近四十年来,随着能源紧缺与环境污染两大问题日益严峻,世界各国相继制定越来越严格的汽车发动机燃油经济性法规和尾气排放法规。在一系列国家强制实行的汽车与发动机国家标准的推动下,发动机控制系统发生了巨大的变化,同时也促进了现代汽车技术的飞速发展。目前,提高车用发动机经济性和排放性的技术层出不穷,其中应用最为广泛的是将电控燃油喷射系统与三效催化相结合的技术,仅当发动机空燃比在理论值附近时三效催化器对排放污染物具有最优化的转换效率。现有的电控燃油喷射技术能在稳态工况下保证了车用发动机的空燃比控制在理论值附近,使三效催化器发挥出其最优化的转换效率,从而取得良好的经济性与排放性;但是在瞬态工况下由于空燃比偏离理论值较大使其控制难以达到要求,所以无法发挥三效催化器应有的作用,导致发动机排放性能不尽人意。因此,控制发动机瞬态空燃比,提高三效催化器转化效率,已经成为进一步降低发动机排放污染与保护环境的一个关键技术,并得到研究工作者的高度重视。尤其在今后几年我国即将实行的欧Ⅲ和欧Ⅳ排放法规中,增加了瞬态工况下的有害排放物限值,对瞬态空燃比控制将会有更高的要求。为此本文针对瞬态空燃比控制,建立以平均值模型为基础的车用发动机瞬态空燃比控制模型,通过模型仿真运算,深入分析与研究瞬态空燃比控制策略,为发动机空燃比控制提供新的思路,为改善发动机瞬态工况下的性能开辟新的途径。论文首先介绍车用发动机电控燃油喷射系统的发展过程和现状,探讨电控燃油喷射技术的优势和瞬态工况下空燃比控制的不足之处以及产生原因。介绍了国内外电控燃油喷射技术的新动向,在比较分析几种不同技术应用的优缺点之后,提出基于平均值模型的方法进行瞬态空燃比控制方案。对平均值模型的燃油蒸发子模型、进气通道子模型和动力输出子模型的进行详细分析和推导,通过燃油湿壁效应补偿改进模型,在保证控制精度的条件下建立并完善车用发动机瞬态空燃比控制模型。在发动机空燃比控制模型实用化过程中,通过发动机台架标定试验,选取尽可能多的标定试验工况,来确定控制模型中的一些未知参数,获得模型参数的三维脉谱查询图;为进一步提高控制模型运算精度,应用MATLAB软件中的Polyfit函数和神经网络技术进行数据处理,获取非标定试验工况下的模型参数,细化模型参数的三维脉谱查询图。然后分析电控发动机瞬态过渡工况下空燃比的控制策略,以原机空燃比的控制为基础,设计出两种新的发动机瞬态空燃比控制方案。一方面从硬件上考虑,在主节气门后增设辅助节气门。增加辅助节气门的目的是调节进气量,以适合在加速瞬态工况下,由于油膜的形成,实际进入气缸的燃油量少于ECU计算并输出的喷油量状态;另一方面从软件上考虑,增设发动机进气量与燃油供给量的预测控制。在瞬态工况下,以发动机运行的当前工作循环为基础通过现代控制理论中的常增益扩展卡尔曼滤波器运算来预估下一工作循环的进气量,以此进气量为依据,经计算并查表获得相应喷油量,并同时将节气门开度信号和喷油信号输出给发动机,达到空燃比的精确控制。最后,对包括原机控制的三种控制方案进行瞬态空燃比模型控制仿真运算,结果表明:以原机为瞬态空燃比控制基础的辅助节气门控制和预测控制在瞬态空燃比的响应上均优于原机控制。两种控制方案各具特点,在瞬态空燃比控制方面,预测控制发动机具有非常明显的竞争优势;从瞬态控制发动机综合性能优化上,辅助节气门发动机具有更好效果。综上所述,车用发动机瞬态空燃比控制的研究是节能和环保发展的必然趋势,本文的研究结果将为新产品新部件的开发与研制提供技术支持与有效帮助,辅助节气门控制可以为可变定时凸轮和无凸轮电子进排气门的研究提供理论依据;预测控制可以为瞬态空燃比控制的电子节气门研究提供理论依据。因此,车用发动机瞬态空燃比控制的研究具有较高实用价值和深远理论意义。
