（电子科学与技术专业论文）四缸汽油发动机怠速控制研究.pdf

四缸汽油发动机怠速控制研究 i m a b s t r a c t b e c a u s e o ft h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n ds o c i e t yi nt h e21t hc e n t u r y t h e n o n r e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c e sa r eb e c o m i n gs c a r c ea n dt h ee n v i r o n m e n ta l s oi s b e i n g p o l l u t e db yh u m a ni t s e l f w em u s ti n s i s to u rt h e m ew h i c hi st h ee n e r g ys a v i n g e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o na n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tw h i l et h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fc h i n a t h ec a r s m o v i n go nt h er o a da r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ee v e r yy e a r a n dt h ee x h a u s tg a sd i s c h a r g e d b yt h e mi so n eo ft h ei m p o r t a n ta i rp o l l u t i o nf a c t o r s b e c a u s eo ft h et r a f f i cj a m t h ec a re n g i n e a l w a y sw o r k sa tt h ei d l em o d ea n d3 0p e r c e n tg a si sc o n s u m e da tt h i sm o d e a i ma tt h ei d l e m o d e t h i sp a p e rd e s i g n sa ni d l en o n e r r o rt r a c k i n gc o n t r o ls y s t e m a n ds i m u l a t e st h ew o r k p r o c e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t et h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo ft h ei d l e n o n e r r o r t r a c k i n gc o n t r o ls y s t e m a tf i r s t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h e x p l a i n s t h ep u r p o s ea n dm a i ni d e a so ft h ei d l es p e e dc o n t r o ls y s t e m a n da n a l y z e st h er e s e a r c hs t a t u s a n dd e v e l o p m e n tt r e n do fg a s o l i n ee n g i n ei d l es p e e dc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rd e s i g n s g a s o l i n ee n g i n ei d l i n ga r m a xm o d e lb a s e do nr e c u r s i v el e a s ts q u a r em e t h o d i tt a k e sa g a s o l i n ee n g i n em o d e li nm a t l a b s i m u l i n ka st h ei d e n t i f i e do b j e c ta n dg e t st h ea r m a x m o d e lo f4 6 5 qg a s o l i n e t h i sp a p e rr e s e a r c h e so ni n t e r n a lm o d e lc o n t r o l n o n e r r o rt r a c k i n gc o n t r o la n do p t i m a l c o n t r o ls y s t e m i c a l l y a n dp r o p o s e sap o l e p l a c e m e n tm e t h o df o rt h ei d l en o n e r r o rt r a c k i n g c o n t r o ls y s t e m t h ep o l e p l a c e m e n tm e t h o dm o v e st h ep o l e so fi d l en o n e r r o rt r a c k i n gc o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h ep o l e so fi d l eo p t i m a lc o n t r o ls y s t e m a n di tc a l lg e te x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s i m i l a rt h eo p t i m a lc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rd e d u c e st h ef o r m u l a t i o no fi d l ec o n t r o l l e r p a r a m e t e r s i tm a k e st h ei d l ec o n t r o ls y s t e md e s i g nb e c o m em o r es y m m e t r i c a l a tl a s t t h i s p a p e re s t a b l i s h e st h eg a s o l i n ee n g i n ei d l e s i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do n m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e b a s e do nt h es i m u l a t i o n i ta n a l y z e st h ed y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c e o ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ea b i l i t yo fa n t i b r e a ko fl o a d t h ea b i l i t yo f a n t i c o n t i n u i n gc h a n g eo fl o a d a n dt h er o b u s ta b i l i t yo ft h es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v et h a tt h ei d l en o n e r r o rt r a c k i n gc o n t r o ls y s t e mo w n se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e k e yw o r d s t h eg a s o l i n ee n g i n e i d l es p e e dc o n t r o l m o d e li d e n t i f i c a t i o n n o n e r r o rt r a c k i n g c o n t r o ls y s t e m m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n i i i 硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着科学技术的不断进步和国民经济的发展 汽车工业发展迅速 现在中国每年汽 车的保有量都在增加 汽车保有量的增加使汽油 柴油等非再生能源越来越少 环境情 况日益恶化 中国的经济在持续发展 但是我们要坚持自己的发展主题 那就是要贯彻 执行节能 环保与可持续发展政策 每年越来越多的汽车行驶在公路上 汽车排出的尾 气是造成大气污染的重要因素之一 并且每年新增的汽车也是每年能源消耗增加的因素 之一 正是由于全国很多城市和地区汽车保有量每年递增 l j 造成了当地空气质量日益 下降 在一些大城市中 例如北京 上海 广州等大城市 汽车排放的碳氢化合物气体 对城市环境影响很大 这是我们必须严肃面对的问题 人们生活在城市中 空气环境的 好坏与每个人都息息相关 由于汽车尾气排放不达标造成空气质量下降 这种现象不仅 威胁着人们的身体健康 还严重影响了城市建设的步伐 为推进机动车尾气减排和改善大气环境质量政策 国家环保部2 0 1 1 年1 2 月2 9 日 发布公告 要求各地对汽车尾气排放立即严格实施国家标准 国家环境保护部表示 从 2 0 1 3 年7 月1 日起 所有生产 进口 销售和注册登记的车用压燃式发动机与汽油机的 排放必须达到国i v 标准的要求 国家信息部发布的信息显示 第三阶段油耗目标值标 准将在2 0 1 2 年的1 月1 日起实行 由于2 0 1 1 年是导入期 所以油耗目标值设定为6 9 升 百公里 通过2 0 1 1 年1 0 月1 日开始实施的节能汽车补贴政策 新生产的排气量在 1 6 升及以下的乘用车中约有6 0 已经达到油耗目标值标准 6 9 升 百公里 并且节能 车补贴政策同时产生作用 使国内乘用车油耗减少 基本达到之前设定的目标要求 欧洲经济委员会 e c e 从1 9 7 0 年开始以e c e w 5 法规的形式对轻型汽油车排放污染 物和曲轴箱污染物排放进行控制 后以e c e r 8 3 和e c e r l5 0 4 法规来逐步控制n o x 的 排放 欧洲经济委员会在这期间不断对汽车排放标准进行修订 使汽车排放法规越来越 严格 例如在1 9 9 2 年开始执行欧i 排放法规 1 9 9 6 年开始执行欧i i 排放法规 2 0 0 0 年 开始执行欧i i i 排放法规 2 1 从2 0 0 9 年9 月开始实施欧v 排放法规 计划将来在2 0 1 4 年开始实施欧v i 排放标准 2 0 0 8 年1 1 月欧盟议会通过了以乘用车为代表的排放法规总 体规划草案 该草案指出2 0 1 2 年乘用车油耗要达到1 3 0 克 公里 尽管汽车企业对该草 四缸汽油发动机怠速控制研究 案拟定的排放法规要求提出种种困难 但欧盟认为面对困难仍要坚持实施 该草案还提 出到2 0 2 0 年乘用车的c d 排放标准要达到9 5 克 公里 汽车发动机运行工况通常分为启动 暖机 怠速 加减速和匀速状态 在车流量很 大的交通高峰时段 遇到交通堵塞情况时 汽车就要进入怠速工况下缓慢行驶或原地等 待前方车辆离开 同时汽油机运行要保证稳定一定的转速 发动机的怠速工况是指发动 机在无负载情况下的稳定运转状态 怠速工况是汽车发动机不可缺少的一个重要工况 发动机起动时转速由零增加到较低的转速 再由低转速增加到正常运行时的高转速 这 期间汽油机低转速和高转速之间就需要怠速工况相连接 3 汽车电子技术的发展使车载 系统越来越丰富 现代的汽车发动机怠速时不再有原来汽车怠速时那种意义上的空载 现代的汽车怠速时不光驱动汽油机使其保持一定的转速 还要同时驱动汽油机转动以带 动发电机承载一些车载负荷 例如车用空调 音响系统等 综上所述 为了保证可持续发展战略的实施 减少能源消耗和满足日益严格的排放 法规要求 我们必须提高汽车发动机控制器的控制性能 车辆正常行驶时 汽车处于怠 速工况下的燃油消耗约占总燃油消耗的3 0 因此在保证发动机正常运转和汽车得到所 需要的驱动力的前提下 尽可能使汽车怠速工况下发动机转速稳定在一个较低的数值 上 这样可以使燃油消耗和尾气排放量减少 随着车载设备的日益丰富 发动机在怠速 工况下受到的干扰也增多了 所以进行四缸汽油机怠速控制研究非常有必要 研究具有 良好动静态性能和鲁棒性能的汽油机怠速控制系统是十分重要的 1 2 怠速控制的目的和主体思路 1 2 1 怠速控制的目的 在城市中正常驾驶时怠速工况是最频繁的运行模式 因此为了降低油耗和减少排 放 汽油机怠速时保持一定的低转速是特别重要的 汽油机在工作时输出转矩与阻力转 矩相等时 汽车进入怠速工况并且保持一定的转速稳定行驶 此时汽油机驱动汽车行驶 保证发动机不熄火 这时就进入到怠速工况下 消耗的燃油做的功全部用于客服摩擦阻 力 从这点可以得出减少摩擦力做功就可以节省燃油消耗 因此怠速控制的目标是保证 汽油机正常运转的同时使汽油机转速保持在一个较低的水平上 当车载系统或汽车电子 设备被启用时会改变此时的负荷 这时怠速控制系统会控制输出转速 使其不会有较大 2 硕士学位论文 的波动h 无论是汽车电气系统的接入 空调的接通 还是动力转向装置等设备开始工 作 这些设备的启动都会造成负荷的变动 怠速控制器的目标是使此时b 转速恢复到稳定 值 要使汽车转速稳定就必须使汽油机每个工作冲程中喷油量和空气吸入量在各种情况 下都能进行相应的修正 此时怠速控制的实质就是控制节气门开度 控制目标就是稳定 一定的转速 启动及怠速的控制目标 1 启动可靠顺利 启动至怠速的过程中过度平稳 2 启动过程中的碳氢化合物气体排放较少 3 怠速工况下能够满足附件扭矩需求 发动机自身扭矩需求和怠速状态下驱动车 辆行驶的能力 4 怠速转速尽可能低且运转平稳 5 怠速转速的设定要避免发动机与车身产生共振 满足舒适性要求 1 2 2 怠速控制的主体思路 怠速工况是汽油机的一个很重要的工况 它是指汽油机在不输出功的情况下以最低 转速运转的稳定工况 对汽油机怠速控制的任务是对空燃比及点火角度进行充分优化 对进气质量 喷油量 点火角度这三个量进行精确控制和调整 最终得到理想的且能够 达到要求的控制目标 启动到怠速主要分为三个阶段 系统在每个阶段会有不同的控制模式 阶段一 同步判缸过程 此过程主要是发动机依靠曲轴传感器进行寻齿及与转速同步 当转速大于系统能够 识别的最小转速 大约2 5 r m i n 便进行寻找缺齿的同步过程 同步成功后便可以进行 喷油及点火 此时系统进入阶段二 步进电机的零位自学习要在此阶段内完成 阶段二 启动加浓过程 此过程主要是汽油机对喷出的燃油进行加浓 加浓修正系数是随转速升高而衰减 的 并且此系数不但与水温 歧管温度有关 而且还与喷油次数及发动机停机时间长短 有关 在此过程中步进电机也会参与工作 但此时控制系统中没有扭矩模型介入 发动 机点火角度主要是通过转速 水温及歧管温度查表得到的 阶段三 启动后至怠速的暖机过程 启动结束后 发动机进入启动后及暖机阶段 当发动机转速大于标定转速阀值 3 四缸汽油发动机怠速控制研究 6 0 0 8 0 0 r m i n 时 则系统进入阶段三状态 系统将基于扭矩模型进行气路控制和点 火角度控制 而油路控制则进入暖机加浓衰减过程 此时的喷油量与启动过程中根据起 动温度预设的固定喷油量有所不同 e m s 系统已经根据进气量计算得到此时的喷油量 随着燃烧室和进气管温度不断的升高 燃烧稳定性越来越好 发动机的运转状况逐渐向 正常怠速工况进行转变 启动后至暖机过程就是为了实现向正常怠速阶段的平稳过渡 汽油机由转速为零时开始起动 转速增加至怠速工况下的正常转速 这期间怠速控 制的物理模型可归纳为3 个 启动喷油 启动进气和启动点火 1 启动喷油 对于一台在正常环境中静置时间较长的发动机 特别是当环境温度比较低时 发动 机进气歧管和进气道的壁面上之前留下的燃油已经基本蒸发了 并且进气歧管和进气道 中的温度比较低 如果此时喷油器喷射燃油 喷射的燃油中会有很大一部分沉积到进气 道和燃烧室的壁面上 这些沉积在壁面上的燃油就会形成油膜 这种情况会造成启动时 发动机中可燃混合气的燃油蒸汽量大大减少 5 为了保证启动时有充足的燃油混合气进 入气缸 这时就需要延长喷油时间 增加喷油量以补偿由于形成油膜而损失的燃油混合 气 启动结束后 发动机进入起动后及暖机阶段 随着发动机正常运转 燃烧室和进气 道的温度逐渐上升 油膜损失逐渐减小 所形成的油膜中有一部分燃油挥发出来形成燃 油混合气 这样又可能使燃油混合气偏浓 为了避免这种情况发生 在启动后及暖机阶 段 需要对喷油进行控制 使喷油量按照一定的方式进行衰减 以满足发动机正常运行 的要求 2 启动进气 启动阶段发动机的内部摩擦阻力比正常运行时大 这种情况在发动机低温静置较长 时间的情况下表现得尤为突出 增加的这部分阻力主要来源于机油的粘度 当发动机低 温静止较长时间时 机油粘度会增加 经过起启动及暖机过程 机油温度逐渐升高 这 部分增加的阻力也逐渐减小 为了克服启动时增加的阻力 发动机启动时需要较多的空 气量和适量的燃油量 在这一背景下 为了保证启动的可靠性 一般启动时进入气缸的 空气量比发动机正常运转时稍多 但是启动阶段进气量也不能过大 那样可能会导致发 动机启动时转速的超调量比较大 如果启动时的喷油量与进气量没有匹配好 还会造成 发动机启动不稳定 3 启动点火 4 硕士学位论文 点火提前角的大小对启动阶段转速爬升过程有着很大的影响 在发动机刚开始点火 准备工作时 此时需要较小的点火提前角 随着转速逐渐上升 点火提前角应该随之增 大 这样可以使转速爬升情况良好 同时还有利于实现对转速的较好控制 在发动机启 动时有一个前提条件必须满足 那就是无论启动时点火角度以何种趋势变化 都必须保 证最终输出的点火提前角能够使混合燃油气体可靠着火 1 3 汽油机怠速控制的研究现状和发展趋势 目前随着各国排放要求和油耗法规越来越严格 博世公司已经将b o s c hm e 系统广 泛的应用于中国汽车市场上 其开发的四缸汽油机怠速控制系统也包含在m e 7 系统中 m e 7 系统的组成包括电子油门踏板 电控单元 电子节气门体 传感器和执行器 m e 7 系统的组成如图1 1 所示 m e 7 系统能够对进气量准确控制 这样使驾驶性能有很大的 提高 并且有利于降低汽车的排放和油耗1 6 j 也为其他许多功能的扩展提供了可能性 例如汽车自动巡航系统 汽车智能钥匙系统和汽车音响系统等 传感器执行器 a c c e l e r a t o rp e d a lm o d u l e e n g i n ee c u elc 电子油门踏板电控单元 电子节气门体 图1 1m e 7 系统的组成结构图 现在汽车怠速控制系统引入了安全监控功能 基于m e 7 怠速控制系统的进气量由 电子节气门控制 如果出现信号错误 软件错误或者硬件错误发生 电子节气门可能失 控 这些情况中的任何一种发生都会导致汽车失控 可能会造成危险情况发生 但发动 机怠速控制系统引入了安全监控功能就能有效地避免类似的危险发生 目前国内一些高校 研究所对发动机怠速控制进行了研究 在文献研究和实际控制 系统设计方面都积累了很多经验 也发表了不少论文 清华大学的陈超等人基于平均值 四缸汽油发动机怠速控制研究 模型基础建立发动机数学模型 刀 并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下以实际发动机为对象进 行仿真 并对实际数据结果进行比较 南京理工大学的任天睿在硕士毕业论文 基于 b p 神经网络模型的发动机怠速预测控制 中应用神经网络算法辨识建立汽油机怠速工 况模型 在建立的模型基础上设计发动机怠速工况下预测控制策略 8 并完成了仿真实 验 长沙理工大学的王立标将模糊控制理论和经典p i d 控 制理论相结合 在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立复合模糊 p i d 控制模型1 9 并对该模型完成仿真实验 哈 尔滨工业大学的戴杰等人设计的怠速控制器将线性矩阵不等式的输出反馈玩算法融入 到发动机怠速d p t l o 1 1 1 浙江大学的刘筠将动态矩阵预测理论应用于怠速控制器设计中 完成怠速控制器的设计后 1 2 针对控制器性能进行优化 优化实现的方法是针对控制器 运用遗传算法 通过仿真程序实现优化目标 目前国外对怠速控制的研究取得了很大进展 n i s s a n 公司研制出了具有较高响应性 的怠速控制系统 此系统用线性规划原理建立了动态数学模型 调节空气调节阀即可控 制旁通空气量 此汽油机怠速控制系统正常工作时 怠速工况下的进气量和燃油喷油量 符合最佳空燃比 并且满足附件扭矩变化对汽油机的要求 1 3 例如汽油机转速是 6 5 0 r m i n 此时如果空调器接通 其转速就会上升到8 0 0 r m i n 而当空调器关闭时 转 速又会回落到6 5 0 r m i n 博世公司开发的m o t r o n i c 九喷射系统的怠速控制是一种当前比 较有效的怠速控制方法 此怠速控制方法的实现主要是靠一个旋转滑式怠速调节器控制 通过节流阀的旁通截面 控制系统实际工作时 会根据旋转滑式怠速调节器控制位置的 不同 产生一定的开启截面 空气流量计会进行一定的修正 它会加上此时的附加空气 量 喷油量依据空气流量计的变化也做出相应的变化 怠速空气调节装置通过这一系列 措施有效地稳定了转速 并且该控制系统还可以达到怠速工况下发动机转速较低 从而 减少燃油消耗量 数字位置控制器通过控制节气门体来实现较高的控制要求 为了保证有效控制进气 量和燃油量 数字位置控制器可以通过发送指令信号 实现对节气门体快速和准确的调 节 九控制功能是调节发动机燃烧室中的空燃比 从而优化催化器效率 使车辆满足排 放要求 美国p u r d u e 大学的w r m h l l e 等研究人员设计出了一种怠速自适应控制系统 l 训 该系统能够识别各种输入信号的种类 波动值 再对波动信号进行控制 使汽油机处于 良好的工作状态中 该系统是以转速为控制对象 依据汽油机曲轴转速和转速波动性不 断识别和计算出最佳的转速工作点 6 硕士学位论文 汽油机怠速控制的最新发展趋势是对控制变量的精确和有效控制 因为控制变量的 不同 对怠速控制的操作可分为三种 空气控制 点火正时控制 空燃比控制 其中对 怠速控制的操作用空气控制这种方法比较典型 实现怠速控制的一个经过验证有效的方 法是通过旁通阀去控制空气流量 现在实际中也有去调节节气门怠速限位器或使用带 发动机电子功率控制 的系统直接驱动节气f t t s 1 6 l 使用旁通执行器时 通过进气管和 执行器来控制节气门 将来更多的旁通执行器是通过法兰直接连接到节气门 这种情况 下控制系统的缺点是节气门有空气泄露 旁通执行器也会有一些空气泄露 在未来发展 中可以改进这方面的缺陷 1 4 本文的主要内容 本论文一共包含六章 第一章介绍了四缸汽油发动机怠速控制的研究背景和意义 怠速控制的研究现状和发展趋势 分析了怠速控制的目的和主体思路 第二章对汽油机 怠速工况进行了分析 介绍了汽油机怠速控制系统主要传感器和执行器的功能原理 第 三章提出了基于递推增广最 b z 乘法的汽油机怠速a r m a x 模型辨识算法 并通过该算 法在线辨识获得了4 6 5 q 型汽油机理论怠速a r m a x 模型 最后完成了对该算法的验证 第四章提出了一种确定无静差跟踪控制系统极点位置的方法 并设计了一种怠速无静差 控制系统 由怠速模型通过推导得出控制器 状态观测器各参数计算公式 第五章进行 了汽油机怠速控制系统仿真实验 通过各项测试验证了本文提出的怠速无静差跟踪控制 系统的优良控制性能 7 四缸汽油发动机怠速控制研究 第2 章汽油机怠速工况分析 汽油机工作于怠速工况时 其转速主要受点火时间 进气量和燃油量的影响 因此 通常将汽油机的怠速控制系统看成是由三个输入量 点火时间 进气量和燃油量 和一 个输出量 汽油机转速 组成的多变量系统 这种结构使得怠速控制依据多变量控制系 统理论去设计控制器 然而在怠速工况下汽油机的输出转速范围变化很小 因此点火时 间可以假设是不变的 此外如果空燃比采用闭环控制 就可以把燃油量当做一个干扰因 素 它对于怠速工况下的汽油机的动静态性能影响相对很小 所以汽油机怠速控制系统 的动态模型可以简化为一个单输入单输出系统 即汽油机节气门开度为输入量 汽油机 的怠速转速为输出量 2 1 汽油机怠速控制系统结构 怠速控制系统以设定的发动机转速为怠速控制目标 当汽油机的转速偏离目标转速 时 怠速控制系统便输出怠速调整信号 通过怠速控制机构的执行器将发动机怠速调整 到设定的目标值范围内 参与怠速控制的主要执行器有步进电机 喷油器 电动燃油泵 点火线圈和碳罐控制阀 设定的目标转速是汽油机各种状态下的理想怠速 因此怠速控 制系统的正常工作能使汽油机在各种状态下都可以在最佳的稳定怠速下运转 怠速控制 系统的构成如图2 1 所示 汽油机怠速控制系统中包含反馈环节 汽油机怠速控制可以看做是一种转速反馈控 制 在发动机控制系统 e c u 存储器中 存储有汽油机在不同状态下的最佳怠速工况 转速值 即目标转速 当汽油机处于怠速工况时 怠速控制系统不断地监测汽油机的转 速 并与当前状态下汽油机的目标转速进行比较 当汽油机怠速出现波动 偏离了设定 的目标转速时 e c u 输出控制脉冲使怠速控制使怠速控制执行器动作 将汽油机的转速 调节在设定的目标转速范围之内 汽油机转速传感器提供汽油机在怠速工况下的转速信号 节气门位置传感器提供节 气门关闭信号 是e c u 判断发动机是否处于怠速工况的基本信号 汽油机冷却液温度 传感器提供汽油机温度信号 e c u 根据此信号选定目标转速 车速传感器提供汽车行驶 速度信号 当车速低于2 k m h 且节气门关闭时 e c u 作出 发动机处于怠速工况 的 判断 进入怠速控制程序 空调开关提供空调关断信号 只有在空调不使用时 e c u 才 8 硕十学位论文 进入发动机转速反馈式怠速控制 图2 1 怠速控制系统结构图 1 目标转速2 比较电路3 控制量计算4 驱动电路5 怠速状态判断 当汽车处于怠速工况下行驶时 汽油机需要以较高的转速运转用来带动一定的负 荷 e c u 通过汽车的c a n 总线得到各个传感器的输入信号 汽油机怠速控制时e c u 接收的输入信号有 汽油机缸压信号 转速传感器信号 相位传感器信号 进气压力信 号 进气温度信号 汽油机水温信号 节气门位置信号 氧传感器信号和喷油信号 e c u 根据输入信号输出控制信号 使怠速控制系统执行器动作 调节汽油机的输出转速 当使用汽车空调 蓄电池亏电等情况发生时 怠速控制系统会通过提高怠速转速以 达到控制目的 当汽油机以一个较高的怠速转速运行时 就可以保证汽车怠速工况下行 驶时空调系统正常工作 并能及时向蓄电池补充电能 怠速控制系统正常工作时通过汽油机转速传感器 节气门位置传感器 车速传感器 汽油机冷却液温度传感器等得到汽油机转速 怠速工况和汽油机温度信息 怠速控制同 时还要用到开关信号 相关的开关信号有空调开关 蓄电池电压和自动变速器档位开关 等 其中空调开关提供汽车空调是否在使用的信息 当空调开关接通时 e c u 作出高怠 速运转控制 以使汽油机有适当的功率输出带动空调压缩机正常运转 蓄电池电压提供 蓄电池是否亏电或蓄电池连接的负荷是否很大的信息 若蓄电池亏电或连接的负荷很大 时 e c u 将输出控制信号以提高怠速转速 以使怠速工况下发电机能向蓄电池充电 9 四缸汽油发动机怠速控制研究 2 2 电子节气门控制分析 怠速控制系统通过控制节气门开度 调节进气管管道的横截面积 从而实现控制进 气量 保证怠速控制系统正常工作 其中执行元件是直流电机 执行机构由复位弹簧 减速齿轮组 节气门阀等组成 当驾驶员操纵加速踏板时 加速踏板位置传感器与节气 门控制单元相连 此时控制器的输入信号是电压信号 控制器接收信号后先进行滤波 然后分析当前发动机的工作模式 速度变化率和踏板移动量 根据这些参数计算出发动 机当前的扭矩需求值 再计算出相应的节气门转角需求值 然后控制器和整车控制单元 通讯获取工况信息以及各种传感器信号 如汽油机当前转速 档位 节气门开度 空调 负载等 并由此计算出整车需要的全部扭矩值 最后依据整车需要的全部扭矩值对节气 门转角需求值进行修正 得到当前工况下节气门的最佳开度 1 7 控制器同时把相应的控 制信号发送给驱动电路模块 驱动直流电机对节气门进行调控 节气门位置传感器则把 节气门开度信号反馈给节气门控制单元从而形成闭环控制 2 2 1 加速踏板模块 加速踏板模块中有两个电位器作为传感器 其阻值随电子油门踏板位置的改变而变 化 e c u f l 邑 够对加速踏板的位移做出精确的响应 从而监控油门踏板的运动情况 由于 两个电位器是同相安装的 当加速踏板位置发生变化时 l8 1 电位器的阻值同时线性增加 或减小 当加入 5 v 电压后 加速踏板模块能够根据电位器阻值的变化输出相应的电压 信号 加速踏板模块中的两个电位器和电子节气门上监控节气门位置的两个电位器一起 构成了电子节气门控制系统监控模块 图2 1 加速器踏板模块实物图 l o 硕士学位论文 2 2 2 电子节气门 电子节气门由节气门体 节气门驱动器 直流电机 和节气门位置传感器等构成 e c u 发送指令使直流电机工作 直流电机通过传动机构控制节气门开度 电子节气门模 块中有两个电位器作为位置传感器 这两个电位器是反相安装的 当节气门位置发生变 化时 两个电位器的阻值都产生线性变化 其中一个电位器的阻值增加 同时另一个电 位器的阻值减小 当加入 5 v 电压后 电子节气门模块能够根据电位器阻值的变化输出 相应的电压信号反馈给控制器 2 2 3 节气门位置传感器 图2 2 电子节气门实物图 节气门位置传感器安装在节气门体上 用于向e c u 提供节气门转角信息 根据这个 信息 e c u 可以获得发动机负荷信息和当前工况信息以及加速和减速信息 1 9 1 节气门位 置传感器实际上是一种具有线性输出特性的转角电位计 电位计转臂与节气门体同轴安 装 当节气门体转动时 会带动电位计转臂滑到一定的位置 此时电位计就会输出相应 的电压信号 四缸汽油发动机怠速控制研究 嘲嘲黟 图2 3 节气门位置传感器实物图 2 3 气缸进气分析 描述气缸进气过程的示意图如图2 4 所示 图2 4 气缸进气示意图 r a s h f i n 空气流量计测量的空气流量 r l r o h 进气歧管的相对空气充量 p s 进气歧管压力 v s 进气歧管的容积 t s 进气歧管中的空气温度 气缸进气量d 和进气歧管压力v s 的关系可以用一条直线方程进行描述 如图2 5 所示 为了计算喷油时间和发动机扭矩 就必须得到气缸进气质量参数 线性方程的截 距i 心p r g 能通过气缸内部残余废气的分压来确定 它与发动机转速和海拔高度有关 斜率k f u r l 与发动机转速和燃烧室内的气体温度有关 燃烧室气体温度不能直接测量 需要在控制系统中建立相应的模型计算得到 日黼 硕七学位论文 图2 5 某一转速fr l p s 关系图 依据等温等压原理 可以把气缸和进气歧管看做是一个连通的整体 在这种情况下 采用公式 2 1 计算气缸进气流量 1 0 1 1 t 墨鳖竺 丝 2 1 c m2 蒜而一 旺 1 夕 式中 胁 气缸进气流量 k s 只 进气歧管压力 p a 气缸体积 历3 国 发动机转速 r a d s 石 进气歧管内气体温度 k 叩加姚 容积效率 r 气体常数 j 培 k 公式 2 1 中参量只是由进气歧管压力传感器获得 参量 是由汽油机转速传感器获 得 参量石是根据冷却液温度传感器获得 2 3 1 空气流量传感器 空气流量传感器安装在节气门体前端 负责测量发动机进气空气质量流量 也就是 得到图2 4 气缸进气示意图中的参量m s h f m 当空气质量流量计工作时 若无气流通过 加热区域两侧温度梯度呈对称分布 两个测量点温度一致 当气流单向流过时 由于气 流通过中心的加热区时被加热 从而与两侧热膜的热交换情况不同 使流量计中的两个 传感元件测量点温度发生变化 产生温差 温度差随着流量的增大而增大 温度差的大 小和正负反映了空气的流量和方向 内置的评估电路可以将此时的温差转化为电压信号 四缸汽油发动机怠速控制研究 输出 2 3 2 进气压力温度传感器 图2 6 空气流量传感器实物图 进气压力温度传感器安装在迸气歧管上 测量迸气歧管绝对压力与进气温度 提供 发动机负荷和进气温度信息 通过进气压力温度传感器得到的输入信号也就是图2 4 气缸 进气示意图中的参量p s 和t s 测量进气压力的元器件为压电型传感器 可根据大气压力 与进气歧管压力差输出给控制器 负荷信号 控制器提供5 v 电压给进气压力温度传感 器 进气压力温度传感器根据进气压力的不同反馈输出0 5 v 电压给控制器 测量进气温 度的元器件为n t c 型 负温度系数 传感器 其电阻值随进气温度的变化而变化 此传 感器输出给控制器一个表示进气温度变化情况的电压信号 图2 7 进气压力温度传感器实物图 2 4 曲轴位置和发动机转速分析 气缸中活塞的位置信号作为决定点火 f 时数值的主要参数之一 活塞和曲轴通过连 杆连接在一起 因此曲轴传感器能够提供所有气缸活塞位置的信息 曲轴的转速 每分 硕士学位论文 钟圈数r p m 也是通过曲轴位置传感器测量得到的 尽管曲轴传感器主要用于决定曲轴 的位置 但它还可以用于计算发动机转速 因此通常也被称为发动机转速传感器 2 4 1 曲轴位置的信号调节 一个具有6 0 个铁磁性齿的齿轮卜其中两个齿缺失 6 0 2 齿 连接在曲轴上 一个 感应接收器在5 8 个齿通过时对它们进行扫描 接收器由一个永久磁铁和一个带铜线绕组 的软铁芯组成 当齿轮的齿通过时在传感器中造成磁通变化 由此产生交流电压信号 图2 8 转速传感器实物及结构图 1 永久磁铁2 外壳 3 缸体4 软铁芯5 绕线6 带参考标志 缺齿 的齿轮 2 4 2 曲轴位置计算 在控制器中方波信号每次跳变 上升或下降 时都会发送一个中断信号 当两个方 波信号跳变沿的时间间隔超过前面一个方波信号和后面一个方波信号的时间间隔的两 倍时 就判断为缺齿 可以根据这个时间间隔确定一个缸的一个特定曲轴当时的位置 控制器根据得到的曲轴位置信号进行蓝轴位置同步 每转过一个下降沿曲轴位置增加6 度 2 1 1 当有更高分辨率要求的功能 如点火正时 需要对齿闻进行放大观察 在这种情 况下相邻两个下降沿间的间隔被分成8 个更小的步长 因此点火正时能够得到0 7 5 度曲 轴转角的分辨率 2 4 3 段时问瓤发动机转速的计算 四冲程发动机各缸工作相互错开 当曲轴转过两周后 7 2 0 0 第一个缸开始新的工 作循环 在发动机中各缸工作时所错开的曲轴转角是气缸数的函数 被称为段 均匀错 开的段计算为 段 曲轴转角 7 2 暖 缸数 段 齿数 1 2 0 6 数 口q 缸汽油发动机怠速控制研究 一个段的持续时间即为段时间t s 当发动机运转时 控制器根据新获得的发动机转 速值确定此时的点火正时和喷油量 发动机的转速等于每一个段内曲轴的平均转速 2 5 汽油机怠速系统主要传感器 在控制系统中 传感器的作用是将系统需要得到的物理量转化为电信号输入到控制 器中 汽油机怠速控制系统要想正常工作 就需要各个传感器实时准确地将输入信号送 入到怠速控制系统中 四缸汽油机怠速控制系统的传感器主要有 冷却液温度传感器 爆震传感器 氧传感器 相位传感器 1 冷却液温度传感器 冷却液温度传感器用于提供发动机冷却液温度信息 控制器跟据此信息对喷油脉宽 和点火正时进行修正 冷却液温度传感器安装在发动机出水口上 冷却液温度传感器是 一个负温度系数 n t c 的热敏电阻 其电阻值随着温度上升而减少 但不是线性关系 该热敏电阻装在一个铜质导热套筒里面 图2 9 冷却液温度传感器实物图 2 爆震传感器 爆震传感器用于向汽车电子控制单元e c u 提供发动机爆震信息 控制系统根据此信 息进行爆震控制 四缸汽油机的爆震传感器安装在2 3 缸之间 它被装在发动机气缸体 上 传感器的敏感元件是一个压电晶体 发动机气缸体的振动通过传感器内的质量块传 递到压电晶体上 压电晶体由于受到质量块振动产生的压力影响 在两个极面上产生相 应的电压 从而压电晶体把振动信号转变成电压信号输出给控制器 1 6 硕士学位论文 图2 1 0 爆震传感器实物图 3 氧传感器 氧传感器安装在排气管前端 测定发动机排气中氧气含量 确定燃油混合器是否完 全燃烧 发动机控制单元根据这一信息实现以过量空气系数x 1 为目标的闭环控制 以 确保三元催化转化器对排气中的h c c o 和n o x 三种污染物都有最大的转化效率 2 2 1 氧 传感器的传感元件是一陶瓷管 它的外侧可以排气 内侧可以进入空气 当陶瓷管的温 度达到3 5 0 时 即具有固态电解质的特性 正是利用这一特性 氧传感器将氧气的浓 度差转化成电势差 从而形成电信号输出给控制器 若混合气体偏浓 则陶瓷管内外氧 离子浓度差较大 电势差偏高 大量的氧离子从内侧移到外侧 输出电压较高 接近 9 0 0 m v 若混合气体偏稀 则陶瓷管内外氧离子浓度差较小 电势差较低 仅有少量 的氧离子从内侧移动到外侧 输出电压较低 接近1 0 0 m v 图2 1 1 氧传感警实物图 4 相位传感器 相位传感器用于无分电器的场合 跟转速传感器相配合 为e c u 提供曲轴相位信息 e c u 根据曲轴相位信息可以区分气缸秘珏缩上止点和排气上止点 相位传感器安装在气 门室盖端部 它由一个霍尔传感器耩一个钢板制成的转子组成 霍尔传感器固定 转子 装在凸轮轴上 转子上有一个弧度为3 6 o 的凸台 当凸台经过霍尔传感器时 霍尔传感 器内部磁场发生变化 从而使输出的电压信号产生变化 这样就区分了气缸的压缩上止 点和排气上止点 四缸汽油发动机怠速控制研究 图2 1 2 相位传感器实物图 2 6 汽油机怠速系统主要执行器 汽油机怠速控制系统接收到输入信号后 它产生的动作是由执行机构去完成的 汽 油机怠速控制系统要想稳定控制输出转速 就需要执行机构接收到命令信号后产生高精 度 高稳定性的动作 四缸汽油机怠速控制系统的执行机构主要有 步进电机 喷油器 电动燃油泵 点火线圈 碳罐控制阀 1 步进电机 步进电机控制怠速旁通空气道 并通过改变通道截面积从而控制旁通空气量 实现 汽油机怠速工况时转速的闭环控制 步进电机是一个微型电机 其定子是一个多相线圈 绕组 转子是一个永久磁铁 同时有一根螺线轴穿过永久磁铁 两者是螺纹接触 当给 定子线圈通以电流时 转子会朝相应方向旋转 由于转子与螺线轴是螺纹接触 转子角 位移就转化为螺线轴的线位移 2 3 1 通过螺线轴的前后移动就可以改变旁通截面积的大 小 转子每次旋转固定角度 螺线轴移动一定位移 即一步 电子控制器通过改变线圈 通电电流从而控制步进电机移动相应的步数 达到获得相应的旁通空气流量目的 2 喷油器 图2 1 3 步进电机实物图 硕十学位论文 喷油器安装在靠近进气门一端的进气歧管上 它根据e c u 的指令 在规定的时间内 喷射燃油 向发动机气缸内提供燃油并使其雾化 e c u 对喷油器的线圈通电 形成磁场 力 当磁场力上升到足以克服回位弹簧的压力 针阀的重力和摩擦力的合力时 针阀开 始升起 喷油过程开始1 2 4 1 当喷油脉冲截止时 回位弹簧的压力使针阀重新关上 图2 1 4 喷油器实物图 3 电动燃油泵 电动燃油泵将燃油从油箱输送到发动机 并提供足够的燃油压力和富余燃油 燃油 泵为直流电机驱动的叶片泵 置于油箱内 被燃油浸没 利用燃油散热和润滑 蓄电池 通过油泵继电器向电动燃油泵供电 继电器只有在起动时和发动机运转时才 使电动燃油 泵电路接通 当发动机因事故而停止运转时 燃油泵自动停止运转 4 点火线圈 点火线圈安装在发动机或车身上 它将蓄电池的低压直流电转变成高压电 通过火 花塞放电产生火花 引燃气缸内的燃油混合气 2 5 1 当初级绕阻的接地通道接通时 该初 级绕阻充电 一旦e c u 将初级绕阻电路切断 则充电中止 同时在次级绕阻中感应出高 压电 使火花塞放电 跟带分电器的点火线圈不同的是 点火线圈z s k 2 x 2 1 2 次级绕 阻的两端各连接一个火花塞 所以这两个火花塞同时点火 图2 1 5 点火线圈实物图 四缸汽油发动机怠速控制研究 5 碳罐控制阀 碳罐控制阀安装在碳罐至进气歧管的真空管路上 它用于控制燃油蒸发量和系统再 生气流的流量 燃油蒸发控制系统中的碳罐吸收来自油箱的油蒸气 直至饱和为止 电 子控制器控制碳罐控制阀打开 新鲜空气与碳罐中饱和的燃油蒸气形成再生气流 重新 引入到发动机进气管中 电子控制器根据发动机的不同工况信息 改变输出给碳罐控制 阀电磁线圈的脉冲信号的占空比 从而对再生气流的流量进行控制 2 7 本章小结 图2 1 6 碳罐控制阀实物图 本章进行了汽油机怠速工况分析 阐述了在怠速控制系统工作时 有哪些部分参与 工作 分别对电子节气门控制 气缸进气情况 曲轴位置和发动机转速进行介绍和分析 介绍了汽油机怠速控制系统主要传感器和执行器的安装位置和功能原理 并且配以实物 图 这样有助于读者对汽油机怠速工况有个清晰地认识 2 0 硕 l 学位论文 第3 章汽油机怠速模型辨识 要获得动态 静态性能优良的怠速控制系统 首先必须建立汽油机怠速工况下的数 学模型 在确定的数学模型基础上再运用经典控制理论即可设计满足各种性能要求的怠 速控制系统 因此 本章首先介绍一种基于递推增广最小二乘法的模型辨识方法 然后 针对汽油机怠逮控制工况设计一套完整的怠速a r m a x 模型辨识方法 最后根据辨识得 到的怠速模型推导了汽油机怠速工况时的离散状态方程 3 1 递推增广最d 乘法 3 1 1a r m a x 模型介绍 a r m a x a u t o r e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g ep l u se x o g e n e o u ss i g n a lm o d e