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《大连理工大学》 2007年
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直喷式汽油机电控燃油喷射系统及闭环控制算法的研究

蒋坚  
【摘要】: 四冲程汽油机追求的目标是在满足排放法规和耐久性的同时大幅度地降低油耗,在这一点上,缸内直喷式汽油机为我们提供了一个很好的发展方向,因为它结合了柴油机与汽油机两方面的优点:1)工作在部分负荷时通过实现分层稀燃(λ=2~3)及采用质调节方式以避免节气门的节流损失,达到与柴油机相当的燃油经济性;2)在全负荷时通过实现均质预混合燃烧,来保持汽油机升功率高的特点。同时由于喷入缸内燃油蒸发时的冷却作用,增加了整机的抗爆性,有望实现较高的压缩比,从而有助于提高循环的理论效率,使缸内直喷汽油机在保持动力性指标时,具有很好的燃油经济性。另外,直喷式汽油机避免了进气道湿壁现象的问题,为燃油的精确计量提供了方便,相应地降低了冷起动过程中的油耗和排放,提高了发动机的瞬态响应速度。 本文介绍了缸内直喷式汽油机的发展及相应特点。对进气道喷射和缸内直喷式燃烧系统进行了比较,讨论了直喷式汽油机在燃油经济性、瞬态响应和冷起动时HC排放方面的潜力。介绍了高压共轨燃油供应系统、旋流式雾化喷油器以及混合气分层等新技术在GDI发动机中的应用。详细论述了燃油喷射、油束雾化和蒸发、充量冷却、混合气制备的过程以及缸内气流运动和燃烧策略。在此基础上,本文介绍了一种小型缸内直喷式汽油机试验台架的研究与开发,详细讲述了其电控燃油喷射系统的设计。鉴于旋流型喷嘴的制造还不是成熟技术且价格昂贵,作者利用高速开关电磁阀易于数字控制的特点开发了“共轨—阀—嘴”式喷油器,可方便地对喷射参数进行调节,最低循环喷油量达0.9mg,实现了微喷的目标。 发动机燃油经济性、排放质量的提高依赖于空燃比的精确控制,而动力性能的改善又要求当遇到负荷变动时转速快速趋于平稳。在本文研究中,尝试建立了在稳态工况下基于宽带氧传感器的发动机空燃比反馈控制系统。因为直喷式汽油机可以运行在多重燃烧模式,以及后处理装置的差异,其在过渡工况下的控制策略与传统以当量混合比燃烧的汽油机相比有着很大的不同,本文探讨了直喷式汽油机非线性动态模型,并引入PID控制,利用宽带氧传感器信号和转速作为反馈信号,使用MATLAB/SIMULINK的开发环境开发了以空燃比控制和转速控制为主的系统仿真模型,仿真结果表明,闭环控制模型不仅可以对发动机的空燃比或转速偏差进行反馈修正,而且缩短了目标值随机偏差的调整时间。 ECU的软硬件设计是电控系统的核心,硬件设计的合理性在很大程度上决定了电控系统的可靠性,而软件设计的严密性及完善程度直接影响着系统功能。本文选用Intel公司生产的16位单片机80C196KB作为ECU主芯片,并根据系统需要对外围电路进行了扩展。在软件上则采用了模块化的设计方式,这为后续功能扩展和编程时的协同作业提供了方便。由于匹配工作量大,作者开发了一套监控软件,利用PC机和ECU的通讯完成系统各参数的在线监测、修改和标定。实际应用证明整个系统可稳定、可靠地工作。 全文最后在ZX125FMI发动机上进行了缸内直喷试验,结果表明:在2000rpm高怠速工况下,采用早喷方式可使油耗较原机下降9.76%,HC下降38.9%,NO_x下降14.67%。部分负荷工况下,发动机的稀燃能力加强,最大稳定燃烧的混合气空燃比可达22,调整喷油定时可进一步改善燃油经济性和排放。
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