GDI发动机可变气门正时系统中进排气凸轮轴控制策略的设计与研究

摘要

随着机动车数量的爆发式增长，汽车尾气的排放越来越引起大家的重视，从最近全国大范围、长时间的雾霾天气可以看出，汽车尾气也是导致雾霾天气出现的重要因素，北京、上海、天津等一线城市也已经通过限号的方式来控制机动车数量，经济的发展不应该以牺牲环境为代价。最近几年，各大车企推出多款新型发动机，搭载了许多先进的技术。包括缸内直喷（一般都带有双VVT功能，有的还带气门升程可变系统）、涡轮增压，机械增压，可变气缸等。还推出了诸多小排量大功率的发动机，如最近福特公司和美国通用公司推出的新款三缸1.0T直喷涡轮增压发动机，采用铝合金缸体，升功率可以达到92kw，最大扭矩可以达到170n·m，全面提高了小排量发动机的动力输出，基本与2.0L自然吸气机型相当，而油耗和排放却大大降低，这不愧为一两全其美的设计。缸内直喷发动机（简称GDI，FSI，SIDI等等）以其油耗低，动力性能好，低温启动性能好和排放低等诸多优势成为当今诸多汽车厂家研究的重点，电控单元(ECU)的软硬件开发作为GDI发动机技术领域的一个重要组成部分，也是核心技术，成为了研究的重点。
　　ECU模块中的软件设计是电控开发过程中的重点和难点，涉及到模块的功能、策略、通信、算法、控制逻辑等。在整个项目的研究过程中，实验室其他同学完成了台架实验用GDI发动机ECU硬件部分的整体设计，包括爆震信号检测电路、点火驱动电路、喷油驱动电路、传感器信号处理电路、VVT执行机构电磁阀驱动电路等。
　　本文针对叶片式VVT机构的汽油机，在软件策略方面，设计了VVT进气排气凸轮轴控制策略，通过获取到的相位期望值，并与曲轴信号相对位置做判断，获取差值信号，并分别标定了PID三个参数的map，应用PID算法在不同工况下对占空比信号进行闭环控制。再将计算好的占空比信号输送给OCV阀，再通过液压控制电磁阀供油和泻油通路来改变凸轮轴的相位，从而调节进气和排气门的正时，优化气缸进气和排气的过程，提高了充气效率，改善动力输出和燃油经济性。仿真结果表明，通过PID控制，凸轮轴相位能够很好的根据目标值做出相应的响应。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和研究意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究发展现状

1．2．1 直喷汽油机电控技术

1．2．2 VVT机构的发展

1．3 课题来源

1．4 本文主要研究内容和工作

第二章 GDI发动机进排气控制策略的分析与研究

2．1 气门正时对发动机性能的影响

2．2 进、排气门开启和关闭时刻的选择

2．2．1 进气门开启Intake Valve Opening Timing(IVO)时刻

2．2．2 进气门关闭Intake Valve Closing Timing(IVC)时刻

2．2．3 排气门开启Exhaust Valve Opening Timing(EVO)时刻

2．2．4 排气门关闭Exhaust Valve Closing Timing(EVC)时刻

2．3 气门重叠角

2．4 直喷发动机相位调整策略

2．5 VVT机构的工作原理

2．5．1 可变气门正时相位器

2．5．2 油压控制阀(Oil Control Valve，简称OCV阀)

2．6 本章小结

第三章 PID控制原理及在进排气系统中的应用

3．1 基本理论及常规PID控制

3．1．1 常规PID控制

3．1．2 数字式PID控制

3．1．3 增量式PID控制

3．1．4 专家型PID控制

3．1．5 积分分离式PID控制

3．2 PID在VVT进排气控制中的应用

3．3 本章小结

第四章 进排气凸轮轴相位控制

4．1 ASCET-MD建模与仿真工具

4．2 进气凸轮轴相位控制

4．2．1 进气凸轮轴主函数

4．2．2 进气位置偏差校准模块

4．2．3 进气PID控制器主模块

4．2．4 进气占空比限制主模块

4．2．5 进气电磁阀清洗模块

4．2．6 进气执行器使能测试模块

4．2．7 进气最大占空比限制模块

4．2．8 进气占空比离线仿真结果

4．3 排气凸轮轴相位控制

4．3．1 排气凸轮轴主函数

4．3．2 排气位置偏差校准模块

4．3．3 排气PID控制器主模块

4．3．4 排气占空比限制主模块

4．3．5 排气电磁阀清洗模块

4．3．6 排气占空比离线仿真结果

4．4 本章小结

第五章 进气流量预测

5．1 进气凸轮轴权重系数计算

5．2 压力量流量转换系数计算

5．3 进气流量预测结果

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况