（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)論文）汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火正時(shí)及故障模式的仿真模擬研究.pdfVIP

四川1 大學(xué)碩士論文 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火正時(shí)及故障模式的仿真模擬研究 專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè) 研究生：余世福指導(dǎo)教師：梁尚明 近年來(lái)，由于能源危機(jī)及我國(guó)對(duì)汽車(chē)排放的要求越來(lái)越嚴(yán)，節(jié)能與環(huán)保成 為汽車(chē)技術(shù)發(fā)展中的重點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)通過(guò)控制點(diǎn)火與噴油可望實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng) 機(jī)性能與節(jié)能、環(huán)保的最佳匹配?？刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火與噴油的技術(shù)成為汽車(chē)發(fā)動(dòng) 機(jī)管理系統(tǒng)發(fā)展的核心技術(shù)，對(duì)此技術(shù)國(guó)內(nèi)各研究院所及各車(chē)輛制造廠均積極 地展開(kāi)研究，并取得了一定成效。如何找到最佳的點(diǎn)火與噴油參數(shù)，從而讓發(fā) 動(dòng)機(jī)作出快速而準(zhǔn)確的反應(yīng)是發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)，而利用電腦模擬仿 真技術(shù)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型，可以克服實(shí)際測(cè)量的困難。還可以逐一分 析單一發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)及控制參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能與 設(shè)計(jì)參數(shù)及控制參數(shù)的最佳匹配。 由于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)加減速等瞬態(tài)工況變化迅速，傳感器 的反應(yīng)速度總有一個(gè)相對(duì)的滯后，僅用傳感器測(cè)量的辦法無(wú)法及時(shí)跟蹤狀態(tài)參 數(shù)變化，故對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的控制需建立發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型，以提前計(jì)算的方式來(lái)預(yù) 估傳感器的實(shí)際信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型主要由節(jié)氣門(mén)動(dòng)態(tài)模型、進(jìn)氣岐管動(dòng)態(tài) 模型及發(fā)動(dòng)機(jī)扭力與轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)模型構(gòu)成，本文對(duì)它們進(jìn)行了比較詳細(xì)的數(shù)學(xué)分 析，在此基礎(chǔ)上建立了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型。發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)不同的工況需要采取 不同的控制策略，本文論述了目前發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)常用的幾種控制策略。利用 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型，進(jìn)行這些控制策略的動(dòng)態(tài)仿真模擬，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的 最佳控制。 為了仿真模擬點(diǎn)火角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，本文繪制了點(diǎn)火正時(shí)曲面圖 以期找到發(fā)動(dòng)機(jī)在各種條件下的最佳點(diǎn)火提前角。同時(shí)，繪制了點(diǎn)火正時(shí)修正 曲線對(duì)計(jì)算所得的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出指示扭力進(jìn)行修正，以求得發(fā)動(dòng)機(jī)真正的輸出的 四川大學(xué)碩士論文 指示扭力。在此基礎(chǔ)上，模擬了當(dāng)點(diǎn)火提前角為5 度，2 5 度及m b t 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸 出扭力的變化。 當(dāng)有傳感器失效發(fā)生時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)采取故障模式控制策略，提供一 個(gè)合適的替代信號(hào)，通過(guò)燃油修正的方式來(lái)減少傳感器失效對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排 放的影響。探討該策略必須建立相應(yīng)的傳感器信號(hào)間的關(guān)系及失效控制邏輯。 本文繪制了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門(mén)位置響應(yīng)曲面，建立了針對(duì)凸輪軸 ( 轉(zhuǎn)速) 傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、大氣壓力傳感器及氧傳感器失效時(shí)的邏 輯控制關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，仿真模擬了節(jié)氣門(mén)位置傳感器和大氣壓力傳感器失 效對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。 此外，本文還以a t m e l 8 9 c 4 0 5 1 為核心，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中點(diǎn)火及噴 油控制的基本控制電路。 關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型點(diǎn)火正時(shí)傳感器失效燃油修正 2 一 嬰型查蘭塑主笙塞 s i m u l a t i o no f i g n i t i o nt i m i n ga n d m a n e u v e r o ff a u l tm o d e le f f e c to ng a s o l i n ee n g i n e m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：y us h i f ua d v i s o r ：l i a n gs h a n g m i n g b e c a u s eo fe n e r g yc r i s i sa n ds t r i c t e re x h a u s te m i s s i o nl a wi nr e c e n ty e a r si n c h i n a ，e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb e c o m et w of o c u s e sf o rt h e d e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m ，w h i c hr e a l i z e st h eo p t i m a l m a t c h i n ga m o n ge n g i n ep e r f o r m a n c e ，e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h r o u 曲c o n t r o l l i n gt h ei g n i t i o nt i m i n ga n df u e li n j e c t i n g ，b e c o m e st h ec o r e t e c h n o l o g yi na u t o m o b i l ed e v e l o p m e n t e a c ha c a d e m ea n da u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r i sd e d i c a t e dt od e v e l o pa n dr e s e a r c hi ta n dh a sm a d es o m ee f f e c t i v ee f f o r t s t h ef o c u s o f t h e r e s e a r c h i s h o w t o f i n d t h e b e s t o p t i m a l p a r a m e t e r b e t w e e n i g n i t i o n a n d i n j e c t i o n t om a k et h ee n g i n e r e s p o n s em o r eq u i c k l ya n de x a c t l y a nd y n a m i cs i m u l a t i o ne n g i n e m o d e lu s i n gc o m p u t e rs i m u l a t et e c h n o l o g yc a i la n a l y z ee a c hs i n g l ee n g i n ed e s i g na n d c o n t r o lp a r a m e t e ro n e b yo n ea n dc o n q u e ra c t u a lm e a s u r ed i f f i c u l t i e s a tt h em e a n t i m e ， i tc a na c h i e v et h eb e s tm a t c h i n ga m o n ge n g i n ep e r f o r m a n c e ，d e s i g na n dc o n t r o l p a r a m e t e r b e c a u s eo f q u i c ka l t e r n a t i o na m o n ga c c e l e r a t i o n ，d e c e l e r a t i o na n dt h ed e l a yo f s e n s o r sr e s p o n d i n g ，i ti si m p o s s i b l et of o l l o wu pt h ep a r a m e t e rc h a n g eo f s t a t u sf r o m s e n s o r ss i g n a l t oc o n t r o lt h ee n g i n ed y n a m i cc o u r s e ，i ti s n e c e s s a r yt os e tu pa d y n a m i cm o d e lt oe v a l u a t et h er e a ls i g n a l t h ee n g i n ed y n a m i cm o d e li n c l u d e s t b x o t t l em o d e l ，m a n i f o l d i n t a k em o d e l ，e n g i n et o r q u ea n de n g i n es p e e dm o d e l t h e a r t i c l ea n a l y s e st h e s em o d e lc a r e f u l l yb ym a t hm e t h e da n d s e t su pad y n a m i ce n g i n e m o d e lo nt h eb a s i so ft h e s em o d e la n a l y s i s a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts t a t u s ，e n g i n e 一3 一 四川大學(xué)碩士論文 m a n a g e m e n ts y s t e mm u s ta d o p tt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ea r t i c l e s u m su pt h e s es t r a t e g i e s t or e a l i z et h e s ec o n t r o ls t r a t e g i e se f f e c t i v e l y ，t h ea n a l y s i so f s i m u l a t i o nc a nb ec a r r i e do u tb yt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e li no r d e rt oo b t a i nt h e b e s tc o n t r o lo ft h ee n g i n e ， t os i m u l a t et h ec o r r e s p o n d i n ge n g i n ep e r f o r m a n c ed u r i n gd i f f e r e n ti g n i t i o n t i m i n g ，t h ea r t i c l ed r a w st h ei g n i t i o nt i m i n gs u r f a c et of i n do u tt h em a x i m u mb r a k e t o r q u et i m i n g ( m b t ) a tt h em e a m t i m e ，t oo b t a i nt h ep r a c t i c a lt o r q t l e , t h ea r t i c l e d r a w st h er e v i s e di g n i t i o nt i m i n gg r a p ht or e v i s et h et h e o r e t i c a li n d i c a t e dt o r q u ea n d s i m u l a t et h et o r q u eo u t p u to fe n g i n ew h e nt h es p a r k _ a d v a n c ea n g l ei s5 ，10a n dm b t w h e ns e n s o r sf a i l e d ，t h ee n g i n em a n a g e m e n ts y s t e ma d o p tt h em a n e u v e ro f f a u l t m o d e le f f e c t ，w h i c ha f f o r d sas u b s t i t u t i o ns i g n a l ，t od e c r e a s et h en e g a t i v ei n f l u e n c eo n e n g i n ep e r f o r m a n c ea n de m i s s i o nt h r o u g hf u e lt r i m m i n g i ti sn e c e s s a r yt os e tu p l o o k _ u pt a b l ea n dc o n t r o ll o g i co nf a u l tm o d e l t h ea r t i c l ed r a w sar e s p o n s es u r f a c e a m o n ge n g i n em a n i f o l d i n t a k ea i rp r e s s u r e ( m a p ) ，e n g i n es p e e da n dt h r o t t l e p o s i t i o n ( t p ) a n de s t a b l i s h e st h ec o n t r o ll o g i ca i m e da tt h ef a u l to fe n g i n es p e e d s e n s o r s ，t h r o t t l ep o s i t i o ns e n s o r s ，m a n i f o l d i n t a k ea i rp r e s s u r es e n s o r sa n dn s e n s o r s t h e n ，t h ea r t i c l es i m u l a t e st h ee n g i n ep e r f o r m a n c ew h e n t pa n dm a pf a i l e d f u r t h e r m o r e ，t h ea r t i c l ed e s i g n st h eb a s i cc i r c u i t ，o fw h i c ha t m e l 8 9 c 4 0 51i s t h ec o r ec p u ，t oc o n t r o li g n i t i n ga n d i n j e c t i n gs i g n a l k e yw o r d s ：e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l i g n i t i o n t i m i n g s e n s o r sf a i l u r ef u e lt r i m m i n g - d ! 緒言 1 緒言 1 1 課題背景及意義 汽車(chē)是人類(lèi)目前最重要的交通工具之一。前5 0 年全球汽車(chē)保有量約為6 8 7 0 萬(wàn)輛，1 9 8 6 年激增到5 0 3 3 億輛，現(xiàn)在己超過(guò)6 億輛，我國(guó)汽車(chē)保有量也超過(guò) 1 4 0 0 萬(wàn)量，現(xiàn)在以每年超過(guò)4 0 0 萬(wàn)輛的速度遞增。汽車(chē)運(yùn)輸成本中燃油消耗占 2 0 3 0 。目前，汽車(chē)燃油仍以石油為主，但是目前已探明的石油儲(chǔ)存量有限， 根據(jù)日本綜合能量統(tǒng)計(jì)資料”1 ( 1 9 9 1 年版，1 9 9 2 年版) ，從1 9 9 2 算起， 地球的石油儲(chǔ)藏量?jī)H夠開(kāi)采4 5 3 年。而我國(guó)目前已探明的石油儲(chǔ)量為1 3 5 億噸， 己探明可開(kāi)采量為5 7 億噸，其中已開(kāi)采3 3 億噸，僅余2 4 億噸。按目前年產(chǎn)量 l - 6 億噸計(jì)算，僅夠開(kāi)采1 4 年，遠(yuǎn)低于世界平均水平。 汽車(chē)尾氣排放中的未燃h c 化合物和氮氧化合物n o ，在大氣中通過(guò)光化學(xué) 煙霧反應(yīng)所生成的臭氧0 ，、過(guò)氧酰基硝酸鹽等，是低空大氣污染的主要根源， 已經(jīng)成為威脅人類(lèi)健康的“無(wú)形殺手”，據(jù)統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致我國(guó)人口死亡的首要疾 病是呼吸道疾病，占我國(guó)總死亡率的2 2 4 ，呼吸道疾病的根源就是低空大氣 污染，其中汽車(chē)尾氣排放對(duì)城市低空大氣污染的分擔(dān)率達(dá)到7 0 。在全國(guó)3 8 個(gè)大中城市的首要污染物中，汽車(chē)尾氣排放的n o 。占2 1 9 ( 燃煤排放的s o ，僅 占1 6 6 ) ，北京大氣中7 4 的h c 化合物，6 3 的c o 和3 7 的n o ，均來(lái)自汽 車(chē)尾氣i ”。我國(guó)汽車(chē)排放有兩大特征單車(chē)排放量大，排放物中的有害物質(zhì) 比例高。中國(guó)轎車(chē)c 0 和h c 的排放量比1 9 9 2 年美國(guó)產(chǎn)的轎車(chē)分別高1 4 6 倍和 1 1 8 倍。污染密度高3 1 0 倍，一些城市的n 0 ，空氣污染指數(shù)達(dá)到了四級(jí)。我 國(guó)汽車(chē)排放污染嚴(yán)重的根本原因是我國(guó)汽車(chē)工業(yè)底子薄，缺乏技術(shù)，直接原因 是我國(guó)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)停留在一個(gè)相當(dāng)?shù)偷乃缴稀?近年來(lái)我國(guó)道路機(jī)動(dòng)車(chē)保有量每年都以較高速度增長(zhǎng)，這必將造成越來(lái)越 嚴(yán)重的尾氣污染。為了保護(hù)環(huán)境，我國(guó)相繼頒布了一系列限制尾氣排放的法規(guī)， 并與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)逐步接軌。2 0 0 0 年要求達(dá)到相當(dāng)歐洲第一階段水平，到2 0 0 4 年要 求到達(dá)歐洲第二階段水平，2 0 1 0 年實(shí)現(xiàn)與國(guó)際水平接軌，北京市2 0 0 8 年為了舉 辦綠色奧運(yùn)，2 0 0 7 年將率先在國(guó)內(nèi)實(shí)旌更加嚴(yán)格的法規(guī)，到達(dá)歐洲三號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的 要求。環(huán)境污染問(wèn)題對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 世界各國(guó)為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，都對(duì)汽車(chē)排放頒布了法規(guī)，并且這些環(huán)境保 護(hù)法規(guī)日趨嚴(yán)格。在1 9 9 2 年6 月舉行的有關(guān)環(huán)境與開(kāi)發(fā)的聯(lián)合國(guó)會(huì)議( u n c e d ) 上，一致公認(rèn)應(yīng)將產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體之一c o ，排放量，控制在1 9 9 0 年的水平， 這對(duì)人類(lèi)的生存是至關(guān)重要的。日本在1 9 9 0 年1 0 月就公布了防止地球變暖的 計(jì)劃及措施。在當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)汽車(chē)的需求和依賴越來(lái)越強(qiáng)，汽車(chē)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng) 也越來(lái)越激烈。汽車(chē)研究設(shè)計(jì)者和制造廠商付出了無(wú)數(shù)的心血和智慧推出各種 高新技術(shù)。由于環(huán)保法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)厲，個(gè)人的健康需求越來(lái)越強(qiáng)，汽車(chē)排放的 清潔性( 排放無(wú)污染性) 要求已成為汽車(chē)消費(fèi)的一種必然，人類(lèi)社會(huì)必需走可 持續(xù)發(fā)展的道路，節(jié)能與“零污染”是汽車(chē)工業(yè)發(fā)展面臨的首要而迫切的要求。 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與迅速發(fā)展，汽車(chē)的數(shù)量迅猛增加，汽車(chē)尾氣排放對(duì) 大氣的嚴(yán)重污染已經(jīng)引起了全世界的關(guān)注。各國(guó)針對(duì)汽車(chē)尾氣的排放制定了日 益嚴(yán)格的排放法規(guī)，世界性的石油危機(jī)也要求大幅降低汽車(chē)燃油消耗量。節(jié)能 與環(huán)保成為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的兩大主題。 針對(duì)目前發(fā)動(dòng)機(jī)性能、節(jié)能及排放的要求。需要針對(duì)各種情況即時(shí)調(diào)整發(fā) 動(dòng)機(jī)控制參數(shù)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能與廢氣排放情況，但是這一要求受限于測(cè) 量系統(tǒng)的反應(yīng)速度。由于瞬態(tài)過(guò)程的多變性，傳統(tǒng)化油器發(fā)動(dòng)機(jī)的供油系統(tǒng)與 點(diǎn)火系統(tǒng)，控制元件動(dòng)作遲緩，控制上不象現(xiàn)在普遍應(yīng)用于車(chē)輛上的電子控制 噴油與點(diǎn)火系統(tǒng)可以進(jìn)行彈性調(diào)整，在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)工作過(guò)程中也不易由即時(shí) 的反饋信號(hào)進(jìn)行供油量及點(diǎn)火角度的測(cè)量，限制了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程的可控制參 數(shù)的調(diào)整，不易提供較為具體的改進(jìn)方法。而應(yīng)用電子噴油系統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 管理系統(tǒng)，通過(guò)整合發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)供油量與點(diǎn)火角度的彈性調(diào)整， 并可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行一系列的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)的測(cè)試評(píng)估，提供一個(gè)定 量探討發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能的方法，用于評(píng)估穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)過(guò)程最佳控制參數(shù)， 據(jù)此確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳控制策略。 在7 0 年代末8 0 年代初，采用電子控制燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)得到了迅猛 發(fā)展。在1 9 7 6 年至1 9 8 4 年的9 年間，各國(guó)生產(chǎn)的轎車(chē)中采用電控燃油噴射的 比重不斷增長(zhǎng)，德國(guó)由8 增長(zhǎng)到4 2 ，日本由3 增長(zhǎng)到1 8 ，至1 9 8 7 年增 長(zhǎng)到4 6 ，而美國(guó)發(fā)展更加迅速，1 9 7 6 年電控燃油噴射系統(tǒng)尚未在美國(guó)生產(chǎn)的 轎車(chē)上應(yīng)用，至1 9 8 0 年猛增到3 9 ，1 9 8 7 年高達(dá)7 8 ，進(jìn)入9 0 年代后，所有 在美國(guó)銷(xiāo)售的轎車(chē)幾乎1 0 0 采用電控燃油噴射系統(tǒng)。 2 為了更好適應(yīng)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，提高汽車(chē)的控制精度，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)在 實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)電子控制的基礎(chǔ)上，普遍與閉環(huán)控制方式相結(jié)合【3 】4 】。采用閉環(huán)控制 的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比及點(diǎn)火提前角等參數(shù) 的精確控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)在最理想的工況條件下運(yùn)行。通過(guò)閉環(huán)控制與三元催化 轉(zhuǎn)化器尾氣后處理技術(shù)的結(jié)合使用，可以使排氣中三種主要有害成分c o 、h c 及 n o ，的排放降低至少9 5 。與其他控制技術(shù)相結(jié)合有可能進(jìn)一步降低有害氣體 的排放，燃油經(jīng)濟(jì)性也有所提高，能夠達(dá)到我國(guó)當(dāng)前執(zhí)行的排放法規(guī)和燃油經(jīng) 濟(jì)性法規(guī)。為滿足不斷嚴(yán)厲的排放法規(guī)要求和節(jié)能要求，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn) 權(quán)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)勢(shì)在必行。 1 2 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 在中國(guó)有上百家汽車(chē)制造企業(yè)，品牌之多為全球其它國(guó)家汽車(chē)制造企業(yè)的 總和，但都存在規(guī)模偏小，缺乏獨(dú)立自主的研發(fā)能力，關(guān)鍵的零部件如發(fā)動(dòng)機(jī)、 自動(dòng)變速箱、a b s 系統(tǒng)、s r s 系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)等，目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)生產(chǎn)廠家 都是直接從國(guó)外大公司或合資企業(yè)如德?tīng)柛?、?lián)合電子等弓l 進(jìn)。我國(guó)汽車(chē)電子 控制系統(tǒng)軟硬件的自主開(kāi)發(fā)能力還很落后。由于沒(méi)有掌握核心技術(shù)，在購(gòu)買(mǎi)國(guó) 外e c u 產(chǎn)品后，還不得不花高價(jià)請(qǐng)國(guó)外公司進(jìn)行匹配標(biāo)定，致使成本上升。對(duì) 作為代表汽車(chē)技術(shù)水平的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，迄今國(guó)內(nèi)不具備完整的研發(fā)能力， 這嚴(yán)重制約了我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。 近幾年電子技術(shù)的飛速發(fā)展使得高性能的微控制器得以廣泛應(yīng)用，智能傳 感器，高效執(zhí)行器和各類(lèi)專(zhuān)用集成芯片也大量使用。在這些新硬件基礎(chǔ)上，更 為復(fù)雜的控制功能和先進(jìn)的控制策略在發(fā)動(dòng)機(jī)管理控制系統(tǒng)的軟件中得以實(shí) 現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)更為精確，功自g 更為強(qiáng)大和全面。由于電子技術(shù)、傳感器 材料的發(fā)展及批量化生產(chǎn)后價(jià)格下降等有利因素，使得能精確、迅速、穩(wěn)定控 制發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，成為發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的主要控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)由于電腦半導(dǎo) 體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，逐漸具備研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)條件。同時(shí)，龐大的車(chē)用電子領(lǐng)域市場(chǎng)也 可為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供相當(dāng)可觀的商機(jī)。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的智能型發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)， 將可有效降低排放廢氣的污染，并能節(jié)省燃油消耗，達(dá)到改善環(huán)境與節(jié)約能源 的目的。 四刖去堂砸士堂焦詮毫 國(guó)外設(shè)計(jì)的多缸發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)有好幾種型式，最新的設(shè)計(jì)方案有應(yīng)用現(xiàn) 代控制法則的控制器，但是其相關(guān)開(kāi)發(fā)研究的文獻(xiàn)不多，絕大多數(shù)為各大汽車(chē) 廠的技術(shù)機(jī)密。目前發(fā)動(dòng)機(jī)控制器口l 主要可分為8 位或1 6 位。1 6 位的發(fā)動(dòng)機(jī)控 制器每一次可同時(shí)處理6 5 5 3 6 個(gè)單元的資料，此控制器可同時(shí)寫(xiě)入變速箱控制 程序或其它控制單元的程序，屬于集中式系統(tǒng)。而8 位發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，每一次 僅能同時(shí)處理2 5 6 個(gè)單元的資料，無(wú)法同時(shí)寫(xiě)入變速箱控制程序，必須獨(dú)立為 一個(gè)控制單元，也屬于集中式系統(tǒng)。 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)需要整合電子點(diǎn)火與噴油系統(tǒng)。如何找到最佳的點(diǎn)火與噴 油參數(shù)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)作出快速而準(zhǔn)確的反應(yīng)是發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)。發(fā)動(dòng) 機(jī)工作受到諸多工作變量及設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)在綜合發(fā)動(dòng)機(jī)各 相關(guān)的傳感器所檢測(cè)到的物理量，如進(jìn)氣溫度、壓力、流量、冷卻水溫度、發(fā) 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣中含氧量、曲軸角度等信息后，結(jié)合排放法規(guī)和機(jī)件應(yīng)力要求 作最優(yōu)化整合，計(jì)算出最佳點(diǎn)火與噴油參數(shù)，然后由執(zhí)行器操控發(fā)動(dòng)機(jī)工作變 量，諸如噴油量及點(diǎn)火正時(shí)等，使混合氣得以燃燒完全，增加輸出扭力、功率 并降低排氣污染。 現(xiàn)今的車(chē)輛故障診斷系統(tǒng)，如0 b d i i ( 0 n _ b o a r dd i a g n o s i si i ) ，要求能檢 測(cè)出影響廢氣排放的零件故障，同時(shí)對(duì)應(yīng)判斷廢氣成份是燃燒不完全產(chǎn)生的一 氧化碳( c o ) 及碳?xì)浠衔? h c ) ，還是由于溫度過(guò)高產(chǎn)生的氮氧化物( n 0 x ) 。理想 的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該在各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，均能完全燃燒，以降低排放的一氧化碳 及碳?xì)浠衔铮瑓s又不至由于過(guò)度完全燃燒，而使燃燒室溫度過(guò)高，產(chǎn)生過(guò)多 的氮氧化物?，F(xiàn)今所使用的閉回路控制系統(tǒng)( c l o s e d l o o p c o n t r 0 1 ) 以氧傳感器 信號(hào)( 0 ，s e n s o r ) 為反饋信號(hào)來(lái)確?；旌媳缺３衷诶碚摽杖急忍帲皂毧紤]稀 混合器燃燒控制，達(dá)到省油效果。為達(dá)到這一目的，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)必須能 夠更加精確地測(cè)定、判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，以精確控制點(diǎn)火與噴油正時(shí)。為實(shí)現(xiàn)這種 控制及診斷，要求微電腦控制器( c p u ) 的運(yùn)算速度和記憶容量也必須有配合計(jì)算能的 力。同時(shí)傳感器與執(zhí)行器也須智能化，以配合更高的檢測(cè)與輸出性能要求，如開(kāi)發(fā)微 機(jī)電或壓電晶體發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓及爆震傳感器，提供有效及時(shí)的燃燒反饋訊號(hào)，以改善燃 燒狀態(tài)，更好的控制廢氣排放。但是在采取閉環(huán)控制時(shí)，由于觸媒轉(zhuǎn)換器對(duì)廢氣排放 有阻尼作用，會(huì)產(chǎn)生積熱現(xiàn)象，從而導(dǎo)致廢氣在觸媒轉(zhuǎn)換器處產(chǎn)生變異。n a s u 等人 研究了排氣通過(guò)觸媒轉(zhuǎn)換器及相關(guān)氧傳感器的動(dòng)態(tài)特性，并配以適當(dāng)?shù)娜加蛧?4 射系統(tǒng)特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)觸媒轉(zhuǎn)換器中廢氣變異的有效控制壚兒“。該論文所使用 的動(dòng)態(tài)模擬方法建構(gòu)于m a t l a b 的s i m u l i n k ，使燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)定策略可在 動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中尋求觸媒轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換最大效率。其中為估計(jì)動(dòng)態(tài)延遲，并減少 個(gè)別模型的補(bǔ)償誤差，如進(jìn)氣流量、燃油揮發(fā)特性、觸媒轉(zhuǎn)換器中的化學(xué)反應(yīng)、 含氧傳感器等的反應(yīng)誤差，采用強(qiáng)健控制( r o b u s t c o n t r 0 1 ) 確保其燃油噴射系 統(tǒng)的控制性能。 在發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制方面，m c i n t y r e 利用發(fā)動(dòng)機(jī)上的凸輪軸與曲軸位置傳 感器的信號(hào)間的關(guān)系，計(jì)算出第一缸壓縮上止點(diǎn)位置作為計(jì)算點(diǎn)火與噴油位置 的基本觸發(fā)點(diǎn) g l 。c a o 研究了利用s i m u l i n k s t a t e f l o w 建立發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型與 控制流程，并與d s p a c ea u t ob o x 整合，模擬自動(dòng)產(chǎn)生程序碼，建立發(fā)動(dòng)機(jī)電 子控制單元【9 。j a w a d 為了提高1 9 9 6 年生產(chǎn)的k s w a s k i z x 6 r 型汽車(chē)的性能， 將四個(gè)化油器變?yōu)殡娮狱c(diǎn)火與噴油系統(tǒng)。由節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度( 負(fù)荷) 作為點(diǎn)火與 噴油管理的依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)最佳的空燃比控制，必須依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速， 設(shè)計(jì)最佳的點(diǎn)火角度與噴油量，他實(shí)際上以m o t e tm 4 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)為核心。 該系統(tǒng)可以隨不同的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速改變實(shí)際的點(diǎn)火提前角度和噴油時(shí)間。 由于世界各國(guó)的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越苛刻，需要不斷設(shè)計(jì)新的發(fā)動(dòng)機(jī)控制 器來(lái)滿足要求，所以越來(lái)越復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)控制模組應(yīng)運(yùn)而生。在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)控 制軟硬件時(shí)，設(shè)計(jì)第一優(yōu)先考慮的是如何在滿足環(huán)保要求的同時(shí)兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)好 的性能 1 0 l 。b a l e a n i 等人介紹了一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使用c 和 c + + 作為開(kāi)發(fā)的程序語(yǔ)言，并且介紹了軟硬件的構(gòu)架，及如何使c 語(yǔ)言去快速 完成控制器的設(shè)計(jì)1 1 1 。k u s e l l 等人解析了b o s c hm o t r o n i cm e d 7 【1 2 1 發(fā)動(dòng)機(jī)管理 系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作稀薄燃燒的控制，并取得良好的結(jié)果，還介 紹了m o t r o n i c m e d 7 的構(gòu)架與控制方法。h w a n g 提出了構(gòu)建兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)的 方案，該設(shè)計(jì)方案利用光學(xué)傳感器來(lái)識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角度、轉(zhuǎn)速，以數(shù) 字顯示轉(zhuǎn)速及點(diǎn)火提前角度，為模擬及研究四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)提供 了可能性。 為了反映發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在各種瞬態(tài)負(fù)荷 改變時(shí)，除了由實(shí)車(chē)進(jìn)行測(cè)試外，汽車(chē)制造企業(yè)也利用電腦模擬仿真技術(shù)來(lái)評(píng) 估發(fā)動(dòng)機(jī)性能【1 3 】，f l ”。為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行電腦模型仿真，首先需要由發(fā)動(dòng)機(jī) 測(cè)功臺(tái)測(cè)定一系列穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的性能參數(shù)，繪制一些儲(chǔ)值表( l o o k - - u pt a b l e s ) 四! i 太堂亟土塋僮論文 的對(duì)應(yīng)m a p p i n g 圖( c o m p u t e rm a p p i n g ) ，以代表發(fā)動(dòng)機(jī)特性分布。這類(lèi)以電腦 模擬仿真技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的即時(shí)性能加以評(píng)估的方法，以美國(guó)通用公司 f r u e c h t e r 、c a s s i d y 及t e n n a n t 等人的研究結(jié)果為代表。在發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)估相 關(guān)文獻(xiàn)中，y u e n 等人廣泛研究了與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能評(píng)估相關(guān)的研究的進(jìn)展、已 經(jīng)建立的動(dòng)態(tài)性能評(píng)估模型及實(shí)驗(yàn)方法，提出了相關(guān)的改進(jìn)建議及方案。本文 也將這些方法作為動(dòng)態(tài)性能評(píng)估的基本框架。5 】，i “1 【1 7 1 電腦模擬仿真技術(shù)與實(shí)際的路試調(diào)校相比，可以更有針對(duì)性地測(cè)量調(diào)整穩(wěn) 態(tài)工作點(diǎn)的性能，并以此來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。但若發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)改變或參數(shù)調(diào)整時(shí)，需要 重新建立對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)照表。如果要個(gè)別逐一調(diào)整參數(shù)以建立其新的特 性，則會(huì)有許多實(shí)際困難。為深入分析比較發(fā)動(dòng)機(jī)的不同狀態(tài)及型號(hào)而不需增 加測(cè)量新的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)，就需要建立解析發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型( a n a l y t i ce n g i n e s i m u l t i o nm o d e l s ) 。這個(gè)模型可用來(lái)逐一分析單一發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響以克服 實(shí)際測(cè)量的困難，并且相當(dāng)準(zhǔn)確。解析發(fā)動(dòng)機(jī)模型的相關(guān)研究以d o b n e r 及 d e l o s h 等人為代表，雖然這些模型包括了進(jìn)氣道的填充過(guò)程( m a n i f o l df i l l i n g e f f e c t s ) ，但對(duì)于進(jìn)氣道及岐管中由于溫度及質(zhì)量改變所造成的油氣混合情況 變化、噴霧影響及發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣估計(jì)等卻仍舊無(wú)法分析比較1 1 8 ”9 l i 【2 0 l 。 為了解決這一問(wèn)題，n i s h i y a m a 等人詳細(xì)探討了當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)負(fù)荷變化時(shí)， 混合比隨諸如燃油傳輸延遲、噴油正時(shí)、噴油嘴靜態(tài)特性、空氣流量測(cè)量信號(hào) 延遲等相關(guān)因素的變化而變化的關(guān)系，并建立了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，為瞬態(tài) 負(fù)荷變化時(shí)混合比控制提供了對(duì)應(yīng)的策略，提高了控制準(zhǔn)確度。b a r u a h 則提出 了以變區(qū)燃燒模型( t w o z o n em o d e l ) 配合化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析排放廢氣成分中氮氧 化物及一氧化碳濃度的方案，透過(guò)非線性的進(jìn)排氣岐管氣流波動(dòng)特性分析四缸 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)的齒輪減速動(dòng)態(tài)，模擬車(chē)輛在不同的瞬態(tài)負(fù)荷變化時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī) 性能的變化。 1 3 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 發(fā)動(dòng)機(jī)是整車(chē)動(dòng)力的來(lái)源。在發(fā)動(dòng)機(jī)自身控制日趨完善的基礎(chǔ)上，已經(jīng)開(kāi) 始考慮將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)、駕駛者意圖等外部因素納入發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)當(dāng)中， 綜合協(xié)調(diào)以形成整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的大閉環(huán)控制m 1 。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)目前主要的發(fā) 展方向是： 6 1 、電子節(jié)氣門(mén)技術(shù)( e c t ) 電子控制節(jié)氣門(mén)( e t c ) 技術(shù)將傳統(tǒng)的加速踏板與節(jié)氣門(mén)之間的機(jī)械聯(lián)系斷 開(kāi)。e c u 通過(guò)綜合考慮輸入的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和油門(mén)踏板信號(hào)，對(duì)駕駛員的意圖進(jìn)行解 釋?zhuān)缓髮⒔Y(jié)果換算成節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器去控制節(jié)氣1 3 ， 從而實(shí)現(xiàn)e t c 對(duì)節(jié)氣門(mén)的控制。電子控制節(jié)氣門(mén)技術(shù)實(shí)際上實(shí)現(xiàn)的是發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù) 荷的閉環(huán)控制，可以在不犧牲動(dòng)力的前提下提高經(jīng)濟(jì)性和排放性能。 e t c 可實(shí)現(xiàn)的主要功能有：巡航控制、牽引力控制、協(xié)調(diào)換檔過(guò)程、稀薄 燃燒轉(zhuǎn)矩控制、防轉(zhuǎn)矩沖擊( a n t i j e r k i n g ) 2 、轉(zhuǎn)矩的綜合協(xié)調(diào)控制 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，對(duì)轉(zhuǎn)矩的需求來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部和外部的各個(gè)子系統(tǒng)。 內(nèi)部轉(zhuǎn)矩需求包括起動(dòng)過(guò)程，怠速控制，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制，催化器過(guò)熱保護(hù)等 方面；外部轉(zhuǎn)矩需求來(lái)自駕駛者的意圖，巡航控制，車(chē)速控制及操縱性等要求； 在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中，由于各個(gè)子系統(tǒng)之間的獨(dú)立性，當(dāng)同時(shí)提出內(nèi)部 及外部轉(zhuǎn)矩需求時(shí)可能產(chǎn)生沖突，針對(duì)這一問(wèn)題b o s c hm e 7 系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)矩綜 合協(xié)調(diào)控制策略。m e 7 系統(tǒng)根據(jù)各轉(zhuǎn)矩需求的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，同時(shí)還要考 慮不同狀態(tài)下對(duì)轉(zhuǎn)矩利用效率的要求，最終通過(guò)控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，噴油脈寬、 點(diǎn)火提前角等參數(shù)提供所需轉(zhuǎn)矩。 3 、與整車(chē)的協(xié)調(diào)控制 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被引入到汽車(chē)電子控制領(lǐng)域，原來(lái)獨(dú)立的各予系統(tǒng)， 如動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊( p c m ) 、自動(dòng)導(dǎo)航、安全氣囊、自動(dòng)懸架、四輪轉(zhuǎn)向等控 制模塊將通過(guò)專(zhuān)用的i 0 線或高速網(wǎng)絡(luò)( 如c a n 線) 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，從 而組成集多種控制功自e 于一身的車(chē)輛控制模塊( v e h i c l ec o n t r o lm o d u l e ) 。 該技術(shù)的應(yīng)用較有代表性的是摩托羅拉公司推出的基于c a n 總線( 控制器 局域網(wǎng)) 的l i n 總線連接方案。l i n 總線負(fù)責(zé)連接底層的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備并組成子 系統(tǒng)，如車(chē)門(mén)控制模塊等，并與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及變速箱控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)通 過(guò)c a n 主干網(wǎng)連接組成大范圍的整車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)。 4 、新控制理論的應(yīng)用 近幾年來(lái)，自適應(yīng)控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制啡l ，f 2 3 】| 2 ”、模糊控制 2 s l ，1 2 6 l 等人 工智能控制技術(shù)的研究越來(lái)越活躍，并開(kāi)始逐步應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制當(dāng)中。如利 用基于人工智能識(shí)別的前反饋控制技術(shù)進(jìn)行瞬態(tài)空燃比控制，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 7 四刖去堂女士堂焦論立 識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)等非線性系統(tǒng)的特性，在怠速控制中加入 模糊控制邏輯等。 在控制策略方面，基于模型的控制已逐步取代傳統(tǒng)的基于m a p 圖的控制方 式。這種控制技術(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)看作一個(gè)“黑箱”，根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出動(dòng)態(tài)地 建立系統(tǒng)的模型。由于發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，模型十分復(fù)雜，建模時(shí)采用 動(dòng)態(tài)識(shí)別的方法，即測(cè)試識(shí)別系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，然后將其換算成開(kāi)環(huán)傳遞 函數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。【”1 德國(guó)慕尼黑理工大學(xué)的u l r i c hl e n z 和d i e r ks c h r o e d e r 提出了用人工智 能技術(shù)進(jìn)行瞬態(tài)空燃比精確控制的方法。此方法首先采用動(dòng)態(tài)平均值模型對(duì)發(fā) 動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，模型中的三個(gè)典型狀態(tài)參數(shù)是：進(jìn)氣岐管壓力，進(jìn)氣道壁面殘 余的未揮發(fā)燃油量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在平均值模型的基礎(chǔ)上，利用人工智能技術(shù) 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)識(shí)別能力識(shí)別非線性系統(tǒng)的特性，包括識(shí)別進(jìn)氣通路的系統(tǒng) 特性，燃油自噴油嘴至氣缸通路的系統(tǒng)特性，以進(jìn)行前反饋控制，從而使瞬態(tài) 的空燃比得到精確的控制。英國(guó)諾丁漢大學(xué)的p j s h a y l e r 和g o o d m a n 等人也 提出了采用前反饋反向傳播( b p ) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別供油通路系統(tǒng)特性的方法，該網(wǎng) 絡(luò)包含3 層，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)合適的試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練后，可以補(bǔ)償壁面油膜效應(yīng)的 影響，精確控制進(jìn)入氣缸的燃油量。 基于模型的控制方法將系統(tǒng)工程的研究方法應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)，突破了基于m a p 圖查表控制方式的束縛，不但省去了大量標(biāo)定試驗(yàn)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，大大降 低了成本，還使得許多控制工程領(lǐng)域的成熟理論，先進(jìn)技術(shù)直接應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī) 控制，將使發(fā)動(dòng)機(jī)的控制提高到一個(gè)新的層次。 1 4 本文的主要研究?jī)?nèi)容 近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。進(jìn)行整車(chē)研發(fā)制造， 提高國(guó)產(chǎn)汽車(chē)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力是我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)的共同目標(biāo)。其中，對(duì)現(xiàn)代汽車(chē) 核心技術(shù)一發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)許多研究院所及車(chē)輛制造廠已經(jīng)均積極投入 開(kāi)發(fā)研究，并取得了一些可喜的成果。目前，對(duì)點(diǎn)火正時(shí)控制及傳感器正常條 件下的空燃比控制已經(jīng)有比較多的理論探討，但有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)具體的動(dòng)態(tài)模型的 8 ! 緒畜 一 研究以及利用這種模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火正時(shí)及故障模式進(jìn)行仿真模擬的研究等還 未見(jiàn)有文報(bào)道。本文將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究： 1 、以a t m e l 8 9 c 4 0 5 1 為核，心，設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中點(diǎn)火及噴油控制系統(tǒng) 的基本控制電路。 2 、在詳細(xì)分析節(jié)氣門(mén)動(dòng)態(tài)模型、進(jìn)氣岐管動(dòng)態(tài)模型及發(fā)動(dòng)機(jī)扭力與轉(zhuǎn)速動(dòng) 態(tài)模型的基礎(chǔ)上，以g e s p 軟件為核心建立發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型。 3 、通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)速及岐管壓力所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角，繪制相應(yīng) 的m a p 圖，利用這些數(shù)據(jù)仿真模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在不同點(diǎn)火角度時(shí)輸出功率的變化。 4 、提出傳感器失效后燃油修正的控制原理，并建立相應(yīng)的控制邏輯，繪制 m a p 圖，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)仿真模擬節(jié)氣門(mén)位置傳感器及壓力傳感器失效對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) 輸出扭力的影響。 9 2 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)及控制策略 2 。1 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng) 一個(gè)完善的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)需要針對(duì)復(fù)雜的外界環(huán)境和不同的駕駛條件， 采取不同的控制策略2 鍆來(lái)處理大量復(fù)雜的信息，但最終的目的，都是通過(guò)準(zhǔn)確 的點(diǎn)火正時(shí)和空燃比控制( 包含進(jìn)氣和燃油噴射控制) ，達(dá)到環(huán)保、節(jié)能和發(fā) 動(dòng)機(jī)性能的最佳配合。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制是通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 的，對(duì)于該計(jì)算機(jī)，不同的制造商賦予其不同名稱(chēng)。以下為常見(jiàn)的兩種名稱(chēng)： 動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊( p ) 發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊單元( e c m e c u ) 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的功能是按照發(fā)動(dòng)機(jī)的狀況和汽車(chē)工況決定最佳點(diǎn)火時(shí)間 和燃油噴射量。用于測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)工況的傳感器包括水溫傳感器、進(jìn)氣溫度傳感 器、曲軸位置傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、氧傳感器等。采用發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng) 的優(yōu)點(diǎn)是可以把相同空燃比的混合氣比較均勻地送到每一個(gè)汽缸。發(fā)動(dòng)機(jī)可以 在接近理論空燃比的混合氣下工作，這樣可以節(jié)省燃油且h c 及c 0 的排放顯著 減少。除此之外，采用發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的電控發(fā)動(dòng)機(jī)還有以下優(yōu)點(diǎn)：1 2 9 1 門(mén)0 】 1 、在進(jìn)氣系統(tǒng)中，只要合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣管道，就能充分利用吸入空氣的慣性 增壓作用，增大充氣量，提高輸出功率，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。 2 、在汽車(chē)加減速行駛的過(guò)渡運(yùn)轉(zhuǎn)階段，空燃比控制系統(tǒng)能迅速響應(yīng)，使汽 車(chē)加減速反應(yīng)靈敏。 3 、當(dāng)汽車(chē)在不同地區(qū)行駛時(shí)，對(duì)大氣壓力或外界環(huán)境溫度變化引起的空氣 密度變化可以進(jìn)行適量的空燃比修正。 4 、在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，可以用e c u 計(jì)算出起動(dòng)供油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)。 5 、能保證各種運(yùn)行工況下混合氣空燃比都保持在理論空燃比，且燃油霧化 好，各缸分配均勻，使燃燒效率提高，能有效降低排放，節(jié)省燃油。 6 、減速斷油功能，也能降低排放，節(jié)省燃油。減速時(shí)，節(jié)氣門(mén)關(guān)閉，發(fā)動(dòng) 機(jī)仍以高速運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入汽缸的空氣量減少，進(jìn)氣岐管內(nèi)的真空度增大。在化油 器系統(tǒng)中，粘附于進(jìn)氣岐管壁面的燃油會(huì)由于岐管內(nèi)真空度的驟升而蒸發(fā)進(jìn)入 汽缸。使混合氣濃度變濃，燃燒不完全，排氣中h c 的含量增加。而在電子控制 1 0 2 發(fā)動(dòng)扭管理丕統(tǒng)盈控制筻略 燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)中，當(dāng)節(jié)氣門(mén)關(guān)閉而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)預(yù)設(shè)值后，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系 統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷燃油噴射，從而使得排氣中h c 的含量減少，并降低燃油消耗。 一個(gè)完整發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)非常復(fù)雜，信號(hào)采集及指令的執(zhí)行涉及眾多的傳 感器和執(zhí)行器。圖2 1 和附表2 1 為2 0 0 4 款m o n d e o 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)涉及的部 件： 圖2 12 0 0 4 款m o n d e o 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng) 表2 12 0 0 4 款m o n d e o 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中各部分部件名稱(chēng) 代號(hào)名稱(chēng) 代號(hào)名稱(chēng) 1 溫度與歧管絕對(duì)壓力( t - m a p ) 傳感器 2節(jié)氣門(mén)位置( t p ) 傳感器 3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫( e c t ) 傳感器 4 曲軸位置( c k p ) 傳感器 5 凸輪軸位置( c m p ) 傳感器 6外界溫度( a a t ) 傳感器 7 上游與f 游熱氧傳感器( h 0 2 s ) 8 動(dòng)力轉(zhuǎn)向壓力( p s p ) 開(kāi)關(guān) 9 車(chē)速傳感器或輸出軸轉(zhuǎn)速( o s s ) 傳感器 1 0離合器踏板位置( c p p ) 開(kāi)關(guān) 1 1 發(fā)電機(jī)控制( 小幅充電) 系統(tǒng)1 2爆震傳感器( k s ) 四刖盔蘭砸堂僮垃室 表21 續(xù)表 代號(hào)名稱(chēng) 代號(hào) 名稱(chēng) 1 3 電源供應(yīng)繼電器1 4 畜電池 1 5自動(dòng)變速箱1 6 污染控制故障指示燈 1 7動(dòng)力傳輸控制模塊( p c m ) 1 8數(shù)據(jù)鏈接插頭( d l c ) 1 9燃油泵繼電器2 0油箱內(nèi)燃油泵 2 1 噴油嘴2 2被動(dòng)式防盜系統(tǒng)( p a t s ) l e d 燈 2 3 廢氣再循環(huán)( e g r ) 步進(jìn)馬達(dá)2 4怠速空氣控制( i a c ) 閥 2 5渦流翼板電磁閥2 6空調(diào)壓縮機(jī) 2 7發(fā)電機(jī)控制充電系統(tǒng) 2 8電子點(diǎn)火( e i ) 系統(tǒng)點(diǎn)火線圈 2 9電熱式節(jié)溫器 3 0活性碳罐凈化電磁閥 3 1車(chē)速或o s s 輸出信息 2 2發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的控制策略 為了適應(yīng)復(fù)雜的操作條件和汽車(chē)工況，根據(jù)各個(gè)傳感器的輸入信號(hào)，現(xiàn)代 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下將采取不同的控制策略。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)管理 系統(tǒng)的控制策略主要包括： 1 、發(fā)動(dòng)機(jī)基本控制策略 發(fā)動(dòng)機(jī)基本控制策略是汽車(chē)的常規(guī)運(yùn)行系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括動(dòng)力系統(tǒng)控制模 塊( p c m ) 正?？刂频乃袆?dòng)力系統(tǒng)功能。為了對(duì)非穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行補(bǔ)償，例如發(fā)動(dòng) 機(jī)過(guò)冷或過(guò)熱、或在高海拔地區(qū)使用，發(fā)動(dòng)機(jī)基本控制策略也要做相應(yīng)改變。 發(fā)動(dòng)機(jī)基本控制策略不同于故障模式策略( f m e m ) 和硬件受限控制策略( h l o s ) 。 2 、故障模式策略( 剛e m ) 故障模式策略( f m e m ) 是一種“缺省策略”。當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)輸入 傳感器或執(zhí)行器失效時(shí)，用f m e m 作動(dòng)力系統(tǒng)控制的替代策略。例如，如果發(fā)動(dòng)機(jī) 冷卻液傳感器導(dǎo)線折斷( 開(kāi)路) ，動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊發(fā)現(xiàn)后會(huì)根據(jù)進(jìn)氣溫度和發(fā) 動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度( e c t ) 設(shè)定一個(gè)替代值。靠e c t 準(zhǔn)確數(shù)據(jù)工 作的那些功能便以缺省模式運(yùn)行，例如，電動(dòng)風(fēng)扇將高速運(yùn)轉(zhuǎn)以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。因 1 2 2 發(fā)動(dòng)扭籃理亟統(tǒng)盈控制蓉略 此盡管傳感器或執(zhí)行器有故障，有了故障模式策略( f m e b l ) ，就能使汽車(chē)以安全 和可預(yù)測(cè)的方式繼續(xù)行駛。 3 、硬件受限控制策略( h l o s ) 硬件受限控制策略( h l o s ) 是在微處理器失效時(shí)使用。當(dāng)發(fā)動(dòng)楓管理系統(tǒng) 采用h l o s 模式時(shí)，只允許汽車(chē)進(jìn)行基本操作。發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)默認(rèn)為上止點(diǎn)前 ( b t d c ) 1 0 度，同時(shí)將不能通過(guò)調(diào)整供油來(lái)限制排放，并且燃油噴射時(shí)間的固定 可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴。在硬件受限控制策略( h l o s ) 模式下，自動(dòng)變速器 將只在一個(gè)檔位下運(yùn)行( 無(wú)自動(dòng)升檔或降檔) 。 另外，在冷天或者非常炎熱的天氣時(shí)可能無(wú)法起動(dòng)汽車(chē)。