基于模型的汽油机空燃比精确控制的研究

摘要

日益严格的排放法规对发动机电控系统提出更高要求，而空燃比是影响汽油发动机的动力性、经济性和排放性的关键因素。只有当发动机空燃比保持在化学当量比附近一个很小的区域内，三元催化器才能保持最佳转换效率，使发动机达到最优排放性能。 对于发动机稳态工况，为了消除氧传感器性能漂移对闭环空燃比控制精度的影响，本文提出了一种新型的自适应单边延迟双闭环PI控制策略，对空燃比漂移进行补偿，以获得更好的控制精度。论文首先对所采用的进气充量模型进行了详细的分析，然后定性分析了单边延迟效应对空燃比漂移的补偿作用，推导出延迟时间的计算公式，最后利用有限状态机实现自适应单边延迟双闭环PI控制器，达到了提高发动机稳态空燃比控制准确性和可靠性的目的。 对于发动机瞬态工况，为了消除汽油机油膜动态效应对空燃比控制精度的影响，首先在发动机进气动态模型的基础上提出了瞬态进气流量预测模型，确定了瞬态流量预测的计算公式和计算步骤；根据进气阀传热机理提出了进气阀温度估计模型及其参数的拟合办法；然后基于燃油动态模型的分析，提出一种新颖的长时/短时油膜组合补偿模型，并给出油膜模型的附着系数和衰减系数的辨识方法和优化策略，通过台架试验标定模型参数；最后提出了相应的瞬态油膜组合补偿策略。该策略采用油膜分配系数对长/短时油膜量进行分配；采用油膜附着系数和油膜衰减系数控制油膜补偿的作用时间。该方法可以对加减速时油膜变化进行快速准确的补偿，增强瞬态空燃比控制的准确性和响应性。 为了验证论文提出的控制模型和算法，采用飞思卡尔32位控制器设计了4缸发动机ECU硬件平台，并采用基于模型的先进开发方式，设计出功能完善的具有自主知识产权的电控系统软件。本文还进行了发动机台架试验，试验结果表明：所提出的自适应单边延迟双闭环PI控制策略可以有效修正稳态空燃比漂移，前氧传感器无论发生浓漂移还是稀漂移，控制器都能将稳态λ控制在0.99～1.01的理想范围内；而组合油膜补偿策略可以有效抑制瞬态空燃比偏移，瞬态空燃比最大误差小于5%，稳定时间小于1s。与传统汽油机电控系统相比，其控制稳定性、精度、和响应性均有明显改善，为汽油机排放控制的优化提供了一种有效的技术途径。

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