汽油机建模及控制研究

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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(EngineManagementSystem,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EC

2、U通过CAN总线等通信技术与其他控制系统互联，实现了信息共享，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；

3、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)电子控制单元电子控制单元（ElectronicControlUnit，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。14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：①电控系统需要实现众多的控制项目。②电控系统的控制应能使发动机的潜力充分发挥，使功率、

4、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。③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。④电控系统对外界环境变化应有适应性。⑤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14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

5、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mat≠map，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

6、：map=n120ρ0Vdηv0（2-2）14其中n是发动机转速，单位为r/min，ρ0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，ηv0是充气效率（本文的充气效率ηv0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密度方程：map=n120ρmVdηv（2-3）其中，ρm为进气管内的空气密度，ηv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]：ηv=EK-1K+ε-pexhpmK(ε-1)（2-

7、4）其中，E是拟合常数，K是绝热指数，ε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：ηv=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ηvpm[4]。根据式（2-5），复合指标与进气压力的关系为：ηvpm=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：ρm=pmRTm（2-7）ma=pmVmRTm（2-

8、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=VdηVPmn120RTm（2-9）对式（2-8）两边求导，将