设备，但是这种系统较为复杂，对使用者的计算机知识要求较高，开发成本也 较高。 单片机系统。采用单片机系统实现运动控制，开发难度较大，各种运动控 制函数及与上位机的接口通讯都须自己开发。要进行单片机系统设计首先必须具 有一定的硬件基础知识；其次，需要具有一定的软件设计能力，能够根据系统的 要求，灵活地设计出所需要的程序；第三，具有综合运用知识的能力。最后，还 必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的动、静态 特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。这种方案一般适用于产品批量较 大、控制系统功能简单、有单片机系统开发经验的用户。但这种方案的系统较为 简单，时序性和即时性都很高，同时成本较低。 随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度 极高的方向发展。单片机的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展， 同时其可靠性也得到了很大的提高，这使得单片机在控制系统中的应用是越来越 普遍。基于以上这些优点分析，以及经济性考虑，本文选用单片机系统。 3 1 4 控制系统总体方案 油门 匦习一圈一圈 图3 1 总体方案框图 如图3 1 中的控制系统总体方案所示，本系统由单片机、驱动器、步进电机、 油门等组成。通过单片机的外接按钮输入油门的控制参数，单片机根据输入的参 数发出指令，由驱动器驱动步进电机运转，步进电机通过传动系统与汽油机油门 相联，步进电机的转角控制油门的开度，步进电机的转角速度控制油门的转角速 度，通过这种方式，实现步进电机一一油门的开环控制。 3 2 硬件组成及设计 3 2 1 单片机系统 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力( 如算 术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理) 的微处理器( c p u ) 、随机存取数据 存储器( r a m ) 、只读程序存储器( r o m ) 、输入输出电路( i o 口) ，可能还包 括定时计数器、串行通信口( s c i ) 、脉宽调制电路( p w m ) 、模拟多路转换器及 d 转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个小而完善的计算机系统。这 些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求 的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。 图3 2 单片机及外围电路组成框图 单片机系统是指由单片机和其外围电路以及软件系统组成。由于m c s 一5 l 系 列单片机具有体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、带负载能力强、操作应 用简单方便等优点，在我国成为使用最多的一种机型，因此，选用a t 8 9 c 5 1 单片 机作为瞬态油门控制器的控制芯片。外围电路主要是由起振电路，复位电路，步 进电机驱动电路以及显示电路组成。其组成框图如图3 2 所示。 这里软件系统由汇编语言编写