1、 發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)控制方法(fngf)與控制內(nèi)容1.2汽油(qyu)發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)簡介 汽油發(fā)動機(jī)的電子控制系統(tǒng)包括電子控制系統(tǒng)單元(dnyun)(ECU)、傳感器和執(zhí)行器三部分。其典型的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。電子控制單元(ECU)是控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)傳感器送來的信號，向各執(zhí)行器發(fā)出指令，使執(zhí)行器完成所需的動作，從而實現(xiàn)噴油、點火、怠速等各種控制。 傳感器是裝在發(fā)動機(jī)各部位的信號轉(zhuǎn)換裝置，用來測量或監(jiān)測反映發(fā)動機(jī)運行狀態(tài)的各種物理量、電量、化學(xué)量等，并將它們轉(zhuǎn)換成計算機(jī)所能接受的電信號后送給ECU。主要傳感器有:進(jìn)氣壓力傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、冷卻水溫度傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪位置傳感

2、器、節(jié)氣門位置傳感器、氧傳感器等。執(zhí)行器則是根據(jù)ECU發(fā)出的控制命令來完成各種相應(yīng)動作。主要執(zhí)行器有:電磁噴油器、點火器等、電動汽油泵、怠速步進(jìn)電機(jī)等。 電子控制系統(tǒng)按照不同的方法可分為(fn wi)不同的類型1,3. 1按噴油器的數(shù)量(shling)可分為:單點噴射，即幾個氣缸共用(n yn)一個噴油器，因噴油器裝在節(jié)氣門體上，因而又稱節(jié)氣門體噴射，也稱中央噴射;多點噴射，每個氣缸有一個噴油器，安置在進(jìn)氣門附近。 2)按噴油位置分:噴在節(jié)氣門上方，用于單點噴射系統(tǒng);噴在進(jìn)氣門前，噴油器裝在進(jìn)氣管上，只用于多點噴射系統(tǒng);缸內(nèi)噴射，在壓縮行程開始前或剛開始時將汽油噴入氣缸內(nèi)，用于稀薄燃燒的汽油機(jī)

3、。 3)按進(jìn)氣量檢測方法分:速度密度法，通過測量進(jìn)氣歧管內(nèi)的壓力和溫度，計算每循環(huán)吸入的空氣量，此方法精度稍差，但成本低;質(zhì)量流量法，用空氣流量計直接測量單位時間內(nèi)吸入進(jìn)氣歧管的空氣量，再根據(jù)轉(zhuǎn)速算出每循環(huán)吸氣量，此方法精度高，但成本也高。兩種方法各有優(yōu)點，故都有廣泛的應(yīng)用。 4)按控制方式分:開環(huán)控制;閉環(huán)控制。兩者的差別是閉環(huán)控制系統(tǒng)需根據(jù)輸出結(jié)果對控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。主要體現(xiàn)在空燃比和怠速轉(zhuǎn)速的控制。 目前，應(yīng)用中較多的是多點順序噴射的閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖1-1所示的就是這樣一個控制系統(tǒng)，不過它對進(jìn)氣量的檢測采用的是質(zhì)量流量法。在普通的中低檔車中對進(jìn)氣量的檢測多是采用速度密度(md)法，本文后

4、面的研究也主要是利用這種方法進(jìn)行，并且通過一些方法同樣可以實現(xiàn)空燃比的精確控制2.1空燃比的控制方式(fngsh)與要求 空燃比控制是電控系統(tǒng)中的核心(hxn)控制之一，它直接影響發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。所以要提高發(fā)動機(jī)的綜合性能，就要對空燃比進(jìn)行精確控制.2.1.1空燃比的控制方式 ECU對于空燃比的控制是主要通過燃油噴射量的控制來實現(xiàn)的。燃油噴射量的多少取決于ECU輸出的噴油脈寬，在ECU中對于噴油脈寬的控制主要采用兩種方式:開環(huán)控制和閉環(huán)控制。 開環(huán)控制中，預(yù)先通過標(biāo)定試驗確定發(fā)動機(jī)在各個工況點噴油量的值，然后將這些值以數(shù)據(jù)表的形式存儲在EPROM中(即通常說的MAP圖)，實際運

5、行時，根據(jù)工況查表插值確定控制量的具體數(shù)值。這種控制方式具有方法簡單、響應(yīng)速度快的優(yōu)點，但由于這是一種預(yù)定模式控制，其控制精度完全依賴于控制MAP值的測量精度，無法對偏差、擾動等外界干擾因素進(jìn)行補償修正，隨著電控技術(shù)的深入發(fā)展(fzhn)，單純依靠開環(huán)控制己無法滿足空燃比控制精度的嚴(yán)格要求，因而出現(xiàn)了空燃比的閉環(huán)控制。 閉環(huán)控制由開環(huán)控制加閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)組成，在閉環(huán)控制方式中，ECU并不只是計算噴油脈寬，而且還要記錄當(dāng)前的噴油脈寬，然后從排氣氧傳感器EGO信號檢查這一脈寬形成的空燃比，并與目標(biāo)(mbio)空燃比進(jìn)行比較，來決定下一次的噴油脈寬。閉環(huán)控制比開環(huán)控制更精確，是因為閉環(huán)控制可以補償

6、燃油噴射系統(tǒng)的各種誤差，這些誤差可能包括對空氣質(zhì)量測量(cling)的誤差、噴油壓力誤差、噴油器的流量誤差等，也就是說閉環(huán)控制可以克服各臺發(fā)動機(jī)之間的差別。 空燃比閉環(huán)控制可以獲得比開環(huán)控制更高的控制精度，但是并不是所有的工況下都可以采用閉環(huán)控制，這是因為在空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)中采用排氣氧傳感器來檢測混合氣的空燃比值，排氣氧傳感器信號只有在空燃比為理論空燃比時才會產(chǎn)生躍變，ECU就是根據(jù)這一信號來實現(xiàn)對空燃比的閉環(huán)控制，并逐漸將空燃比調(diào)整到理論空燃比。所以只有那些采用理論空燃比混合氣的工況下才能采用空燃比的閉環(huán)控制，而實際運行的時候，有些工況是不能采用理論空燃比混合氣的，例如，冷起動以及冷卻水溫

7、度較低時，需要較濃的混合氣來維持發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運行;節(jié)氣門開度很大的時候又需要較濃的混合氣以保證最大轉(zhuǎn)矩。所以在產(chǎn)品化的ECU控制策略中既包括了空燃比的閉環(huán)控制又包括了空燃比的開環(huán)控制。2.1.2空燃比的控制(kngzh)要求 對汽油發(fā)動機(jī)而言，從理論上講，空燃比在14.6時，燃油可以完全燃燒，此時(c sh)發(fā)動機(jī)具有較好的經(jīng)濟(jì)性和排放性。但當(dāng)發(fā)動機(jī)其它條件不變時，隨著空燃比的變化，其功率和燃油消耗率會發(fā)生較大變化。因此考慮到發(fā)動機(jī)的綜合性能，在不同的工作狀況下對空燃比就有不同的要求。例如，起動暖機(jī)工況下，為了保證較好的起動性能需要較濃的混合氣;穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷(fh)時，為保證較好的經(jīng)濟(jì)性和排放

8、性需要保證混合氣在理論空燃比附近;大負(fù)荷工況時，為保證較好的動力性也需要較濃的混合氣等。所以空燃比控制策略要求:能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門的位置信號及時判斷所處的工況，并隨工況和環(huán)境的變化提供可變的滿足該工況要求的空燃比。 空燃比的控制是通過控制噴油量實現(xiàn)的，而噴油量的大小取決于對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量的準(zhǔn)確測量。空氣流量的精確性直接決定了空燃比是否精確。空氣流量計安裝在節(jié)氣門處的，所測的空氣流量與進(jìn)氣門處空氣流量有一定的差別;流量計本身有反應(yīng)延遲和測量噪聲;由于進(jìn)氣管內(nèi)的填充和壓力波動而引起“滯后”或流量變化。所以空燃比控制要求:能夠隨著發(fā)動機(jī)工況或環(huán)境條件的變化，精確計算空氣流量。 發(fā)動機(jī)運行過程中

9、，突然(trn)加速和突然減速的工況出現(xiàn)頻繁，這時由于節(jié)氣門的突然增大或減小使得進(jìn)氣管內(nèi)的壓力變化較大，燃油和油膜的蒸發(fā)平衡被破壞，造成實際進(jìn)入氣缸的燃油量與噴射的燃油量不相等。所以空燃比控制要求:考慮對油膜變化的動態(tài)補償。 發(fā)動機(jī)運行工況和外界環(huán)境(hunjng)的瞬變性使得發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)必須要具有很強的實時性。而控制系統(tǒng)一般都是由單片機(jī)為基礎(chǔ)的通用芯片或者專用芯片組成的，為了保證這樣一個瞬變控制系統(tǒng)的實時響應(yīng)性，對控制策略的要求:不能有太復(fù)雜的計算，以免影響實時工作性能。 另外，發(fā)動機(jī)在使用過程中會有各種磨損，這些磨損隨著時間的推移臺積累起來，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。為了使得(sh

10、de)發(fā)動機(jī)在整個生命周期中都能夠保持一定的控制精度，具有較好的使用性能，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)該具有自學(xué)習(xí)能力，能夠自行的進(jìn)行控制參數(shù)的調(diào)整。 以上既是精確控制空燃比的要求也是難點問題，或者說是要進(jìn)行空燃比精確控制所必需的努力方向。2.2空燃比的控制策略 空燃比的控制包含開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式，并且在不同的工作模式下采用不同的控制策略。具體來講本文中將發(fā)動機(jī)運行工況分為如下幾種工作模式:起動及暖機(jī)模式、熱機(jī)怠速模式、瞬態(tài)工況(加、減速(jin s)工況)模式、部分負(fù)荷穩(wěn)定工況模式以及大負(fù)荷穩(wěn)定工況模式。2.2.1起動(q dn)及暖機(jī)工況空燃比的控制 發(fā)動機(jī)的起動及暖機(jī)過程依轉(zhuǎn)速的變化可以分為

11、(fn wi):起動拖轉(zhuǎn)期、起動期和暖機(jī)期。一般起動時發(fā)動機(jī)的溫度較低，特別是在冬天，發(fā)動機(jī)進(jìn)行冷起動，為了提高有效空燃比，必須加大噴油脈寬，以實現(xiàn)順利起動，否則將出現(xiàn)起動困難、熄火、抖動等現(xiàn)象。一旦起動，經(jīng)過短暫的起動期后發(fā)動機(jī)進(jìn)入暖機(jī)期。 當(dāng)發(fā)動機(jī)起動時，ECU檢測到曲軸傳感器脈沖信號，則起動拖轉(zhuǎn)期開始，隨著發(fā)動機(jī)點火燃燒，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于400rpm拖轉(zhuǎn)期結(jié)束。在起動拖轉(zhuǎn)期發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速很低，加上節(jié)氣門一般全關(guān)，氣缸吸入的空氣量很少，空氣流量計的讀數(shù)不可靠，此時一般并不是根據(jù)空氣流量去計算噴油量，而是根據(jù)冷卻水溫，給定一個固定噴油脈寬值。此時空燃比大致為A/F=SlOa 當(dāng)起動拖轉(zhuǎn)

12、期結(jié)束，發(fā)動機(jī)進(jìn)入短暫的起動期。在起動期發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低并且仍然不穩(wěn)定，因此仍不能根據(jù)進(jìn)氣量計算噴油量，而是以拖轉(zhuǎn)期的噴油脈寬作為初始值，在一定時間內(nèi)逐漸降低脈寬。在設(shè)定的時間結(jié)束后，轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定下來并達(dá)到了怠速轉(zhuǎn)速以上，此時如果冷卻(lngqu)水溫還比較低，則進(jìn)入了怠速暖機(jī)期。怠速暖機(jī)期已經(jīng)可以根據(jù)進(jìn)氣量計算噴油量，為快速暖機(jī)一般仍采用暖機(jī)加濃因子(ynz)加濃混合氣。為了使發(fā)動機(jī)有較好的排放和節(jié)約燃油，采用加濃因子MAP，即根據(jù)進(jìn)氣壓力和轉(zhuǎn)速查加濃因子MAP來控制加濃。這樣可以進(jìn)行精確控制，避免不必要的加濃。如果是熱起動，特別是發(fā)動機(jī)正常運轉(zhuǎn)，停機(jī)后又馬上起動時，此時發(fā)動機(jī)的溫度已經(jīng)比較高，

13、就不再需要暖機(jī)，可以直接進(jìn)入怠速或穩(wěn)態(tài)工況，通過(tnggu)查噴油MAP決定噴油量。 另外，如果起動時間過長或多次起動失敗，就可能造成溢油現(xiàn)象，即燃油過量，發(fā)動機(jī)將無法啟動。此時可將節(jié)氣門開至最大，ECU根據(jù)節(jié)氣門開度最大信號和轉(zhuǎn)速低于限值(如小于400rpm )，判斷發(fā)動機(jī)要清除溢油，這時ECU減少噴油或不噴油，借助較大的空氣流量，可盡快清除溢油。 根據(jù)以上的討論，在起動和暖機(jī)工況，空燃比的控制策略如下: (1)起動時，根據(jù)TP(節(jié)氣門位置傳感器)全關(guān)觸點和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號(小于400rpm)判定發(fā)動機(jī)處于起動拖轉(zhuǎn)期。此時(c sh)的噴油脈寬設(shè)定為一個固定值，具體取值可以根據(jù)ECT(冷卻水

14、溫傳感器)信號并結(jié)合冷卻水溫度一噴油脈寬函數(shù)曲線得到。 (2)起動拖轉(zhuǎn)期在轉(zhuǎn)速大于400rpm后結(jié)束，進(jìn)入(jnr)短暫的起動期，起動期的噴油脈寬以起動拖轉(zhuǎn)期的數(shù)值作為初始值，調(diào)用內(nèi)存中的時間函數(shù)，在時間函數(shù)規(guī)定的時間內(nèi)，逐步降低噴油脈寬。具體可參看文獻(xiàn)3中的圖6-1 (3)在時間函數(shù)規(guī)定的時間之后，進(jìn)入怠速暖機(jī)期，查噴油MAP控制噴油量，并通過查暖機(jī)加濃因子(ynz)MAP加濃混合氣。如果是熱起動，則沒有暖機(jī)期，可直接進(jìn)入正常怠速或穩(wěn)態(tài)工況。2.2.2穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷下空燃比控制 圖2-1是傳統(tǒng)汽油機(jī)所要求的空燃比40。在怠速時為了獲得平穩(wěn)的怠速，并同時準(zhǔn)備適應(yīng)突發(fā)的加速，采用了濃混合氣。AB段

15、為由怠速向穩(wěn)態(tài)過渡，為了混合氣由較濃變?yōu)檩^稀。在穩(wěn)態(tài)中等負(fù)荷時，主要考慮經(jīng)濟(jì)性采用較稀的混合氣，即經(jīng)濟(jì)混合氣，見圖中的BC段。當(dāng)節(jié)氣門開度超過80%時，發(fā)動機(jī)進(jìn)入大負(fù)荷階段，這時主要考慮(kol)其動力性，采用較濃的混和氣，見圖的CD段。 以上是傳統(tǒng)的汽油機(jī)對空燃比的控制要求，但是，自從20世紀(jì)(shj)80年代中期以后，隨著環(huán)境保護(hù)問題的日益突出，各國法定的排放限額幾度降低，不得不越來越多地采用三效催化轉(zhuǎn)化器，而這就相應(yīng)地要求在寬廣的部分負(fù)荷工況下采用空燃比閉環(huán)反饋制，把空燃比嚴(yán)格限制在理論空燃比附近一個很狹窄的范圍內(nèi)以確保三效催化轉(zhuǎn)化器的高效轉(zhuǎn)化，達(dá)到降低排放的目的。 當(dāng)廢氣通過三元催化轉(zhuǎn)

16、化器時，廢氣中的CO HC被氧化成CO:和 H20 NOx被還原成N:和OZ，這樣就達(dá)到了凈化廢氣的目的。然而各種催化劑的凈化效率卻與混合氣的空燃比有關(guān)3)，如圖2-2所示。只有在混合氣空燃比為理論空燃比時，有害氣體CO HC NOx才同時(tngsh)具有較高的凈化效率。也就是說，只有當(dāng)發(fā)動機(jī)燃用理論空燃比的混合氣時，三元催化轉(zhuǎn)化器凈化廢氣的作用才能發(fā)揮最充分。 因此發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷穩(wěn)定運行(ynxng)的時候，采用閉環(huán)控制使有效空燃比維持在理論空燃比附近很窄的范圍內(nèi)，這樣可以使三元催化劑保持較高的轉(zhuǎn)化效率，達(dá)到降低排放的要求。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)由開環(huán)控制環(huán)節(jié)加上氧傳感器閉環(huán)修正環(huán)節(jié)組成。 對

17、于開環(huán)控制部分，是根據(jù)進(jìn)氣管壓力和轉(zhuǎn)速信號，通過查噴油MAP圖從而確定基本噴油量。噴油MAP一般是在樣機(jī)上進(jìn)行大量(dling)的標(biāo)定試驗獲得，根據(jù)標(biāo)定試驗的結(jié)果形成典型工況下的基本噴油量數(shù)據(jù)表格，即噴油MAP圖，發(fā)動機(jī)實際運行時查表插值得到基本噴油量。本文中也是采用標(biāo)定試驗的方法來獲得基本噴油量數(shù)據(jù)，不過本文的標(biāo)定試驗是在所建立的發(fā)動機(jī)模型上進(jìn)行的。雖然有別于在實際臺架的標(biāo)定實驗，但標(biāo)定的方法和步驟以及對數(shù)據(jù)的處理(chl)是相似的。 對于閉環(huán)修正環(huán)節(jié)是將氧傳感器的開關(guān)信號轉(zhuǎn)化為對開環(huán)輸出基本噴油量的修正量。這個轉(zhuǎn)化過程即是控制算法的實現(xiàn)過程，對可以采用的控制算法有很多，目前比較新的主要有自

18、適應(yīng)控制、滑模控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，但是這些方法大都不很成熟且運算復(fù)雜，并且由于對噴油量修正所要求的速度比較高，所以實際電控系統(tǒng)(xtng)中采用最多的還是傳統(tǒng)的PID控制。再者，穩(wěn)態(tài)工況下各狀態(tài)變量的變化很小，采用傳統(tǒng)的PID控制基本上可以滿足控制要求。同時這種控制方式結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，因此本文中也采用PID控制方式來實現(xiàn)閉環(huán)控制。2.2.3大負(fù)荷(fh)工況下空燃比的控制 以上討論的是穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷下的空燃比控制，在穩(wěn)態(tài)工況下還有一種情況(qngkung)是大負(fù)荷工況，在這種工況下的控制同部分負(fù)荷下的控制有所不同。部分負(fù)荷下空燃比控制是以降低排放為主要控制目標(biāo)，同時兼顧經(jīng)濟(jì)性，而

19、大負(fù)荷工況下的主要控制目標(biāo)不再是排放性和經(jīng)濟(jì)性，而是動力性。為了獲得良好的動力性，在這種工況下多采用功率空燃比的混合氣，此時的空燃比范圍為12.513.5(過量空氣系數(shù)大約在0.9左右)，這種空燃比的混合氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁欤l(fā)動機(jī)發(fā)出的功率最大.2.2.4瞬態(tài)工況時空燃比的控制在汽車運行中，突加速和突減速的瞬態(tài)工況會頻繁出現(xiàn)。為了滿足駕駛性能的要求，并保證發(fā)動機(jī)平穩(wěn)迅速的過渡，必須精確控制瞬態(tài)工況要求的空燃比，但在瞬態(tài)時各參數(shù)變化比較快，很容易造成空燃比的控制偏差。總結(jié)起來，造成空燃比控制偏差的主要因素包括: (1)進(jìn)氣管內(nèi)的充排氣現(xiàn)象和壓力傳感器的響應(yīng)滯后。在節(jié)氣門突變時，由于氣體的充排

20、現(xiàn)象，使得(sh de)流經(jīng)總管的空氣量與實際進(jìn)入氣缸的空氣量不等，并且由于進(jìn)氣管內(nèi)壓力變化過快，壓力傳感器響應(yīng)滯后，于是計算出的噴油量出現(xiàn)偏差。 (2)進(jìn)氣管內(nèi)油膜動態(tài)特性的影響。當(dāng)燃油從噴嘴(pnzu)噴出時會有一部分形成油膜粘在進(jìn)氣管壁上，在穩(wěn)態(tài)工況時，油膜的生成和蒸發(fā)處于平衡狀態(tài)，即生成量和蒸發(fā)量相等，這時噴嘴噴射的燃油量和進(jìn)入氣缸的燃油量相等;當(dāng)節(jié)氣門快速變化時，進(jìn)氣管內(nèi)的壓力會隨之改變，由于壓力的變化使得油膜的動態(tài)平衡被打破，這使得噴嘴噴出的燃油量和進(jìn)入氣缸的燃油量不等，造成空燃比的偏濃或偏稀。 (3)閉環(huán)控制的速度可能跟不上。空燃比閉環(huán)控制需要一定的調(diào)節(jié)時間，而當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)行急加速

21、或急減速(jin s)的時候，用空燃比反饋控制難以跟蹤發(fā)動機(jī)狀態(tài)的變化。這也是本文對空燃比閉環(huán)控制采用較簡單的、運算速度快的PID算法的原因之一。 通過以上分析可見，發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況時空燃比基本上屬于開環(huán)控制。為了提高控制精度，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)必須能夠及時準(zhǔn)確地計算進(jìn)入氣缸的空氣量，并對進(jìn)氣管內(nèi)的油膜動態(tài)特性進(jìn)行有效的補償，使進(jìn)入氣缸的實際燃油量與噴入的燃油量相等。 對于瞬態(tài)工況空燃比的精確控制，目前也是歐美為達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)而研發(fā)或采用的控制技術(shù)。已有不少人對此做了研究。例如，侯志祥等43對目前國內(nèi)外汽油發(fā)動機(jī)過渡工況空燃比的控制策略進(jìn)行了論述，并提出了一種基于信息融合的控制策略，但是還是處于

22、研究階段，未能證實其實用性。倒是文中提到，一種基于觀察器理論和動態(tài)油膜補償模型的控制策略，目前應(yīng)用比較廣泛44-49，這在其它多個(du )文獻(xiàn)中都有闡述。 為了實現(xiàn)瞬態(tài)工況下空然比的精確控制，本文所設(shè)計的控制策略主要從兩個方面著手:一方面是提高空氣流量速率的測量精度，另一方面是建立動態(tài)油膜補償模型(mxng)，對瞬態(tài)工況下的動態(tài)油膜效應(yīng)導(dǎo)致的瞬間加濃和稀化現(xiàn)象進(jìn)行補償。下面具體闡述。 發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)中，為了確定循環(huán)噴油量，必須準(zhǔn)確確定循環(huán)進(jìn)氣量。根據(jù)系統(tǒng)配置的傳感器的不同，可以采用兩種方法(fngf)計算循環(huán)進(jìn)氣量:速度一密度法和空氣流量法。本文中采用的是速度一密度法來確定循環(huán)進(jìn)氣量。從前面

23、的分析可以看出，在速度一密度法中空氣流量的測量出現(xiàn)誤差主要是由進(jìn)氣歧管壓力傳感器測量滯后所引起，所以要提高瞬態(tài)工況下空氣流量的測量精度就應(yīng)該想辦法來消除由于傳感器滯后所引起的這種誤差。本文中通過建立非線性的進(jìn)氣管壓力觀測器模型來實時預(yù)測和估計進(jìn)氣管壓力。該觀測器模型實際上是以發(fā)動機(jī)平均值模型為基礎(chǔ)建立起來的，這在本文第三章中將會有詳細(xì)的闡述。 瞬態(tài)工況下除了進(jìn)氣管壓力測不準(zhǔn)之外，另一個問題是穩(wěn)態(tài)工況下的油膜動態(tài)平衡被破壞，必須對這種動態(tài)油膜效應(yīng)造成的實際(shj)空燃比偏差進(jìn)行補償。補償?shù)膶嵸|(zhì)是在控制器內(nèi)部嵌入動態(tài)油膜模型，通過該模型的計算得到一個加濃系數(shù)，將此加濃系數(shù)同穩(wěn)態(tài)工況下的燃油噴射量

24、相乘得到在瞬態(tài)工況下的最終噴油量。該模型也會在本文第三章中具體闡述。2.2.5熱機(jī)(rj)怠速工況下空燃比的控制 在汽車的工況法排放測試中，怠速排放CO和HC通常占總排放量的70%左右(zuyu)，怠速運轉(zhuǎn)時間占1/3，城市運行的車輛，在怠速工況下的耗油量約占總耗油量的30%。發(fā)動機(jī)怠速工況具有如下幾個特點: (1)怠速工況的經(jīng)濟(jì)性和排放性存在著矛盾。在怠速工況下發(fā)動機(jī)對外無功率輸出，消耗的燃油有一部分用來克服摩擦力。為了減少摩擦功以節(jié)省燃油，怠速轉(zhuǎn)速越低越好，但是怠速轉(zhuǎn)速越低，廢氣的稀釋作用越明顯，必須提供較濃的混合氣，其結(jié)果則是燃燒不完全，HC和CO等有害排放增加。因此為了兼顧濟(jì)性和排放性

25、必須對穩(wěn)定怠速轉(zhuǎn)速作一個合理的折中。 (2)怠速工況必須有很強的負(fù)荷變化適應(yīng)性。在怠速工況下，發(fā)動機(jī)所作的功除了克服各種( zhn)摩擦力還需要維持各種附加設(shè)備(如空調(diào)壓縮機(jī)、動力轉(zhuǎn)向泵、電動冷卻風(fēng)扇等)的正常運轉(zhuǎn)，這些設(shè)備的突然加載將引起轉(zhuǎn)速的波動，嚴(yán)重時甚至可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火。 (3)發(fā)動機(jī)由怠速工況過渡到正常行駛工況是一個漸變的過程，這一過程的快速性和平滑性對汽車駕駛性能有重要(zhngyo)影響。 (4)無法建立怠速工作過程的精確數(shù)學(xué)模型。由于(yuy)進(jìn)、排氣過程的波動性和燃燒過程的隨機(jī)性，發(fā)動機(jī)的怠速有隨機(jī)的、天然的轉(zhuǎn)速浮動，很難用精確的數(shù)學(xué)模型加以描述。 發(fā)動機(jī)怠速控制是發(fā)動機(jī)電

26、控的一個重要內(nèi)容，怠速性能的好壞直接影響發(fā)動機(jī)的性能和汽車的駕駛性能。汽油發(fā)動機(jī)怠速控制的目標(biāo)是穩(wěn)定發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時兼顧汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性。考慮到三效催化劑只有在空燃比為理論空燃比時才能起到很好的催化作用，所以本文在此工況下將空燃比控制在理論值附近。為了獲得良好的排放當(dāng)然要采用(ciyng)EGO的信號實現(xiàn)空燃比的閉環(huán)控制，此處的空燃比控制和穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷的一樣。 為了實現(xiàn)對怠速轉(zhuǎn)速的控制可以采用發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速作為反饋信號(xnho)，動態(tài)調(diào)整汽油機(jī)的進(jìn)氣量、燃油量和點火提前角等工作參數(shù)，以消除發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速間的偏差。由于調(diào)整燃油量和點火提前角等工作參數(shù)可能會使汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)惡化，所

27、以通常采用動態(tài)調(diào)整發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量(怠速控制閥)的方法來控制汽油機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速。在怠速閉環(huán)控制方法中，研究較多的是PID控制和模糊控制，其次是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制.從研究結(jié)果來看，由于PID控制器的響應(yīng)特性對控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整(tiozhng)很敏感，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定，而且控制器對發(fā)動機(jī)的負(fù)載干擾響應(yīng)慢，速度往往出現(xiàn)大的波動現(xiàn)象，控制效果并不是很理想。而模糊控制器以誤差和誤差變化作為輸入變量，具有模糊比例一微分控制作用，這種控制器具有動態(tài)響應(yīng)性、魯棒性好，抗干擾能力強等特點，但是由于它缺少積分控制項(積分控制作用能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差)，過渡時間比較長，并且顯得有點“粗暴”，不夠細(xì)膩。 對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可以很好的應(yīng)用

28、于非線性復(fù)雜控制系統(tǒng)，而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線訓(xùn)練功能及自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法可以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。但是其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)規(guī)則、層數(shù)及各層神經(jīng)元的個數(shù)選擇都不容易確定，而且基于復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器計算量也較大，對系統(tǒng)的要求也高。相比之下模糊控制較為合適。 為了改善基本模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能，本文在模糊控制器中引入PID控制策略，構(gòu)成一種模糊一PID復(fù)合控制器:參數(shù)模糊自整定PID控制器。參數(shù)模糊自整定PID控制算法采用模糊推理的方法實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自調(diào)整，不僅保持了PID控制原理(yunl)簡單、使用方便、控制精度高等優(yōu)點，而且具有模糊控制算法靈活且適應(yīng)性強等優(yōu)點，重要的是不會給電控單元帶

29、來較大的計算(j sun)負(fù)擔(dān)。 綜上所述，在上述的五種工況下，為提高發(fā)動機(jī)的綜合性能，其控制策略各有其特點和實現(xiàn)的方法，如表2-1所示。但針對空燃比來說，除了起動暖機(jī)和大負(fù)荷工況使用較濃的混合氣之外，其它(qt)三種工況將空燃比控制在理論值附近合適。2.3點火控制策略點火控制系統(tǒng)的功能就是在發(fā)動機(jī)最佳的曲軸位置使火花塞發(fā)出足夠能量的電火花，去點燃可燃混合氣。因此點火系統(tǒng)的控制涉及到兩方面的內(nèi)容，一是精確控制點火提前角，使火花塞具有最佳的點火時刻;二是火花能量的控制。電火花的能量取決于點火線圈初級電流的大小(dxio)，由于點火線圈存在電感，初級電路接通后電流按指數(shù)規(guī)律增長，也就是說要經(jīng)過一定

30、時間初級電流(dinli)才能達(dá)到飽和。但如果電流飽和后仍繼續(xù)向初級電路通電，則會使線圈發(fā)熱，造成能量損失。因此ECU不僅要控制合適的點火時刻，而且還要對初級線圈的通電時間加以控制，即要控制點火閉合時間。 同時，汽油機(jī)特有的爆震現(xiàn)象與點火時刻存在密切關(guān)系。點火提前角越大，燃燒的最大壓力就越大，就越易產(chǎn)生爆震。爆震是由汽油機(jī)特有的一種(y zhn)不正常燃燒爆燃引起的。汽油機(jī)在某種條件下工作時(如壓縮比過高、燃油辛烷值過低等)，當(dāng)火花塞點火并且火焰以正常速度推進(jìn)時，處于最后燃燒位置的混合氣體(末端混合氣)會進(jìn)一步受到壓縮和已燃混合氣的熱輻射作用，在正常火焰未到達(dá)之前產(chǎn)生了一個或幾個火焰中心而自行

31、燃燒的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生爆燃時，由于爆燃處的壓力和溫度急劇上升，氣缸壓力來不及平衡(化學(xué)反應(yīng)速度大于氣體膨脹速度)，因此會在自燃區(qū)內(nèi)形成一個壓力脈沖，并且以極高的速度傳播火焰，這個壓力脈沖在燃燒室內(nèi)屢次反射，迫使氣缸等零件振動產(chǎn)生高頻噪聲。另外，由于壓力波的沖擊使得氣缸壁層流邊界層被破壞，使氣缸壁傳熱量大為增加，冷卻系統(tǒng)過熱。嚴(yán)重的爆震對發(fā)動機(jī)具有很大的破壞性，會使汽油機(jī)機(jī)體溫度上升，導(dǎo)致運動部件磨損加劇，輸出功率下降，縮短發(fā)動機(jī)的使用壽命。然而，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作于輕微爆震狀態(tài)時，由于充量的燃燒速率很快，燃燒過程接近于定容過程，此時發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性可以得到一定改善。因此爆震控制的目的就是使發(fā)動機(jī)能

32、夠工作在輕微爆震的狀態(tài)下，它是通過檢測發(fā)動機(jī)工作時的爆震強度，并根據(jù)爆震強度修正下一循環(huán)的點火提前角來實現(xiàn)的。 對于爆震的控制國外也正在進(jìn)行廣泛的研究，測量爆震的常用方法有:測燃燒室噪聲、機(jī)體(jt)振動頻率和氣缸壓力法。根據(jù)氣缸壓力檢測的方法，其精度最佳，但存在傳感器耐久性差和難以安裝的問題，目前僅處于實驗研究階段;根據(jù)燃燒噪聲的檢測法，由于是非接觸式的，其耐久性好，但精度和靈敏度偏低;目前最常用的檢測法是根據(jù)發(fā)動機(jī)機(jī)體振動的方法2.3.1點火定時(dn sh)信號的生成 發(fā)動機(jī)點火線圈控制信號的定時(dn sh)關(guān)系及產(chǎn)生方法如圖2-3所示。 各缸上止點基準(zhǔn)信號產(chǎn)生于該缸壓縮沖程上止點前1

33、200 CA，該信號作為點火(din hu)定時的基準(zhǔn)信號。發(fā)動機(jī)運行過程中，當(dāng)某一基準(zhǔn)信號到來時，先查表得出點火提前角90之后，計算基準(zhǔn)時刻與點火時刻之間的延遲時間Td . 幾=(1200一6) /(6n) x 106式中:n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，rpm, 6n表示“/s ; 為點火提前角，通過調(diào)整Td的大小就可以調(diào)整點火提前角。 實際上，延遲時間Td中包含了空閑時間Ts和閉合時間乓兩部分，就是點火控制脈沖的寬度，如圖2-3中所示。 Td為延遲時間，閉合時間其實 初級電流上升到一定值的時間，即閉合時間，僅與蓄電池的電壓tl。有關(guān)，所以點火閉合時間的控制可按蓄電池電壓來進(jìn)行，這在第三章中有詳細(xì)介紹。在

34、實際運行中，按不同電壓值求得一系列閉合時間的值，這些值被存于ROM中以便查取。點火(din hu)提前角的控制 在微機(jī)控制的點火系統(tǒng)中，點火提前角通常(tngchng)包括點火提前角的基本量和點火提前角校正量兩大部分 點火提前角基本(jbn)量就是存放在ECU中的點火提前角MAP，是通過大量的臺架試驗后，得到的使發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性均達(dá)到最佳值時的點火提前角數(shù)值。當(dāng)發(fā)動機(jī)實際運行時，根據(jù)發(fā)動機(jī)所處的工況隨時讀取，因此基本點火提前角是微機(jī)實行點火提前角最優(yōu)控制的主要依據(jù)。 點火提前角的校正量是指在發(fā)動機(jī)工作條件變化時而對點火提前角進(jìn)行校正的量。點火提前校正主要有: 1)冷卻水溫校正 冷卻

35、水溫的對點火提前角的修正主要應(yīng)用于暖機(jī)期，在發(fā)動機(jī)冷卻水溫較低時，使點火時間推遲，加快暖機(jī)。隨水溫升高，逐漸增大點火提前角(點火提前角增大，缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力就會增大，做功就多，從能量轉(zhuǎn)化角度考慮，熱交換的熱量就少。如果發(fā)動機(jī)過熱，由于(yuy)易產(chǎn)生爆震，要減小點火提前角)。在600C90時，校正(jiozhng)量為零。在水溫過高時，為防止發(fā)動機(jī)過熱和爆燃，其點火提前角會進(jìn)一步減小。 2)大氣壓力和進(jìn)氣(jn q)溫度校正 為了確保汽車在高原地區(qū)的工作性能，在大氣壓較低的條件下稍增大點火提前角，這就是大氣壓修正。對于進(jìn)氣溫度修正，目的是為了防止發(fā)生爆震，在進(jìn)氣溫度較高時，減小點火提前角。

36、在發(fā)動機(jī)起動時，轉(zhuǎn)速較低。此時，若點火提前角過大，在轉(zhuǎn)速較低的情況下可能導(dǎo)致反轉(zhuǎn)扭矩。再者轉(zhuǎn)速變化較大ECU無法正確計算出點火提前角，所以一般采用固定的、較小的點火提前角，一般為10 0CA 15 0CAo 對于怠速工況，一般根據(jù)轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度來控制點火提前角。當(dāng)?shù)∷俎D(zhuǎn)速在1 OOOrpm以下時，點火提前角均為15 0CA，如果轉(zhuǎn)速在1 OOOrpm以上，則根據(jù)冷卻水溫來控制點火提前角。當(dāng)冷卻水溫低于50時，適當(dāng)推遲點火，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定并促進(jìn)暖機(jī)。當(dāng)冷卻水溫高于50時，則適當(dāng)加大點火提前角。 發(fā)動機(jī)在穩(wěn)態(tài)小負(fù)荷工況或者說在不會出現(xiàn)爆震的工況(負(fù)荷50%一般不會出現(xiàn)爆震)下，點火提前角的控制主要(zhyo)是采用開環(huán)控制:ECU根據(jù)進(jìn)氣岐管絕對壓力和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，通過查點火提前角MAP確定具體數(shù)值，此外還需考慮各種修正項，因此發(fā)動機(jī)點火提前角=基本點火提前角十各種修正項。2.3.3爆震(bo zhn)控制 爆震控制也叫爆燃控制，是通過改變點火提前角來實現(xiàn)的。當(dāng)通過爆震傳感器)監(jiān)測到有爆震發(fā)生時，ECU逐步減小點火提前角，直至爆震完全消失。當(dāng)爆震完全消失后并在若干個循環(huán)里不再出現(xiàn)(chxin)，ECU會逐漸將點火提前。在最理想的情況下爆燃不出現(xiàn)，ECU會將點火提前角恢復(fù)到爆燃前的水平，并開始正常的點火提前角開環(huán)控制。所以，對爆燃的控制實際上是點火提前角的延遲和提前的