1、1 緒言1.1 本課題的研究背景隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車產(chǎn)量和保有量與日俱增，汽車排放對大氣污染也日益嚴(yán)重，人類生活環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。開發(fā)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放俱佳的汽車已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。世界各國都制定了日益嚴(yán)格的排放法規(guī)。1960年美國南部的加利福尼亞州制定了世界上第一個汽車排放污染限制法規(guī)，1968年美國又頒布了聯(lián)邦排放法規(guī)，以后一再修訂，日本與歐共體國家(即如今歐盟國家)也相繼制定出排放法規(guī)。排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，使傳統(tǒng)的化油器及機(jī)械點(diǎn)火發(fā)動機(jī)難以滿足要求。也制定了相應(yīng)的政策。從2003年7月1日起，我國實(shí)行歐排放標(biāo)準(zhǔn)，而北京在2002年8月1日

2、就提前執(zhí)行了歐排放標(biāo)準(zhǔn)，并計劃到2008年的奧運(yùn)年將執(zhí)行接近于歐iv水平的新排放標(biāo)準(zhǔn)。世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)問世以來，隨著各種新技術(shù)的不斷應(yīng)用，其性能有了顯著的提高。特別是近三、四十年內(nèi)，電子技術(shù)得到飛速發(fā)展，各種高性能和高可靠性的傳感器、微處理器和執(zhí)行器相繼問世，使得電控技術(shù)在發(fā)動機(jī)性能優(yōu)化中的應(yīng)用成為可能。電控技術(shù)所帶來的高燃油經(jīng)濟(jì)性、大功率輸出、低排放、優(yōu)良的冷啟動和暖機(jī)性能、怠速控制精確等優(yōu)點(diǎn)使其在現(xiàn)代發(fā)動機(jī)中處于舉足輕重的地位。其中，空燃比的精確控制是一直關(guān)注的焦點(diǎn)問題。眾所周知，空燃比是發(fā)動機(jī)運(yùn)行時的一個重要參數(shù)，對尾氣排放、發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性都有很大的影響。隨著空氣污染的日益嚴(yán)重，對汽車

3、尾氣排放要求越來越嚴(yán)格，需要對空燃比進(jìn)行精確的控制。目前，電控燃油噴射結(jié)合三元催化轉(zhuǎn)化技術(shù)己成為車用發(fā)動機(jī)降低排放的最直接有效的方式。然而，三元催化器的轉(zhuǎn)化效率受空燃比的影響很大，研究表明，要想獲得較高的轉(zhuǎn)化效率(80%以上)，要求空燃比控制在化學(xué)計量比(即空燃比為14.71誤差不超過士3.5%2。進(jìn)氣流量的精確測量是空燃比控制的基礎(chǔ)，按所采用的傳感器不同分為基于進(jìn)氣壓力測量和基于進(jìn)氣流量兩類，其中，基于進(jìn)氣流量的空氣質(zhì)量傳感器在汽車上得到了較為廣泛的應(yīng)用。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳感器的特性問題成為研究的重點(diǎn)，對傳感器的建模精度有了更高的要求，種傳感器都存在傳感器動態(tài)非線性，再使用線性動態(tài)模型

4、和校正方法無法解決上述問題3。為此，國內(nèi)外專家開始研究傳感器的動態(tài)非線性問題，目前主要集中在傳感器的動態(tài)非線性建模上。有以下幾種模型:(1)volterra級數(shù)4。該模型的物理意義清晰，但系數(shù)較多，尤其是volterra級數(shù)高階核非常復(fù)雜，還需要構(gòu)造特殊要求的輸入信號，不易辨識。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)為非線性，但其實(shí)時性差，計算量大，對傳感器輸入信號有要求。同時，模型存在收斂問題。(3)塊聯(lián)模型，典型的有wiener和hammerstein模型。此類模型結(jié)構(gòu)簡單，非線性和線性分開識別，大大降低識別復(fù)雜度。同時，也便于非線性校正。為了精確控制空燃比，需要研究關(guān)鍵傳感器的動態(tài)特性。針對上

5、述傳感器，國內(nèi)外專家使用各種方法進(jìn)行動態(tài)特性的研究。buehler等提出以綜合信息方法分析和控制熱膜/線式maf傳感器，以節(jié)流閥位置傳感器和發(fā)動機(jī)速度傳感器的信息，來預(yù)測空氣質(zhì)量流量傳感器的輸出，并將預(yù)測值與實(shí)測的空氣質(zhì)量流量傳感器輸出進(jìn)行比較，調(diào)整模型參數(shù)，得到空氣質(zhì)量流量傳感器在不同進(jìn)氣量下的特性，以控制進(jìn)氣量5。mrad等提出用時變自回歸滑動平均(tarmax)模型描述maf傳感器的動態(tài)非線性特性，預(yù)測傳感器的響應(yīng)6。follmer w c和ziesmer d a等人利用擾動測量技術(shù)對熱線式maf傳感器小信號激勵下的響應(yīng)特性進(jìn)行了研究7，但由于對其呈現(xiàn)出的整個變化特性缺乏了解，因而在ec

6、u傳統(tǒng)的控制策略中傳感器的動態(tài)特性并未被充分考慮，以至于存在大的進(jìn)氣脈動時，無法準(zhǔn)確地測量平均進(jìn)氣量8。但是這些方法或計算復(fù)雜，或難于實(shí)現(xiàn)，也不利于傳感器的動態(tài)校正。國內(nèi)，針對maf傳感器動態(tài)特性和動態(tài)非線性建模的研究較少。上海理工大學(xué)的李長武等設(shè)計了適用于內(nèi)燃機(jī)的熱線式態(tài)性能的研究9。上汽集團(tuán)工程研究院研制了熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器，但沒有進(jìn)行動態(tài)性能研究10。長安大學(xué)的吳克剛從理論山分析了熱模式傳感器的動態(tài)特性11。但給出的數(shù)學(xué)模型與敏感元件的結(jié)構(gòu)、材料、電橋電路和放大器的參數(shù)有關(guān)，僅對傳感器設(shè)計有指導(dǎo)意義，無法用來分析產(chǎn)品型傳感器的實(shí)際特性。氧傳感器的響應(yīng)特性不僅影響到空燃比的精確測量，

7、而且影響到反饋控制器的調(diào)節(jié)時間和控制精度。出于各種目的，人們通過實(shí)驗對不同氧傳感器的動態(tài)性能進(jìn)行了研究。合肥工業(yè)大學(xué)的談建等在發(fā)動機(jī)實(shí)驗臺上，采用比較法對ego傳感器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗，根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)，利用分段多項式法和非線性回歸分析法建立了傳感器的靜態(tài)模型，取得了較好的結(jié)果12。任好等初步設(shè)計了動態(tài)標(biāo)定實(shí)驗方案，研究ego傳感器的動態(tài)特性，并采用了塊聯(lián)模型的建模方法解決其動態(tài)非線性問題13。limaoqing等人將tioz薄膜氧傳感器安裝在溫度恒定的電加熱爐內(nèi)，通過改變co和co2的流量或n2和o2的流量來調(diào)整爐內(nèi)氣壓，研究了傳感器動態(tài)特性，正、負(fù)階躍的時域響應(yīng)對比。為了估計氧傳感器的中毒情況

8、，massimocarriero等人14通過采用兩個不同的加熱裝置(高溫硅油和電加熱器)把氣體加熱到實(shí)際廢氣溫度，利用計算機(jī)控制3種不同模擬氣體的流量，以實(shí)現(xiàn)n2/o2混合氣和n2/co混合氣的快速切換，并利用n2來排出管道中的殘余氣體。根據(jù)一組在汽車上使用過的氧傳感器的動態(tài)特性測量結(jié)果，得到了不同的兄傳感器開關(guān)特性與afr漂移對稱性的關(guān)系。羅志安15等人在汽油發(fā)動機(jī)臺架上，對自行研制的hego傳感器響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。研究表明，若定義響應(yīng)時間為入值發(fā)生變化，傳感器輸出達(dá)到始、末狀態(tài)變化量的2/3所需時間，當(dāng)入在0.961.04之間變化、排溫為350和800時，混合比由稀到濃和由濃到稀的傳感器

9、響應(yīng)時間分別為95ms、600ms和80ms、580ms。為了研究不同工作條件對hego傳感器氧敏響應(yīng)特性的影響，林健等人16在氧傳感器專用測試平臺上進(jìn)行了一系列實(shí)驗研究。結(jié)果表明，當(dāng)定義響應(yīng)時間為傳感器輸出在300mv600mv之間的切換時間時，在排溫分別為350、650、850，從1.1變化到0.97和0.97變化到1.1時，氧傳感器響應(yīng)時間分別為6lms、106ms、144ms和98ms、30ms、22ms。根據(jù)cookj.a等人的研究，認(rèn)為zro:ego傳感器對空燃比階躍變化的典型響應(yīng)時間小于300ms17。1.3 本課題研究內(nèi)容簡介1.3.1 研究意義 目前，日益嚴(yán)重的全球環(huán)境惡化己

10、威脅到人類的生存和社會的發(fā)展，環(huán)境問題己被公認(rèn)是當(dāng)今世界所面臨的最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，機(jī)動車尾氣排放是造成環(huán)境污染的主要原因之一18。據(jù)有關(guān)資料介紹，世界汽車保有量己經(jīng)達(dá)到6.5億輛以上，我國汽車也超過1000萬輛，汽車數(shù)量和行駛密度的不斷增加，加劇大氣污染程度。我國首都北京地區(qū)大氣環(huán)境中co、hc、nox的含量己經(jīng)超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，大氣污染物中60.6%的co、8.68%的hc、5.47%的nox來自機(jī)動車輛的排放19。同時，有限的地下石油資源枯竭之日己近在眼前，據(jù)有關(guān)經(jīng)濟(jì)學(xué)家的反復(fù)論證，到2010年世界經(jīng)濟(jì)將發(fā)展到能源消耗的高峰，而世界上現(xiàn)已探明的石油儲量到屆時夠用時間已縮短到30年，原先

11、的產(chǎn)油國在21世紀(jì)將變成進(jìn)口能源的國家，各國為能源安全而展開的石油爭奪戰(zhàn)將更加激烈20。為此，減少同等汽車數(shù)量條件下的汽車排放，提高汽車對石油的使用效率成了如今的一個重要議題，其中，提高三元催化轉(zhuǎn)化裝置的轉(zhuǎn)化效率是一個重要的措施。然而，只有通過準(zhǔn)確的將空燃比控制的14.7的水平，三元催化轉(zhuǎn)化裝置才能以最高的效率工作，本文就是研究怎樣將空燃比控制在14.7的水平。1.3.2 研究內(nèi)容 本課題研究燃用氣體燃料發(fā)動機(jī)的空燃比控制技術(shù)。在本課題中采用過量空氣系數(shù)。來表征發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的空氣量和燃料量之比。當(dāng)al.000時，說明這時混合氣狀態(tài)為稀。本課題所研究的空燃比控制器要求燃料空燃比控制系統(tǒng)能夠根

12、據(jù)不同的a況快速反應(yīng)，調(diào)整燃料噴射量，使發(fā)動機(jī)過址空氣系數(shù)a穩(wěn)定在三元催化轉(zhuǎn)化器有效工作范圍內(nèi)（0.995-1.005），實(shí)現(xiàn)良好的排放性能。 另外為實(shí)現(xiàn)空燃比控制系統(tǒng)有效的轉(zhuǎn)化，本文還設(shè)計了實(shí)現(xiàn)此功能的控制電路；選擇了作為輸入裝置的廢氣氧傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器；燃油噴射時間和噴射時刻的控制電路。1.3.3 研究方案與技術(shù)路線 本課題運(yùn)用開環(huán)和閉環(huán)來控制燃?xì)鈬娚淞颗c噴油的時刻。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于過渡工況，如加載、卸載和加減速時，運(yùn)用開環(huán)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號和節(jié)氣門位置信號對事先制取的燃?xì)鈬娚湔伎毡萴ap圖進(jìn)行取值操作，從而控制噴油量和噴油時刻。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定工況時，系統(tǒng)就采用開環(huán)與閉環(huán)

13、相結(jié)合的方式控制，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)中氧傳感器反饋的廢氧濃度信號不同，采取不同的空燃比控制策略實(shí)時計算噴氣占空比，使系統(tǒng)工況較快穩(wěn)定并達(dá)到較佳廢氣排放濃度。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，當(dāng)廢氧濃度波形信號較大程度偏離理想波形信號時，系統(tǒng)就采用增量逼近法，使空燃比快速地逼近理想空燃比范圍(表現(xiàn)為過量空氣系數(shù)。處于在窗口內(nèi))；當(dāng)廢氧濃度波形信號接近理想波形信號時，系統(tǒng)就采用pi控制，使空燃比穩(wěn)定于理想空燃比范圍:當(dāng)廢氧濃度波形信號處于低速振蕩時，系統(tǒng)就采用固定增量法，使空燃比收斂于理想空燃比值。為實(shí)現(xiàn)研究目的，本課題主要工作包括如下幾個部分：首先是空燃比控制系統(tǒng)電路設(shè)計。在電路中可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置及氧傳感器信

14、號的采集、對電磁閥的驅(qū)動、噴油時刻的驅(qū)動及對上述參數(shù)的顯示。其次，制取部分工況的燃?xì)鈬娚湔伎毡萴ap圖。在這些實(shí)驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過線性插值方式對map圖進(jìn)行補(bǔ)充，為燃?xì)鈬娚淇刂葡到y(tǒng)執(zhí)行開環(huán)控制提供完善的燃?xì)鈬娚湔伎毡葦?shù)據(jù)。 最后是空燃比控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，使系統(tǒng)在不同的工況下按預(yù)定的控制方案對空燃比進(jìn)行控制。2 尾氣排放控制與空燃比2.1 尾氣的構(gòu)成及產(chǎn)生機(jī)理發(fā)動機(jī)排放污染物有一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔锖臀⒘５?1，這些污染物對人體健康構(gòu)成了極大危害，而且，排出的二氧化碳由于溫室效應(yīng)，對大氣環(huán)境有嚴(yán)重的影響。一氧化碳是無色、無味、有窒息性的毒性氣體，由于co和血液中有輸氧能力的血紅素蛋白

15、的親和力比氧氣的親和力大300倍，很快會形成碳氧血紅蛋白，阻礙氧的運(yùn)輸，導(dǎo)致低氧血癥，是心臟、器官的功能嚴(yán)重受損，引起頭暈、惡心、頭痛等癥狀，輕度中毒將機(jī)理主要有以下幾條：1.燃燒不完全燃燒。co是烴類燃燒在燃燒過程中由于缺氧而不完全燃燒的產(chǎn)物，理論上空燃比a=14.9時，烴類能完全燃燒，生成co2和h2o；當(dāng)a14.9）時，混合氣也不可能絕對的均勻，總會有過濃區(qū)，就會產(chǎn)生co。3.co2與h2o在高溫下裂解。當(dāng)發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)溫度超過2000，co2就會發(fā)生高溫裂解反應(yīng)，溫度越高，離解反應(yīng)越嚴(yán)重，生成的co愈多。碳?xì)溲趸镉袛?shù)百種成分，基本上無色無味，對血液和神經(jīng)系統(tǒng)有害，特別是多環(huán)芳香烴類有致

16、癌作用。其中碳?xì)浠衔铮╤c）的排放的生成與排放有以下三個方式：1.未燃的hc隨著燃燒后的尾氣、通過活塞與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱、從發(fā)動機(jī)和汽車的燃油系統(tǒng)三個方式散發(fā)。2.冷激效應(yīng)。燃燒室壁面對火焰的迅速冷卻時火焰不能一直傳播到缸壁的表面，在表面山留下一薄層未燃燒的的或不完全燃燒的混合氣。冷激效應(yīng)是冷啟動、暖機(jī)和怠速工況時hc的重要來源。3.油膜和沉積物吸附 。在進(jìn)氣和壓縮過程中，汽缸套壁面和活塞頂面上的潤滑油膜會吸附未燃混合氣的燃油蒸汽，隨后當(dāng)混合氣中燃油濃度由于燃燒而降到零度時，油膜就釋放出油氣。由于釋放時刻較遲，只能部分被氧化。這種機(jī)理產(chǎn)生的hc占總量的25%30%。4.火焰淬熄。在冷

17、啟動和暖機(jī)工況下，因發(fā)動機(jī)溫度較低只是燃油霧化蒸發(fā)和混合氣形成變差，從而導(dǎo)致燃燒變慢和不穩(wěn)定，有可能使火焰在到達(dá)壁面前因膨脹是缸內(nèi)氣體溫度和壓力下降造成可燃混合氣大容積淬熄，使hc排放激增。這種情況在混合氣過稀和過濃時，或排氣再循環(huán)率大時，或怠速和小負(fù)荷工況下發(fā)生。加、減速瞬態(tài)工況更容易發(fā)生溶劑淬熄，是hc排放激增。氮氧化合物，這主要是指的no。 no為無色無味氣體，只有輕度濃度時，刺激性和毒性都不大，工濃度時會造成中樞神經(jīng)有輕度障礙，但no易被氧化成no2，這是一種毒性有刺激性的有毒氣體。對人體個器官尤其是肺部影響嚴(yán)重。 21影響no的因素有三個：1.氧的濃度。在高溫條件下，氧的濃度時生成n

18、o的重要因素。在氧濃度低時，即使溫度高，no的生成也要受到限制。2.溫度。高溫時最重要的條件，即使氧很充足，但燃燒溫度不高，氧的分解進(jìn)行也很慢，no的生成濃度很低。當(dāng)反應(yīng)溫度從2237到2337時，no的生成速率幾乎可以快一倍。燃燒進(jìn)行的愈充分，燃燒溫度愈高，no的濃度也愈高，這也就是no與消耗之間相互矛盾的原因。因為從燃油經(jīng)濟(jì)性觀點(diǎn)來看，就要求燃燒效率高，燃燒進(jìn)行的越充分完全，也就是要求燃燒速率快，并使燃燒散熱集中在上止點(diǎn)附近，而這樣燃燒溫度必然高，因而no生成量就多。3.反應(yīng)滯留時間。如果燃?xì)庠诟邷馗谎醯臈l件下滯留時間長，no生產(chǎn)量必然增多。no生成反應(yīng)是可逆的反應(yīng)，但no在燃?xì)庵心娣磻?yīng)速

19、率緩慢，從而使缸內(nèi)的no實(shí)際濃度由于逆向反應(yīng)速率太低而幾乎沒有下降，no就會凍結(jié)在一個非平衡的高濃度水平上而從尾氣中排出。2.2 控制尾氣排放的措施 影響汽油機(jī)有害物生成的主要因素有混合氣的成分、點(diǎn)火正時、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、工況等幾個因素。2.2.1 混合氣的成分汽油機(jī)是一種預(yù)混燃燒，其可燃混合氣濃度范圍比較窄，而且在怠速、滿負(fù)荷工況下處于濃混合氣工作，因而混合氣成分是影響排放的的最主要的因素。隨著空燃比下降混合氣變濃，燃燒時氧氣相對不足，不完全燃燒物生成增加，使co、hc迅速增加，在空燃比大于14.9以后，co濃度已經(jīng)很低了，但隨空燃比濃度比再增加時，因混合氣濃度不均勻造成局部缺氧仍有少量co生成

20、。同時，因為co氧化反應(yīng)速度慢，燃燒溫度下降，使hc排放也增加。nox濃度峰值出現(xiàn)在理論空燃比偏稀的一側(cè)，反應(yīng)出高的no生產(chǎn)率必須高溫、富氧兩個條件。hc的走向則是兩頭高，中間低，與燃油消耗率的變化基本山一致。當(dāng)混合氣逐漸變稀時，在縫隙容積與激冷層中混合氣燃料比例減少，因此hc量減少。處于最佳燃燒的空燃比范圍內(nèi)，hc及油耗均為最低。但當(dāng)混合氣過稀，火焰有可能熄滅，所以hc的生產(chǎn)量又會上升。2.2.2 點(diǎn)火正時如圖2-1。點(diǎn)火提前角較少時，后燃增加，膨脹時的溫度及排氣溫度均上升醋精了未燃燒成分的氧化，這對hc減少有利。同時減小點(diǎn)火提前角，可以降低燃燒最高溫度、減少燃燒反應(yīng)滯留時間，可以降低nox

21、十分有利。可見，減少點(diǎn)火提前角降低no及hc均有利，只是以犧牲動力性為代價。 圖2-1 點(diǎn)火提前角對有害排放物的影響 fig2-1 the impact of ignition advance angle on harmful emissions2.2.3 負(fù)荷負(fù)荷是通過混合氣的成分對燃燒產(chǎn)物中有害物質(zhì)發(fā)生影響的。汽油機(jī)在怠速及小負(fù)荷工況運(yùn)行時，節(jié)氣門分別在幾乎關(guān)閉和小開度的位置，進(jìn)氣量激怒少，廢氣相對增多，供給的混合氣偏濃，而且燃燒溫度較低，燃燒速度慢，易引起不完全燃燒，是co排放量增加；又因為燃燒室溫度低，燃燒室壁面激冷現(xiàn)象嚴(yán)重，未燃燒的燃油量增加，結(jié)果導(dǎo)致hc排放量增加。在中等負(fù)荷，供給

22、經(jīng)濟(jì)混合氣，容易完全燃燒，廢氣中的co減少，hc也減少。由于燃燒室溫度提高，nox增多。在滿負(fù)荷時，供給濃混合氣，使燃燒氣體壓力、溫度提高，致使nox生成量增多；同時提高了排氣溫度，是hc在排氣中繼續(xù)燃燒，其排放量減少；但因混合氣過濃，是co增加。2.2.4 轉(zhuǎn)速 隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，混合氣經(jīng)過進(jìn)氣系統(tǒng)的流速及活塞運(yùn)動速度也提高，缸內(nèi)紊流加強(qiáng)，促進(jìn)了混合，蓋上了缸內(nèi)的燃燒，減少了冷激層的厚度，使co、hc排放減少。nox的生成與混合氣成分有關(guān)，當(dāng)混合氣過濃時，由于轉(zhuǎn)速過高散熱時間相對縮短，缸內(nèi)燃燒溫度升高，使nox生成量增加。當(dāng)混合氣的濃度稀時，由于燃燒持續(xù)角度增加，燃燒溫度反而下降，使no

23、x生產(chǎn)量減少。提高怠速轉(zhuǎn)速使混合氣變稀，co及hc排放減少。因此，從減少發(fā)動機(jī)排氣污染出發(fā)，可適當(dāng)提高怠速轉(zhuǎn)速，但同時應(yīng)注意到隨著轉(zhuǎn)速升高油耗也會有所上升。2.2.5 工況汽車發(fā)動機(jī)主要是在不穩(wěn)定工況下工作，包括怠速運(yùn)轉(zhuǎn)、加速運(yùn)轉(zhuǎn)、定速運(yùn)轉(zhuǎn)、減速運(yùn)轉(zhuǎn)等。不同工況由于混合氣濃度不同，有害物的排放量相差很大。怠速與減速是hc生成的主要工況。在怠速工況下，燃燒環(huán)境溫度比較低，缸內(nèi)殘余廢氣量比較大，混合氣比較濃，致使燃燒惡化，hc排放濃度增加，在減速工況下，很高的進(jìn)氣管真空度使進(jìn)氣管內(nèi)沉積的燃料油膜大量蒸發(fā)，這是hc的主要原因。2.3 空燃比控制基于以上的敘述可知，鑒于空燃比與尾氣有害物質(zhì)排放的關(guān)系與

24、三元催化轉(zhuǎn)化裝置的工作特點(diǎn)，可以得出結(jié)論：控制尾氣有害物質(zhì)排放的實(shí)質(zhì)就是控制空燃比的大小。因此，接下來就介紹空燃比的控制方法。2.3.1 空燃比簡介發(fā)動機(jī)空燃比控制的核心是噴油控制，目的是保持給定的空氣和燃油比，其實(shí)質(zhì)是比值控制。空燃比控制主要由前饋和反饋控制組成。常見的空燃比閉環(huán)控制框圖如圖l一l所示。空氣質(zhì)量流量傳感器(massairflowmeter，maf)安裝在節(jié)氣門前的進(jìn)氣管中，用于測量空氣質(zhì)量流量，電子控制單元(ecu)根據(jù)maf傳感器測量的流量和設(shè)定的比例關(guān)系產(chǎn)生相應(yīng)的噴油量，實(shí)現(xiàn)給定空燃比的前饋控制。開環(huán)控制無法保證空燃比的控制精度，因此在排氣管中安裝廢氣氧傳感器(exhau

25、st gas oxygen sensor，ego)，測量尾氣中的氧含量，反饋給ecu，進(jìn)一步調(diào)節(jié)噴油的依據(jù)，由此形成反饋控制，來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的空燃比控制。 所謂空燃比(af)，即表示燃燒時空氣量和燃料量之比。它的關(guān)系為: 此外還可運(yùn)用過量空氣系數(shù)()來表示燃燒時空氣量和然料量之比，它燒1kg的燃料的實(shí)際空氣量與理論空氣量之比。 式中： 實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣的質(zhì)量 kg， 侮循環(huán)燃料供給星 kg， 燃料完全燃燒所需的理論空氣量 kg 。過量空氣系數(shù)兄(當(dāng)=l時，為理論混合比)值在1附近時(實(shí)際上在0.9951之間)，三元催化轉(zhuǎn)換器可以取得最好的催化效果（如圖1-2）3，即趨向于同時co、hc、no

26、、保持在相對最小。這些性能與反饋系統(tǒng)中的氧傳感器甚為關(guān)，氧傳感器是在電子燃油噴射式發(fā)動機(jī)上進(jìn)行空燃比反饋控制的傳感器，安裝在發(fā)動機(jī)的排氣管上，作用是通過檢測排放氣體中氧的含量來獲得混合的空燃比濃度信號，并將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)變成電壓信號輸入ecu，ecu根據(jù)氧傳器輸入的信號，不斷地對噴油脈寬進(jìn)行修正，使混合氣濃度保持在理想范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)空燃比的反饋控制，即閉環(huán)控制。由于發(fā)動機(jī)控制的復(fù)雜性，還需要綜考慮轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等其他傳感器提供的信息，才能真正完成空燃比控制。圖2-1 a/f閉環(huán)控制框圖fig 2-1closed-loop control block diagram 圖2-2 空燃比與twc（三元催化

27、轉(zhuǎn)化裝置）轉(zhuǎn)化效率大小fig 2-2 the relationship between air-fuel ratio and the efficiencytwc (three-way catalytic conversion device) 圖2-3過量空氣系數(shù)a對點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)排放的影響fig2-3 the impact of air coefficient a on the si engine emissions圖2-4 空燃比對動力性、經(jīng)濟(jì)性的影響fig2-4 the impact of air-fuel ratio on the power, economic2.3.2 空燃比對動力性、

28、經(jīng)濟(jì)性的影響 圖2-4給出空燃比與發(fā)動機(jī)燃油消耗率輸出功率和火焰溫度的關(guān)系。當(dāng)空燃比略小于理論空燃比時，燃燒火焰溫度最高空燃比偏離時，火焰溫度都會降低的火焰燃燒速度最大時的空燃比是比火焰溫度最高的空燃比還要小一些。此時發(fā)動機(jī)輸出功率最大稱為功率空燃比。混合氣濃度加大時燃燒不完全 同時燃燒速度和溫度都下降發(fā)動機(jī)油耗明顯上升 功率下降空燃比在16附近變化時發(fā)動機(jī)油耗最低 火焰溫度和發(fā)動機(jī)功率均下降 這種略稀混合氣的空燃比稱為經(jīng)濟(jì)空燃比，在功率空燃比與經(jīng)濟(jì)空燃比之間的混合氣成分是汽油機(jī)常用的混合氣 它可使發(fā)動機(jī)獲得較好的使用性能根據(jù)以上分析可以看出提高發(fā)動機(jī)功率和降低油耗是矛盾的要提高功率就會降低經(jīng)

29、濟(jì)性提高經(jīng)濟(jì)性必然降低動力性 因此 對發(fā)動機(jī)空燃比的控制要同時兼顧動力性和經(jīng)濟(jì)性 。圖2-5 空燃比對尾氣排放的影響fig2-5 the impact of air-fuel ratio on exhaust emissions圖2-6 空燃比與汽油機(jī)負(fù)荷的關(guān)系fig2-6 the relationship between the air-fuel and gasoline engine load2.3.3 空燃比對排放的影響 汽油機(jī)的排氣是汽車排放污染物的主要來源。它們的排放量與空燃比點(diǎn)火提前角、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)等因素有關(guān) 其中空燃比和點(diǎn)火提前角的影響最大（圖2-2所示為排放中有害氣體濃度隨空燃比

30、變化的關(guān)系）。有害氣體濃度與燃燒時空燃比有密切關(guān)系。圖中可以看出排氣中co的濃度，大致上取決于空燃比。當(dāng)混合氣較稀，空燃比在16以上時，空燃比的變化對co的影響不大。而當(dāng)空燃比小于 16 時 隨著空燃比的減小，co的濃度便急劇增加，hc排放主要取決與燃燒過程中未燃混合氣的多少。hc排放在空燃比為17時具有最佳值。空燃比偏離17h排放加大。發(fā)動機(jī)排出的氮氧化物，除少量no2外，大量是 no 其生成條件是高溫富氧，當(dāng)混合氣空燃比為15.5、16 時no濃度最高。空燃比增大或減小，no 濃度會逐漸降低。由以上分析可以看出 co、hc、nox 隨a/f變化的規(guī)律也是不一致的，有時是截然相反的，另外排放

31、指標(biāo)與動力性、經(jīng)濟(jì)性之間也有矛盾，所以空燃比控制要兼顧各種因素的影響 。2.3.4 不同工況對發(fā)動機(jī)空燃比的要求 由于不同的運(yùn)行工況對發(fā)動機(jī)工作的穩(wěn)定性動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的要求側(cè)重點(diǎn)不同，所以對混合氣的空燃比的要求也有所不同。1) 穩(wěn)定工況要求的空燃比在穩(wěn)定工況運(yùn)轉(zhuǎn)過程中沒有轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的突然變化，對混合氣空燃比的要求根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷而定穩(wěn)定工況大致可分為怠速小負(fù)荷中等負(fù)荷、大負(fù)荷及全負(fù)荷幾種情況。怠速工況發(fā)動機(jī)空負(fù)荷運(yùn)行，廢氣稀釋作用大，為保證混合氣正常燃燒，必須供給很濃的混合氣。如圖2-6所示a點(diǎn)小負(fù)荷時隨節(jié)氣門開大，稀釋作用減小，空燃比沿圖2-6中ab線段逐漸變大中等負(fù)荷時，要求供

32、給發(fā)動機(jī)稀混合氣以獲得最佳燃油經(jīng)濟(jì)性。這種工況如圖2-6所示bc段。空燃比約16、17。在大負(fù)荷時，要求逐漸加濃混合氣滿足功率要求。如圖2-6中cd線段，實(shí)際上節(jié)氣門全開前所有部分負(fù)荷工況都應(yīng)供給經(jīng)濟(jì)混合氣。只是在全負(fù)荷時節(jié)氣門已全開。為獲得最大功率，必須加濃供給功率混合氣，空燃比為13如圖2-6中d點(diǎn)，從大負(fù)荷過渡到全負(fù)荷，混合氣逐漸加濃。 2) 過渡工況要求的空燃比。汽車實(shí)際行駛中發(fā)動機(jī)經(jīng)常處于非穩(wěn)態(tài)的過渡工況，負(fù)荷或轉(zhuǎn)速隨時間不斷變化，如冷啟動、暖機(jī)、加減速等工況。冷車起動時為保證冷起動順利，混合氣空燃比要減小，暖機(jī)階段也要求濃混合氣，直到發(fā)動機(jī)達(dá)到正常溫度以正常混合氣穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，加、減速

33、時，加、減速瞬間要適當(dāng)加濃（切斷）混合氣以獲得良好的加、減速過渡性。 綜上所述，汽車發(fā)動機(jī)對空燃比的要求非常嚴(yán)格，特別是過渡工況。空燃比影響因素之多，變化范圍之大是難以想象的，只有采用微機(jī)控制空燃比才能滿足其要求。 3 發(fā)動機(jī)樣機(jī)的選擇3.1 發(fā)動機(jī)的選擇及其參數(shù) 本論文所研究的49lq汽油機(jī)原機(jī)是49lq型系列汽油機(jī)，主要用作各類輕型載貨汽車、輕型越野汽車、旅行車、客貨兩用車及轎車的配套動力，也可作為同類進(jìn)口汽車的更新動力。下面主要針對原機(jī)性能和結(jié)構(gòu)分別作以介紹。 本文主要列出了改型發(fā)動機(jī)在不同空燃比下各種尾氣排放量。然后通過改裝，加裝尾氣檢測與控制系統(tǒng)，然后再計量此時的在不同空燃比的情況下

34、各種尾氣的排放量，并保持動力性基本不變，以此來證明所設(shè)計的檢測裝置的有效性。3.2 原機(jī)主要性能技術(shù)參數(shù) 表3-1 491q型發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)性能指標(biāo)22table 3-1 491q engine performance technical parameters型號bn491q型式四沖程、水冷、直列、楔形燃燒室汽缸數(shù)4汽缸直徑，mm91活塞行程，mm86總排量，l2.237總功率/轉(zhuǎn)速， kw r/min68/42004600怠速轉(zhuǎn)速，r/min75050燃油牌號無鉛ron90（sh004193）最低燃油消耗率，g/kw.h292機(jī)油燃油消耗率，%u-t，u+t一u-t稱為回差電壓)時，觸發(fā)器才

35、能翻轉(zhuǎn)回原來的狀態(tài)。施密特觸發(fā)器最主要的應(yīng)用是對波形的整形，它能夠?qū)⑸仙⑾陆颠^程變化很緩慢的波形轉(zhuǎn)換為上升、下降都十分陡峭的矩形脈沖，而且因其回差電壓而具有很強(qiáng)的抗干擾能力。窗口比較器同施密特觸發(fā)器的基本特性相同如圖所示氧傳感器的輸出信號在理論空燃比附近具有開關(guān)特性。因此，在實(shí)驗系統(tǒng)中，采用由比較器構(gòu)成的窗口比較器對汽車氧傳感器的輸出信號進(jìn)行處理。氧傳感器輸出微弱信號首先經(jīng)過濾波之后，再進(jìn)行二級放大到05v電壓信號，該信號再經(jīng)過lm358進(jìn)行限幅保護(hù)后輸入到由lm393比較器構(gòu)成的窗口比較器，實(shí)現(xiàn)將氧傳感器輸出的陡峭信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲}沖信號，輸?shù)絾纹瑱C(jī)。比較器lm393，將原始信號轉(zhuǎn)換為矩形波

36、。當(dāng)輸入信號的電壓低于其同相端與地之間的電壓時，lm393輸出端的電平就為高，反之則為低。圖5-2 氧傳感器電路fig5-2 the circuit oxygen sensor5.2 轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器也是發(fā)動機(jī)控制噴油量和點(diǎn)火時刻的重要依據(jù)參數(shù)，主要用來獲取發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。5.2.1 轉(zhuǎn)速傳感器介紹 轉(zhuǎn)速傳感器，將旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電量輸出的傳感器。轉(zhuǎn)速傳感器屬于間接式測量裝置，可用機(jī)械、電氣、磁、光和混合式等方法制造。按信號形式的不同，轉(zhuǎn)速傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種。把被測參量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器。它是測量技術(shù)、微電子技術(shù)和計算技術(shù)的綜合產(chǎn)物，是傳感器技術(shù)的發(fā)展方向之一。轉(zhuǎn)速傳感

37、器選用霍爾式傳感器，此傳感器輸出數(shù)字脈沖信號，可以直接為單片機(jī)所用。因此，轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過rc濾波后輸入單片機(jī)，當(dāng)測速齒輪的齒對準(zhǔn)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器時，傳感器會輸出一個矩形脈沖，單片機(jī)在一定時間內(nèi)讀取轉(zhuǎn)速脈沖次數(shù)，經(jīng)過計算，即可得到發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 一般的數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器的引腳如下圖：（jn383） 圖5-3 轉(zhuǎn)速傳感器的引腳 fig5-3 the pin of speed sensor5.2.2 轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計部分 由于此轉(zhuǎn)速傳感器的輸出量為數(shù)字量，所以可以直接與單片機(jī)相連，rpm接int0口。圖5-4 轉(zhuǎn)速傳感器外圍電路 fig5-4 the external circuit of speed

38、sensor5.3 節(jié)氣門位置傳感器 與轉(zhuǎn)速傳感器一樣，節(jié)氣門位置傳感器也是一個發(fā)動機(jī)控制噴油量和點(diǎn)火時刻的重要參數(shù)。這兩個傳感器的信號共同決定了以上提到的兩個量，所以，其精度直接關(guān)系到尾氣排放的控制。5.3.1 節(jié)氣門位置傳感器簡介節(jié)氣門傳感器屬于可變電阻型傳感器，輸出的是一個模擬信號，所以在輸入到單片機(jī)之前，需要用數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其變成為檢測節(jié)氣門的開度，節(jié)氣門體處加裝一個直線式節(jié)氣門位置傳感器7結(jié)構(gòu)和原理分別如圖它是日本日立公司生產(chǎn)，型號為hitachi sera484-2。打開節(jié)氣門時，節(jié)氣門開度信號動觸點(diǎn)與怠速信號動觸點(diǎn)(idl)在電阻膜上滑移。vc端子上一直加有穩(wěn)定的5v電壓，動觸點(diǎn)則

39、依照節(jié)氣門的開度在電阻上滑移，由此在vta端子上就會有與節(jié)氣門開度成比例的電壓輸出，所以，通過測量vta的電壓值，就可以知道節(jié)氣門的開度。當(dāng)節(jié)氣門全閉時，檢測怠速狀態(tài)的動觸點(diǎn)使idle2兩個端子導(dǎo)通，從而輸出怠速狀態(tài)信號25。在使用過程中，應(yīng)注意對傳感器進(jìn)行維護(hù)，防止電阻膜上的灰塵過多，導(dǎo)致觸點(diǎn)與電阻膜接觸不良，對實(shí)驗產(chǎn)生不良影響。5.3.2 節(jié)氣門位置傳感器電路設(shè)計部分 節(jié)氣門位置信號的輸入時一路唯一的模擬量輸入信號。單片機(jī)所能接受的信號必須是數(shù)字信號，所以要有一個能將節(jié)氣門位置的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器件。常用的模/數(shù)(a/d)轉(zhuǎn)換器有兩大類型，一類稱為“雙積分型”a/d轉(zhuǎn)換

40、器。另一類稱為“逐次逼近型”a/d轉(zhuǎn)換器。雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器的價格較低，抗干擾能力較強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度高，但轉(zhuǎn)換速度較慢。每秒只能完成數(shù)次轉(zhuǎn)換，只適用于對數(shù)據(jù)采集速度要求較低的合。在這選擇逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器adc0809。adc0809是8位、具有地址鎖存控制的8路模擬開關(guān)，應(yīng)用單一+5v電源，其模擬量輸入電壓的范圍為05v，對應(yīng)的數(shù)字量輸出為00h司ffh，轉(zhuǎn)換時間為100ps，芯片的時鐘頻率最高可1工作于640khz，在微機(jī)數(shù)據(jù)的采集方面使用較為普遍。在電路中，adc0809的片選端與74ls138的y7相連，頻率信號由單片機(jī)的品振頻率20mhz經(jīng)二進(jìn)制計數(shù)器74ls393分頻后得到625

41、khz時鐘頻率。adc080926的主要組成部分是一個8位逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)8路模擬信號的實(shí)時采集，片內(nèi)設(shè)置了帶有所存功能的的8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的的通道地址鎖存和譯碼電路，可對8路05v的輸入模擬電壓進(jìn)行分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)動如三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。adc主要特征如下：1）分辨率為八位；2）最大不可調(diào)誤差小于;3）可鎖存三態(tài)輸出，能與8位處理器接口；4）輸出與ttl兼容；5）不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整；6）單電源供電，供電電壓為+5v；7）轉(zhuǎn)換頻率取決于芯片的時鐘頻率，時鐘頻率范圍是101280hz；當(dāng)時鐘頻率選為500hz時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換時間為128us。 圖5-5 節(jié)氣門位

42、置傳感器外圍電路fig5-5 the external circuit of the throttle position sensor 5.4 噴油時刻與噴油脈沖控制電路部分5.4.1 執(zhí)行器的介紹 執(zhí)行器是單片機(jī)系統(tǒng)對控制對象實(shí)現(xiàn)控制操作的元件。單片機(jī)完成控制處理后，總是以數(shù)字信號通過i/o口或數(shù)據(jù)總線送給控制對象。這些數(shù)字信號形態(tài)主要有開關(guān)量、二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量，可直接用于開關(guān)量、數(shù)字量系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)，但對于一些模擬量控制系統(tǒng)，則應(yīng)通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換成模擬量控制信號。執(zhí)行器主要包括火花塞和和噴油電磁閥。這些都可以根據(jù)需要選用。數(shù)字點(diǎn)火控制系統(tǒng)主要由電源、傳感器、電子控制系統(tǒng)（ecu）、點(diǎn)

43、火控制模塊、分電器、火花塞等組成。電源主要提供點(diǎn)火能量。ecu通過各種傳感器（主要是轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣管絕對壓力傳感器）的信號，想點(diǎn)火控制模塊發(fā)出控制指令，由點(diǎn)火控制模塊將點(diǎn)火信號放大驅(qū)動點(diǎn)火線圈工作。本文主要選用電磁閥驅(qū)動點(diǎn)火。電磁閥采用12v進(jìn)行供電。電磁閥驅(qū)動電路如圖所示，pwm信號由ecu給出，并經(jīng)過q1、q2實(shí)現(xiàn)兩級放大，實(shí)現(xiàn)對電磁閥開啟、關(guān)閉動作，最終實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)火線圈的控制。因負(fù)載呈電感性，所以在輸出裝置中加入消除反向電動勢的保護(hù)二極管di。同理，ecu在綜合了各種信號之后，找出了最佳的噴油量，并通過控制噴油閥的開閉，實(shí)現(xiàn)對噴油量的控制。針閥打開的升程約為0.1mm，具體選擇的噴油器見附錄。

44、5.4.2 電路設(shè)計部分由于由單片機(jī)輸出的只是數(shù)字量，及矩形的脈沖信號，最高不過+5v,無法驅(qū)動執(zhí)行器的工作。為此，必須經(jīng)過兩級的反向放大器將信號放大，直到+12v，使之能完全達(dá)到驅(qū)動電壓。圖5-6 執(zhí)行器的電路圖fig5-6 the actuator circuit6 尾氣檢測與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計6.1 空燃比控制器軟件設(shè)計 本項日著重研究空燃比控制器，要求控制系統(tǒng)能隨時根據(jù)發(fā)動機(jī)的工況，給出最適量的燃油，發(fā)動機(jī)的過量空氣系數(shù)a處于人窗口(a=l士0005)，這樣就可保證催化轉(zhuǎn)化器效率最高，排放性能最好。 當(dāng)工況突變時，如果燃油量仍然按照突變前的燃油量供給發(fā)動機(jī)，或者燃?xì)夤┙o量的變化率不適應(yīng)工

45、況參數(shù)變化率，那么氧傳感器所檢測到的的廢氧濃度狀態(tài)必然會產(chǎn)生變化，或者表現(xiàn)為濃狀態(tài)，或者表現(xiàn)為稀狀態(tài)。如果廢氧濃度信號旱現(xiàn)高低電平信號周期性交替出現(xiàn)時，那么此時過量空氣系數(shù)a較接近窗口狀態(tài)，在這種情況下，若噴油量變化過大，則可能使初步穩(wěn)定的廢氣排放條件被破壞，發(fā)動機(jī)義處于排放惡化狀態(tài)。為了盡快地使空燃比達(dá)到較佳狀態(tài)，本研究的土要設(shè)計思想為開閉環(huán)互相結(jié)合，粗、細(xì)、微調(diào)逐步精確。由于因產(chǎn)地、季節(jié)的變化使燃?xì)獾某煞荨嶂档葻崃?shù)發(fā)生改變，僅靠開環(huán)控制無法滿足廢氣低排放的要求，需要閉環(huán)控制對由各種變化引起的不足進(jìn)行修正。在噴氣量的變化上要做到逐步逼近最優(yōu)值，以防控制過于粗暴，造成狀態(tài)控制不穩(wěn)定a在這種控制方法的基礎(chǔ)上，再根據(jù)不同的工況，進(jìn)行調(diào)整時間的控制。6.2 系統(tǒng)的主要模塊 尾氣排放控制器軟件主程序流程圖見圖6-1。整個程序包括初始化模塊、采樣模塊、顯示掃描模塊、中斷模塊和確定，空比模塊共5個人模塊。其中，確定空燃比模塊還可分為取值粗調(diào)模塊、增量逼近細(xì)調(diào)模塊。6.2.1 初始化模塊 在這一模塊中程序?qū)Ω鱾€相關(guān)口位、專用寄存器單元、位單元及數(shù)據(jù)單元進(jìn)行初始化，規(guī)定了這些單元的初始狀態(tài)