基于模型设计的小型汽油机空燃比精确控制研究

摘要

小型汽油机具有结构紧凑、工作可靠和操作便利等优点，被广泛应用于工业与农林业等领域。但其控制粗糙，难以满足日益严格的排放法规。通过电子控制单元精确控制空燃比配合三效催化装置可大幅降低小型汽油机的CO、HC和NOX排放量并达到排放法规的要求。本文针对小型汽油机的工作特性，借鉴基于模型设计的思想，设计了一套小型汽油机无氧传感器空燃比精确控制系统，对自主研发小型汽油机空燃比精确控制和环境保护具有重要意义。
　　控制器开发流程分为功能设计与软件设计两部分。功能设计流程为：首先根据汽油机的工作原理，在Simulink环境下建立汽油机各子系统的模型，包括进气道模型、燃烧模型、转速模型、空燃比模型和氧传感器模型，并通过遗传算法和试验数据计算模型结构参数；然后基于汽油机模型设计空燃比精确控制算法模型，包括空燃比计算模块、模式调度模块和 PI控制器模块。控制算法根据发动机运行工况和空燃比闭环控制作用区域，采集发动机转速、负荷、进气压力、进气温度以及机体温度等信号，计算当前时刻空燃比，将氧传感器模型得到反馈电压信号输入到 PI控制器中，最后PI控制器输出空燃比的燃油修正量。软件设计流程为：首先对控制器的模型进行详细地单元测试和集成测试；其次配置 Simulink生成模型代码参数，自动生成空燃比控制器模型C代码；再次在freescale处理器芯片的Codewarrior IDE编译环境下，建立空燃比闭环控制功能的接口函数将自动生成的代码无缝集成到已有ECU软件架构中；最后编译器将C代码编译成单片机可执行的二进制文件。
　　通过发动机台架试验对无氧传感器空燃比控制算法进行验证，并使用标定软件整定和优化控制参数。结果表明，在ECU中无氧传感器空燃比控制器程序能可靠运行并精确控制空燃比在14.31~15.01范围内。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 小型汽油机空燃比控制的研究

1.3 小型汽油机空燃比控制国内外研究现状

1.4 基于模型设计开发流程

1.5 主要工作

第二章 基于模型设计的空燃比控制器开发原理

2.1 基于氧传感器的空燃比控制原理

2.2 无氧传感器的空燃比控制原理

2.3 无氧传感器空燃比控制器开发

2.4 本章小结

第三章 小型汽油机空燃比精确控制功能设计

3.1 控制系统功能设计要求

3.2 小型汽油机Simulink模型

3.3 无氧传感器空燃比控制算法

3.4 本章小结

第四章 小型汽油机空燃比精确控制软件设计

4.1 控制系统软件设计要求

4.2 Simulink模型数据管理

4.3 Simulink模型单元测试与集成测试

4.4 控制器软件代码集成

4.5 标定数据文件生成

4.6 本章小结

第五章 台架试验与结果分析

5.1 试验设备

5.2 台架试验

5.3 试验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 工作总结与展望

6.1 工作总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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