发动机空燃比控制系统中传感器动态特性研究

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1、第一章绪论1．1研究背景和意义1．1．1研究背景随着汽车工业的不断发展，汽车产量和保有量与日俱增，汽车排放对大气污染也日益严重，人类生活环境受到严重威胁。开发动力性、经济性和排放俱佳的汽车已成为汽车工业发展的必然趋势。世界各国都制定了日益严格的排放法规。l960年美国南部的加利福尼亚州制定了世界上第一个汽车排放污染限制法规，l968年美国又颁布了联邦排放法规，以后一再修订，日本与欧共体国家(即如今欧盟国家)也相继制定出排放法规。排放法规的日益严格，使传统的化油器及机械点火发动机难以满足要求。我国政府也制定了相应的政策。从2003年7月1日起，我国实行欧II排放标准，而北京在2002年8月1日就

2、提前执行了欧II排放标准，并计划到2008年的奥运年将执行接近于欧Ⅳ水平的新排放标准。自从十九世纪内燃机问世以来，随着各种新技术的不断应用，其性能有了显著的提高。特别是近三、四十年内，电子技术得到飞速发展，各种高性能和高可靠性的传感器、微处理器和执行器相继问世，使得电控技术在发动机性能优化中的应用成为可能。电控技术所带来的高燃油经济性、大功率输出、低排放、优良的冷启动和暖机性能、怠速控制精确等优点使其在现代发动机中处于举足轻重的地位。其中，空燃比的精确控制是一直关注的焦点问题。众所周知，空燃比是发动机运行时的一个重要参数，对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。随着空气污染的日益严重

3、，对汽车尾气排放要求越来越严格，需要对空燃比进行精确的控制。目前，电控燃油喷射结合三元催化转化技术已成为车用发动机降低排放的最直接有效的方式。然而，三元催化器的转化效率受空燃比的影响很大，研究表明，要想获得较高的转化效率(80％以上)，要求空燃比控制在化学计量比(即空燃比为14．7)附近【l】，误差不超过±3．5％t21。进气流量的精确测量是空燃比控制的基础，按所采用的传感器不同分为基于进气压力测量和基于进气流量两类，其中，基于进气流量的空气质量传感器在汽车上得到了较为广泛的应用。发动机空燃比控制的核心是喷油控制，目的是保持给定的空气和燃油比，其实质是比值控制。空燃比控制主要由前馈和反馈控制组

4、成。常见的空燃比闭环控制框图如图1．1所示。空气质量流量传感器(MassAirFlowMeter，MAF)安装在节气门前的进气管中，用于测量空气质量流量，电子控制单元(ECU)根据MAF传感器测量的流量和设定的比例关系产生相应的喷油量，实现给定空燃比的前馈控制。开环控制无法保证空燃比的控制精度，因此在排气管中安装废气氧传感器(ExhaustGasOxygensensor，EGO)，测量尾气中的氧含量，反馈给ECU，作为进一步调节喷油的依据，由此形成反馈控制，来实现准确的空燃比控制，以满足排放法规的要求。在发动机控制系统中，实际空燃比与理论空燃比的比值称为过量空气系数，可用下式表示：，一(空气／

5、燃油)实际肛茌瓢丽薏过量空气系数A(当名=l时，为理论混合比)值在l附近时(实际上兄在O．995"-"1之间)，三元催化转换器可以取得最好的催化效果，即趋向于同时将CO、HC、NOx保持在相对最小。这些性能与反馈系统中的氧传感器甚为相关，氧传感器是在电子燃油喷射式发动机上进行空燃比反馈控制的传感器，它安装在发动机的排气管上，作用是通过检测排放气体中氧的含量来获得混合气的空燃比浓度信号，并将检测结果转变成电压信号输入ECU，ECU根据氧传感器输入的信号，不断地对喷油脉宽进行修正，使混合气浓度保持在理想范围内，实现空燃比的反馈控制，即闭环控制。由于发动机控制的复杂性，还需要综合考虑转速、压力、温度

6、等其他传感器提供的信息，才能真正完成空燃比控制。图l-lA／F闭环控制框图1．1．2研究意义日益严格的排放法规对汽车发动机瞬态空燃比的控制能力和精度提出了更高的要求，同样对传感器的动态性能提出了严格要求。空气质量流量传感器和废气氧传感器是空燃比闭环控制的关键传感器，例如，发动机在5400rpm的高转速下，则一个工作循环的时间是60／(5400／2)*1000=22ms，即ECU要在22ms内输出一次控制指令，从而要求传感器至少在22ms内完成各参数的测量。转速提高、工况突变等情况，对传感器动态响应的要求更高。传感器能否准确、迅速地反映被测参数的变化，能否满足控制要求，直接影响着控制效果，研究传

7、感器的动态性对实现准确的发动机瞬态空燃比控制具有重要意义。在基于负荷信息直接传感方式的空燃比控制系统中，广泛采用热线式空气质量流量传感器(Hot．wireMassAirFlowMeter，HWM)或热膜式空气质量流量传感器(Hot—filmMassAirFlowMeter，HFM)来检测发动机进气量。由于发2动机瞬态空燃比的控制主要依靠空燃比前馈控制器来实现，基于模型的瞬态空燃比前馈控制利用嵌入式