汽油发动机电子控制燃油喷射系统试验研究

河北工业大学硕士学位论文汽油发动机电子控制燃油喷射系统试验研究姓名：霍志毅申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：石维佳20071001河北工业大学高校教师申请硕士学位论文i汽油发动机电子控制燃油喷射系统试验研究摘要为了环保和节能目的的需要，我国生产的轿车发动机全部采用电子控制燃油喷射技术。但是至今，国内仍然没有电子控制燃油喷射技术的自主知识产权，发动机装配的电控燃油喷射系统由国外引进。在我国汽车工业高速发展的今天，研发具有自主知识产权的电控燃油喷射系统迫在眉睫。本文对汽油发动机电控燃油喷射系统进行了分析，对电子控制单元(ECU)、传感器和执行器的组成结构及其工作原理进行了细致的研究，其中包括电子控制燃油喷射系统的控制原理及其控制策略的探讨，分析了实时工况时燃油喷射最佳空燃比的控制要求，喷油和点火定时信号的生成原理，不同工况下的点火提前角的控制要求等。为开发发动机电子控制单元，试验并提供了电子控制单元控制算法的必需数据。对电子控制燃油喷射系统的研究主要分为两部分：电子控制单元模拟仿真方案的设计和电子控制系统仿真方案设计与实现。电子控制单元硬件模拟仿真方案的设计，是通过信号发生器模拟传感器输入、输出电路，由计算机实时采集电子控制单元输出数据，组成一个模拟真实发动机的电子控制燃油喷射系统硬件环境。电子控制系统仿真方案设计是在Matlab/Simulink的软件环境下，利用SimulinkLibrary提供的模块和控制工具箱，根据电子控制燃油喷射系统的控制规律研究所需的控制逻辑和控制算法，对电子控制燃油喷射系统进行控制系统仿真建模。最后通过电子控制单元硬件模拟仿真环境和燃油喷射控制系统模型进行仿真试验，修改各种系统参数以及控制逻辑和控制算法，获取仿真结果。本文对电子控制燃油喷射系统的模拟仿真研究可以为将来自主研发电子控制燃油喷射系统提供一些必要的基础数据和方法。关键词：电子控制单元，汽油发动机，燃油喷射，试验研究汽油发动机电子控制燃油喷射系统试验研究iiTESTANDRESEARCHOFGASOLINEENGINEELECTRONICCONTROLFUELINJECTIONSYSTEMABSTRACTAlmostalloftheautoenginesofthecarsmadeinourcountryhaveadoptedtheelectronicfuelinjection(EFI)technologyfortheneedofenvironmentprotectionandenergysaving.Butwedon’thavetheintellectualpropertyrightabouttheEFIsystemtillnow,sotheEFIsystemoftheenginesdependonimporting.ItisofgreaturgencytoresearchanddevelopourownEFIsystemforthehighspeeddevelopmentofourautoindustrytoday.ThepaperhasdiscusseditscurrentdevelopmentsituationoftheEFIsystem,italsohascarriedoutrelevantcarefulresearchandanalyzedtothecompositionstructureandtheoperationprincipleoftheECUandthesensorsincludingthecontrolprincipleandcontrolstrategyabouttheEFIsystem.Ithasanalyzedthecontroldemandsofthereal-timeoperatingstatusunderthebestburningrateofatmospheretofuel,thetheoryofinjectingfuel,ignitiontimingandtheignitionaheadangeldemandofvariousoperationstatusoftheautoengine.InordertodeveloptheECUoftheengine,experimentsareconductedtoprovidetheneededdataofthecontrollingalgorithmoftheECU.ThispaperhascarriedoutthesimulationstudyoftheEFIsystemmainlydividingintotwoparts,onepartisthedesignoftheECUhardwaresimulativeformer,theotherpartisthecontrolalgorithmicdesignofEFIsystem.ThedesignoftheECUhardwaresimulativeformerissimulatingarealhardwareoperationconditionfortheEFIsystemoftheengine.Itsimulatestheinput/outputcircuitsoftheECUsensorsbyusingsignalgeneratorandcollectstheoutputdataoftheECUthroughaPCrealtime.OnthebasisofthecorrespondingcontrollogicandcontrolalgorithmsofEFIsystem,thecontrolalgorithmicdesignofEFIsystemistobuiltupthesimulativecontrolmodeloftheEFIsystemunderthesimulationenvironmentofMatlab/SimulinkbyutilizingthemoduleandthecontroltoolboxofferedbySimulinkLibrary.FinallybyconductingtheexperimentswithconnectingtheECUsimulativehardwareformertothecontrolmodeloftheEFIsystem,weobtainthesimulationresultbyamendingtheparameters,thecontrollogicandthecontrolalgorithmson-line.ItcanprovidenecessarydataandmethodsforresearchinganddevelopingEFIsystemindependentlyinthefuturebystudyingthesimulationoftheEFIsystem.KEYWORDS:Theelectroniccontrolunit,Gasolineengine,Fuelinjection,Testandresearch河北工业大学高校教师申请硕士学位论文1第一章绪论§1-1电子控制燃油喷射系统的发展现状电子控制燃油喷射系统（Electronicfuelinjection简称EFI），是以电子控制单元（ECU）为核心，利用安装在发动机不同位置上的传感器，测得发动机的各种工作参数，按照控制程序，通过控制电动喷油器，精确控制喷油量，使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气[1]。电子控制燃油喷射系统最早是由Bnedix公司在1957年研制出来的。1965年7月美国加州开始执行汽车污染物排放法规，为此Bosch公司在1967年研制出速度-密度式（EFI-D）的电控喷射系统，接着在1972年又研制出质量-流量式（EFI-L）的电控喷射系统。从70年代以来，电子控制燃油喷射技术伴随排放法规的强化和电子技术的发展而发展，氧传感器和三元催化器实现了对空燃比的精确控制，出现了独立喷射方式的稀燃系统，控制实现微机化等[2]。在80年代初，研制出单点喷射系统SPI（SinglePointInjection），如Ford公司的中央燃油单点喷射装置CFI（CentralFuelInjection）、通用公司的节气门体喷射系统TBI（ThrottleBodyInjection）等。80年代末，对喷油器进行了大量的研究工作，包括防积炭、热燃料输送、计量准确性、喷雾形状和雾化性等方面，使喷油器的性能得到不断的改善。90年代后，国外进一步加强了对电喷系统的研究，性能明显提高，功能也日趋完善。到目前为止，电控系统不仅能够控制所有的喷油参数（喷油量、喷油正时、喷射压力、喷油率），而且对怠速稳定性、起动性、增压、EGR、各缸喷油量不均衡性等也可实施控制[3]。§1-2研究的目的和意义随着计算机和电子技术的发展，汽车工业和汽车技术取得了长足进步。采用电子技术己经成为解决汽车质量与性能诸多问题中的最佳方案。在我国，随着汽车保有量的大幅度增加，汽车尾气造成的环境污染已十分严重，因此国家指定了越来越严格的汽车排放法规限制汽车尾气污染。我国汽车产品排放控制的总体目标是：2002年达到欧洲90年代初控制水平，2010年实现与国际控制水平同步[4]。汽车行业排放的工作方针是：汽车产品的排放控制将对所有车型的所有污染物进行控制；推广汽车电子控制燃油喷射技术。在节能和环保的不断严格要求下，我国电控喷射技术在发动机上的应用步伐将大大加快，目前我国新生产的轿车全部采用电控喷射技术，电控喷射技术的应用范围将逐步由轿车扩大到轻型客车、卡车等车型，环保汽车将成为我国汽车工业发展要求。现在，汽车行业的竞争越来越激烈，提高国产发动机竞争力，使其在未来的市场中占有一席之地，必须使产品的技术、质量和成本接近或达到国际先进水平，而实现上述目标的有效途径是在国产发动机上使用国产电控喷射系统。虽然我国各汽车厂生产的轿车发动机都采用了电控燃油喷射技术，但还没有一家拥有电喷发动机自主知识产权，均属于引进国外电喷发动机主产线或引进国外电喷系统，由外商直接供给ECU系统。汽油发动机电子控制燃油喷射系统试验研究我国对发动机燃油喷射系统的研究是从80年代初期才开始的。长春汽车研究所、清华大学、上海交大、浙江大学、北京理工大学、北方交大等高校及科研院所，对燃油电喷系统都作了不少的工作。此外，还研究了电喷发动机台架实验的标定系统、电喷发动机工况实时模拟系统、ECU控制辅助设计系统。上述研究取得了不少成果，但总体上仍处于国外初中期水平，在控制方法上都采用常规的稳态工况控制方法。综上所述，我国汽车电喷技术要达到国际先进水平还有一个漫长的过程，需要国家加大投入，集中一批既懂内燃机又懂自动控制的人员，从多角度对发动机进行综合研究，才能开发出达到国际先进水平的具有自主知识产权的电子控制燃油喷射系统。本文对汽车电子控制燃油喷射系统进行了一定的研究，在获得必要的感性认识和基本工作原理的基础上，对电子控制燃油喷射系统进行模拟环境仿真和控制系统建模，获取仿真结果，为将来开发我们国家自己的电子控制燃油喷射系统打下一定的基础。§1-3主要研究工作通过对国内外的电子控制燃油喷射系统研究发展相关资料的查阅和学习，对国外电子控制燃油喷射系统的研究现状及动态进行认真分析，以及对电子控制燃油喷射系统的组成和原理深入了解，我主要的工作是设计ECU硬件模拟仿真环境，并用Matlab/Simulink仿真软件开发环境构造出电子控制燃油喷射控制系统仿真模型，通过接口连接ECU硬件模拟仿真环境，在PC机中把控制系统仿真模型转化为C代码，经编译连接生成可执行文件，进行实时电子控制燃油喷射系统模拟仿真。本文所研究的主要内容是电子控制燃油喷射仿真系统，该系统主要由三大部分组成（如图1.1所示）：ECU模拟环境部分、高性能PC机部分（即软件部分）以及接口部分。2用的逻辑、算法，确定各种控制参数，即在PC机中以可执行文件运行仿真控制模型。FECU模拟环境