汽油机燃油动态特性的标定

"
标定试验
［-］ 在一台单缸 89: 电喷汽油机上进行了燃油动
态特性的标定试验。 试验采用 !" ;< 直流测功机， 可在恒转速下控 制发动机的运行。采用 =,>’ ?>)(@! 型 )*+, 氧 传感器测量发动机空燃比的变化， )*+, 传感器安 装在距离排气门 1 A5 的排气管上。 首先确定空燃比传输延迟时间。当 )*+, 传感 器距排气门较近时，可近似认为废气在排气管中以
4
/(
的单位脉冲响应。 采用最小二乘法对试验数据进行拟合处理， 正 确的 ! 和 ! 将使理论模型预测的空燃比波形与实 测的波形差方和最小， 即：
! （3 ， （(） （( ） ） 5 !） . （0 )- ./ 5 4(
#
（$% ） （$( ）
图%
一阶系统的单位阶跃响应
5DE （3 ， !） 3， !5
门打开所经历的时间 1!。
1! 与发动机喷油相位和排气门打开时的曲轴转
角有关，对于在进气门关闭时喷射燃油的单缸四冲 程发动机，假设燃油在喷出后接下来的进气冲程能 够到达气缸， 则 1! 可由下式表示：
1!%
" 3’" $%( 0%
（0 ）
式中， " 3 为排气门打开时的曲轴转角； " $%( 为喷油时 刻的曲轴转角； % 为发动机转速。 废气传输时间 1$ 可由下式确定：
!
空燃比测量过程分析
在发动机工作过程中，空气流量和燃油流量的
1$%
6 /10 # 38 7
（1 ）
式中， 6 /10 为排气管容积，与排气管的结构和 ’()*
比值称为空燃比。 即
# 38 为废气的体积流速。 的安装位置有关； 7 , -. % # /$0 " # $% "
（& ）
通 常 利 用 安 装 在 排 气 管 上 的 ’()* 传 感 器 测 量排气以获得混合气的空燃比。由于测量空燃比的 位置在排气管中，因此由进气管中燃油阶跃引起的 混 合 气 的 空 燃 比 变 化 并 不 能 马 上 被 ’()* 传 感 器 感知， 而是存在一定的传输延迟， 如图 $ 所示。 考虑传输延迟后， 公式 （&） 可修正为： （1’123+/4） , -. &
# 38& .938 ・ # 38 （2 ） 7 " :38 式中， 与发动机负荷 . 为气体常数； 938 为排气温度，
有：
# 38 为废气的质量流速。 有关； :38 为排气管的压力； " !"$ %&’( 传感器时间常数 ’()* 传感器作为一阶响应特性的测量仪 器 ，
有很多方法可以测量其时间常数。比较简单易行的 方法是测量其对阶跃信号的响应，从而求出时间常 数。一阶系统的单位阶跃响应如图 & 所示。 响应曲线的斜率初始值为
图!
燃油动态特性模型
喷油器所喷出燃油的一部分 （! ） 沉积在进气道 和进气门壁面形成一层油膜， 与此同时， 壁面油膜以 一定速率不断蒸发 " 与喷油器所喷出的其余部分燃 一同进入气缸。可用如下公式表示： 油 （!#! ）
图$ 空燃比传输延迟示意
# $%& # $%() （!’! ） " "
"*$+" !
（! ） （$ ）
!"#
空燃比传输延迟 !"#$%& 空燃比的传输延迟 123+/4 主要由两部分组成：
" # $%(’ *$+" "*$+"&!" !
-. /.
间 1$。
发出喷油命令 后 ， 燃油喷入进气管到排气 废气从排气门处运动到 ’()* 传感器的时
# $% 为进入发动机缸内的燃油流量； # $%( 为喷油 式中， " "
［!.U］ 非常显著 。
?
燃油动态特性分析
在发动机燃油补偿控制中， 普遍采用的是 Q; D;
影响进气道内燃油动态特性的因素很多，目前 获取燃油动态特性参数的主要途径是通过试验进行
［$］ ， 如图 $ 所示。 *_,’(: 提出的燃油动态特性模型
%& ’( !"") *+,-’(,-./*0 1234(’35+ 65728 9:;!""<="$=$!<!. /:3’2>? :@ *,>:-:>’A2 0(B’(228&. !""<; C D2(B E.F5A’% / * 2> 5+;F2A2+:7-2(> :@ D8’3>’:( />’8 /7:> G2H +%’(B 68:32&&.IJ9K L(>28(5+ J2&25834 J27:8>.!""); M D2(B E./5(>2++5 N K.F5A’% / *.2> 5+;D8’3>’:( />’8 /7:> G2+%’H (B :@ *%A5(32% O’B4=/>82(B>4 />22+&=* D25&’P’+’>? />,%?;65H 28 9:;!""< ="$ =$!)C./:3’2>? :@ *,>:-:>’A2 0(B’(228’(B.
范围如下： 3， ! 根据其物理意义， "636$， ! 7"
由于进气道中油膜的存在， 阶跃的燃油 （汽油） 扰动并不能产生阶跃的空燃比信号，因此通常需要 来产生阶 使用不会形成油膜的气体燃料 （如 &’( ） 跃的空燃比信号， 从而辨识 )*+, 传感器的时间常 数。
根据公式 （$$） 可知， 在采用燃油扰动法标定发 动机动态特性参数过程中，只须保持发动机进气流 量不变，并不需要测量发动机的喷油流量和进气流 量， 试验过程较为简单。 把上述最小二乘法编成独立 的处理软件时，即可把大量的试验结果进行批量处 理。
［#］ 。据此， 本文wk.baidu.com略了废 声速传播到传感器所在位置
# 阶跃变化到 " # $"" # 后， 油从稳态流量 " 进入缸内的燃
油流量的变化过程为：
# $"" # （$/! 0)( *! ） %（ ." &’ ( ）
阶跃变化引起发动机空燃比的变化为： （( ） - ./ .
（1 ）
气从排气门处运动到 )*+, 传感器所需的时间， 最 终 确 定 空 燃 比 传 输 延 迟 约 为 $@- 个 发 动 机 工 作 循 环。 其次， 标定了试验使用的 )*+, 传感器的响应 特性， 平均响应时间约为 $"" 5B。 最后，采用燃油扰动法对发动机不同工况下的 图 ( 是发动机转速为 ! """ C 3 5DE 、 !、 ! 进行了标定。 节气门开度为 !" ! 、发动机温度为 FG H 时的一次 标定过程。 实际得到的发动机空燃比测量值中存在均值为
!""# 年
第$期
!""<; $" F5A’% / *.D2(B E;D8’3>’:( />’8 68:32&&’(B :@ *%A5(32% N5>H 28’5+&： Q45++2(B2& 5(% I77:8>,(’>’2&.68:322%’(B& :@ L(>28(5H >’:(5+ Q:(@282(32 :( *%A5(32% G2+%’(B R S:’(’(B 1234(:+:B? F5+’5(.Q4’(5.I3> !"T!U.!""<;
# /$0 " # $% "
（+ ）
’()* 传感器对排气管中空燃比的测量需要一
— 0 —
! ， 其随时间的推移 9
汽 车 技 术
・ 设计 ・ 计算 ・ 研究 ・ 而下降。根据一阶系统的初始斜率特性即可确定一 阶系统时间常数。 式中， 2 （(） .
! $ ・ 0 为一阶测量仪器 )*+, 传感器 !4
（1’5(\’( V(’A28&’>? ） 【7%3’&"1’】 *@>28 >42 %2+5? >’-2 :@ 5’8=@,2+ 85>’: >85(&-’&&’:( 5(% >42 82&7:(&2 >’-2 3:(&>5(> 582 %2>28-’(2%.P825]
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（责任编辑 修改稿收到日期为 !""< 年 $$ 月 !# 日。 文 楫）
— < —
・ 设计 ・ 计算 ・ 研究 ・ 定的响应时间。 在发动机空燃比处于当量值附近时， 可认为它是具有固定时间常数的一阶测量仪 器［&］ ， 于是有：
# . "), -. "&, -. （, ） ! 5 ,式中， , -. " 为 ’()* 传感器测量的空燃比示值； !5 为 ’()* 传感器的时间常数。
器所喷出的燃油流量； "*$+" 为壁面沉积油膜质量； ! 为喷油器所喷出燃油的沉积系数 ， ! 为油膜蒸发时 间常数。 当发动机处于稳态工况时，燃油处于动态平衡 状态，进入缸内的燃油量和喷油器喷出的燃油量相 等， 此时燃油的动态特性没有表现出来。 在发动机处 于加、 减速等过渡工况时， 油膜的平衡状态被打破， 进入缸内的燃油量和喷油器喷出的油量不再相等， 燃油的动态特性对发动机空燃比的影响开始表现出 来。
!
试验方法及数据处理方法
为了计算 ! 和 ! ， 必须打破油膜的平衡状态， 本
文采用了燃油扰动法 。
［!］
燃油扰动法标定试验的具体过程为：保持发动 机的转速和节气门开度不变， 在测功机作用下， 使发 动机处于当量值空燃比附近的稳态工况后，控制喷 油量， 进行阶跃增油或减油 （增减燃油量应不使发动 机转速发生变化为好， 约为稳态喷油量的 $- !） 。同 时记录下喷油阶跃开始时间和随时间变化的发动机 空燃比数据。 根据燃油动态特性公式，当喷油器所喷出的燃
在气道而不是气缸中，因此一部分燃油会与进气道 和进气门表面发生撞击， 从而形成一层油膜 。油膜
［$］
的存在使发动机加、减速等过渡工况时进入气缸的 燃油量不等于喷射量。为了保证三元催化器高效的 转化效率， 把空燃比控制在当量值的目标， 必须对燃 油的这种动态特性进行补偿。 目前， 车用发动机普遍 采用的是基于燃油动态特性的 1DQ （185(&’2(> D,2+ 过渡工况燃油补偿） 策略， 补偿效果 Q:-72(&5>’:( ，
主题词： 燃油动态特性 中图分类号： V)#);$X$
最小二乘法
标定 文章编号： （!""# ） $"""=UX"U "$="""<=")
文献标识码： *
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［!］ ， 噪声的存在使燃油阶跃引起的空燃比 " 的白噪声
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前言
燃油进气道喷射车用汽油机由于燃油直接喷射
标定。因此， 制定一套完善、 合理的标定燃油动态特 性的试验方法是很有必要的。 基于燃油进气道喷射发动机的工作特点，逐一 分析了标定过程中需要考虑的问题。给出了采用燃 油扰动法标定燃油动态特性的试验过程，并利用最 小二乘法对试验结果进行处理，获得了燃油的动态 特性参数。 燃油补偿试验表明， 基于文中方法标定的 燃油动态参数能够对发动机的过渡工况进行有效的 补偿。
・ 设计 ・ 计算 ・ 研究 ・
汽油机燃油动态特性的标定
顾维东 万 冬 杨延相 蔡晓林 刘建峰
（天津大学）
【摘要】 在空燃比传输延迟时间和 V0WI 传感器 （宽域氧传感器） 响应时间常数确定以后， 利用燃油扰动法打破 采用最小二乘法对空燃比测量值进行处理， 油膜平衡状态， 用 V0WI 传感器记录汽油机混合气空燃比的 变 化 过 程 ， 从而得到燃油动态特性参数值。介绍了标定过程及数据处理方法， 并对标定结果进行了验证。