发动机控制方法与控制内容

发动机电控系统控制方法与控制内容1.2汽油发动机电子控制系统简介汽油发动机的电子控制系统包括电子控制系统单元(ECU)、传感器和执行器三部分。其典型的结构如图1-1所示。电子控制单元(ECU)是控制系统的核心，它根据传感器送来的信号，向各执行器发出指令，使执行器完成所需的动作，从而实现喷油、点火、怠速等各种控制。传感器是装在发动机各部位的信号转换装置，用来测量或监测反映发动机运行状态的各种物理量、电量、化学量等，并将它们转换成计算机所能接受的电信号后送给ECU。主要传感器有:进气压力传感器、进气温度传感器、冷却水温度传感器、曲轴位置传感器、凸轮位置传感器、节气门位置传感器、氧传感器等。执行器则是根据ECU发出的控制命令来完成各种相应动作。主要执行器有:电磁喷油器、点火器等、电动汽油泵、怠速步进电机等。电子控制系统按照不同的方法可分为不同的类型[1,3].1}按喷油器的数量可分为:①单点喷射，即几个气缸共用一个喷油器，因喷油器装在节气门体上，因而又称节气门体喷射，也称中央喷射;②多点喷射，每个气缸有一个喷油器，安置在进气门附近。2)按喷油位置分:①喷在节气门上方，用于单点喷射系统;②喷在进气门前，喷油器装在进气管上，只用于多点喷射系统;③缸内喷射，在压缩行程开始前或刚开始时将汽油喷入气缸内，用于稀薄燃烧的汽油机。3)按进气量检测方法分:①速度密度法，通过测量进气歧管内的压力和温度，计算每循环吸入的空气量，此方法精度稍差，但成本低;②质量流量法，用空气流量计直接测量单位时间内吸入进气歧管的空气量，再根据转速算出每循环吸气量，此方法精度高，但成本也高。两种方法各有优点，故都有广泛的应用。4)按控制方式分:①开环控制;②闭环控制。两者的差别是闭环控制系统需根据输出结果对控制系统进行调整。主要体现在空燃比和怠速转速的控制。目前，应用中较多的是多点顺序喷射的闭环控制系统，图1-1所示的就是这样一个控制系统，不过它对进气量的检测采用的是质量流量法。在普通的中低档车中对进气量的检测多是采用速度密度法，本文后面的研究也主要是利用这种方法进行，并且通过一些方法同样可以实现空燃比的精确控制2.1空燃比的控制方式与要求空燃比控制是电控系统中的核心控制之一，它直接影响发动机动力性、经济性和排放性能。所以要提高发动机的综合性能，就要对空燃比进行精确控制.2.1.1空燃比的控制方式ECU对于空燃比的控制是主要通过燃油喷射量的控制来实现的。燃油喷射量的多少取决于ECU输出的喷油脉宽，在ECU中对于喷油脉宽的控制主要采用两种方式:开环控制和闭环控制。开环控制中，预先通过标定试验确定发动机在各个工况点喷油量的值，然后将这些值以数据表的形式存储在EPROM中(即通常说的MAP图)，实际运行时，根据工况查表插值确定控制量的具体数值。这种控制方式具有方法简单、响应速度快的优点，但由于这是一种预定模式控制，其控制精度完全依赖于控制MAP值的测量精度，无法对偏差、扰动等外界干扰因素进行补偿修正，随着电控技术的深入发展，单纯依靠开环控制己无法满足空燃比控制精度的严格要求，因而出现了空燃比的闭环控制。闭环控制由开环控制加闭环反馈控制环节组成，在闭环控制方式中，ECU并不只是计算喷油脉宽，而且还要记录当前的喷油脉宽，然后从排气氧传感器EGO信号检查这一脉宽形成的空燃比，并与目标空燃比进行比较，来决定下一次的喷油脉宽。闭环控制比开环控制更精确，是因为闭环控制可以补偿燃油喷射系统的各种误差，这些误差可能包括对空气质量测量的误差、喷油压力误差、喷油器的流量误差等，也就是说闭环控制可以克服各台发动机之间的差别。空燃比闭环控制可以获得比开环控制更高的控制精度，但是并不是所有的工况下都可以采用闭环控制，这是因为在空燃比闭环控制系统中采用排气氧传感器来检测混合气的空燃比值，排气氧传感器信号只有在空燃比为理论空燃比时才会产生跃变，ECU就是根据这一信号来实现对空燃比的闭环控制，并逐渐将空燃比调整到理论空燃比。所以只有那些采用理论空燃比混合气的工况下才能采用空燃比的闭环控制，而实际运行的时候，有些工况是不能采用理论空燃比混合气的，例如，冷起动以及冷却水温度较低时，需要较浓的混合气来维持发动机的稳定运行;节气门开度很大的时候又需要较浓的混合气以保证最大转矩。所以在产品化的ECU控制策略中既包括了空燃比的闭环控制又包括了空燃比的开环控制。2.1.2空燃比的控制要求对汽油发动机而言，从理论上讲，空燃比在14.6时，燃油可以完全燃烧，此时发动机具有较好的经济性和排放性。但当发动机其它条件不变时，随着空燃比的变化，其功率和燃油消耗率会发生较大变化。因此考虑到发动机的综合性能，在不同的工作状况下对空燃比就有不同的要求。例如，起动暖机工况下，为了保证较好的起动性能需要较浓的混合气;稳态部分负荷时，为保证较好的经济性和排放性需要保证混合气在理论空燃比附近;大负荷工况时，为保证较好的动力性也需要较浓的混合气等。所以空燃比控制策略要求:能够根据发动机转速和节气门的位置信号及时判断所处的工况，并随工况和环境的变化提供可变的满足该工况要求的空燃比。空燃比的控制是通过控制喷油量实现的，而喷油量的大小取决于对发动机进气量的准确测量。空气流量的精确性直接决定了空燃比是否精确。空气流量计安装在节气门处的，所测的空气流量与进气门处空气流量有一定的差别;流量计本身有反应延迟和测量噪声;由于进气管内的填充和压力波动而引起“滞后”或流量变化。所以空燃比控制要求:能够随着发动机工况或环境条件的变化，精确计算空气流量。发动机运行过程中，突然加速和突然减速的工况出现频繁，这时由于节气门的突然增大或减小使得进气管内的压力变化较大，燃油和油膜的蒸发平衡被破坏，造成实际进入气缸的燃油量与喷射的燃油量不相等。所以空燃比控制要求:考虑对油膜变化的动态补偿。发动机运行工况和外界环境的瞬变性使得发动机控制系统必须要具有很强的实时性。而控制系统一般都是由单片机为基础的通用芯片或者专用芯片组成的，为了保证这样一个瞬变控制系统的实时响应性，对控制策略的要求:不能有太复杂的计算，以免影响实时工作性能。另外，发动机在使用过程中会有各种磨损，这些磨损随着时间的推移台积累起来，进而导致发动机结构参数的变化。为了使得发动机在整个生命周期中都能够保持一定的控制精度，具有较好的使用性能，发动机控制系统应该具有自学习能力，能够自行的进行控制参数的调整。以上既是精确控制空燃比的要求也是难点问题，或者说是要进行空燃比精确控制所必需的努力方向。2.2空燃比的控制策略空燃比的控制包含开环控制和闭环控制两种方式，并且在不同的工作模式下采用不同的控制策略。具体来讲本文中将发动机运行工况分为如下几种工作模式:起动及暖机模式、热机怠速模式、瞬态工况(加、减速工况)模式、部分负荷稳定工况模式以及大负荷稳定工况模式。2.2.1起动及暖机工况空燃比的控制发动机的起动及暖机过程依转速的变化可以分为:起动拖转期、起动期和暖机期。一般起动时发动机的温度较低，特别是在冬天，发动机进行冷起动，为了提高有效空燃比，必须加大喷油脉宽，以实现顺利起动，否则将出现起动困难、熄火、抖动等现象。一旦起动，经过短暂的起动期后发动机进入暖机期。当发动机起动时，ECU检测到曲轴传感器脉冲信号，则起动拖转期开始，随着发动机点火燃烧，发动机转速增加，当转速大于400rpm拖转期结束。在起动拖转期发动机转速很低，加上节气门一般全关，气缸吸入的空气量很少，空气流量计的读数不可靠，此时一般并不是根据空气流量去计算喷油量，而是根据冷却水温，给定一个固定喷油脉宽值。此时空燃比大致为A/F=S}lOa当起动拖转期结束，发动机进入短暂的起动期。在起动期发动机转速低并且仍然不稳定，因此仍不能根据进气量计算喷油量，而是以拖转期的喷油脉宽作为初始值，在一定时间内逐渐降低脉宽。在设定的时间结束后，转速基本稳定下来并达到了怠速转速以上，此时如果冷却水温还比较低，则进入了怠速暖机期。怠速暖机期已经可以根据进气量计算喷油量，为快速暖机一般仍采用暖机加浓因子加浓混合气。为了使发动机有较好的排放和节约燃油，采用加浓因子MAP，即根据进气压力和转速查加浓因子MAP来控制加浓。这样可以进行精确控制，避免不必要的加浓。如果是热起动，特别是发动机正常运转，停机后又马上起动时，此时发动机的温度已经比较高，就不再需要暖机，可以直接进入怠速或稳态工况，通过查喷油MAP决定喷油量。另外，如果起动时间过长或多次起动失败，就可能造成溢油现象，即燃油过量，发动机将无法启动。此时可将节气门开至最大，ECU根据节气门开度最大信号和转速低于限值(如小于400rpm)，判断发动机要清除溢油，这时ECU减少喷油或不喷油，借助较大的空气流量，可尽快清除溢油。根据以上的讨论，在起动和暖机工况，空燃比的控制策略如下:(1)起动时，根据TP(节气门位置传感器)全关触点和发动机转速信号(小于400rpm)判定发动机处于起动拖转期。此时的喷油脉宽设定为一个固定值，具体取值可以根据ECT(冷却水温传感器)信号并结合冷却水温度一喷油脉宽函数曲线得到。(2)起动拖转期在转速大于400rpm后结束，进入短暂的起动期，起动期的喷油脉宽以起动拖转期的数值作为初始值，调用内存中的时间函数，在时间函数规定的时间内，逐步降低喷油脉宽。具体可参看文献「3]中的图6-1(3)在时间函数规定的时间之后，进入怠速暖机期，查喷油MAP控制喷油量，并通过查暖机加浓因子MAP加浓混合气。如果是热起动，则没有暖机期，可直接进入正常怠速或稳态工况。2.2.2稳态部分负荷下空燃比控制图2-1是传统汽油机所要求的空燃比[[40]。在怠速时为了获得平稳的怠速，并同时准备适应突发的加速，采用了浓混合气。AB段为由怠速向稳态过渡，为了混合气由较浓变为较稀。在稳态中等负荷时，主要考虑经济性采用较稀的混合气，即经济混合气，见图中的BC段。当节气门开度超过80%时，发动机进入大负荷阶段，这时主要考虑其动力性，采用较浓的混和气，见图的CD段。以上是传统的汽油机对空燃比的控制要求，但是，自从20世纪80年代中期以后，随着环境保护问题的日益突出，各国法定的排放限额几度降低，不得不越来越多地采用三效催化转化器，而这就相应地要求在宽广的部分负荷工况下采用空燃比闭环反馈制，把空燃比严格限制在理论空燃比附近一个很狭窄的范围内以确保三效催化转化器的高效转化，达到降低排放的目的。当废气通过三元催化转化器时，废气中的CO}HC被氧化成CO:和H20}NOx被还原成N:和OZ，这样就达到了净化废气的目的。然而各种催化剂的净化效率却与混合气的空燃比有关[[3)，如图2-2所示。只有在混合气空燃比为理论空燃比时，有害气体CO}HC}NOx才同时具有较高的净化效率。也就是说，只有当发动机燃用理论空燃比的混合气时，三元催化转化器净化废气的作用才能发挥最充分。因此发动机在部分负荷稳定运行的时候，采用闭环控制使有效空燃比维持在理论空燃比附近很窄的范围内，这样可以使三元催化剂保持较高的转化效率，达到降低排放的要求。这种闭环控制系统由开环控制环节加上氧传感器闭环修正环节组成。对于开环控制部分，是根据进气管压力和转速信号，通过查喷油MAP图从而确定基本喷油量。喷油MAP一般是在样机上进行大量的标定试验获得，根据标定试验的结果形成典型工况下的基本喷油量数据表格，即喷油MAP图，发动机实际运行时查表插值得到基本喷油量。本文中也是采用标定试验的方法来获得基本喷油量数据，不过本文的标定试验是在所建立的发动机模型上进行的。虽然有别于在实际台架的标定实验，但标定的方法和步骤以及对数据的处理是相似的。对于闭环修正环节是将氧传感器的开关信号转化为对开环输出基本喷油量的修正量。这个转化过程即是控制算法的实现过程，对可以采用的控制算法有很多，目前比较新的主要有自适应控制、滑模控制、模糊控制和神经网络控制等，但是这些方法大都不很成熟且运算复杂，并且由于对喷油量修正所要求的速度比较高，所以实际电控系统中采用最多的还是传统的PID控制。再者，稳态工况下各状态变量的变化很小，采用传统的PID控制基本上可