基于进气调节的汽油机空燃比控制系统研究
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收稿日期 : 2006- 09- 04 基金项目 : 上海市教委科研基金资助项目 ( 06ZZ37) 作者简介 : 张振东 ( 1968- ) , 男 , 教授 .
较快的发展[ 1, 2] , 电子 节气门在汽车上的推广应用 大大提升了汽车的电子化水平. 但目前汽车上的电 子节气门主要用于实现发动机的怠速控制、 牵引力 控制及巡航控制等功能[ 3~
电控发动机, 控制系统的总体结构如图 1 所示 , 取消 了原机的化油器供油系统, 加装了电控汽油喷射系 统. 另外, 为了实现进气量的调节 , 专门设计了一套 由步进电机、 齿轮减速器、 节气门体等组成的电子节 气门机构 . 发动机控制系统主要由电控单元、 传感器和执 行机构组成 . 系统中所用的传感器有加速踏板位置 传感器、 节气门位置传感器、 进气温度传感器、 进气 压力传感器、 曲轴位置传感器和机油温度传感器, 其 中, 加速踏板位置信号采用电位计进行模拟. 电控单 元以 80C196KC 单片机作为主控芯片, 结合所需的 外围电路 , 对传感器送来的信息进行运算处理 , 判断 发动机的工作状态, 作出控制决策 , 并发出控制指令 驱动执行机构工作 . 执行机构主要由进气道汽油喷
e e
由这个关系式可 以看出, 当 g b 一定时 , W e 与 成正比 . 改变循环空气量时 , 过量空气系数 将
F ig. 1
图1
空燃比控制系统的总体结构
Sketch map of the air fuel r atio control system
发生变化, e 也将随之发生变化. 当混合气过浓时 , 会由于燃烧不完全使 e 下降; 反之 , 当混合气过稀 时, 也会由于燃烧过于缓慢或失火使
Abstract: Intake air modulat ion in combinat ion w it h elect ronic f uel inject ion to control air f uel ratio is one of t he important measures to furt her improve t he performances of g asoline engines. T he paper re disigns some of t he structures of a single cylinder gasoline engine, designs an electronic t hrot tle system for int ake air modulat ion, determines the control algorithm f or air fuel rat io, develops an air - f uel ra t io cont rol system t o adjust the amounts of inlet air and inject ed f uel. From dynamometer t est s, it is shown t hat t he perf orm ance, fuel economy and exhaust emission of the engine are improved obviously. Key words: gasoli ne engi ne; intake air modulation; electr onic f uel inj ection; air - f uel rat io 空燃比是反映汽车发动机 性能的重要指 标之 一. 内燃机行业一直努力寻找不同工况下都能得到 最佳性能的空燃比的控制方法 . 在传统的电控汽油 机中 , 节气门由司机通过加速踏板机械控制, 发动机 控制器只能通过检测或计算流过节气门的空气流量 的大小并结合该工况下的目标空燃比确定发动机所 需要的基本燃油量. 近年来, 电子节气门技术得到了
5]
, 基于电子节气门的发
动机空燃比控制技术研究较少. 本文以一台单缸汽 油机为基础, 探索利用电子节气门实现发动机油气 联合调节的空燃比控制策略 , 其意义在于尝试一种
522
上海理工大学学 报
2007 年 第 29 卷
新的空燃比控制思想和方法.
射系统和进气量控制系统组成 , 其功能是接收 ECU 通过驱动电路发来的信号 , 使喷油器和节气门达到 预定的控制值 . 汽油喷射系统 由喷油器、 电动汽油 泵、 汽油滤清器和压力调节器等部件组成 . 进气量的 调节功能借助电子节气门机构完成.
1ห้องสมุดไป่ตู้
基本原理
传统的电控汽油机是根据空气量的多少控制燃
油量来实现空燃比的调节. 由于节气门是由驾驶者 通过加速踏板进行机械控制, 所以无法根据发动机 的输出功率来保证给定的空燃比具有最佳的燃油经 济性 . 因为在节气门位置和转速一定时 , 发动机的最 大输出功率对应的混合气是功率混合气, 此时发动 机有效热效率低 , 燃料没有得到充分利用, 因此是不 经济的. 在保持发动机循环供油量一定时 , 通过调节空 气量来改变空燃比可有效提高 发动机的燃料 利用 率. 假定循环供油量为 g b , 燃料热值为 H u , 发动机 有效热效率为 e, 则发动机每个工作循环输出的有 效功为 W e = g bH u
有: CWF50G 电涡流测功机、 FGA- 4100 汽车排气分 析仪、 MCS- 960 油耗仪以及其他的测试仪表 .
3
控制参数的测试及优化
对试验发动机 , 采用了定进气量调整和定喷油
量调整相结合的特性试验 . 对选定工况 , 首先采用定 进气量法调整, 即在保持发动机转速一定的情况下 , 分别固定由小到大不同的节气门开度并测量发动机 的性能参数. 对于某个转速下的节气门开度, 调节喷 油量 , 得到不同浓度的混合气 , 记录下这个试验点的 数据. 比较该转速和该节气门开度下的各个喷油量 测得的功率, 找出功率最大的喷油量点 , 将喷油量固 定在这一点上, 然后通过步进电机微调节气门 , 使进 气量增加, 记录下这时不同的节气门开度点的试验 数据, 从而能够得到新 的功率最大点 . 除了全 负荷 外, 在每个转速下的节气门开度都采用这种进气量 和喷油量结合的调节方法 , 得到一组试验数据 . 在全 负荷时, 由于节气门已达到最大, 不能进行调节 , 这 时通过调节喷油量得到最大功率. 在控制参数优化过程中, 以发动机运行的动力、 经济和排放性能的综合最优为目标 . 在实测的每个 转速和基本节气门开度下, 分别建立一组功率 P e、 HC 、 NO x 和 CO 的 多项式回归模 型. 然后 , 分别 以 P e、 HC 、 NO x 和 CO 为目标进行单目标优化, 可得出 发动机动力性、 经济性和排放指标最优时的控制参 数. 在多目标优化时 , 限定发动机的功率损失在一定 的范围内, 结合不同工况要求及各目标函数的特点 和重要性对各排放指标设定加权系数, 最终将多目 标优化问题转化为单目标优化问题进行求解 . 采用上述方法 , 对发动机 100 个主要工况点的 数据进行了优化 , 得出的过量空气系数和循环喷油 量与节气门开度 和转速 n 的关系见图 2 所示 .
下降. 因此
存在一个最大值 , 此时 W e 也达到最大. 可见, 在
保持 g b 一定时 , 发动机具有最大功率输出时的混合 气是理想混合气 , 此时 e 最高, 燃油消耗率最低. 通 过改变发动机的进气量使发动机的混合气处于理想 状态是进气调节系统空燃比控制的基本思想 .
2
控制系统的组成
将一台单缸化油器发动机改装为进气道喷射式
2
( 1. College of M echanical Engineer ing, Univer sity o f Shanghai f or Science and T echnology , Shanghai 200093 , China; 2 . Chongqing City Key L aboratory of V ehicle and Energy , Chongqing 400039 , China)
图2
过量空气系数脉谱
F ig. 2 M ap of excess air coefficient
在发动机进气调节空燃比控制系统设计调试完 成之后 , 安装在发动机上进行了台架试验 , 并与单纯 进行电控喷油进行空燃比控制时的试验结果进行了 对比分析, 如图 3 和图 4 所示.
图3 F ig. 3
发动机动力性和经济性对比
e e
为了满足 发动机在不同工况下对 混合气的要 求 , 实现空燃比的最佳控制 , 本文按如下的控制模式 对电控系统进行匹配. a. 常用工况运行模式 这种模式对喷油量和 进气量都进行控制, 先根据一个基本节气门开度得 到一个最佳循环喷油量 , 然后保持该循环喷油量一 定 , 通过调节空气量来得到合适的混合气浓度. 节气 门部分开启, 且发动机处于稳态运行时采用这种运 行模式 . b. 功率运行模式 当节气门全开时 , 采用经济 运行模式已无法再提高发动机的功率输出, 这时只能 保持空气量一定, 通过控制循环喷油量来使发动机输 出最大功率. 实际上 , 节气门开度达到 85% 以上, 空气 量的变化已不明显 , 这时都可采用功率运行模式. c. 怠速运行模式 当节气门处于怠速位置时, 控制系统通过在一定范围内调节节气门开度 , 改变 进入气缸的混合气量 , 并配合喷油量的调整使发动 机的怠速转速稳定在怠速目标转速附近. d. 起动模式 起动工况机油温度分为冷起动 和热起动两种 , 依据起动时混合气浓度的要求分别 供给发动机一定浓度的混合气, 并在转速超过一定 值时进入怠速运行模式 . e. 加速模式 当节气门开度变化率超过一定 值时, 判定发动机处于加速工况 , 控制器通过计算给
Contrast of eng ine pow er and economy
4
试验结果及分析
试验所用发动机为单缸四冲程风冷汽油机, 其排
由图 3 可以看出, 加了进气调节系统后, 发动机 的功率 P e 和扭矩 T tq 均得到了提高 , 最大功率约提 高了 7% , 最大扭矩约提高了 3% , 而且发动机低速 时扭矩增加较多. 另外 , 发动机的燃油经济性也有较 大改善 , 在 1 200~ 3 200 r/ min 的运行范围内, 发动 机比油耗 b 相对单纯进行电控喷油时约降低了 5% ~ 16% , 燃油消耗量 B 最多下降了 6% .
Study on the air- fuel ratio control of automobile engines based on intake air modulation
ZHANG Zhen dong ,
1
W ANG Yu shun ,
1
LIU Zhi yuan ,
1
W ANG Zhi w ei
第6期
张振东 , 等 : 基于进气调节的汽油机空燃比控制系统研究
523
出加速加浓喷油量. 由于进气调节系统能够实现发动机进气量的实 时调节 , 所以更易于达到不同工况下缸内最佳混合 气浓度的要求. 相对于传统的发动机, 其缸内混合气 浓度更稀 , 可大大降低发动机的 H C、 NOx 和 CO 排 放, 并且有利于改善发动机的怠速、 加速等过渡工况 的排放性能.
第 29 卷
第 6期
上 海 理 工 大 学 学 报
J. U niversity of Shanghai fo r Science and T echnolog y V ol. 29 No. 6 2007
文章编号 : 1007- 6735( 2007) 06- 0521- 04
基于进气调节的汽油机空燃比控制系统研究
张振东1 , 王玉顺1 , 刘志远1 , 王志伟2
400039) ( 1. 上海理工大学 机械工程学院 , 上海 200093; 2. 车辆排放与节能重庆市市级重点实验室 , 重庆
摘要 : 针对单缸汽油机进行了结构改进 , 设计了用于空气调节的电子节气门机构 , 制定了各个工况 下的空燃比控制策略 , 并对发动机的控制参数进行了优化, 开发了发动机空燃比控制系统, 实现了 喷油和进气量的联合控制 . 台架试验结果表明 , 采用进气调节系统后, 发动机动力、 经济性和排放指 标得到了显著的改善 . 关键词: 汽油机; 进气调节 ; 电子燃油喷射; 空燃比 中图分类号 : T K 411. 2 文献标识码: A
较快的发展[ 1, 2] , 电子 节气门在汽车上的推广应用 大大提升了汽车的电子化水平. 但目前汽车上的电 子节气门主要用于实现发动机的怠速控制、 牵引力 控制及巡航控制等功能[ 3~
电控发动机, 控制系统的总体结构如图 1 所示 , 取消 了原机的化油器供油系统, 加装了电控汽油喷射系 统. 另外, 为了实现进气量的调节 , 专门设计了一套 由步进电机、 齿轮减速器、 节气门体等组成的电子节 气门机构 . 发动机控制系统主要由电控单元、 传感器和执 行机构组成 . 系统中所用的传感器有加速踏板位置 传感器、 节气门位置传感器、 进气温度传感器、 进气 压力传感器、 曲轴位置传感器和机油温度传感器, 其 中, 加速踏板位置信号采用电位计进行模拟. 电控单 元以 80C196KC 单片机作为主控芯片, 结合所需的 外围电路 , 对传感器送来的信息进行运算处理 , 判断 发动机的工作状态, 作出控制决策 , 并发出控制指令 驱动执行机构工作 . 执行机构主要由进气道汽油喷
e e
由这个关系式可 以看出, 当 g b 一定时 , W e 与 成正比 . 改变循环空气量时 , 过量空气系数 将
F ig. 1
图1
空燃比控制系统的总体结构
Sketch map of the air fuel r atio control system
发生变化, e 也将随之发生变化. 当混合气过浓时 , 会由于燃烧不完全使 e 下降; 反之 , 当混合气过稀 时, 也会由于燃烧过于缓慢或失火使
Abstract: Intake air modulat ion in combinat ion w it h elect ronic f uel inject ion to control air f uel ratio is one of t he important measures to furt her improve t he performances of g asoline engines. T he paper re disigns some of t he structures of a single cylinder gasoline engine, designs an electronic t hrot tle system for int ake air modulat ion, determines the control algorithm f or air fuel rat io, develops an air - f uel ra t io cont rol system t o adjust the amounts of inlet air and inject ed f uel. From dynamometer t est s, it is shown t hat t he perf orm ance, fuel economy and exhaust emission of the engine are improved obviously. Key words: gasoli ne engi ne; intake air modulation; electr onic f uel inj ection; air - f uel rat io 空燃比是反映汽车发动机 性能的重要指 标之 一. 内燃机行业一直努力寻找不同工况下都能得到 最佳性能的空燃比的控制方法 . 在传统的电控汽油 机中 , 节气门由司机通过加速踏板机械控制, 发动机 控制器只能通过检测或计算流过节气门的空气流量 的大小并结合该工况下的目标空燃比确定发动机所 需要的基本燃油量. 近年来, 电子节气门技术得到了
5]
, 基于电子节气门的发
动机空燃比控制技术研究较少. 本文以一台单缸汽 油机为基础, 探索利用电子节气门实现发动机油气 联合调节的空燃比控制策略 , 其意义在于尝试一种
522
上海理工大学学 报
2007 年 第 29 卷
新的空燃比控制思想和方法.
射系统和进气量控制系统组成 , 其功能是接收 ECU 通过驱动电路发来的信号 , 使喷油器和节气门达到 预定的控制值 . 汽油喷射系统 由喷油器、 电动汽油 泵、 汽油滤清器和压力调节器等部件组成 . 进气量的 调节功能借助电子节气门机构完成.
1ห้องสมุดไป่ตู้
基本原理
传统的电控汽油机是根据空气量的多少控制燃
油量来实现空燃比的调节. 由于节气门是由驾驶者 通过加速踏板进行机械控制, 所以无法根据发动机 的输出功率来保证给定的空燃比具有最佳的燃油经 济性 . 因为在节气门位置和转速一定时 , 发动机的最 大输出功率对应的混合气是功率混合气, 此时发动 机有效热效率低 , 燃料没有得到充分利用, 因此是不 经济的. 在保持发动机循环供油量一定时 , 通过调节空 气量来改变空燃比可有效提高 发动机的燃料 利用 率. 假定循环供油量为 g b , 燃料热值为 H u , 发动机 有效热效率为 e, 则发动机每个工作循环输出的有 效功为 W e = g bH u
有: CWF50G 电涡流测功机、 FGA- 4100 汽车排气分 析仪、 MCS- 960 油耗仪以及其他的测试仪表 .
3
控制参数的测试及优化
对试验发动机 , 采用了定进气量调整和定喷油
量调整相结合的特性试验 . 对选定工况 , 首先采用定 进气量法调整, 即在保持发动机转速一定的情况下 , 分别固定由小到大不同的节气门开度并测量发动机 的性能参数. 对于某个转速下的节气门开度, 调节喷 油量 , 得到不同浓度的混合气 , 记录下这个试验点的 数据. 比较该转速和该节气门开度下的各个喷油量 测得的功率, 找出功率最大的喷油量点 , 将喷油量固 定在这一点上, 然后通过步进电机微调节气门 , 使进 气量增加, 记录下这时不同的节气门开度点的试验 数据, 从而能够得到新 的功率最大点 . 除了全 负荷 外, 在每个转速下的节气门开度都采用这种进气量 和喷油量结合的调节方法 , 得到一组试验数据 . 在全 负荷时, 由于节气门已达到最大, 不能进行调节 , 这 时通过调节喷油量得到最大功率. 在控制参数优化过程中, 以发动机运行的动力、 经济和排放性能的综合最优为目标 . 在实测的每个 转速和基本节气门开度下, 分别建立一组功率 P e、 HC 、 NO x 和 CO 的 多项式回归模 型. 然后 , 分别 以 P e、 HC 、 NO x 和 CO 为目标进行单目标优化, 可得出 发动机动力性、 经济性和排放指标最优时的控制参 数. 在多目标优化时 , 限定发动机的功率损失在一定 的范围内, 结合不同工况要求及各目标函数的特点 和重要性对各排放指标设定加权系数, 最终将多目 标优化问题转化为单目标优化问题进行求解 . 采用上述方法 , 对发动机 100 个主要工况点的 数据进行了优化 , 得出的过量空气系数和循环喷油 量与节气门开度 和转速 n 的关系见图 2 所示 .
下降. 因此
存在一个最大值 , 此时 W e 也达到最大. 可见, 在
保持 g b 一定时 , 发动机具有最大功率输出时的混合 气是理想混合气 , 此时 e 最高, 燃油消耗率最低. 通 过改变发动机的进气量使发动机的混合气处于理想 状态是进气调节系统空燃比控制的基本思想 .
2
控制系统的组成
将一台单缸化油器发动机改装为进气道喷射式
2
( 1. College of M echanical Engineer ing, Univer sity o f Shanghai f or Science and T echnology , Shanghai 200093 , China; 2 . Chongqing City Key L aboratory of V ehicle and Energy , Chongqing 400039 , China)
图2
过量空气系数脉谱
F ig. 2 M ap of excess air coefficient
在发动机进气调节空燃比控制系统设计调试完 成之后 , 安装在发动机上进行了台架试验 , 并与单纯 进行电控喷油进行空燃比控制时的试验结果进行了 对比分析, 如图 3 和图 4 所示.
图3 F ig. 3
发动机动力性和经济性对比
e e
为了满足 发动机在不同工况下对 混合气的要 求 , 实现空燃比的最佳控制 , 本文按如下的控制模式 对电控系统进行匹配. a. 常用工况运行模式 这种模式对喷油量和 进气量都进行控制, 先根据一个基本节气门开度得 到一个最佳循环喷油量 , 然后保持该循环喷油量一 定 , 通过调节空气量来得到合适的混合气浓度. 节气 门部分开启, 且发动机处于稳态运行时采用这种运 行模式 . b. 功率运行模式 当节气门全开时 , 采用经济 运行模式已无法再提高发动机的功率输出, 这时只能 保持空气量一定, 通过控制循环喷油量来使发动机输 出最大功率. 实际上 , 节气门开度达到 85% 以上, 空气 量的变化已不明显 , 这时都可采用功率运行模式. c. 怠速运行模式 当节气门处于怠速位置时, 控制系统通过在一定范围内调节节气门开度 , 改变 进入气缸的混合气量 , 并配合喷油量的调整使发动 机的怠速转速稳定在怠速目标转速附近. d. 起动模式 起动工况机油温度分为冷起动 和热起动两种 , 依据起动时混合气浓度的要求分别 供给发动机一定浓度的混合气, 并在转速超过一定 值时进入怠速运行模式 . e. 加速模式 当节气门开度变化率超过一定 值时, 判定发动机处于加速工况 , 控制器通过计算给
Contrast of eng ine pow er and economy
4
试验结果及分析
试验所用发动机为单缸四冲程风冷汽油机, 其排
由图 3 可以看出, 加了进气调节系统后, 发动机 的功率 P e 和扭矩 T tq 均得到了提高 , 最大功率约提 高了 7% , 最大扭矩约提高了 3% , 而且发动机低速 时扭矩增加较多. 另外 , 发动机的燃油经济性也有较 大改善 , 在 1 200~ 3 200 r/ min 的运行范围内, 发动 机比油耗 b 相对单纯进行电控喷油时约降低了 5% ~ 16% , 燃油消耗量 B 最多下降了 6% .
Study on the air- fuel ratio control of automobile engines based on intake air modulation
ZHANG Zhen dong ,
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W ANG Yu shun ,
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LIU Zhi yuan ,
1
W ANG Zhi w ei
第6期
张振东 , 等 : 基于进气调节的汽油机空燃比控制系统研究
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出加速加浓喷油量. 由于进气调节系统能够实现发动机进气量的实 时调节 , 所以更易于达到不同工况下缸内最佳混合 气浓度的要求. 相对于传统的发动机, 其缸内混合气 浓度更稀 , 可大大降低发动机的 H C、 NOx 和 CO 排 放, 并且有利于改善发动机的怠速、 加速等过渡工况 的排放性能.
第 29 卷
第 6期
上 海 理 工 大 学 学 报
J. U niversity of Shanghai fo r Science and T echnolog y V ol. 29 No. 6 2007
文章编号 : 1007- 6735( 2007) 06- 0521- 04
基于进气调节的汽油机空燃比控制系统研究
张振东1 , 王玉顺1 , 刘志远1 , 王志伟2
400039) ( 1. 上海理工大学 机械工程学院 , 上海 200093; 2. 车辆排放与节能重庆市市级重点实验室 , 重庆
摘要 : 针对单缸汽油机进行了结构改进 , 设计了用于空气调节的电子节气门机构 , 制定了各个工况 下的空燃比控制策略 , 并对发动机的控制参数进行了优化, 开发了发动机空燃比控制系统, 实现了 喷油和进气量的联合控制 . 台架试验结果表明 , 采用进气调节系统后, 发动机动力、 经济性和排放指 标得到了显著的改善 . 关键词: 汽油机; 进气调节 ; 电子燃油喷射; 空燃比 中图分类号 : T K 411. 2 文献标识码: A