《车用发动机电子控制技术》课件-第二章 发动机的控制计算模型

第二章发动机的控制计算模型第一节发动机转矩的计算模型第二节进气压力的计算模型第三节燃料喷射量的数学模型第四节发动机角速度的计算模型第五节发动机的控制逻辑发动机控制逻辑：由探索性或启发性的方法构成，并不完全是基于物理模型或控制理论推导出来的。

为了便于说明，尽可能从基本物理法则推导出其数学模型，由此说明发动机控制逻辑的基本概念。数学模型：只简便地描述操作量和控制量之间的关系式。

特点：控制参数的易调整性和简易性；

存在的问题：控制逻辑模型和实际现象并不一致。第一节发动机转矩的计算模型一、假设条件汽油机燃烧过程在上止点瞬间完成；膨胀、压缩行程为绝热过程；进气行程中气缸内的压力等于进气管内压力；排气行程中气缸内的压力等于排气管内压力。则一个工作循环由热能转换的机械能p：气缸压力；V：气缸容积设pin：进气道压力；pex：排气道压力；Va：气缸总容积；Vc：压缩容积；k：等熵指数；

并假设成无限大容器；燃烧所释放热量为Q。则这里，与V有关的项积分一个循环时为常数；令aw1、aw2、aw3分别为与pin、Q、pex相关的积分常数则上式简化成：二、进气量和进气压力的关系设进气行程中缸压pin；进气门开启时气缸容积为Vio，进气门关闭时气缸容积为Vic；缸内吸入的空气质量流量为qmcf；EGR的质量流量为qmcE；等熵指数k；混合气体气体常数为Ri；进气温度为Ti；忽略气缸壁的热传递损失；则由能量守恒原理：表示：进气行程开始到终了时缸内内能变化=进气流入时的流动功、EGR流入时的流动功及活塞所做的负功之代数和。实际进气量受缸壁传热等现象的影响；k及混合气成分又受到残留气体及EGR的影响，直接影响实际进气量。∴

实际缸内进气流量为气缸内进气流量EGR率定义E为对稳定工况：EGR率一定

进气量与平均进气压力成正比

则

总进气量：其中，进入气缸的新鲜空气流量：进入气缸的EGR流量：设目标空燃比为，则燃料喷流量：三、平均输出转矩假设燃烧所产生的热量Q与所供给的燃料量成比例令发动机输出转矩为Ttq，曲轴转角为

，则A：气缸横截面积；r：曲柄半径；l：连杆长度设缸数为i，各缸所做的功W相等，则一个循环平均输出

转矩Ttqm为所以，有由此可知，在空燃比A/F=

大的稀薄混合气中，pin增大，意味着泵气损失减小；若增加EGR率，pin亦增大，所以泵气损失也降低。速度-密度式控制系统，需制取3DMAP(qmcf-pin-n),

然后各工况进气量用4点插值运算来确定第二节进气压力的计算模型进气压力的计算模型模型简化：将发动机间歇性工作过程按进气行程进行时间平均，并用集中常数系统来代替实际进气系统。由质量守恒原理mif:进气室内新鲜气体量；miE:EGR量；qmtf:流经节流阀的空气质量流量；qmtE:流经EGR阀的EGR流量；qmcf:流入气缸的新鲜空气质量流量；qmcE:流入气缸的EGR质量流量流经节流阀体的新鲜气体质量流量：流经EGR阀的EGR质量流量：式中，这里，pa/

a:节气门处气体压力/密度；pE/

E:EGR阀处气体压力/密度；Af/AE节气门/EGR阀的流通面积当发动机转速为n，气缸数为i时：（循环平均值）（循环平均值）当节气门开度为

f时

D:气缸直径；Cf:流量系数。设进气系统的气体质量、密度、压力以及容积分别为整理：对绝热的进气过程：令声速为c：则与pi=pif+piE有关的微分式可表示为则：第三节

燃料喷射量的数学模型MPI燃料喷射模型一部分直接喷入气缸，另一部分附在进气道内壁和进气门表面形成燃料油膜后，逐渐蒸发而流入气缸。每循环残存在进气道上的燃料量mfw的数学模型:

mfw:形成油膜的燃料量；mfi:燃料喷射量；mfc:喷入气缸的燃料量；

:油膜残存率；k:循环数；r:喷射燃料附着率。在上两式中消除mfw，得

改变燃料喷射量mfi，测排气中氧浓度，用mfc推测缸内瞬时空燃比，则上式的误差为

定义评价指标函数J:用最小二乘法令J最小，由此确定

和r值怠速等不能氧传感器反馈控制的工况，喷油量的确定设目标空燃比为

r，进入气缸的空气质量推测值为mcf，则气缸内的目标燃料量mfcr为

f1,f2均为常数按下例控制模型求出f，使得|

+r|<1，并对控制器内部模型进行反馈控制，可获得逆数学模型。这样可避免

和r值引起的不稳定现象，并根据任意目标mfcr值来设定燃料喷射量mfi：第四节发动机角速度的计算模型目的：为了求得怠速控制方程单位时间内发动机曲轴旋转角速度变化量为Ti：指示转矩；Tl：驱动负载转矩；Tf：机械损失转矩Tf与角速度的关系：当EGR率和空燃比一定时：则角速度的动态特性：在怠速时停止EGR，且进气压力在临界压力以下时，怠速控制逻辑式：∵

∴令则对一个循环积分上式，得∵系统是多输出，对上两式适用最佳LQ（线性二次型）调节器，得到以下的控制方程：

r：目标怠速转速；fs1、fs2、fs3：分别为常数最终怠速控制方程：称严密的线性化方程非线性怠速控制实际控制中，通过LQI（线性二次型积分）控制，在上式控制方程上加积分控制项（图所示）第五节

发动机的控制逻辑一、低排放化控制汽油机排气净化的主要技术措施：A/F精确控制+三效催化装置关键：精确测量进入气缸的空气质量流量qmcf

精确控制A/F的前提。1）每一缸每循环实际进气质量流量的确定：qm：每循环进入气缸的空气总质量流量，由流量计测得或

in和n

推测；i：气缸数质量流量法：稳定工况下可精确测得qm，有利于修正燃料的迟后现象，因此A/F控制特性好；但流量计的响应特性快，能补偿过渡工况下所测qm(qmcf)的动态效应，过渡工况误差较大；而且在高负荷领域进气脉动大，也影响测量精度。密度-速度法：对qm的推测精度受排气压力和进气温度的影响，其精度不高，但良好低反映过渡工况qm的变化。若用进气下死点的压力来推算qm时，进气脉动的影响很小；而采用氧传感器反馈控制时，可修正低频侧的控制误差，所以A/F控制精度足够。

∴为了提高A/F控制精度，首先要提高气缸内进气量的测量精度，并需要修正燃料的迟后现象。

稳定工况下：控制方程∝Af∝AE令微分方程式的初值为qmcf(k)，则求得

曲轴转角后的进气流量：当用pin推测qmcf时，由式求出的预测值，并通过解上述联立方程求得pif和piE的预测值设

和pi为一定，则上式离散化后，有空燃比控制系统的组成2）空燃比的控制:由开环控制部分和闭环控制部分组成

开环控制部分基本喷射两的确定：；或

：油膜残存率r：喷射燃料的附着率闭环控制部分：通过氧传感器对开环控制的A/F误差进行修正。A/F反馈控制：根据燃料喷射量的偏差e

计算模型求出控制量理论A/FDE控制效果的评价指标函数：实际上，求出矩阵式中的状态参数渐近稳定于[0，0]T的控制方程即可。若采用LQI最适调节器，控制方程为：∵e

不能测量，∴由实际过程中，为了消除噪音，采用低通滤波器，∴按下式推算最终的控制方程为右边第3项是将发动机运转范围划分几段，每段保持一定值二、低油耗、高性能控制提高经济性的措施：提高燃烧效率：改善燃烧过程：HCCI/PCCI/RCCI

实现高压缩比化：米勒循环降低泵气损失：

采用EGR：外部EGR+节气门开度