1、汽油機建模及控制研究1汽油機電子控制系統1.1汽油發動機電子控制系統簡述汽車發動機電子控制系統，又稱發動機管理系統(Engine Management System, EMS)，其通過現代電子控制技術對發動機噴油、點火、空燃比、排放等進行優化控制，使發動機在任何工況下均能處于最佳工作狀態，達到提高性能、安全、節能、降低廢氣排放的目的。 汽車發動機電子控制系統的功能主要包括：燃油噴射控制、點火系統控制、怠速控制、尾氣排放控制、進氣控制、增壓控制、空調控制、失效保護、故障診斷等功能。另外，隨著網絡、集成控制技術的廣泛應用，作為汽車發動機控制單元的ECU通過CAN總線等通信技術與其他控制系統互聯，實

2、現了信息共享，并能實施集成優化的統一控制。1.2發動機電子控制系統的組成與一般的電子控制系統一樣，汽油機電子控制系統也是由三部分組成的，即傳感器，電子控制單元和執行器。(1) 傳感器傳感器是感知信息的部件，負責向電子控制單元提供發動機的工作情況和汽車運行的狀態。汽車發動機燃油定量控制常用的傳感器包括負荷傳感器，直接或間接測定空氣流量，進而算出每循環進氣量；轉速傳感器，測定曲軸轉速曲軸位置傳感器，測定離開第1缸上止點的曲軸轉角；凸輪軸位置傳感器；節氣門位置傳感器；冷卻水溫度傳感器；進氣溫度傳感器；大氣壓力傳感器；進氣歧管絕對壓力傳感器；空調制冷劑壓力傳感器；氧傳感器；缸內壓力傳感器等。(2) 電

3、子控制單元電子控制單元（Electronic Control Unit，簡寫為ECU）的功能是分析和處理由傳感器提供的發動機的各種信息，發出指令給各種執行器，借此控制發動機。(3) 執行器執行器是負責執行ECU發出的各項指令，是指令的完成者。圖1 發動機管理系統的組成1.3電控系統控制策略的分類發動機電控系統實際上是一個很復雜的控制系統，它的復雜性表現在多個方面：電控系統需要實現眾多的控制項目。電控系統的控制應能使發動機的潛力充分發揮，使功率、油耗、排放和汽車駕駛性等多方面的性熊達到綜合最佳的狀況。影響發動機工作的因素眾多，借助電控系統，可以使發動機運行在各種工況下達到最佳狀態。電控系統對外界

4、環境變化應有適應性。電控單元與發動機之間的匹配試驗。由于各個不同的工況有其特定的內容，因此優化參數、優化目標以及限制條件等也就各不相同。所以需要分別制定不同的控制策略。電控汽油機的主要控制包括：（1） 空燃比控制（2） 轉速控制（3） 排放控制（4） 轉矩控制2汽油機轉矩控制轉矩控制的基本思想是對各子系統的轉矩要求進行優先級判斷和協調，得出一個統一的需求轉矩，接著根據轉矩需求對發動機節氣門、點火和噴油進行控制1。其核心是將轉矩作為統一的接口變量。基于轉矩的管理系統結構如圖2所示。其中，轉矩需求主要包括駕駛員的轉矩需求、附屬設備的轉矩需求以及其他一些功能子系統的轉矩需求2。圖2 基于轉矩的管理系

5、統2.1 汽油機建模2.1.1 進氣動態進氣管流動系統具有很強的非線性特征。在單位時間內，通過節氣門進入進氣管容積內的氣體質量流量為mat，從進氣門進入氣缸內的氣體質量流量為map。瞬態過程中，由于matmap，進氣管中的氣體質量ma發生變化，變化率為：ma=mat-map （2-1）汽油機進入氣缸的進氣流量map可以由下式計算得到：map=n1200Vdv0 （2-2）其中n是發動機轉速，單位為r/min，0為進氣系統前的空氣密度，對自然吸氣機型，即環境空氣密度，Vd是發動機排量，v0是充氣效率（本文的充氣效率v0以進氣管內的空氣密度為基準進行定義）。在工程上廣泛使用的進氣流量計算方法是速度

6、密度方程：map=n120mVdv （2-3）其中，m為進氣管內的空氣密度，v是以進氣管內的空氣密度為基準定義的充氣效率。以進氣管內的空氣密度為基準進行定義的充氣效率，根據熱力學第一定律可獲得其計算式為3：v=EK-1K+-pexhpmK(-1) （2-4）其中，E是擬合常數，K是絕熱指數，為壓縮比，pexh為排氣壓力，pm為進氣壓力。經過適當簡化，上式可寫成如下簡化形式：v=s-ypm （2-5）其中，s，y與壓縮比、進氣溫度、進排氣相位等有關。獲取充氣效率的目的是準確計算進氣量，為了實現充氣效率和進氣量之間更為直接的聯系，Hendricks提出了一個復合指標vpm4。根據式（2-5），復合

7、指標與進氣壓力的關系為： vpm=spm- y （2-6）大量的試驗結果表明系數s，y均大于零，且近似為常數。對進氣管內的空氣應用理想狀態方程：m=pmRTm （2-7）ma=pmVmRTm （2-8）其中，R為理想氣體常數，Vm為進氣管總容積，ma為進氣管內的空氣質量。將（2-7）代入（2-3），得到：map=VdVPmn120RTm （2-9）對式（2-8）兩邊求導，將求導之后的式子和式（2-9）代入式（2-1），得到：Pm=RTmVmmat-Vd4VmvPm （2-10）其中，發動機轉速n通過關系式=n30變換為角速度。再將充氣效率計算式（2-6）代入（2-10），得到：Pm=RTmVm

8、mat-Vds4VmPm+Vdy4Vm=c1mat-c2Pm+c3 (2-11)由于R，Tm，Vm，Vd近似為常量，c1，c2，c3>0也可近似為常量。節氣門處的氣體質量mat和節氣門開度的關系，由可壓縮氣體經過收縮噴嘴的流動方程得到：mat=h0Pr2k-Prk+1k1-cos(-0)+mat0 (2-12)其中，Pr=maxPmP0，2k+1kk-1，h0=Ct4D2P0K'RT0，K'=2kk-1，P0, T0分別是環境壓力和溫度，D是節氣門的有效面積，0為節氣門關閉角，Ct為節氣門處的流動系數，mat0是擬合系數。2.1.2 轉矩生成過程令為過量空氣系數，則噴入氣

9、缸的燃油流量mf應為5：mf=mapLth (2-13)其中，Lth是汽油的當量化學比，大約為14.7。由噴油量，運用熱力學理論，可以計算發動機的指示功率Pi為Pi=Huimf (2-14)其中，Hu是燃油低熱值，i是指示熱效率。將式（2-9）代入式（2-13），再代入式（2-14），并除以發動機轉速，則可以得到平均指示轉矩Ti:Pi=HuVd4LthRiTm(vPm) （2-15）如果將泵氣過程產生的轉矩損失用TP表示，將曲軸轉動產生的摩擦轉矩損失用Tf表示，則得到平均有效轉矩Te：Te=HuVd4LthRiTmvPm-TP-Tf (2-16)對于自然吸氣機型，發動機的只是效率i等于燃燒效率

10、c與循環熱效率t的乘積：i=ct （2-17）其中，燃燒效率主要和過量空氣系數有關，c=c()。在發動機實際運行中，當可燃混合氣偏稀而又能正常進行混合和燃燒時，汽油機的c=0.950.98，因此可以假定c=1。但在混合氣偏濃或混合不當時，c會降低。汽油機的循環熱效率主要由下式決定：t=1-1k-1(12k-1)1-1+k1(2-1) (2-18)其中，1是壓力升高比，2是預膨脹比。泵氣轉矩損失TP是在發動機換氣過程中由于進排氣壓力差帶來的轉矩損失，可以表示為進排氣壓力差的線性函數，其線性系數又隨轉速相關。對自然吸氣機型，排氣壓力變化不大，因此，相同轉速下，泵氣損失轉矩可以看成進氣壓力的線性函數

11、。TP=ftpPexh-Pm+ftp0=ftp1Pm+ftp2 (2-19)其中，ftp0，ftp1，ftp2，ftp均為擬合系數。摩擦轉矩損失Tf主要由主機相對運動間的機械摩擦引起，包括活塞組件與缸壁的摩擦、活塞連桿機構中相對運動件間的摩擦，軸與軸承的摩擦、氣閥機構中相對運動件的摩擦等。其中，活塞組件與缸壁的摩擦和活塞連桿機構中相對運動件間的摩擦占摩擦損失中的最大份額。軸承摩擦則主要包括曲軸主軸承、凸輪軸軸承、連桿軸承以及前后主軸承密封裝置的摩擦，其數值受缸內壓力影響較小，主要取決于軸頸直徑、轉速、軸頸軸承的材質和潤滑條件。氣閥機構摩擦包括凸輪與挺柱、搖臂與氣門桿、搖臂與搖臂軸承的滑動摩擦等

12、，其中凸輪與挺柱、搖臂與氣門桿兩接觸副，由于載荷高，面積小，摩擦損失最大。氣閥機構摩擦所占總損失的比例，隨轉速由較大變化。另外，齒輪、鏈輪、皮帶輪等的傳動運動，連桿大頭攪動機油、曲軸箱內的空氣壓縮比等也有極少部分的機械損失。綜合來說，摩擦轉矩損失主要和發動機轉速有關。令a=HuVd4LthR>0，將式（2-6）和式（2-19）帶入到（2-16），得到Te=asTmi-ftp1() Pm- ayTmi+ftp2+Tf (2-20)根據定義，a=HuVd4LthR，可近似為常數。對于特定發動機，s，y也近似為常數（對于可變氣門定時的發動機，它們將是進排氣系統相關的函數）。進氣溫度變化較為緩慢

13、，在平均值時間尺度上，也可以處理為常數。指示熱效率i受到的影響因素較多，在各穩定工況下，如果取最佳的點火提前角（MBT）,并將過量空氣系數控制在=1附近，則指示熱效率變化不大，也近似為常數。而ftp1，ftp2，Tf均主要隨發動機轉速變化。因此，式（2-20）可以簡化為：Te=LPm-Td （2-21）其中，L=asi(Tm)-ftp1，Td=ayi(Tm)+ftp2+Tf2.1.3 曲軸旋轉動態平均值建模中，曲軸可以處理成剛性模型，由牛頓第二定律得到：Je=Te-T1 (2-21)其中Je是包含活塞和飛輪的等效曲軸慣量，T1是負載轉矩。2.2轉矩控制轉矩控制的基本結構如圖3所示，其中Ter為

14、目標轉矩。反饋信號可用轉矩傳感器或者缸內壓力傳感器進行測量，這兩種傳感器都沒有時，需要引入轉矩估計算法。本章將針對轉矩不可測的情況設計閉環轉矩控制器。轉矩不可測而使用估計算法時，可通過引入進氣動態模型求出進氣壓力，進而由完全相同的方法設計轉矩控制器。 圖3 閉環轉矩控制結構2.2.1 轉矩的估計本文在進氣壓力可測的情況下進行轉矩估計。發動機系統采用進氣壓力傳感器對進氣量進行測量，則進氣壓力Pm可以直接獲得。此時將轉矩傳感器設計所必須的假設條件極為H1。H1：進氣壓力Pm可直接測量，式（2-21）中的模型參數L，Td不能精確已知，但滿足以下條件：LPm-Td-L0Pm-Td0=d1+1(,Pm)

15、 (2-22)其中，L0，Td0為標定值，d1為未知緩慢變化量，用來表示誤差項中的低頻分量，即d10；而1(,Pm)為未知函數，用來表示誤差項中高頻分量，該未知函數可由已知函數1()界定，例如1(,Pm)1()。界定函數可以通過動態試驗中的誤差曲線進行頻帶濾波獲得6。該情形下的轉矩觀測器結構如圖4所示。其中Te和分別為發動機平均轉矩估計值和轉矩估計值。Te表示施加在開環轉矩估計值Te0上的修正量，它用來補償建模不準確引起的轉矩模型計算值Te0和真實轉矩Te之間的誤差。反饋修正律選取了簡單實用的PI增益；同時為了保證閉環觀測器的穩定性，增加了一個開關項。采用這樣一種結構的基本目的是利用前饋轉矩模

16、型得到當前工況下的一個基本轉矩輸出值然后再利用反饋修正補償剩下的動態誤差。總的來說，前饋轉矩模型的作用就是提供了轉矩估計值的主要部分，確保剩下的動態誤差限制在一個小范圍內，從而將非線性問題轉化為線性問題。而PI增益補償對線性系統十分有效。所建立的閉環轉矩觀測器最終由下式表示：Te0=L0Pm-Td0Te=Te0+kp1+ki1dt+1()sgn()Je=Te-T1 (2-23)其中，=-，kp1，ki1分別為比例和積分增益。令v1=ki1dt，則系統(2-23)的誤差動態為：Je=1,Pm+d1-kp1-v1-1()sgn()v1=ki1 (2-24)圖4 閉環轉矩觀測器2.2.2 閉環轉矩估

17、計方法簡化為了保證閉環控制系統的穩定性，需要對閉環估計算法適當簡化。將2.2.1節中的前提條件H1修改為：進氣壓力Pm可直接測量，轉矩生成式（2-21）中的參數L，Td不能精確已知，但是滿足以下條件：Te-L0Pm-Td0=LPm-Td-L0Pm-Td0=d1 (2-25)和H1相比，該條件只考慮低頻的模型誤差。在此基礎上，閉環轉矩觀測器可簡化為Te=L0Pm-Td0+kp1+ki1dtJe=Te-T1 （2-26）由式（2-23）和式（2-24），可得閉環轉矩觀測器的誤差動態為：Je=-kp1+d1-ki1dt (2-25)2.2.3 控制算法設計基于2.2.1節中介紹的閉環觀測器，對于給定

18、的目標轉矩Ter，轉矩控制誤差及其動態為：eT=Te-Ter=L0Pm-Td0+kp1+ki1dt-Ter (2-26)eT=L0Pm+L0Pm-Td0-Ter+kp1+ki1ki1 (2-27)將式（2-25）代入式（2-27），并注意到進氣模式方程（2-11），有：eT=L0c1mat-c2Pm+c3+L0Pm-Td0-Ter+ki1-kp12Je+kp12Je(d1-ki1dt) (2-28)利用節氣門開度和進氣流量的關系式（2-12），選取控制律如下：mat=c2c1Pm-c3c1-1L0c1L0Pm-Td0-Ter-1L0c1(kp2eT+ki2eTdt) (2-29)=0+cos-

19、11-mat-mat0h0Pr2k-Prk+1k (2-30)該控制律同樣由模型前饋和PI反饋兩部分組成。從而控制誤差方程轉變為：eT=-kp2eT-ki2eTdt+ki1-kp12Je+kp1Jed1-ki1dt (2-31)3空燃比控制空燃比（AFR）是影響汽油機性能的決定性因素，控制不精確會導致汽油機的經濟性和動力性下降，有害排放增加。實現AFR的精確控制是提高汽油機性能的關鍵環節7。3.1開環控制方式該方式下預先通過實驗測得各個工況點的噴油脈寬，并以表格的形式存入微處理器中。發動機實際運行過程中，ECU 依據當前工況查找噴油控制表得到相應的噴油脈寬值，作為該工況下的基本噴油脈寬8。再根

20、據傳感器檢測的冷卻水溫度、進氣溫度、蓄電池電壓、節氣門開度等參數，對基本噴油脈寬進行修正，確定出最佳的噴油持續時間。 開環控制具有方法簡單、響應速度快的優點，但控制精度直接取決于 ECU 儲存的基本數據的準確度、程序及處理方法的適用度、各種傳感器的性能和精度，以及電磁噴油器的調整精度等。當噴油器和傳感器性能發生變化時混合氣就不能保持在原預設的空燃比上，其不能通過反饋進行噴油量的自行修正。因此，它對發動機及控制系統的各個組成部分精度要求高，系統本身抗干擾能力較差，當使用工況超過預定范圍時，不能實現最佳控制。3.2閉環控制方式閉環控制方式是在排氣管上加裝 1 或 2 個氧傳感器，以隨時檢測廢氣中的

21、氧含量，并將檢測結果轉變為電信號及時反饋給 ECU。ECU 根據電壓值的大小可隨時修正噴入的燃油量，使混合氣的空燃比保持在理論空燃比的附近，以得到最好的三元催化效果，降低有害物的排放，同時也可獲得良好的經濟性。綜上，閉環控制的優點是：空燃比控制精度高，可消除因發動機元器件質量、裝配誤差和磨損等引起的性能變化，工作穩定性好，抗干擾能力強。但由于從混和氣形成并吸入氣缸，經過燃燒，排氣流過氧傳感器，再經氧傳感器檢出排氣中的含氧濃度，需要一定的時間，即存在時間滯后。所以，要完全準確地使空燃比保持在理論空燃比附近是不可能的。因此，實際閉環控制中，混和氣的空燃比總是保持在理論空燃比（14.7：1）附近的一

22、個很窄的范圍內，以使三元催化裝置對排氣凈化處理達到最佳效果。實際中，根據發動機的具體工況，一般在起動期間、冷卻水溫度較低時、暖機期、加減速工況、滿負荷或斷油控制時，需要控制系統停止反饋控制，采用開環方式提供較濃的混合氣來保證發動機的各種性能。同時在氧傳感器準備不充分或發生故障時也要采用開環控制。此外，當有故障使電控系統進入失效安全模式時，系統也會自動轉向開環控制。其他工況應采用閉環控制8。 因此，發動機電控汽油噴射系統中，一般采用開環與閉環控制相結合的混合控制方式。4.轉速控制汽油發動機的運行過程是一個通過燃燒將化學能轉化成熱能與機械能的復雜過程。轉速的調節是通過對進氣量，噴油量的綜合控制來實

23、現，同時又必須達到排放標準，所以發動機轉速控制也就歸為轉速跟蹤與空燃比控制。根據汽車工況的不同實施的控制策略各有不同。一般將汽車發動機整個運行工況分為以下幾種狀態：啟動工況，部分負荷穩定運行工況，大負荷穩定運行工況，加減速運行工況，怠速運行工況9。根據發動機不同運行工況的特性，確定控制目標，制定不同的控制策略：(1)穩態工況部分負荷，設計轉速空燃比雙閉環控制，將空燃比控制在理論空燃比，恒定循環噴油量，采用積分分離PID控制算法調節進氣量，節省燃油，降低排放。(2) 全(大)負荷工況，設計轉速閉環控制，降低空燃比，采用較簡單的運算速度快的積分分離PID控制算法調節噴油脈寬，達到發動機最大輸出轉矩

24、。(3) 怠速工況，設計轉速空燃比雙閉環控制，模糊PID進氣控制調節轉速，噴油經典PID控制保持空燃比平衡在理論空燃比。(4)加減速工況下，采用基于現場操作經驗的模糊控制策略，實現瞬態加速與減速的平穩調節，確保發動機不熄火，達到節省燃料。5. 排放控制隨著環保意識的提高，對汽車尾氣排放控制已經收到世界的廣泛關注，汽車排放控制成為一個重要的技術。5.1 三元催化轉換器（TWC）三元催化轉換器是現代汽車上普遍使用的一種排氣凈化裝置，裝在排氣管上。廢氣中的CO、碳氫化合物和NOx經過三元催化轉換器時，在其內部催化劑的作用下，這些氣體參加氧化還原反應，CO氧化成無色無毒的二氧化碳，碳氫化合物氧化成二氧化碳和水蒸氣，NOx還原成氮氣和氧氣。三種有害的氣體轉變成了無害的氣體。但是三元催化轉換器中的催化劑只有在理論空燃比（14.7）附近時活性最強，三元催化轉換器的轉化效率最高，經測試在理論空燃比時，三元催化轉換器可以將90%以上的一氧化碳和碳氫化合物以及70%以上的氮氧化合物同時轉換掉10。因此必須對空燃比進行精確控制，現在發動機多采用氧傳感器