節(jié)氣門處的空氣質量流量

1、節(jié)氣門處的空氣質量流量節(jié)氣門處的平均空氣質量流率可描述為理想噴嘴處的可壓縮氣體方程（方程（47）（49）54,55,56。 （47） （48） （49）式中：代表絕熱指數；pa為環(huán)境壓力（Pa）；Ta為環(huán)境溫度（K）；為節(jié)氣門處的平均空氣質量流率（kg/s）；為節(jié)氣門處的有效流通截面積（m2）。節(jié)氣門處的有效截面積決定于節(jié)氣門角度，本文用四次多項來近似二者之間的關系，公式中的系數項通常由測試臺架上的試驗數據確定。 （410）其中：為節(jié)氣門開度（%）。進入缸內的平均空氣質量流率進入缸內的空氣體積明顯依賴于歧管的熱力學參數（pm、Tm、Rm）、發(fā)動機轉速n、氣缸排量和充量效率。進入發(fā)動機的氣體流量

2、可以由速度密度方程表示，方程（411）和（412）顯示了這一關系。 （411）其中：為進入缸內的平均空氣質量流率（kg/s）；n為發(fā)動機轉速（r/min）；Vcyl為發(fā)動機的單缸工作容積（m3）；為發(fā)動機的充量系數。充量系數是發(fā)動機轉速和進氣歧管內氣體壓力的函數。實際上影響發(fā)動機充量系數的因素很多，其中包括：轉速、配氣定時、負荷、空燃比、進氣溫度、殘余廢氣系數以及氣門重疊角、排氣壓力、排氣背壓、EGR、曲軸箱通風、進氣管與進氣門設計等諸多因素。在發(fā)動機正常使用狀態(tài)下充量系數主要是受發(fā)動機的轉速和負荷（對于汽油機而言，一般用進氣歧管內氣體壓力pm表示）的影響。許多文獻介紹了充量系數的瞬態(tài)函數表達

3、式，Servati和Delosh57,58等對多種發(fā)動機的充量系數進行了研究，得到發(fā)動機的充量系數與轉速n和進氣歧管絕對壓力之間的回歸關系可以用式412表示。 （412）由上式可見對于任意給定的轉速n，充量系數與歧管絕對壓力成正比；對于給定的歧管絕對壓力，充量系數依賴于轉速的平方?？梢姵淞肯禂蹬c轉速和壓力的關系互相不耦合，所以充量系數可以簡化為關于轉速的二次曲線和絕對壓力常梯度的和。應用穩(wěn)態(tài)工況中的實驗數據用最小二乘法即可得到式412中的系數。發(fā)動機輸出轉矩發(fā)動機燃料燃燒產生的轉矩由下式得到： （413）其中：CT發(fā)動機常數；空燃比對發(fā)動機轉矩的影響；點火角對發(fā)動機轉矩的影響；充氣的過量空氣系

4、數。發(fā)動機實際輸出轉矩可以由下式計算得到： （414）其中，發(fā)動機進排氣過程需求的轉矩（Nm）；發(fā)動機的摩擦阻力矩（Nm）。以上二者可以通過測量發(fā)動機的機械損失功率得到。發(fā)動機的加速度 （415）其中：發(fā)動機加速度（rad/s2）；發(fā)動機轉動慣量（kgm2）；驅動系作用在發(fā)動機上的阻力矩（Nm）。4.2缸內氣體流量的實時估計基于狀態(tài)觀測器的進氣量測量的基本原理若實現發(fā)動機進氣量的準確測量存在著三個方面的技術難題59,60,61：1） 空氣測量裝置的響應滯后；2） 進氣歧管內氣流的充排效應引起的發(fā)動機過渡過程進氣量的測量誤差；3） 燃油噴射位置和空氣測量傳感器的位置不在同一個位置引起的測量誤差。

5、針對以上問題有多種處理方法，為了比較準確地實時測量進氣量的真實值，本文開發(fā)基于狀態(tài)觀測器的進氣量測量的方法。圖4-2 空氣流量預測器工作原理圖如圖4-2所示，空氣流量預測器通過可測量的節(jié)氣門開度、發(fā)動機轉速n、進氣溫度Ta和進氣壓力傳感器的值Psensor來估計發(fā)動機進氣歧管內的絕對壓力，再由速度密度法估計進氣量，計算基本噴油脈寬BPW。要得到準確的進氣量，就應該進行準確的測量，但是由前面的分析可知，對進氣量進行測量的傳感器都存在各種誤差。本文應用Kalman濾波技術來對進氣量進行預測和估計。此處Kalman濾波過程是：每隔一個濾波周期，通過壓力傳感器得到測量壓力，同時經過狀態(tài)轉移得到預測壓力

6、，在量測壓力和預測壓力之間根據增益進行折衷，從而得到最佳估計壓力，依此不斷循環(huán)下去。推廣的Kalman濾波模型的建立當脈動頻譜隨發(fā)動機轉速而變時，如果采樣以等間距曲軸轉角并在兩次采樣期間產生定常的曲軸轉角增量時，可假定進氣管充排效應波動的頻率是常數。因此模型必須被變換到曲軸轉角域。方程（416）描述了由以秒觀測的時域變換到以度觀測的曲軸轉角域的變換定律。該變換假定兩次采樣期間沒有轉速變動。 （416）在本文的系統(tǒng)中，為達到較好的控制精度，采用了非線性離散系統(tǒng)，即狀態(tài)方程是非線性連續(xù)方程，觀測方程是離散型的。本文沒有采用Luenberger觀測器或傳統(tǒng)的受限于線性系統(tǒng)的Kalman濾波器，而是使

7、用推廣的Kalman濾波來估計非線性系統(tǒng)的狀態(tài)和參數62。為設計一個EKF，需要一個用狀態(tài)空間描述的非線性系統(tǒng)和觀測模型。狀態(tài)方程為： （417） （418）式中：、狀態(tài)矢量和控制矢量；過程噪聲分布矩陣，是隨機控制矩陣，它將驅動噪聲分量分布在狀態(tài)上；Q(t)過程噪聲協方差矩陣；為過程噪聲。在本文的EKF系統(tǒng)的狀態(tài)方程中假定3個狀態(tài)量：歧管壓力pm、節(jié)氣門有效流通截面積和有效流通截面積變化率；兩個量測量：歧管壓力pm和節(jié)氣門角度；控制輸入包括：發(fā)動機轉速n和環(huán)境溫度Ta。 （419） （420）方程（421）（423）代表Kalman濾波器的系統(tǒng)方程。方程（421）包括帶有驅動噪聲wp的歧管壓力微分方程。在主要過程中，假定包含時間相關的噪聲，這在事先是未知的，因此狀態(tài)被模擬為一階Markovian噪聲過程。 （421） （422） （423）其中：節(jié)氣門位置信號采樣周期。在節(jié)氣門處希望的空氣質量流率可由方程（421）的第一部分計算。 （424）狀態(tài)方程的矩陣形式可以寫成： （425）觀測方程為： （426） （427）式中：觀測矢量；H為觀測矩陣；R(t)量測噪聲協方差矩陣；為觀測噪聲。狀態(tài)觀測向量包括：進氣壓力的測量值Psensor、節(jié)氣門角度。 （428）考慮到進氣管內壓力的波動，取進氣管內壓力的平均值作為Pm的采樣值，即： （429）由于