基于模型的点燃式发动机空燃比控制技术研究

摘要

随着汽车保有量和产销量的持续增长，世界各国制定了日益严格的排放法规限制机动车尾气的排放。现阶段车用点燃式（Spark Ignition，SI）发动机的排放控制采用的是电控燃油喷射与三元催化转化器（Three Way Catalytic Converter， TWC）结合的技术路线，实施的核心方法就是将发动机空燃比控制在燃料理论当量比附近很小的范围内，保证TWC能够以较高的转化效率同时净化尾气中的CO、HC和NOx。精确的空燃比控制方法是限制发动机尾气排放的实现基础，同时也是生物燃料应用和稀薄燃烧等技术发展方向的技术需求，相关的研究工作具有现实的科研意义和应用价值。 然而，目前车用SI发动机的空燃比控制方法依赖于开发阶段大量的标定试验和先验知识，控制效果还不够理想且不具有应对实际应用中参数特性发生变化的自适应机制。SI发动机作为一种典型的非线性、时变、时滞、参数不确定的复杂被控对象，尚存在传统理论无法解决的一系列空燃比控制难点，需要在分析其数学模型的基础上，利用现代控制理论的方法研究空燃比的控制问题。同时，实现空燃比控制的发动机ECU（Electronic Control Unit）控制器技术被国外技术垄断，有待进一步提高自主研发的能力并积累开发经验。为此，本文针对控制对象、控制方法和控制器实现三个层面开展了基于模型的空燃比控制技术研究，主要包括以下内容： （1）通过空燃比对发动机性能影响的理论分析和试验研究提出了统一的控制目标。结合SI发动机的工作过程，分析了空燃比对SI发动机动力性、经济性、排放性和TWC转化效率的影响及原因；结合生物燃料的发展方向，开展了乙醇、丁醇、ABE（Acetone-butanol-ethanol，丙酮丁醇乙醇）等清洁生物燃料与汽油混掺的燃烧试验，分析了生物燃料应用对SI发动机性能的影响。在分析燃料改变后空燃比控制的异同点后，提出了统一的SI发动机空燃比控制目标和关键实施步骤。 （2）构建了面向空燃比控制的SI发动机平均值模型与虚拟仿真平台。在由进气道动态模型、燃油蒸发模型和动力输出模型组成的平均值模型基础上，增加对空燃比动态过程的数学描述，为研究空燃比控制方法提供理论依据。应用enDYNA模型作为虚拟发动机控制对象并且进行了改进，增加对油膜蒸发过程、空燃比传输特性、参数不确定性扰动等空燃比动态特性的模型描述，搭建了面向空燃比控制的虚拟仿真平台，为空燃比控制策略的验证与测试提供仿真与应用环境。 （3）提出了基于平均值模型的空燃比控制策略。结合SI发动机的实际运行工况和对空燃比控制的需求，设计了瞬态工况下的前馈开环补偿策略和稳态工况下的前馈反馈闭环控制策略。设计了基于平均值模型的卡尔曼状态观测器，实现对进气压力和不可测气缸进气量的最优估计；设计了针对油膜蒸发效应的动态补偿器，实现了对喷油量的前馈补偿；设计了基于宽带氧传感器的自校正控制器，实现对空燃比输出偏差的闭环反馈控制。仿真与试验验证的结果表明，所提出的控制方法具有良好的控制效果和控制精度。 （4）提出了基于多步预测自校正理论的空燃比自适应反馈控制方法。针对SI发动机空燃比控制过程中存在的未建模误差、噪声以及模型参数未知、时变、时滞、不确定性引起的控制难点，在构建空燃比动态CARIMA（ Controlled Auto-regressive Integrated Moving Average）模型的基础上，利用多步预测自校正理论设计了空燃比反馈控制器，实现了对动态过程的在线预测自适应控制，能及时地校正因模型参数变化、测量噪声、扰动等造成的空燃比输出偏差。设计了系统参数选择、噪声抑制、参数时变以及enDYNA联合仿真四个方面的仿真试验，结果表明本文提出的空燃比反馈控制方法具有良好的干扰抑制能力和较理想的空燃比控制效果，自适应性和鲁棒性好。 （5）实现了基于模型的发动机电控平台设计方法。采用V字形开发流程完成了ECU的硬件开发和层次化软件设计，进行了应用层控制逻辑的建模与仿真，利用脚本文件实现了控制器软件集成过程的自动代码生成与一键式编译下载。利用xPC-Target和enDYNA工具搭建了发动机硬件在环仿真测试平台，并且提出了一种有效降低仿真运算量的信号接口匹配电路的设计方法。 （6）搭建了基于CCP（CAN Calibration Protocol）协议的标定测试系统，设计了空燃比控制的台架试验验证。在分析CCP协议的基础上设计了ECU端的CCP模块化驱动，构建了试验用标定系统并且实现了A2L文件的自动化生成方法。在SGMW-B15发动机上的台架试验结果表明，本文提出的空燃比控制方法能够有效抑制发动机动态过程造成的空燃比输出波动；在某测试工况下与OEM ECU相比能够得到满意的控制效果，可以将空燃比稳定在14-15的区间范围内；提出的多步预测自校正反馈控制方法能够实现给定空燃比的自适应快速跟踪控制，解决了SI发动机参数未知、时变、不确定性造成的空燃比控制难题。

目录

声明

主要符号清单

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究及应用现状

1.3存在的不足与问题的提出

1.4全文研究内容及组织结构

第二章空燃比对SI发动机的性能影响及控制目标

2.1SI发动机工作过程及理论空燃比的计算

2.2空燃比对SI发动机性能的影响

2.3空燃比对应用生物燃料SI发动机性能影响的试验研究

2.4空燃比控制目标的提出

2.5本章小结

第三章面向空燃比控制的SI发动机建模及仿真研究

3.1基于平均值模型的SI发动机空燃比动态建模分析

3.2面向空燃比控制的发动机虚拟仿真平台设计

3.3本章小结

第四章基于平均值模型的空燃比控制策略研究

4.1SI发动机空燃比控制策略设计

4.2基于观测器的气缸进气量估计

4.3油膜蒸发的动态补偿控制

4.4本章小结

第五章基于多步预测自校正理论的空燃比反馈控制方法研究

5.1反馈问题的提出及解决方法

5.2基于CARIMA模型的空燃比传输特性建模

5.3多步预测自校正控制算法的原理

5.4多步预测自校正算法的实现及稳定性分析

5.5仿真结果与分析

5.6本章小结

第六章基于模型的发动机电控平台设计

6.1发动机电控ECU硬件设计

6.2基于模型的电控系统软件开发

6.3基于xPC-Target的发动机控制HIL仿真系统设计

6.4本章小结

第七章基于CCP协议的标定系统构建与空燃比控制台架试验验证

7.1基于CCP协议的发动机标定系统构建

7.2SI发动机空燃比控制台架试验验证

7.3本章小结

第八章全文总结与展望

8.1全文主要研究工作总结

8.2主要创新点

8.3研究工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的学术成果