外文翻译--模拟研究发动机空燃比的闭环控制系统.doc

附录A译文模拟研究发动机空燃比的闭环控制系统 张付军 ， 赵长禄 ， 黄 英 ， 郝利军 （机械与车辆工程学院，北京理工大学，北京，100081，中国）摘要 为了研究空燃比的影响因素，空燃比波动的振幅和频率，改变空着策略，提高三元催化剂的效率，开发了闭环控制系统的模型，包括:发动机、混合气的输送、氧传感器、控制器等。模拟研究了影响空燃比的各种影响因素。模拟结果表明：氧传感器的参考电压会影响空然比的数值，控制器的参数会影响空燃比波动的振幅，发动机工况决定了空燃比波动的波动的频率，通过合理选择信号的获得方法和控制器的参数可以将空燃比波动的数值降到要求的范围内，通过控制器的软件延时可以将在高转速和负荷下的更高的空燃比波动频率下降。基于模拟仿真结果的空燃比闭环控制系统，与三元催化剂中的稀土元素一起，是有害的尾气实现更有效的转化。关键词 空燃比；闭环控制；模拟仿真随着尾气排放法规越来越严格，空燃比闭环控制系统在火花塞点燃发动机上的应用越来越广泛。火花塞点燃发动机的排放水平受到三元催化装置的效率、发动机排放和空燃比控制精度的影响。如果空燃比得不到精确控制，就必须采用高效率的三元催化装置，这样就会成本上升。但是如果空燃比控制精度得到提高，则在符合统一排放法规的时候，可以采用更低价格的三元催化装置。这篇论文中，建立了装有开关型废弃氧传感器的空燃比闭环控制仿真模型。分析了控制器参数、发动机工况、EGO参考电压、EGO关于空燃比的获得信号的间隔、空燃比波动的振幅和频率的影响。发展了基于比例积分控制器的空燃比闭环控制系统，可以通过它，调节EGO参考电压 和空燃比波动频率。实验显示：通过这个系统和三元催化装置中稀土元素的应用，提高了转化效率。1空燃比闭环控制系统仿真模型ECU通过修改喷油器的流量控制空燃比。燃油流量控制模式包括开环和闭环两种模式。开环控制又可以进一步分为两种情况：稳定和动态。在稳态情形下，燃油的流量主要由空气量和发动机转速决定。在动态情形下，喷油量有发动机温度和节气门位置传感器进行修正。在闭环控制模式中，ECU根据安装在排气系统总的EGO信号修改喷油量，这个信号能说明空燃比是出于较大或是较小的状态。所以，将空燃比控制在最佳空燃比的附近并且三眼催化装置有更高的效率。由于EGO传感器反应较慢和闭环控制，空燃比的控制主要是通过动态的状况下的动态喷油补偿来实现。这篇论文，主要研究稳态工况下空燃比的闭环控制。仿真模型包括：进气模型、油气混合传输模型、EGO传感器模型和控制器模型。1.1 吸气模型 根据速度密度函数，吸气进气流量可以计算如下： 其中：Vd是发动机的排放量，Tm是吸入空气的温度，R是通用的进气的常量，v（n，pm）是转化效率，这是一个关于发动机转速n和进气歧管压力pm 函数。 在正常的工况下，转化效率主要由发动机转速和负荷决定。泰勒研究了转化交换的过程，分析了各种因素对它的影响，最终得到了如下表达式1： 通过研究某一发动机，Dave Trumpy得到如下转化效率和进气歧管压力之间的关系： 为了表达转速对转化效率的影响，表达式（2）改善如下： 其中：o（n）和po（n)是节气门全开状况下的转化效率和进气歧管压力，可以通过性能模拟或标定试验得到。根据表达式（3），有： 1.2 EGO模型1.2.1 EGO稳态模型 EGO是空燃比闭环控制系统中的重要传感器，它的信号值在最优化的值附近跳动，这能反映空燃比究竟是较优还是较差。用如下函数式说明它的输出特性： 其中：t是信号跳跃处的空燃比，k是控制控制跳跃率的函数，在这片论文中，k=4，t=14.61.2.2 EGO的动态模型 稳态模型描述了当空燃比变化缓慢时空燃比和EGO信号Vs之间的关系。实际上，空燃比的变化速率很快，所以EGO的动态特性对空燃比闭环控制的影响就得考虑。William J.Fleming用图一所示的电 路图表达了EGO动态特性。其中：Riga是二氧化锆传感器的电阻，Ra是电极的电阻，Vm是内部的电子电压，Vs是EGO的输出。这个电路描述了内部电场对EGO输出信号的影响，这个模型描述了EGO传感器作为一阶延迟，转化函数是：处于数十到数百微妙之间。 其中：Te0是操控条件确定的的时间1.3 油气混合气输入模型 油雾的输送过程包括在进气口油、气的混合，发动机工作循环，排气管中尾气的形成与输送，最终到达EGO传感器。Onder 开发了一种滞后的六阶模型以控制单个气缸的空燃比3。这个模型不仅考虑了进气口处油膜的动态过程，也考虑了排气管的布置方式。在空燃比闭环控制系统中，输送模型通常用二参数模型来描述4,5。参数之一用来表示由于发动机气体输送的非持续过程引起的延时（用Le表示），另一个参数用来表示混合气的形成和尾气的混合吗，其作为一阶延时（时间常量是Te）。Le由两部分构成：一是发动机工况非持续过程，另一个是气体输送的非持续过程。前一部分是由诱导期确定曲轴转角常量。后一部分是由气体流速所决定。根据文献4，Le可以表示为： 其中：Le0是操控条件的延时（n0，pm0），n是发动机转速。时间常量Te主要由电流的大小所确定。电流越大，时间常量越小。1.4 控制器模型 修改因子模型可以由人工智能控制器的模型得到。对于一个连续系统，人工智能控制器的输出可以表示为： 其中：m（t)是人工智能控制器的输出，e（t）是控制参数实际值和目标值的差值，Kp、d分别是比例参数和系统输送的延时。表达关于公式（4）的Z过渡： 其中：Ts是信号获得期。d是信号输送延时。表达关于公式（5）的反Z过渡： 其中：n表示离散时间点。而对于开关型EGO，只有两种输出值，假设输出为： 其中：Vs是输出电压，Vs0是最佳空燃比的数值。此时，e（n）接近于0，将Vs控制与最佳值的附近。公式两边都加上一，得到空燃比的修正系数： 对于开关型EGO，e（n）只能是+1或-1，所以也可以表示为： 2 空燃比闭环控制模拟仿真 为了鉴定模型的精度，在典型的工况条件下测定空燃比波动的周期与振幅。当控制器参数一致时，试验与模拟仿真结果比较在表一中给出。从中可以看出，仿真模型可以表示闭环系统的特征。 表一：试验与模拟仿真结果比较（控制器参数一致） 2.1 EGO的参考电压对空燃比的影响表二说明了EGO的参考电压对空燃比的影响。试验和模拟仿真的结果都说明：不断提高的EGO参考电压将导致空燃比的下降，不断下降的EGO参考电压将导致空燃比的上升。所以说明模拟仿真模型说明了空燃比控制系统的特性，也具有更好的精度。根据这个结果，设计的控制器要具有调节EGO参考电压的能力。所以可以根据不同工况下不同的排放控制空燃比为不同的数值。这项措施可以提高循环试验中汽车的排放水平。 表2 EGO参考电压对空燃比的影响2.2 控制器参数对空燃比的影响 表三说明了：在两种工况下控制器参数对空燃比波动周期与范围和空燃比平均数值的影响。从表三中可以看出：比例积分参数对空燃比的范围有很大的影响，过大的数值将会导致大范围的空燃比。控制器参数也会影响到周期和平均数值，但是这种影响很小。空燃比波动的周期主要由运行工况决定。 表3 控制器参数对空燃比波动周期与范围和空燃比平均数值的影响2.3 获得方法、EGO信号间隔、控制器参数之间的关系 对于空燃比波动的周期、振幅速度的曲线，图二给出的是基于时间获取，图三是基于角度获取。从图二可以看出：在基于时间获取的情况下，更低转速下小获取间隔的曲线，图二给出的是基于时间获取，图三是基于角度获取。从图二可以看出：在基于时间获取的情况下，更低转速下小获取间隔图三说明：在基于角度获取的情况下，与基于时间获取相比，振幅随着速度的变化正好相反。这是由于随着速度的上升，获取时间间隔成比例的下降。但是空燃比波动周期的下降率要下降。这将导致在更高的转速范围内，EGO信号持续呈现高水平。所以这个影响因素很大，空燃比振幅上升很快。然而但获取的时间间隔增大时，振幅随着速度的变化很小。所以在基于角度获取时，根据跟高转速的要求决定获取的时间间隔。2.4 操控条件对空燃比的影响 从表一和表三中可以看出：空燃比波动频率在高转速和大负荷下将会上升到5.0到6.0赫兹。但是已经证明，频率应该控制在0.5到2.0赫兹之间。在这个频率范围内，将会提高氧气储存容量和高转化效率，这也会提高控制系统相对于发动机运行变化和三元催化装置的适应性。为了避免高转速和大负荷下的过高的频率，在控制器中应用软件延时的方法。根据一阶转化函数，有： 用拉普拉斯算子进行反向转换，我们得到一阶延时函数的原函数， 假设采集时间是，得到离散形式： 递推公式是： 图3空燃比函数的周期、振幅转速 （基于转角获得）图2空燃比函数的周期、振幅转速 （基于时间获得） 改变软件延时常量Td将会改变波动频对于操控条）和同一控制器参数，Td可以有效的控制空燃比波动频率，仿真表明：Td分别每增加0.03、0.15、0.30，频率就会分别下降4、3、2赫兹。3 控制系统的实验根据模拟仿真，控制软件发展了如下特征：利用基于时间的EGO信号采集方法，采集间隔时0.03秒。 可以根据转速和负荷标定EGO信号的参考电压。 可以根据转速和负荷标定软件时间常数Td。应用以上控制器和稀土元素的三元催化转化装置，建立排放控制系统。稳态下的排放比较I见表四。 表4 排放比较4结论 以下结论是由仿真和实验研究获得： 空燃比的波动频率主要由操控条件决定，控制器参数应该和操控条件兼容。 信号获得方法对空燃比的控制有很大的影响。采集间隔根据基于时间的获取和基于角度的获取分别由高速和低速的要求来决定。采集间隔和控制器参数的灵活选择而确定的灵活的数值，可以控制发动机整个操控范围内的空燃比波动的振幅。 EGO参考电压影响空燃比平均值。这个值越高，平均值越小；这个值越低，平均值越大。 可以通过在控制器中引入软件延时控制在高转速和大负荷下的空燃比波动的过高的频率。所以可以提高三元催化装置的氧储存容量和转化效率。也可以提高控制系统相对于发动机工况变化三元催化转化装置的兼容性。这个控制系统和三元催化装置一起获得了更好的转化效率。参考文献1Talor.CF .内燃发动机的理论与实践，第一、二卷M.剑桥：麻省理工大学出版社，1965.2Fleming.W J.氧化锆氧传感器等价的电路模型R.汽车工程师协会800020,1980.3Oder.C H,Roduner