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基于模型的LPG单一燃料发动机电控系统的研究

杨世春  
【摘要】:从汽车技术和电子技术的发展趋势来看,要降低汽车的油耗和排放,满足严格的汽车排放法规(例如超低排放汽车ULEV),就必须对车用内燃机使用更精确的控制算法和应用先进的电子技术。到目前为止,在SI发动机上降低排放的有效方法是使用三效催化器和与之相匹配的电控燃油喷射系统。然而,需要SI发动机在每个工况下都能工作在催化器最有效的区域内,这样排放才能达到最小。相关资料表明,为了维持三效催化装置的最高转化效率,平均空燃比的控制精度必须维持在14.7±0.147的范围内。 要实现高精度的空燃比控制就需要同时满足对进气量的高精度的测量和对喷油量的高精度控制。为了满足上述两个目标就必须利用可以测量到的信号和控制参数解决如下三个技术难题:1.空气测量装置的响应滞后;2.进气歧管内气流充排效应引起的瞬态工况进气量的测量误差;3.燃油喷射以及空气测量不在同一个位置引起的喷油控制误差。 为了克服上述这些问题,本文开发了一套基于发动机平均量模型(MVEM) 的进气量估计方法,实现了瞬态工况空燃比较为精确的控制,在LPG发动机上应用的结果表明:控制系统能够可靠控制LPG发动机工作,控制系统的软、硬件设计合理;LPG发动机的动力性、经济性和排放得到明显的改善。 开展的主要工作有: 1. 本文应用意大利OMVL公司的喷气设备,将捷达两阀电控汽油发动机改装成了多点单一气态LPG进气道顺序喷射发动机。 2. 设计开发了发动机瞬态工况实验采集系统。采用研华公司高性能的PCL-818HG数据采集卡及其外接的PCLD-8115端子板,利用硬件定时器(PCL-818HG数据采集卡上的定时器)产生中断,软件应用多线程和双缓冲方法实现了高速实时数据的采集,实现了进气质量流量、节气门位置、进气管绝 WP=126 对压力等数据的高速可靠的采集存储。为了在普通测功机上实现发动机瞬态过程的试验,实现瞬态过程的重复再现,本文应用步进电机设计了发动机台架瞬态试验控制系统。 3. 对于LPG发动机空燃比控制问题,本文建立了LPG发动机的平均量动态模型(MVEM):将发动机假设为一个简单泵和带有输入输出歧管的箱体来模拟,用充填法确定该系统的空气质量守恒方程,建立了进气歧管动态模型;用理想喷嘴处的可压缩气体方程描述了节气门处的空气质量流量;由速度-密度方程表示进入发动机气缸的气体流量。此外,为了实现对控制模型的精确标定,建立空燃比传感器的延时模型:由一个固定曲轴转角的时间延时常量和一个变时间延时量组成,常量为进气门关闭到燃烧结束排气门打开之间的时间,并且必须等于n次采样率,变时间延时是采样时间的一部分结果。以上基于平均量的动态模型(MVEM)的建立,为控制系统的初始控制数据的仿真计算和控制算法的建立打下了基础。 4. 应用前面设计的高速数据采集和试验系统,对进气质量流量传感器MAF、进气歧管绝对压力传感器MAP和节气门位置传感器TPS等的稳态工况和非稳定工况的测量数据进行采集,分析了MAP、TPS和MAF传感器测量信号随曲轴位置变化而变化的规律和可能产生的测量偏差。同时,应用小波分析方法,对最小10oCA角度分度处理的MAP传感器输入数据在稳态工况和非稳定工况的测量信号进行了分析,在此基础上建立了进气歧管压力脉动方程并对进气量测量提出了具体的技术要求,为设计基于状态预测器的进气量的测量技术奠定了基础。 5. 设计了基于状态预测器进气量测量的实现方法。本文所设计的控制系统,为达到较好的控制精度,采用非线性-离散系统,即状态方程是非线性连续方程,观测方程是离散型的。本文没有采用Luenberger观测器或传统的受限于线性系统的卡尔曼滤波器,而是使用推广的卡尔曼滤波来估计非线性系统的状态和参数。本文建立了一个用状态空间描述的非线性系统模型和观测模型,来实现进气量的精确测量,算法验证试验的研究表明,本文设计的测量和控制算法具有反应快、实时性好、滤波效果好等优点,并且具有较好的容错性。 6. 为了在原来的汽油机上实现LPG发动机多点顺序喷射控制和基于状态预测器的进气量测量,设计了控制系统的控制策略和监控标定软件。控制和监控标定功能的完成需要的硬件系统包括:电控单元(ECU)、计算机监控标定 WP=127 系统和标定实验控制系统。 在电控单元(ECU)控制策略的开发中,本文做了以下工作: 1)设计了LPG发动机冷起动优化控制策略,根据发动机的冷却水温度,按照查表法得到固定的起动阶段的节气门开度、空燃比和点火提前角以达到发动机迅速起动,尽量减少未燃混合气进入排气管的目的。 2)基于转矩平衡进行怠速控制,根据怠速转速实时改变发动机的输出功率,当发动机怠速转速小于设定值时,控制系统使其输出功率上升,反之当发动机转速大于设定值时,控制系统使其输出功率下降,使怠速转速稳定在设定的转速下。本控制系统应用智能积分PID控制方法,根据发动机转矩变化,实时调整发动机节气门的开度,从而调整发动机的输出功率,使发动机稳定在设定的怠速转速。 3)瞬态工况应用基于MVEM模型的状态预测器对进气量进行精确估计。由于LPG以气体形式喷入到进气道,所以LPG发动机瞬态工况不需要像汽油发动机对油膜蒸发特性进行


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