内燃机原理课件

1、内燃机学内燃机的特性与控制内燃机的特性与控制内燃机的动力特性内燃机的调速控制内燃机电控技术简介内燃机的特性内燃机的工作区域内燃机的特性内燃机与工作机械匹配速度特性分析返回内燃机的工作区域负荷特性 1.转速不变 2.由各稳态点组成的特性线汽油机的速度特性柴油机的速度特性万有特性 1.负荷-速度-油耗的二维曲面 2.负荷特性 万有特性 3.速度特性 万有特性万有特性图万有特性作图法（1）万有特性作图法（2）内燃机功率标定 1.15min功率：小汽车、军用车、快艇； 2.1h功率：大型车、船主机、工程机械； 3.2h功率：发电机、拖拉机、牵引； 4.持续功率：长期连续运转机械。内燃机与工作机械匹配推

2、进特性可调螺距型螺旋桨的工作原理螺旋桨与柴油机的配合特性调距桨的工作原理返回柴油机与汽油机扭矩的速度特性内燃机扭矩的速度特性分析 内燃机的扭矩可由下式表示：进气空气密度非增压机的进气密度不变增压机的进气密度随增压度和中冷度而变化：汽油机节气门开度不同时的充气效率过量空气系数、指示效率机械效率内燃机速度特性曲线返回内燃机调速原理内燃机与工作机械匹配调速器工作原理调速过程作为自控系统的柴油机调速器分析与设计改善调速特性的方法返回内燃机与工作机械匹配负载特性负荷与柴油机的配合特性调距桨、汽车换档的工作原理返回调速器工作原理机械式调速器结构机械式调速器构造机械式调速器静力分析返回调速过程柴油机动态性能

3、指标 1.稳定调速率 2.瞬时调速率 3.不灵敏度 4.转速波动率返回作为自控系统的柴油机柴油机动态方程调速器动态方程柴油机系统稳定性柴油机系统动态特性柴油机系统的分析假设前提柴油机的动态方程根据达兰贝尔原理：柴油机扭矩的速度特性扭矩与速度的关系比较复杂，为简单起见，近似为线性柴油机动态方程动态方程为：传递函数为：柴油机动态特性引入控制器后的柴油机特性负载的动力特性船用负载车用机负载发电机负载带负载的柴油机动态特性柴油机自身是一个稳定性较弱或不稳的的系统，但是带负载的柴油机系统由于引入了负载的动力特性，使得整体的动态稳定特性有较大改善。返回调速器设计以柴油机的传递函数为目标采用经典控制方法设计

4、控制器方程设计机械式结构满足控制器方程要求机械式调速系统机械式调速器方程：油泵特性：机械调速柴油机调速过程调速设计的假设及误差柴油机动力特性的线性假设调速器特性的线性假设油泵特性的线性假设柴油机线性假设的误差柴油机系统的动态特性从试验结果可以看到，柴油机的机械式调速存在着超调量较大、静态误差明显的特点。并且，这种特点在不同调速工况的表现程度也不同。 动态特征分析柴油机的动力特性是非线性的，在设计、分析简化时采用了简单线性化的方法，造成了一定误差，并且这种误差在柴油机传递函数上影响较大。飞锤式机械调速器的稳定性系数Fp是一个变量，随着转速和负荷会发生一定变化，因此，严格意义上机械式调速器也是一个

5、非线性系统。机械式调速器是一个不包含0极点的二阶系统，所以整个发动机系统是一个0型控制系统（即使设计为1型控制系统，在偏离设计点时，由于非线性因素影响，仍会变成0型系统），在调速过程中不可避免地存在着稳态误差返回改善调速特性的方法解决的方法：采用液压调速器采用电控系统方法的实质内容：在高速区采用一种调速方程，在低速区采用另一种调速方程，采用非线性补偿方法采用其他非线性方法研究调速方程。采取多项式拟合后的动力特性误差柴油机动力特性非线性方程柴油机动力特性的非线性拟合在精度上能够反映出柴油机的动力性能特点，同时也便于进行控制器设计 上述表达中，实际上是认为扭矩与转速、喷油量的关系是非线性的， 柴油

6、机系统的非线性特性对柴油机系统的非线性特性分析表明：柴油机系统的动态特性在较大幅度的信号输入情况下非线性特征比较明显，因此不适于采用简单的近似线性化处理。柴油机调速的非线性控制为了在电控系统中得到较好的调速性能，可采取的控制方案有：变结构控制（分段线性化）反馈线性化控制模糊控制神经网络控制返回内燃机电控技术介绍电控系统结构原理汽油机发展历史柴油机发展历史ECU的研究发展返回电控系统结构原理电控内燃机结构电喷结构图返回内燃机电控起源于汽油机飞机用汽油机的燃油喷射（1930s）1950s在赛车上应用Goliath, Gutbrod, Benz（Bosch生产）在1950s用于轿车Bendix公司1

7、957年首次开发电控喷油系统，用于Chrysler汽车汽油机电控发展历史汽油机电控历史1957-1960，美国公布了污染调查报告，1960年，加州公布排放法规，1965年实施。1967年，Bosch发表D-Jetronic系统1972年，Bosch发表K-Jetronic, L-Jetronic系统70年代以后，发达国家陆续推出日益严格的排放法规。1976年，GM首次将微机用于点火控制。以Bosch公司为例汽油喷射及点火系统：M-Motronic/1979KE-Motronic/19871996Mono-Motronic/1989汽油机供油系统化油器和汽油喷射系统有共同的设计目标：在任何工况都

8、应 向发功机提供最佳的空气燃油混合气。汽油喷射系统尤其是 电子控制的喷射系统，在精确控制混合气浓度上更胜一筹，因此 可获得更好的燃油经济性、舒适性、操纵性和动力件。越来越严格的排放控制法规使得化油器面临被淘汰而燃油喷射则越来越 普及。汽油机供油系统目前应用的混合气形成系统几乎全部都是在燃烧室外形成 混合气，但缸内混合气形成的概念，即燃油直接喷入燃烧室(GDI)，在降低 燃油消耗上的具有优越性能，现在正变成不可忽视的发展趋势。电控混合气形成系统缸外混合气形成：多点喷射系统(MPI)机械喷射系统：K-Jetronic机械-电子燃油喷射系统：KE-Jetronic电子喷射系统：L-Jetronic,

9、 LH-Jetronic单点喷射系统(TBI)：Mono-Jetronic缸内混合气形成：缸内直喷(DI)：MED-Motronic分层燃烧匀质燃烧多点喷射节流阀体喷射缸内直喷汽油喷射与化油器比较的优点可以设计出提高发动机功率的进气系统各缸汽油分配均匀性好不易发生结冰现象不易产生汽阻现象加减速时的过渡响应特性好启动、暖机性能好可以相对进气温度和大气压力的变化修正空燃比电控的数字化时代特点各子系统实现集中控制，改善了发动机性能在反馈控制基础上，增加了学习控制速度-密度方式的控制方法开发广泛化出现了采用独立喷射方式的稀燃系统返回柴油机电控发展历史柴油机电控喷油技术发展的巨大推动力来自各国日益严格的

10、排放法规。美国国会通过的“大气污染防治法”，要求将重型卡车柴油机的排放污染降低90%。90年代初，在欧洲出现了“3L轿车”热，即平均车速为90Km/h时，轿车的100Km体积油耗仅为3L。美国西南研究所与美、日、欧等国12家主要汽车发动机厂和五家国际上主要的燃料喷射装置生产厂正在研制低排放柴油机，并提出了一个清洁发动机的排放目标：NOx , 2g/马力; HC, 0.5g/马力; PM，0.1g/马力。柴油机电控发展历史柴油机电控技术在世界发达国家，如美国、德国、日本、英国等近15年发展十分迅速，现在已有较成熟的产品推向市场。德国BOSCH公司的电控分配泵和电控直列泵到1993年上半年在市场上

11、已超过25 万台。美国底特律柴油机公司DDEC电控泵喷嘴系统，从1985年投产到1993年已有10 万多台投放市场日本ZEXEL公司可变预行程的TICS系统直列泵，1992年产量达2万台，其中大部分是电控的。美国STANADYE公司的DS电控分配泵1995年产量达到15万台，1996年可达到24 万台。柴油机电控发展历史柴油机电控燃油系统的发展已历经三代：位置控制系统时间控制系统时间加共轨式它们重点在柴油喷射电控执行器上进行区分。按照系统产生高压燃油的机构来看，柴油喷射系统又可分为直列式、分配泵式、泵喷嘴式、单缸泵式、共轨式电控喷射系统。 返回ECU的发展ECU的研究发展开发工具与设计方法EC

12、U开发流程ECU的技术特征返回ECU的控制功能对燃油喷射系统的控制对柴油机其他系统的电子控制与配套机械系统匹配的电控柴油机电控单元研究发展电控单元的研究取得的飞速进步，主要得益于电子控制行业的迅速发展和各种现代控制技术在柴油机领域的应用。为了满足各个方面的性能要求，电控技术已经渗透到柴油机的各个部分，采用了许多新的控制技术。现在，柴油机电子控制的内容已由当初的燃油系统单一控制逐步发展到包括发动机各个系统控制、故障诊断、实时管理等功能在内的综合管理系统，各种先进的电子控制技术在电控单元中得到了越来越广泛的应用 控制理论在电控单元研究中的应用 发动机电子控制使用的控制方法从早期的经典控制理论的PI

13、D算法逐步发展到优化控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制以及预测控制等多种现代控制理论。现代控制理论的引入使得电控系统更能适应柴油机这一类复杂多变量系统，时变系统和非线性系统，此外，现代控制理论与不断进步的新型电控器件相结合，使柴油机电控技术在进入实用化方面不断取得新的突破。 发动机管理系统的功能发展 随着电子计算机技术和控制技术的快速发展，车辆发动机电控的功能由最初的燃油喷射系统电控逐步发展到集喷油电控、增压电控、怠速电控、进气涡流控制、电控风扇驱动、怠速稳定控制、EGR控制、冷启动电控、柴油机电控液压启动系统、冷却控制、故障诊断为一体的发动机综合电子控制装置。发动机电子控制逐步形成了包

14、括控制、处理、故障诊断和实时管理的发动机综合管理系统 发动机管理系统的功能发展国外新开发的电控柴油机上都具备监控诊断功能。这已成为现代发动机的一个重要特征。例如，美国CUMMINS公司采用CELECT和CENTRY发动机电子管理系统对发动机进行全面控制和管理。有些电控系统还包括了对机外排放的控制、安全性控制、以及与其它电控系统的信息通讯等等。如：电控柴油机微粒袋滤系统、壁流式微粒过滤器电加热再生控制系统、电控牵引力控制系统等等。 电控发动机故障自诊断功能1988年，美国汽车工程师协会（SAE）、美国环保署（EPA）、加州空气资源委员会（CARB）协同提出了OBD-I随车诊断系统，其目的是加快燃

15、油喷射系统的维修速度，提高其维修质量，以降低汽车的废气排放。OBD-I系统能够实时监视控制模块、与控制模块相连的各传感器、燃油表系统以及废气再循环系统等等。1993年，美国环保署颁布了OBD-II的规定，一些1994年出厂的轻型车上开始配备OBD-II随车诊断系统。目前已推出了OBD-III型系统 。现场总线技术 当前，出现了多种现场总线：基金会总线LonWorksProfibusHARTCAN现场总线技术CAN即控制局域网络，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件间的数据通信。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN越来越受到人们的重视。世界上一些著名的汽车制造厂商，如B

16、ENZ、BMW、PORSCHE、ROLLS-ROYCE和JAGU都已开始采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。传感器技术近年来，随着控制技术、计算机技术和宽带网络技术的快速发展，多传感器系统得到了越来越多的应用，这对传感器提出了更高的要求，即准确度高，可靠性好，易于组网，并具有信息处理和自检等智力功能。随着新材料及新技术的应用，电控系统要求传感器集成化和智能化。实现智能化的传感器具有信号放大、处理功能，各种补偿功能，以及自诊断功能，其智能部分还应具有编码和译码的能力。 传感器技术网络化智能传感器是以嵌入式技术为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元的新一

17、代传感器。处理器的引入使传感器成为硬件和软件的结合体，能根据输入信号值进行一定程度的判断和制定决策，实现自校正和自保护功能。非线性补偿、零点漂移和温度补偿等软件技术的应用，则使传感器具有很高的线性度和测量精度。网络接口技术的应用使传感器能方便地接入网络。计算机硬件的发展 电控单元（ECU）是柴油机电控系统的核心，其硬件就是微处理器。目前，在发动机电控单元中除了常用的8位和16位的微处理器外，32位特别是64位微处理器已逐步开始使用，而且，专用的汽车微机也已研制出来。当前ECU发展的总趋势是从单系统单机控制向多系统集中控制过渡，汽车电控系统将采用计算机网络技术，把发动机电控系统、车身电控系统、底

18、盘电控系统及信息与通信系统等各个系统的ECU相联接，形成机内分布式计算机网络。返回电控系统开发工具与设计方法的发展 计算机仿真技术的应用 实时操作系统的应用 计算机辅助控制系统设计（CACSD）技术 返回计算机仿真技术的应用发动机电子控制技术是改善发动机性能有力的手段。在发动机电子控制系统的开发中，控制算法对系统控制性能的影响很大，通常它的在线整定和调节比较困难、费时，一般需要首先利用电控系统仿真模型。电子控制系统的分析、设计及系统的调试、改造都要应用系统仿真技术。 计算机仿真技术的应用随着计算机技术的快速发展，出现了较多仿真软件：美国Math Works公司推出的MATLAB。它所带的组件之

19、一Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，是一种通用的仿真软件。针对发动机领域也出现了一些专用的仿真软件：AVL公司开发的用于发动机性能仿真的HYDSIM德国Tesis公司的en-DYNA软件，是一个发动机动力学分析模型库，可以从模型库中建立实时发动机模型。因而可以测试最新型ECU。美国波音公司的EASY-5软件用于工程分析法国伊梦镜（IMAGINE）公司的AMESim软件用于燃油喷射、制动系统、动力传动、冷却系统等方面返回实时操作系统的应用以前电控单元的研制采取的是针对特定的硬件，为特定的功能编程的方法，并且几乎全部采用汇编等可读性差的代码编写方式。这种方式设计的控

20、制器效率高，但可移植性差，无法应用软件工程领域的一些先进技术。实时系统是对外来事件在限定时间内能做出反应的系统。限定的时间范围可以从微秒到分钟。实时系统的正确性不仅依赖系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。近十年来，实时操作系统得到飞速的发展，从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位，从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片，从只有实时内核到除了内核外还提供其他功能模块，如高速文件系统，TCPIP网络系统，窗口系统等等。实时操作系统的应用据Embedded Systems Programming报告，世界各国多家公司，已成功推出200余种可供嵌入式应用的实时操作系统。

21、其中几个著名的实时、嵌入式操作系统是Wind River公司（WRS）的VxWorks、pSOS，Mentor Graphics公司的 VRTX， Microsoft公司的Windows CE，Microware公司的 OS.9，3COM公司的 Palm OS，LYNX公司的Lynx等。实时操作系统的应用为了设计技术共享和软件重用、构件兼容、维护方便以及合作生产，近几年，一些地区和国家的汽车行业协会纷纷制定嵌入式产品标准，特别是软件编程接口API规范。如，欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准作为开发汽车嵌入式系统的公用平台和应用编程接口(OSEK的名称来自于德文“车内电子设备的开放系统的接口”)。OSEK规定了汽车控制器的通信规程、网络管理规则以及高效利用存贮器的嵌入式操作系统规范。目前，Wind River等嵌入式软件公司已宣布推出兼容的操作系统。返回计算机辅助控制系统设计（CACSD）技术 市场对控制系统的开发要求较多：开发周期要求、高可靠性要求、控制算法要求，同时，并行工程要求设计、实现