基于车辆驱动力模型的汽油发动机空燃比控制试验研究

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1、基于车辆驱动力模型的汽油发动机空燃比控制试验研究　　摘要：文章主要研究发动机部分负荷工况下的空燃比控制。将发动机的数学模型作为被控对象，建立空燃比控制的仿真模型并进行仿真分析。采用PID控制算法进行了半实物仿真试验，并进行了试验分析。试验结果表明，与未控情况相比，发动机节气门PID控制系?y试验，响应速度适当较快，能达到预期控制要求。通过联动仿真试验，验证了车辆发动机数学模型的可靠性，检验仿真试验系统的可行性。　　关键词：驱动力模型；发动机空燃比；部分负荷工况；响应试验　　1概述　　全国大范围雾霾天气的加剧，促使我国最严环境保护法的出台，其中

2、，汽车排放法规尤为严格。发动机控制直接决定着汽车的整车性能和排放水平，空燃比控制是发动机最基本控制问题之一[1]。三元催化转换器被广泛地应用在汽油发动机上，用于处理发动机中的废气，降低发动机有害气体的排放。理论上，三元催化转换器将发动机废气中的有害气体CO、HC转化成无害气体CO2、H2O、NO、N2和O2等，然后排放至空气中。采用空燃比闭环控制，可以有效地将发动机空燃比值维持在理想空燃比左右，使三元催化转换器保持较高的转换效率，达到降低排放的目的。　　车辆电子节气门的广泛使用，为发动机燃油供给的精确控制提供了较好的基础。电子节气门的实时响应

3、能力对发动机的运行及排放影响重大，尤其在变工况的过程中更为明显。车辆在城市道路行驶过程中，部分负荷工况是电控汽油发动机运行最多的工况，为了使三元催化转换器转换率趋近理想状态，结合电子节气门的变工况控制，针对电控汽油发动机在部分负荷工况下，采用PID控制方法，以空燃比为控制目标，进行半实物仿真试验研究，重点探讨部分负荷工况下节气门响应能力的提高方法，为发动机排放的精细控制奠定基础。发动机的运行工况主要包括起动工况、部分负荷工况、全负荷工况、加减速工况以及怠速工况，部分负荷工况是汽车行驶中最普遍的工况[2]。　　2基于车辆驱动力的电控发动机数学模

4、型　　由于车辆是复杂多变的非线性系统，存在子系统和子系统之间的耦合增加了分析难度，以及仿真系统计算量大等问题，所以建立适宜的数学模型并进行必要的简化是进一步研究的重要保障[3]。文章首先把车辆系统看成是一个以节气门开度θ为输入，以车辆质心速度u为输出的系统，着重进行部分负荷工况下的空燃比控制策略研究。根据车辆行驶方程式的推导，得出发动机的输入节气门开度θ和输出转速n的关系式，建立基于车辆驱动力的发动机数学模型[4]。　　车辆正常行驶中，车辆的驱动力为Ft，车辆行驶的总阻力主要包括滚动阻力Ff，空气阻力Fw（车辆等速行驶时），坡度阻力Fi（车辆

5、上坡行驶时）和加速阻力Fj（车辆加速行驶时）。即？撞F=Ff+Fw+Fi+Fj，所以？撞F=Ft。　　式中，δ为车辆旋转质量换算系数（？啄=1.0+？啄1+？啄2ig2，？啄1≈？啄2=0.3～0.5[5]），m为车辆质量，du/dt为行驶加速度。　　根据上述方程式分析，得出此模型的车辆行驶方程式：　　考虑到车辆行驶的道路，一般坡度不会很大，几乎接近于零，cos？兹≈1，sin？兹≈tan？兹≈i（i是传动比，i=igi0），u=0.377nr/igi0等多方面的因素，故将式6改写为：　　以某轻型乘用车为例主要参数见表1[6]。　　根据表1，

6、式（7）并经过拉氏变换得到发动机节气门开度与转速的传递函数：　　3发动机空燃比PID控制仿真与分析　　发动机空燃比闭环控制的目的是有效地将空燃比值维持在理想空燃比附近，此时能保持较高的转换效率，起到降低排放的作用。选取针对电控汽油发动机在部分负荷工况下的目标空然比，采用PID控制算法对理想空燃比进行闭环控制。　　在部分负荷工况下，通过构建适于发动机节气门的PID控制策略，以燃油利用率作为发动机的主要控制目标，设计汽油发动机空燃比控制器，部分负荷工况下空燃比PID控制系统如图1所示。　　在控制系统执行过程中，将目标空燃比与实际空燃比的偏差值作为

7、输入量，氧含量作为输出量。为了维持空燃比的恒定，PID控制需要调节进气量，使气缸内的混合气充分燃烧，增大输出功率，实现部分负荷工况下，提高发动机的燃油利用率，改善排放性能。　　在发动机部分负荷工况下，研究和设计用于发动机节气门的PID控制器。在控制器中设计中，调节参数是控制系统设计的关键环节，需要对控制对象进行深入的分析研究，从而确定PID控制器中的调节参数[8]。在仿真试验过程中，选取PID控制器的调节参数为：kp=17.377，ki=2.875，kd=0.031。建立发动机部分负荷工况下空燃比PID控制系统仿真试验模型如图2所示。　　对于

8、发动机空燃比PID控制仿真系统，初始节气门开度设置为10°，由于节气门开度的取值范围在0°～90°之间，所以需要对PID控制器的输出加以限幅保护，在此工况下将上限值