汽油机建模及控制研究

1、汽油机建模及控制研究1汽油机电子控制系统1.1汽油发动机电子控制系统简述汽车发动机电子控制系统，又称发动机管理系统(Engine Management System, EMS)，其通过现代电子控制技术对发动机喷油、点火、空燃比、排放等进行优化控制，使发动机在任何工况下均能处于最佳工作状态，达到提高性能、安全、节能、降低废气排放的目的。 汽车发动机电子控制系统的功能主要包括：燃油喷射控制、点火系统控制、怠速控制、尾气排放控制、进气控制、增压控制、空调控制、失效保护、故障诊断等功能。另外，随着网络、集成控制技术的广泛应用，作为汽车发动机控制单元的ECU通过CAN总线等通信技术与其他控制系统互联，实

2、现了信息共享，并能实施集成优化的统一控制。1.2发动机电子控制系统的组成与一般的电子控制系统一样，汽油机电子控制系统也是由三部分组成的，即传感器，电子控制单元和执行器。(1) 传感器传感器是感知信息的部件，负责向电子控制单元提供发动机的工作情况和汽车运行的状态。汽车发动机燃油定量控制常用的传感器包括负荷传感器，直接或间接测定空气流量，进而算出每循环进气量；转速传感器，测定曲轴转速曲轴位置传感器，测定离开第1缸上止点的曲轴转角；凸轮轴位置传感器；节气门位置传感器；冷却水温度传感器；进气温度传感器；大气压力传感器；进气歧管绝对压力传感器；空调制冷剂压力传感器；氧传感器；缸内压力传感器等。(2) 电

3、子控制单元电子控制单元（Electronic Control Unit，简写为ECU）的功能是分析和处理由传感器提供的发动机的各种信息，发出指令给各种执行器，借此控制发动机。(3) 执行器执行器是负责执行ECU发出的各项指令，是指令的完成者。图1 发动机管理系统的组成1.3电控系统控制策略的分类发动机电控系统实际上是一个很复杂的控制系统，它的复杂性表现在多个方面：电控系统需要实现众多的控制项目。电控系统的控制应能使发动机的潜力充分发挥，使功率、油耗、排放和汽车驾驶性等多方面的性熊达到综合最佳的状况。影响发动机工作的因素众多，借助电控系统，可以使发动机运行在各种工况下达到最佳状态。电控系统对外界

4、环境变化应有适应性。电控单元与发动机之间的匹配试验。由于各个不同的工况有其特定的内容，因此优化参数、优化目标以及限制条件等也就各不相同。所以需要分别制定不同的控制策略。电控汽油机的主要控制包括：（1） 空燃比控制（2） 转速控制（3） 排放控制（4） 转矩控制2汽油机转矩控制转矩控制的基本思想是对各子系统的转矩要求进行优先级判断和协调，得出一个统一的需求转矩，接着根据转矩需求对发动机节气门、点火和喷油进行控制1。其核心是将转矩作为统一的接口变量。基于转矩的管理系统结构如图2所示。其中，转矩需求主要包括驾驶员的转矩需求、附属设备的转矩需求以及其他一些功能子系统的转矩需求2。图2 基于转矩的管理系

5、统2.1 汽油机建模2.1.1 进气动态进气管流动系统具有很强的非线性特征。在单位时间内，通过节气门进入进气管容积内的气体质量流量为mat，从进气门进入气缸内的气体质量流量为map。瞬态过程中，由于matmap，进气管中的气体质量ma发生变化，变化率为：ma=mat-map （2-1）汽油机进入气缸的进气流量map可以由下式计算得到：map=n1200Vdv0 （2-2）其中n是发动机转速，单位为r/min，0为进气系统前的空气密度，对自然吸气机型，即环境空气密度，Vd是发动机排量，v0是充气效率（本文的充气效率v0以进气管内的空气密度为基准进行定义）。在工程上广泛使用的进气流量计算方法是速度

6、密度方程：map=n120mVdv （2-3）其中，m为进气管内的空气密度，v是以进气管内的空气密度为基准定义的充气效率。以进气管内的空气密度为基准进行定义的充气效率，根据热力学第一定律可获得其计算式为3：v=EK-1K+-pexhpmK(-1) （2-4）其中，E是拟合常数，K是绝热指数，为压缩比，pexh为排气压力，pm为进气压力。经过适当简化，上式可写成如下简化形式：v=s-ypm （2-5）其中，s，y与压缩比、进气温度、进排气相位等有关。获取充气效率的目的是准确计算进气量，为了实现充气效率和进气量之间更为直接的联系，Hendricks提出了一个复合指标vpm4。根据式（2-5），复合

7、指标与进气压力的关系为： vpm=spm- y （2-6）大量的试验结果表明系数s，y均大于零，且近似为常数。对进气管内的空气应用理想状态方程：m=pmRTm （2-7）ma=pmVmRTm （2-8）其中，R为理想气体常数，Vm为进气管总容积，ma为进气管内的空气质量。将（2-7）代入（2-3），得到：map=VdVPmn120RTm （2-9）对式（2-8）两边求导，将求导之后的式子和式（2-9）代入式（2-1），得到：Pm=RTmVmmat-Vd4VmvPm （2-10）其中，发动机转速n通过关系式=n30变换为角速度。再将充气效率计算式（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近似为常量，c1，c2，c3>0也可近似为常量。节气门处的气体质量mat和节气门开度的关系，由可压缩气体经过收缩喷嘴的流动方程得到：mat=h0Pr2k-Prk+1k1-cos(-0)+mat0 (2-12)其中，Pr=maxPmP0，2k+1kk-1，h0=Ct4D2P0K'RT0，K'=2kk-1，P0, T0分别是环境压力和温度，D是节气门的有效面积，0为节气门关闭角，Ct为节气门处的流动系数，mat0是拟合系数。2.1.2 转矩生成过程令为过量空气系数，则喷入气

9、缸的燃油流量mf应为5：mf=mapLth (2-13)其中，Lth是汽油的当量化学比，大约为14.7。由喷油量，运用热力学理论，可以计算发动机的指示功率Pi为Pi=Huimf (2-14)其中，Hu是燃油低热值，i是指示热效率。将式（2-9）代入式（2-13），再代入式（2-14），并除以发动机转速，则可以得到平均指示转矩Ti:Pi=HuVd4LthRiTm(vPm) （2-15）如果将泵气过程产生的转矩损失用TP表示，将曲轴转动产生的摩擦转矩损失用Tf表示，则得到平均有效转矩Te：Te=HuVd4LthRiTmvPm-TP-Tf (2-16)对于自然吸气机型，发动机的只是效率i等于燃烧效率

10、c与循环热效率t的乘积：i=ct （2-17）其中，燃烧效率主要和过量空气系数有关，c=c()。在发动机实际运行中，当可燃混合气偏稀而又能正常进行混合和燃烧时，汽油机的c=0.950.98，因此可以假定c=1。但在混合气偏浓或混合不当时，c会降低。汽油机的循环热效率主要由下式决定：t=1-1k-1(12k-1)1-1+k1(2-1) (2-18)其中，1是压力升高比，2是预膨胀比。泵气转矩损失TP是在发动机换气过程中由于进排气压力差带来的转矩损失，可以表示为进排气压力差的线性函数，其线性系数又随转速相关。对自然吸气机型，排气压力变化不大，因此，相同转速下，泵气损失转矩可以看成进气压力的线性函数

11、。TP=ftpPexh-Pm+ftp0=ftp1Pm+ftp2 (2-19)其中，ftp0，ftp1，ftp2，ftp均为拟合系数。摩擦转矩损失Tf主要由主机相对运动间的机械摩擦引起，包括活塞组件与缸壁的摩擦、活塞连杆机构中相对运动件间的摩擦，轴与轴承的摩擦、气阀机构中相对运动件的摩擦等。其中，活塞组件与缸壁的摩擦和活塞连杆机构中相对运动件间的摩擦占摩擦损失中的最大份额。轴承摩擦则主要包括曲轴主轴承、凸轮轴轴承、连杆轴承以及前后主轴承密封装置的摩擦，其数值受缸内压力影响较小，主要取决于轴颈直径、转速、轴颈轴承的材质和润滑条件。气阀机构摩擦包括凸轮与挺柱、摇臂与气门杆、摇臂与摇臂轴承的滑动摩擦等

12、，其中凸轮与挺柱、摇臂与气门杆两接触副，由于载荷高，面积小，摩擦损失最大。气阀机构摩擦所占总损失的比例，随转速由较大变化。另外，齿轮、链轮、皮带轮等的传动运动，连杆大头搅动机油、曲轴箱内的空气压缩比等也有极少部分的机械损失。综合来说，摩擦转矩损失主要和发动机转速有关。令a=HuVd4LthR>0，将式（2-6）和式（2-19）带入到（2-16），得到Te=asTmi-ftp1() Pm- ayTmi+ftp2+Tf (2-20)根据定义，a=HuVd4LthR，可近似为常数。对于特定发动机，s，y也近似为常数（对于可变气门定时的发动机，它们将是进排气系统相关的函数）。进气温度变化较为缓慢

13、，在平均值时间尺度上，也可以处理为常数。指示热效率i受到的影响因素较多，在各稳定工况下，如果取最佳的点火提前角（MBT）,并将过量空气系数控制在=1附近，则指示热效率变化不大，也近似为常数。而ftp1，ftp2，Tf均主要随发动机转速变化。因此，式（2-20）可以简化为：Te=LPm-Td （2-21）其中，L=asi(Tm)-ftp1，Td=ayi(Tm)+ftp2+Tf2.1.3 曲轴旋转动态平均值建模中，曲轴可以处理成刚性模型，由牛顿第二定律得到：Je=Te-T1 (2-21)其中Je是包含活塞和飞轮的等效曲轴惯量，T1是负载转矩。2.2转矩控制转矩控制的基本结构如图3所示，其中Ter为

14、目标转矩。反馈信号可用转矩传感器或者缸内压力传感器进行测量，这两种传感器都没有时，需要引入转矩估计算法。本章将针对转矩不可测的情况设计闭环转矩控制器。转矩不可测而使用估计算法时，可通过引入进气动态模型求出进气压力，进而由完全相同的方法设计转矩控制器。 图3 闭环转矩控制结构2.2.1 转矩的估计本文在进气压力可测的情况下进行转矩估计。发动机系统采用进气压力传感器对进气量进行测量，则进气压力Pm可以直接获得。此时将转矩传感器设计所必须的假设条件极为H1。H1：进气压力Pm可直接测量，式（2-21）中的模型参数L，Td不能精确已知，但满足以下条件：LPm-Td-L0Pm-Td0=d1+1(,Pm)

15、 (2-22)其中，L0，Td0为标定值，d1为未知缓慢变化量，用来表示误差项中的低频分量，即d10；而1(,Pm)为未知函数，用来表示误差项中高频分量，该未知函数可由已知函数1()界定，例如1(,Pm)1()。界定函数可以通过动态试验中的误差曲线进行频带滤波获得6。该情形下的转矩观测器结构如图4所示。其中Te和分别为发动机平均转矩估计值和转矩估计值。Te表示施加在开环转矩估计值Te0上的修正量，它用来补偿建模不准确引起的转矩模型计算值Te0和真实转矩Te之间的误差。反馈修正律选取了简单实用的PI增益；同时为了保证闭环观测器的稳定性，增加了一个开关项。采用这样一种结构的基本目的是利用前馈转矩模

16、型得到当前工况下的一个基本转矩输出值然后再利用反馈修正补偿剩下的动态误差。总的来说，前馈转矩模型的作用就是提供了转矩估计值的主要部分，确保剩下的动态误差限制在一个小范围内，从而将非线性问题转化为线性问题。而PI增益补偿对线性系统十分有效。所建立的闭环转矩观测器最终由下式表示：Te0=L0Pm-Td0Te=Te0+kp1+ki1dt+1()sgn()Je=Te-T1 (2-23)其中，=-，kp1，ki1分别为比例和积分增益。令v1=ki1dt，则系统(2-23)的误差动态为：Je=1,Pm+d1-kp1-v1-1()sgn()v1=ki1 (2-24)图4 闭环转矩观测器2.2.2 闭环转矩估

17、计方法简化为了保证闭环控制系统的稳定性，需要对闭环估计算法适当简化。将2.2.1节中的前提条件H1修改为：进气压力Pm可直接测量，转矩生成式（2-21）中的参数L，Td不能精确已知，但是满足以下条件：Te-L0Pm-Td0=LPm-Td-L0Pm-Td0=d1 (2-25)和H1相比，该条件只考虑低频的模型误差。在此基础上，闭环转矩观测器可简化为Te=L0Pm-Td0+kp1+ki1dtJe=Te-T1 （2-26）由式（2-23）和式（2-24），可得闭环转矩观测器的误差动态为：Je=-kp1+d1-ki1dt (2-25)2.2.3 控制算法设计基于2.2.1节中介绍的闭环观测器，对于给定

18、的目标转矩Ter，转矩控制误差及其动态为：eT=Te-Ter=L0Pm-Td0+kp1+ki1dt-Ter (2-26)eT=L0Pm+L0Pm-Td0-Ter+kp1+ki1ki1 (2-27)将式（2-25）代入式（2-27），并注意到进气模式方程（2-11），有：eT=L0c1mat-c2Pm+c3+L0Pm-Td0-Ter+ki1-kp12Je+kp12Je(d1-ki1dt) (2-28)利用节气门开度和进气流量的关系式（2-12），选取控制律如下：mat=c2c1Pm-c3c1-1L0c1L0Pm-Td0-Ter-1L0c1(kp2eT+ki2eTdt) (2-29)=0+cos-

19、11-mat-mat0h0Pr2k-Prk+1k (2-30)该控制律同样由模型前馈和PI反馈两部分组成。从而控制误差方程转变为：eT=-kp2eT-ki2eTdt+ki1-kp12Je+kp1Jed1-ki1dt (2-31)3空燃比控制空燃比（AFR）是影响汽油机性能的决定性因素，控制不精确会导致汽油机的经济性和动力性下降，有害排放增加。实现AFR的精确控制是提高汽油机性能的关键环节7。3.1开环控制方式该方式下预先通过实验测得各个工况点的喷油脉宽，并以表格的形式存入微处理器中。发动机实际运行过程中，ECU 依据当前工况查找喷油控制表得到相应的喷油脉宽值，作为该工况下的基本喷油脉宽8。再根

20、据传感器检测的冷却水温度、进气温度、蓄电池电压、节气门开度等参数，对基本喷油脉宽进行修正，确定出最佳的喷油持续时间。 开环控制具有方法简单、响应速度快的优点，但控制精度直接取决于 ECU 储存的基本数据的准确度、程序及处理方法的适用度、各种传感器的性能和精度，以及电磁喷油器的调整精度等。当喷油器和传感器性能发生变化时混合气就不能保持在原预设的空燃比上，其不能通过反馈进行喷油量的自行修正。因此，它对发动机及控制系统的各个组成部分精度要求高，系统本身抗干扰能力较差，当使用工况超过预定范围时，不能实现最佳控制。3.2闭环控制方式闭环控制方式是在排气管上加装 1 或 2 个氧传感器，以随时检测废气中的

21、氧含量，并将检测结果转变为电信号及时反馈给 ECU。ECU 根据电压值的大小可随时修正喷入的燃油量，使混合气的空燃比保持在理论空燃比的附近，以得到最好的三元催化效果，降低有害物的排放，同时也可获得良好的经济性。综上，闭环控制的优点是：空燃比控制精度高，可消除因发动机元器件质量、装配误差和磨损等引起的性能变化，工作稳定性好，抗干扰能力强。但由于从混和气形成并吸入气缸，经过燃烧，排气流过氧传感器，再经氧传感器检出排气中的含氧浓度，需要一定的时间，即存在时间滞后。所以，要完全准确地使空燃比保持在理论空燃比附近是不可能的。因此，实际闭环控制中，混和气的空燃比总是保持在理论空燃比（14.7：1）附近的一

22、个很窄的范围内，以使三元催化装置对排气净化处理达到最佳效果。实际中，根据发动机的具体工况，一般在起动期间、冷却水温度较低时、暖机期、加减速工况、满负荷或断油控制时，需要控制系统停止反馈控制，采用开环方式提供较浓的混合气来保证发动机的各种性能。同时在氧传感器准备不充分或发生故障时也要采用开环控制。此外，当有故障使电控系统进入失效安全模式时，系统也会自动转向开环控制。其他工况应采用闭环控制8。 因此，发动机电控汽油喷射系统中，一般采用开环与闭环控制相结合的混合控制方式。4.转速控制汽油发动机的运行过程是一个通过燃烧将化学能转化成热能与机械能的复杂过程。转速的调节是通过对进气量，喷油量的综合控制来实

23、现，同时又必须达到排放标准，所以发动机转速控制也就归为转速跟踪与空燃比控制。根据汽车工况的不同实施的控制策略各有不同。一般将汽车发动机整个运行工况分为以下几种状态：启动工况，部分负荷稳定运行工况，大负荷稳定运行工况，加减速运行工况，怠速运行工况9。根据发动机不同运行工况的特性，确定控制目标，制定不同的控制策略：(1)稳态工况部分负荷，设计转速空燃比双闭环控制，将空燃比控制在理论空燃比，恒定循环喷油量，采用积分分离PID控制算法调节进气量，节省燃油，降低排放。(2) 全(大)负荷工况，设计转速闭环控制，降低空燃比，采用较简单的运算速度快的积分分离PID控制算法调节喷油脉宽，达到发动机最大输出转矩

24、。(3) 怠速工况，设计转速空燃比双闭环控制，模糊PID进气控制调节转速，喷油经典PID控制保持空燃比平衡在理论空燃比。(4)加减速工况下，采用基于现场操作经验的模糊控制策略，实现瞬态加速与减速的平稳调节，确保发动机不熄火，达到节省燃料。5. 排放控制随着环保意识的提高，对汽车尾气排放控制已经收到世界的广泛关注，汽车排放控制成为一个重要的技术。5.1 三元催化转换器（TWC）三元催化转换器是现代汽车上普遍使用的一种排气净化装置，装在排气管上。废气中的CO、碳氢化合物和NOx经过三元催化转换器时，在其内部催化剂的作用下，这些气体参加氧化还原反应，CO氧化成无色无毒的二氧化碳，碳氢化合物氧化成二氧化碳和水蒸气，NOx还原成氮气和氧气。三种有害的气体转变成了无害的气体。但是三元催化转换器中的催化剂只有在理论空燃比（14.7）附近时活性最强，三元催化转换器的转化效率最高，经测试在理论空燃比时，三元催化转换器可以将90%以上的一氧化碳和碳氢化合物以及70%以上的氮氧化合物同时转换掉10。因此必须对空燃比进行精确控制，现在发动机多采用氧传感器