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硕士学位论文电控汽油机失火诊断系统研究.doc53页
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硕士学位论文
电控汽油机失火诊断系统研究
随着全球气候的恶化以及能源问题的日益突出，发动机的排放法
规和油耗限制法规也日趋严格，这对汽车的排放控制带来了新的挑
战。对发动机车载诊断系统 OBD 的研究，具有重要的现实意义。
本文以国家科技型中小企业创新项目 发动机通用电子控制单元
UEC功研制及产业化，编号:08e座机电话号码178 为依托，通过对汽
油发动机OBD系统的研究，介绍了OBD系统对节气门位置传感器、
进气温度压力传感器、冷却液温度传感器等基本传感器的检测原理以
及发动机失火监测原理，对传感器的诊断策略进行了分析，对发动机
失火的各种诊断算法进行了全面分析和研究，采用曲轴转速波动法作
为本文的失火诊断算法。
设计开发了开放式ECU以及配套的标定软件，并以此为基础，
搭建起诊断系统试验平台。在该平台上，对所开发的ECU进行了标
定，使其能够顺利控制试验所用的发动机。
在开放式ECU中嵌入OBD的失火诊断功能。为了开展诊断试验，
加入了发动机失火的软件控制功能并在所搭建的试验台上进行了验
证。利用所搭建的诊断系统试验平台，对发动机的部分传感器、执行
器进行了诊断试验，验证了所开发的传感器诊断功能;为了验证所开
发的发动机失火诊断策略，利用标定软件设置发动机失火，同时通过
ECU向故障指示台输出故障参考，将其与失火诊断策略的诊断结果
进行比较，以此验证诊断策略的准确性，统计试验表明，失火诊断的
准确率高于90%。
通过设置不同的失火率，对发动机的排放进行了测试，分析了影
响排放的内在机理。排放的测试结果表明，当失火率由0增大到3.5%
时，尾气中的co、Hc含量分别由0.55%、332ppm上升到4.
正在加载中，请稍后...导读：ECU根据发动机当前工况下相关传感器输入的信号，GW2.8TC型柴油机的进气流量计为HFM6型热膜式，GW2.8TC型柴油机上装有EGR位置传感器，第4章柴油机其他电控系统，柴油机与汽油机一样也有大量的废气生成，发动机的输出功率下降，而且还会使发动机的排放性能恶化，同时为减少再循环废气对发动机进气量的影响，EGR率与发动机的转速、进气量等参数的对应关系经计算、试验确定后，将数据存入到发动机EC
燃油通过共轨上的一个小孔流向共轨压力传感器，有压力的燃油通过一个盲孔到达传感器膜片。一个将压力信号转换为电信号的传感器部件（半导体装置）别安装在此膜片上，传感器产生的信号被输入一个用于放大拾取信号并将它送入ECU的检测回路。
(a) CRPS结构示意图
(b) CRPS内部电路图
图3-4 共轨压力传感器结构示意图及内部
共轨压力传感器的工作过程如下：当膜片形状变化时，连接于膜片的电阻值也将改变。系统压力的建立，导致膜片形状变化，改变的电阻值将引起通过5V电桥的电压变化。电压变化范围为0～70mv(依赖于应用压力)，并且被放大电路增幅至0.5～4.5V。
通过设置共轨压力传感器，可以实现对燃油压力的闭环控制。ECU根据发动机当前工况下相关传感器输入的信号，计算出的理论所需要的轨压，通过调节进油计量比例阀的开度来实现轨压控制，并依靠共轨压力传感器检测当前实际轨压，将其与理论轨压进行对比修正，实现闭环控制。3.4 水温温度传感器（CTS：Coolant Temperature Sensor）
水温传感器安装于节温器下壳体处。水温传感器由NTC（负温度系数）热敏电阻构成，冷却液温度的变化引起电阻值的变化，当水温越低电阻值越大，水温越高电阻值越小，ECU依据接收到的电压值来计算出当前的水温。
3.5 加速踏板位置传感器（APPS：Accelerate Point Sensor）
加速踏板位置传感器的安装位于加速踏板轴上。电位计型加速踏板位置传感器以分压电路原理工作，ECU供给传感器电路5V电压。电子油门踏板通过转轴与传感器内部的滑动变阻器的电刷连接，加速踏板位置传感器的位置改变时，电刷与接地端的电压发生改变，ECU将该电压转变成加速踏板的位置信号。加速踏板位置传感器同时输出两组信号给ECU，保证输出信号的可靠性。
3.6 空气流量计（MAF：Mass Air Flow Sensor）
GW2.8TC型柴油机的进气流量计为HFM6型热膜式，可同时输出空气流量及温度信号，其工作原理与电控汽油机的完全相同。
空气流量计的简单工作原理：为了获得空气流量，传感器元件上的传感器膜片（发热金属铂丝固定在薄树脂上构成）被中间安装的加热电阻加热，膜片上的温度分配被与加热电阻平行安装的2个温度电阻测量；通过传感器的气流改变了膜片上的温度分配，从而使得两个温度电阻的电阻值产生差异，由此对ECU输出一个变化的电压信号；在传感器内部安装有进气温度传感器，用以测量进气温度。
3.7 大气压力传感器（APS：Air Pressure Sensor）
大气压力传感器位于ECU内，其允许的测量误差为±3 kPa，在海平面上大气压力设定值为100 kPa，相应的大气压力传感器的信号电压为4 V左右。
3.8 燃油含水率传感器
如图3-5所示，燃油含水率传感器安装在油水分离器下方，当燃油中的水分在油水分离器内到达传感器两电极的高度时，利用水的可导电性将两电极短路，此时水位报警灯点亮，提示驾驶员放水。其工作原理如图3-6所示。
图3-5 燃油含水率传感器的安装位置
图3-6 燃油含水率传感器工作原理3.9 EGR位置传感器
电位计式，3个接线端子，分别接5V电源线、信号线、搭铁线。
GW2.8TC型柴油机上装有EGR位置传感器，但是不知何故，并没有导线与ECU相连接，实际上是无效的。由于无EGR阀开度位置信号反馈给ECU，所以，无法实现废气再循环的闭环控制。
柴油机其他电控系统
4.1 废气在循环系统（EGR）
柴油机与汽油机一样也有大量的废气生成，废气在循环就是通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应，利用废气中含有大量的惰性气体（CO2、N2、H2O）具有较高的比热容这一特性来降低NOX的生成。
EGR阀及真空执行器安装在进气歧管上，用EGR阀通气管将EGR
阀和进、排气歧管接通。
排气歧管中的废气通过EGR阀进入进气歧管，再进入气缸，实现废气再循环。这种使废气重新进入燃烧室并与新鲜空气一起再次燃烧的方法，是一种有效降低排气中所含NOx的措施。再循环废气由于具有惰性，燃烧速度将会放慢，从而导致燃烧室中火焰温度降低，从而使NOx的生成量减少。
废气再循环中引入的废气量必须适当。若引入的废气量过少，对降低NOx生成量的效果不明显；若引入废气量过多，不仅混合气着火性能变差，发动机的输出功率下降，而且还会使发动机的排放性能恶化。对于废气再循环过程引入的废气量，常用EGR率来表示，EGR率的定义如下：
EGR率=EGR气体流量/（进入汽缸的空气量+ EGR气体流量）×100%
一般的废气再循环EGR率控制在30%以内，同时为减少再循环废气对发动机进气量的影响，有的装有EGR冷却器 ，采用了水冷却的方式。
EGR率与发动机的转速、进气量等参数的对应关系经计算、试验确定后，将数据存入到发动机ECU中。发动机工作时，发动机控制模块根据各种传感器送来的信号，并经过与其内部数据对照和计算修正，输出适当的指令，控制真空调节器来控制EGR阀的开度，以调节废气再循环的EGR率 。
ECU根据空气流量传感器、曲轴位置传感器、冷却液温度传感器等信号给废气再循环EGR电磁阀提供不同占空比控制信号，使EGR电磁阀具有不同的打开、关闭频率，从而得到控制EGR阀不同开度时所需的各种真空度，从而获得适合发动机工况的不同的EGR率。脉冲电压信号的占空比越大，电磁阀打开时间越长，则真空度越大，EGR阀开度越大，EGR率越大；反之，脉冲电压信号的占空比越小，EGR率越小，当小至某一值时，EGR控制阀关闭，废气再循环系统停止工作。
4.2 可变截面增压器（VGT)
柴油机功率的大小，与发动机的进气量有很大的关系，在发动机配置不变的前提下，提高了进气量，才能增大喷油量，从而提高发动机的功率。
在普通的废气涡轮增压器中，涡轮机转子叶片与壳体之间的截面积是固定不变的，在废气冲击下其转速与发动的转速有关。当发动机低转速工作时，废气的动能小，涡轮机的转子转速较低，同轴带动压气机的充气量相对较少，增压后的进气压力较低；而发动机高速旋转时，废气的动能大，同轴带动压气机的充气量相对较多，增压后的进气压力高。这种充气量的差异，限制了发动机中低时速功率的提高。可变截面废气涡轮增压器（VGT--Variable Geometry Turbocharger）正是针对此改进设计的。
VGT可变截面涡轮增压技术是在普通的废气涡轮增压器的基础上，在涡轮侧增加了涡轮转动叶片及调整机构，ECU通过控制VGT电磁阀、膜盒式真空执行器来控制转动叶片的角度。当发动机处于低速运转时，废气的动能较小，膜盒式真空执行器使活动叶片组处于关闭位置，叶片间通道通道截面变小，废气进入涡轮机的速度加大，涡轮机的转速提高，同轴带动压气机使充气量较普通的增压器增多；在高速时让活动叶片组逐步打开，最终至全开位置，使涡轮机转速限制在规定之范围内。如此，可实现发动机在任何的转速下，维持所需要的增压值，消除了传统涡轮增压器低转速时的&涡轮迟滞&现象，保证强劲的动力稳定输出。国产华泰圣达菲已经采用了VGT技术。华泰现代圣达菲2.0L VGT车的百公里油耗仅为6.3L，比同等排量的汽油车省油30%-40%，与1.6升排量轿车相当，并率先达到欧III接近欧IV排放标准，D4EA柴油机在4000r/min时输出的最大功率为92.6KW，最大扭矩在2000r/min时为290N.m，动力强劲可见一斑。下面依华泰现代圣达菲2.0车的D4EA发动机为例简单介绍可变截面增压器（VGT）的工作原理。VGT涡轮侧的结构示意图如图4-1所示。
在涡轮机转子一侧的圆形固定盘上，装有转动叶片组，它的几何位置由ECU通过控制VGT电磁阀、膜盒式真空执行器来控制。如图4-2b所示，当发动机处于中低速时，废气的动能较小，膜盒式真空执行器使活动叶片组处于最大关闭位置，叶片间
通道截面变小，因此废气进入涡轮机的速度加大，从而使涡轮机的转速提高，同轴带动压气机使充气量较普通的增压器增多。
当发动机高速旋转时，废气动能增加，气膜盒式真空执行器推动活动叶片组逐步打开，最终至全开位置，叶片间通道截面增大，导致废气进入涡轮机速度减慢，从而使涡轮机转速降低，同轴带动的压气机使进气量维持在合适的范围内，如图4-2a所示。
图4-1 VGT涡轮侧结构示意图
1.传动拉杆 2.摇臂 3.传动销轴 4.转动叶片组 5.固定盘 6.转动盘 A-接膜盒式真空
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淘豆网网友近日为您收集整理了关于上海帕萨特（B5）2.8V6发动机电子控制喷射系统的检修的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：第四节
发动机电子控制喷射系统的检修一、发动机电子控制喷射系统的组成与原理(一)电子控制模块Motronic发动机管理系统用于单电子控制模块(ECM)的燃油喷射、怠速转速控制、点火和排放控制。ECM根据来自各种输入装置发送的信号连续校正空气/燃油混合气。ECM位于挡风玻璃前罩板下部中央,发动机舱前围板后。电气元件包括输入装置和输出信号装置。输入装置是控制和产生电压信号的元件,电压信号由控制装置监控。输出信号装置是由控制装置控制。电气元件的位置如图6-13所示。图6-13
系统元件位置(2.8 V6)1-绿色加热式氧传感器(HO2S)2线束接头(列1) 2-棕色加热式氧传感器(HO2S)2线束接头(列2)
3-黑色加热式氧传感器(HO2S)1线束接头(列1)4-蓝色爆燃传感器1线束接头 5-发动机冷却液温度传感器 6-二次空气喷射电磁阀 7-节气门控制模块 8-进气歧管调整阀 9-进气温度传感器 10-黑色加热式氧传感器(HO2S)2线束接头(列2)
11-蓝色爆燃传感器2线束接头 12-灰色发动机转速传感器线束接头 13-发动机控制模块 14-燃油调压器 15-凸轮轴位置传感器 16-HO2S1(列2)
17-发动机转速传感器
18-爆燃传感器2
19-凸轮轴调整阀(列2)
20-点火线圈 21-爆燃传感器2
22-喷油器 23-凸轮轴位置传感器(列1)
24-凸轮轴调整阀(列1)
25- HO2S1(列1)
26-接地点 27-质量空气流量传感器 28-二次空气喷射泵 29-燃油蒸发系统炭罐净化调节阀(二)输入装置1、发动机冷却液温度(ECT)传感器ECT传感器位于节温器壳体上。发动机冷却液温度升高时,传感器电阻将降低。ECT传感器信号用于控制点火正时、喷油器脉冲宽度和怠速转速稳定。另外,根据冷却液温度可激活爆燃传感器、怠速空气控制、加热式氧传感器和燃油箱通风。2、凸轮轴位置(CMP)传感器CMP传感器由一个磁铁外壳和集成半导体电路组成。当以凸轮轴转速转动的触发车轮,切割半导体产生的磁场时,将产生电压信号。CMP传感器和发动机转速/参考信号用于识别1号气缸的上止点(TDC)位置以供燃油喷射顺序和点火爆燃调节用。3、曲轴位置(CKP)传感器曲轴位置通过位于发动机气缸体侧的CKP传感器记录。CKP传感器读取曲轴上安装的齿轮。齿轮有2个齿槽,用作曲轴位置的参考点。发动机转速/参考信号用于监控发动机转速并且识别1号气缸的上止点(TDC)的位置。4、加热式氧传感器(HO2S)HO2S由二氧化锆制成。同时内外表面镀上铂。如果燃油混合气稀(氧过量),HO2S将向ECM发送低电压信号(约100mV)。如果燃油混合气浓(缸少氧),HO2S将向ECM发送高电压信号(约900 mV)。5、进气温度(IAT)传感器IAT传感器位于进气歧管侧面。从IAT发送的信号用于稳定怠速并校正点火正时。如果传感器或线束损坏,IAT将使用替代温度值68℉(20℃)。如果这种情况发生,冷起动故障可能发生在温度小于32℉(0℃)时。 6、爆燃传感器爆燃传感器(KS)工作如同话筒“听取”点火爆燃。当发生爆燃时,点火正时将延迟直到爆燃消除。6气缸发动机上,2个爆燃传感器安装在发动机气缸体两侧。爆燃传感器Ⅰ监控1、3和5号气缸。爆燃传感器Ⅱ监控2、4和6号气缸。 7、质量空气流量(MAF)传感器热线质量空气流量传感器用于测量进入发动机的空气流量。MAF传感器安装在空气滤清器壳体上。MAF传感器上的热线温度保持在大于进气温度356℉(180℃)。空气流量增加时,将冷却热线并改变MAF传感器的电阻。产生的电流转变为电压信号,并且被ECM使用以计算进气容积。如果产生MAF传感器信号故障,从节气门位置传感器发送的信号将被替代。8、发动机转速(RPM)传感器RPM传感器是转速和参照标记传感器。如果没有转速信号,发动机不会起动。如果发动机运转时没有转速信号,将立即引起发动机失速。9、节气门位置(TP)传感器TP传感器连在节气门轴上,驾驶员请求提高功率(节气门打开)时,TP传感器通知ECM。在电位计内没有使用怠速和节气门全开开关。ECM通过电位计的输出电压来辨别怠速转速和节气门全开的情况。TP传感器信号用于稳定怠速转速、控制怠速的空气量、切断自燃燃油和节气门全开时加浓。如果TP传感器损坏,ECM将用质量空气流量传感器信号和发动机转速信号作为替代值。(三)输出信号装置输出信号装置主要包括以下一些元件:1、EGR调节器阀2、燃油蒸发(调节器)阀3、喷油器4、汽油泵5、怠速空气控制/稳定阀6、故障指示灯(MIL)(四)燃油系统1、汽油泵用位于燃油箱内的2级汽油泵(一个电动机驱动的2个独立的泵)。一级叶片泵通过滤网从燃油箱底部抽出燃油放入储油器内。叶片泵作为燃油传输泵。二级齿轮泵从储油器底部抽出燃油并输出到燃油管路。2、燃油压力调压器真空膜片式燃油调压器安装于燃油导管燃油回路侧。根据进气歧管压力来调节燃油压力。进气歧管压力变化时,调压器将提高或降低燃油系统压力。3、喷油器通过电源继电器将蓄电池(系统)电压供给喷油器,并且由ECU控制(接地)(见图6-14)。喷油器按气缸点火顺序依次打开。喷油器即时确定燃油量(占空比)。图6-14
燃油系统部件(五)怠速转速控制系统ECM通过怠速空气控制(IAC)阀接地控制电路激活IAC阀。当辨别出电跌缺陷时,将切断输出级并且阀旋转至固定位置。此时允许发动机暖机怠速转速下怠速。(六)点火系统电子点火系统由发动机控制模块(ECM)、凸轮轴位置(CMP)传感器、曲轴位置(CKP)传感器、发动机冷却液温度(ECT)传感器、点火线圈、分电器(如有装备)、质量空气流量(MAF)传感器和节气门位置(TP)传感器组成。点火系统用发动机转速、发动机负荷和节气门位置信号来计算点火正时。当发动机处于冷态需激活爆燃传感器电路时,ECT传感器信号用于校正点火正时。1、凸轮轴位置(CMP)传感器CMP传感器由一个磁铁外壳和集成半导体电路组成。当以凸轮轴转速转动的触发车轮,切割半导体产生的磁场时,将产生电压信号。CMP传感器和发动机转速/参考信号用于识别1号气缸的上止点(TDC)位置以供燃油喷射顺序和点火爆燃调节用。2、爆燃传感器爆燃传感器(KS)工作如同话筒“听取”点火爆燃。当发生爆燃时,点火正时将延迟直到爆燃消除。6气缸发动机上,2个爆燃传感器安装在发动机气缸体两侧。爆燃传感器Ⅰ监控1、3和5号气缸。爆燃传感器Ⅱ监控2、4和6号气缸。(七)排放物控制系统1、排气再循环(EGR)系统排气再循环系统由EGR阀EGR调节阀和EGR温度传感器组成(见图6-15)。当发动机冷却液温度达到122℉(50℃)时,将激活 EGR 系统。系统再循环少量排气进入空气/燃油混合气中,以降低氮氧化物(NOX)排放物。图6-15
EGR系统部件(1)EGR调节阀EGR调节阀安装在进气歧管的后部。调节阀控制供给EGR阀的真空量。ECM根据发动机转速和负荷控制调节阀的接地电路。这样,ECM控制进入发动机再循环1播放器加载中，请稍候...
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发动机电子控制喷射系统的检修一、发动机电子控制喷射系统的组成与原理(一)电子控制模块Motronic发动机管理系统用于单电子控制模块(ECM)的燃油喷射、怠速转速控制、点火和排放控制。ECM根据来自各种输入装置发送的信号连续校正空气/燃油混合气。ECM位于挡风玻璃前罩板下部中央,发动机舱前围板后。电气元件包括输入装置和输出信号装置。输入装置是控制和产生电压信号的元件,电压信号由控制装置监控。输出信号装置是由控制装置控制。电气元件的位置如图6-13所示。图6-13
系统元件位置(2.8 V6)1-绿色加热式氧传感器(HO2S)2线束接头(列1) 2-棕色加热式氧传感器(HO2S)2线束接头(列2)
3-黑色加热式氧传感器(HO2S)1线束接头(列1)4-蓝色爆燃传感器1线束接头 5-发动机冷却液温度传感器 6-二次空气喷射电磁阀 7-节气门控制模块 8-进气歧管调整阀 9-进气温度传感器 10-黑色加热式氧传感器(HO2S)2线束接头(列2)
11-蓝色爆燃传感器2线束接头 12-灰色发动机转速传感器线束接头 13-发动机控制模块 14-燃油调压器 15-凸轮轴位置传感器 16-HO2S1(列2)
17-发动机转速传感器
18-爆燃传感器2
19-凸轮轴调整阀(列2)
20-点火线圈 21-爆燃传感器2
22-喷油器 23-凸轮轴位置传感器(列...
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浏览：24次空燃比传感器是检测汽车废气λ值的器件，在汽车节能和减少污染方面起着关键的作用。传感器的微型化集成化是当今信息传感领域的研究热点。该成果用离子束增强沉积、微电子平面工艺等高技术和多元掺杂金属氧化物半导体薄等新材料实现了空燃比传感器的微型化集成化。与现有的空燃比传感器相比，具有灵敏度高、结构简单、成本低廉等优点。技术指标为：灵敏度：在λ＝１附近阻抗突变接近五个数量级；响应时间＜１００毫秒；恢复时间＜２００毫秒；功耗１９０毫瓦；稳定性：经老化处理后工作５００小时漂移＜２０％，达到世界先进水平。该成果的创造性是建立了一种现场多元掺杂薄膜生长新工艺。掺杂是改善半导体传感器性能的有效手段。但薄膜的多元掺杂是一个尚未解决的难题。该成果用多元组合靶和离子束增强沉积技术很好地解决了这个难题。其特点是不用制备确定掺杂率的溅射靶，只须将纯净的基体和多元掺杂体组成多元组合靶和调节仪器参数就可获得掺杂率可调并严格可控的半导体薄膜。已获中国专利授权。该成果转化为生产力后可形成上亿元的产业。采用该传感器后每辆汽车可降低成本数十元，中国年产汽车约百万辆，即可降低成本数千万元。其经济效益和社会效益均十分可观。
空燃比传感器能在较大的范围内检测混合气的浓度,使发动机电控系统的空燃比反馈控制更加精确和迅速.但由于其结构、工作原理、信号特征与传统的氧传感器有很大的差异,因此其检测方法也完全不同.本文分析了空燃比传感器的结构和原理,并详细论述这种传感器的控制电路、信号特征和检测方法.
提出一种同时使氮氧化合物(NOx)和碳氢化合物(HC)转换效率最大化的新型排放控制系统.使用线性氧传感器测量三元催化剂上游和下游的空燃比.在控制装置中,前控制器在测量废气空燃比的基础上对干扰做出快速反应,而后控制器利用上游和下游氧传感器的空燃比测量值为偏离的废气空燃比测量做出补偿.最后使用MATLAB软件对该装置进行了仿真分析,结果表明使用这种控制系统的车辆尾气排放可以达到欧-Ⅲ标准.
为了降低汽油机的有害排放物和燃油消耗以满足日益严格的排放法规要求，目前电喷汽油机广泛采用电子控制燃油喷射和排气催化反应技术，当实际空燃比在理论空燃比附近时，三元催化转化器才能对汽油机尾气中的三种典型污染物进行高效率的净化。汽油机是一个具有很强的非线性和多扰动的系统，其工作时各种参数随着输出功率、转速及环境状况的变化而变化，要精确控制汽油机在过渡工况过程中的空燃比比较困难。在过渡工况时，由于燃油的流动特性，进气流量和进气管内油膜特性会发生变化，从而影响了空然比控制的精度。因此，精确控制汽油机在过渡工况过程中的空燃比变化，使三元催化器在理论空燃比附近工作，是降低汽油机排放的关键。
本文分析了汽油机过渡工况空燃比的控制方法，分别介绍了pid控制理论和智能控制理论在汽油机空燃比控制中的应用，研究了pid控制理论和智能控制理论的优点与不足，并分析了其发展趋势与应用前景。利用simulink软件，建立了基于hendricks平均值模型的汽油机仿真模型，并对进气管内油膜动态特性进行了仿真研究。分析了影响汽油机过渡工况进气流量的各种工况参数，提取了特征参数并建立了bp神经网络信息融合预测模型。通过对汽油机加减速工况试验数据进行仿真，结果表明，该方法能够准确地实时预测汽油机过渡工况的进气流量，同时能够消除空气流量传感器的滞后特性。提出一种基于rbf神经网络的空燃比预测方法，比较了不同拓扑结构的神经网络对空燃比预测精度的影响，结果表明，本文提出的rbf空燃比预测模型能高精度的预测空燃比的实际动态过程。
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煤层气发动机电控系统的开发对于改善发动机的动力性、经济性和排放性能具有重要的意义。空燃比反馈控制系统中传感器的建模和面向控制的发动机建模，是煤层气发动机控制系统分析和设计过程中的基本研究内容，是电控单元控制软件优化设计和控制策略开发的基础。
本文对煤层气发动机空燃比控制中的若干问题进行了研究，主要内容如下：
(1)依据废气氧(ego)传感器静、动态标定实验数据，基于两步辨识法进行了ego传感器hammerstein模型的动态建模研究。通过考虑激励信号的延迟并利用相关分析法，对不同实验条件下的传感器激励信号进行了估计。采用基于最小二乘的损失函数法，确定了不同温度下传感器正、负阶跃响应的纯延迟。采用交叉准则法，基于不同误差准则确定了相应延迟下haminerstein模型动态线性环节的模型结构和阶次。考虑ego传感器动态非线性、延迟时间与温度的关系，以bj(box-jenkins)模型作为动态线性环节，基于预报误差准则，采用交叉验证法，建立了ego传感器正、负阶跃响应的统一hammerstein模型。根据所建模型，分析ego传感器时域、频域特性。
(2)基于进气平均稳定流动的假设，采用速度一密度法，利用煤层气发动机台架实验数据，采用平均值、多项式和模糊神经网络建模方法，建立了用于稳态空燃比前馈控制的递阶模型，并通过该模型生成三维初始控制脉谱，解决了非实验工况点的数据产生问题。通过仿真和发动机稳态控制实验，对模型和初始控制脉谱进行了验证。
(3)为了校正初始控制脉谱中的偏差，采用迭代学习控制技术，研究了基于双阀调节的稳态空燃比自学习校正算法。基于所建的过量空气系数anfis模型，考察了不同迭代学习律的收敛性能和空燃比校正效果。仿真结果表明，模糊自适应整定pid学习律比pid学习律和模糊学习律具有更好的效果。
(4)根据动态工况实验数据，建立了面向控制的煤层气发动机动态模型，研究了线性神经网络模型、anfis模型和块连模型的动态建模问题，并对这几种模型进行了验证和比较。基于空燃比前馈一反馈控制结构和煤层气发动机动态模型，前馈控制采用基于平均值模型的控制算法，反馈控制采用pid控制算法，进行了瞬态空燃比控制仿真。
将先进的控制理论用于lpg发动机的空燃比控制，对于改善lpg发动机的工作性能和充分发挥气体燃料的低排放优势具有非常重要的意义。相关传感器的建模和控制算法的研究，是lpg发动机控制系统分析和设计过程中的重要研究内容，为后续电控单元的优化设计和控制系统仿真模型的开发奠定了基础。
本文研究的主要内容如下：首先，在自行设计的歧管绝对压力(map)传感器标定实验台上，对传感器进行了静、动态标定。根据静态标定数据建立了其静态线性模型；根据map传感器在不同方向和不同幅值激励下的阶跃响应信号，建立了map传感器的动态线性模型。
接着，在发动机实验台上，对废气氧(ego)传感器进行了静、动态标定实验，并研究了ego传感器在不同温度下的静、动态特性。采用基于最小二乘的分段多项式，建立了不同温度下ego传感器的静态模型。针对温度对废气氧传感器输出的影响，建立了带温度校正的ego传感器非线性回归模型。根据不同方向和不同幅值激励下的传感器响应信号，建立了动态非线性hammerstein模型。根据传感器延迟时间与温度的关系，得到了可通过温度校正延迟的hammerstein模型。
然后，进行了大量lpg发动机的稳态工况实验。根据实验数据，采用速度－密度法，建立了面向控制的空燃比平均值模型。通过仿真计算，由前馈模型得到了用于燃气阀位置和空气阀位置控制的查询表，为电控单元的设计提供了基本控制参数。
最后，采用前馈+反馈控制方案，进行了lpg发动机稳态空燃比控制的仿真研究。其中，前馈环节采用基于模型的控制，而反馈控制则分别采用pid控制算法、模糊控制算法以及改进的pid模糊控制算法。仿真结果表明，基于所建立的空燃比前馈控制模型，当反馈控制器采用pid算法与模糊控制算法时，均能有效地控制lpg发动机的空燃比，而模糊自适应整定pid控制算法则效果更佳。
日益严格的排放法规和车载诊断的要求以及高性能微控制器的出现，推动了观测器理论在发动机控制中的应用。观测器本身是一种嵌入在控制策略中的算法，用来提供控制律所需要的状态估计，由于不需要等待来自传感器的测量信号，通过重构延迟之前的状态参数，消除了因传感器和抗混叠滤波器的响应特性以及信号处理所带来的延迟，使得瞬态工况下的测量结果更接近于被测量的实际变化状态，为实现不同工况下空燃比的精确控制创造了条件。观测器及相关算法研究，是开发煤层气发动机电控系统的重要研究内容。将观测器理论应用于煤层气发动机空燃比控制中的相关参数的预测，对于改善发动机的动力性、经济性和排放性能具有重要的意义。
本文基于相关的观测器基本理论，对煤层气发动机空燃比控制中的观测器进行了研究，主要内容如下：
(1)建立了基于平均值模型的进气歧管动态方程，根据发动机稳态和动态工况实验数据，辨识了模型参数并构建了观测器状态空间方程。采用极点配置法，确定了误差反馈矩阵，构建了线性歧管压力观测器。采用多组节气门正负阶跃变化的实验数据，对线性观测器的观测效果进行检验和分析。结果表明，通过选用恰当的极点来形成合适的反馈矩阵，使得线性歧管压力观测器在一定的变工况条件下具有良好的预测和噪声抑制能力。
(2)为了改善观测器的鲁棒性，构建了基于等速趋近律的歧管压力非线性滑模观测器，采用检验线性观测器相同的歧管压力瞬变数据检验其观测效果，并与线性观测器进行了比较。结果表明，非线性滑模观测器的性能要优于线性观测器。根据卡尔曼滤波特性，选取系统的状态噪声矩阵矢量协方差阵和观测噪声矢量协方差阵，建立了基于扩展卡尔曼滤波算法的歧管压力观测器，研究了滑模观测器和基于扩展卡尔曼滤波器的观测器之间在观测效果上的差别。结果表明，基于扩展卡尔曼滤波器所建立的观测器可以获得更加平滑和洁净的信号。
(3)针对煤层气发动机预混合双阀控制的特点，采用前馈+反馈的空燃比控制方案，考虑进气流和氧传感器的动态特性，建立了静态前馈查询表和空燃比复合动态模型，设计了可同时估计前馈控制输入(空气流量、燃气流量)和被控对象输出(过量空气系数)的闭环滑模观测器，分别研究了等速趋近律、指数趋近律、幂次趋近律和一般趋近律下观测器的观测效果。结果表明，基于指数趋近律的观测器效果最佳。
(4)仍采用上述的控制结构和空燃比复合动态模型，选用某一组动态工况数据来计算状态噪声矢量协方差阵和观测噪声矢量协方差阵，构建了基于扩展卡尔曼滤波(ekf)算法的空燃比闭环观测器，研究了观测器的观测效果，并与滑模观测器的观测效果进行了比较。结果表明，由于基于扩展卡尔曼滤波器的观测器引入了观测噪声的校正项，并通过递推计算更新状态估计值，使得它具有更高的鲁棒性和良好的噪声抑制能力。与滑模观测器相比，计算量较小，更适合进气流量和排气空燃比的在线估计。
为实现良好的动力性、经济性，并满足日益严格的排放法规要求，空燃比的精确控制已成为现代车用汽油机控制的最关键技术。传统的控制策略是依靠先验知识并通过大量的标定试验获取控制参数表，发动机运行时完全依赖查表获得控制参数。采用基于模型的控制策略和算法实现发动机稳态和瞬态运行时空然比的精确控制，不但可以大大减少电控系统开发过程中标定试验的工作量，而且可以提高系统的鲁棒性。
本文在详细分析电控进气口多点喷射汽油机的进气过程和进气管油膜蒸发动态过程的基础上，构建了包含实际物理信息的发动机进气模型和进气管燃油动态模型，进而形成完整的空燃比均值模型。在进气模型中采用压力损失项和发动机固有的结构设计参数代替了传统速度－密度模型中的充量效率，不但有利于控制系统软件设计而且可以减少针对不同类型发动机的标定试验工作量。对于燃油动态模型中的油膜蒸发参数，采用理论分析结合计算机仿真的方式给出了简单、有效的参数标定方法。为了验证均值模型，文中构建了发动机复杂非均值模型。通过台架试验，对均值模型参数进行了辨识并对非均值模型进行了验证，而后采用复杂模型验证简单模型的仿真验证与台架试验验证相结合的方法对均值模型进行了验证。结果表明：本文建立的均值模型具有较高的精度且结构简单，能够满足空燃比实时控制的要求。
在深入分析汽油机进气压力传感器信号的基础上，基于频谱特性确定了信号采集算法。根据稳态工况下精度高、瞬态工况下响应快的空燃比控制要求，并综合考虑实际传感器特性，构建了发动机稳态及瞬态时的进气状态观测器和燃油动态补偿器，以此形成基于模型的空燃比控制策略。通过卡尔曼滤波算法的理论分析和大量的仿真试验，建立了稳态进气观测器的改进sage自适应算法和瞬态进气观测器的预测算法。
为验证本文建立的控制策略和算法，针对wf4c27f-e型汽油机设计了控制器及标定系统软硬件，其中控制器软件设计基于嵌入式操作系统smartosek进行。试验结果显示：本文提出的基于模型的控制策略和算法可以满足汽油机空燃比精确控制的需要，稳态工况时控制误差小于3％，瞬态工况时小于6％。
现有的小型汽油机电控燃油喷射系统在发动机过渡工况空燃比的精确控制方面仍然存在不足之处.要对电喷系统作出有效的改进,充分挖掘电喷技术在减少有害排放和提高燃油经济性方面的潜力,就需要对小型汽油机过渡工况空燃比控制问题进行大量的基础研究工作.
进气道油膜的动态特性是影响汽油机过渡工况空燃比控制精度的一个主要原因.本研究以CGL25电喷发动机为研究对象,采用基于X-τ油膜模型的方法对进气道油膜特性进行了实验研究.
首先,本研究通过实验设计标定得到了宽域氧传感器(UEGO)的时间常数和空燃比传输延迟时间常数,以消除UEGO传感器的响应滞后和空燃比延迟对空燃比测量值的影响；通过实验找出不受冷却风条件变化影响,能够较准确地表征油膜模型参数受温度影响程度的发动机温度测量点.然后,设计了"燃油阶跃响应法"对X-τ油膜模型参数进行实验标定,即稳态工况下固定发动机转速和负荷,引入喷油脉宽的阶跃输入来激发油膜的动态特性,对UEGO传感器输出的空燃比响应曲线和根据X-τ油膜模型预测得到的空燃比响应曲线进行最小二乘法拟合,计算出模型参数X和τ,得到了油膜动态特性随发动机各运行参数变化的规律.最后,本研究应用X-τ油膜模型和对模型参数的实验标定结果进行了过渡工况油膜动态特性的补偿实验,取得了十分明显的空燃比控制效果.
煤层气作为一种新型清洁能源，是替代汽油的发动机理想代用燃料，电控技术是满足煤层气发动机动力性、经济性和尾气排放均衡优化控制要求的有效手段。空燃比控制是煤层气发动机综合控制的主要研究内容，对于改善燃烧品质，充分发挥煤层气燃烧特性的优势和低排放的效果具有重要的意义。
本文全面介绍了作者围绕煤层气发动机空燃比控制相关问题开展的一系列研究工作。所取得的研究成果体现在以下几个方面。
(1)提出了煤层气发动机电控化改造的双阀空燃比控制方案，将压燃式发动机改造成点燃式煤层气发动机，研制了所需的各种辅助和实验装置，并进行了不同工作条件下的大量实验。
(2)基于稳态工况实验数据，结合发动机物理特性，建立了煤层气发动机系统的平均值模型。借助于matlab/simulink工具，形成图形化的仿真模型，利用不同工况下的实验数据对所建模型进行了检验。
(3)分别研制了发动机歧管绝对压力(map)传感器和热式空气质量流量(maf)传感器静、动态标定实验台，建立了废气氧(ego)传感器标定实验装置。研究了空燃比前馈一反馈控制系统中4种关键传感器的特性。基于两步辨识法建立了热线式、热膜式maf传感器和ego传感器块联结构的动态非线性模型。
(4)基于进气平均稳定流动的假设，利用发动机台架实验数据，建立了用于稳态空燃比前馈控制的递阶模型，并通过该模型生成三维初始控制脉谱图，解决了非实验工况点的数据产生问题。采用迭代学习控制技术，研究了基于单阀调节和双阀调节的稳态空燃比校正算法，考察了不同算法的收敛性能。
(5)针对控制输入和输出之间的动态非线性关系，基于发动机进、排气延迟过程，构造滑模观测器，同时观测进气空气流量、燃气流量和排气空燃比，并得到动态工况实验数据的验证。提出了煤层气发动机神经网络与pid并行控制的空燃比控制结构，研究了瞬态空燃比控制算法，并通过了仿真验证。
随着社会的全面发展，环境污染和石油危机两大问题已经成为当前人类所面临的两大主要问题。为了减少有害排放和降低能耗，世界各国都在积极开发新能源，寻找代用燃料。天然气以其良好的可获得性、低污染性和经济性同益受到世界各国的重视，所以天然气为燃料的发动机也因此成为内燃机领域最热门研究方向之一。
本文的研究工作是“重型商用车cng发动机产品开发”中的一部分研究内容，该项目属于国家高技术研究发展计划(863计划)。该课题以wd615增压柴油机为原型机，开展了气体燃料发动机电子控制理论和关键技术的研究工作。该项目是一个持续的长期的项目，而且正处于不断的完善之中。本文就是在前期课题所开发的电控系统的基础上开发了空燃比闭环控制系统。之所以要开发该系统的目的就是为了精确控制空燃比，以达到进一步改善cng发动机排放性能和经济性能的目的。
在深入分析单燃料cng发动机的空然比闭环控制策略的前提下，本文确定了智能式pid控制为核心的空燃比闭环控制总体设计方案。并进行了传感器性能分析，在此基础上通过模块化设计出了宽域氧传感器控制器。在进行完所有设计工作和准备工作以后，本文又进行了大量实验工作，通过实验数据不仅证明软硬件部分工作正常达到预期目的，而且还验证了本文所开发的空燃比闭环控制系统确实对发动机的排放性能和经济性能有明显的改善。
对过渡工况的空燃比进行控制，以消除过渡工况中实际空燃比相对于目标空燃比的偏离，是保证车用汽油发动机的排放满足日益严格的排放法规要求，并使其在动力性和经济性方面都具有良好的综合性能的一个关键问题。
本文分析并给出了车用汽油发动机进气流动模型、油膜模型在实际控制应用中的表达形式。在节气门体进气流量模型中，考虑了怠速旁通通道流量的影响。在缸内进气流量模型中，考虑了影响充气温度的因素。同时，将进气流量的计算统一表达成充气效率与由气体状态方程求得的气体质量相乘的形式，将进气流量的标定转化为对充气效率的标定，充分体现了其物理模型的实质，而且也简化了用于不同发动机时的标定工作。在油膜模型中，提出了油膜循环再蒸发比例系数的概念，使得油膜特性参数都简化成无量纲比例数，简化了油膜模型特性参数涉及的各项计算。
给出了进气流动模型中充气换热系数和充气效率的标定方法。初步分析了发动机的工况参数对于油膜特性参数的影响，提出了基于理论分析的油膜特性参数标定试验方法和参数调节方法。
基于模型，对车用汽油发动机在稳定工况和过渡工况下的进气流量的计算进行了全面的分析，并确定了相应的计算方法。通过对油膜质量和喷油脉宽补偿计算的推导和分析，总结出了适用于各种工况的喷油脉宽补偿算式。该算式既体现了基于模型的物理意义，同时又摆脱了对微分方程求解的依赖，模式简便、计算量少，便于在实际控制中应用。
集成了一个低成本的、过渡工况空燃比是基于模型控制的、可在实际中应用的EFI系统。系统配置、软硬件设计等都能够满足实际应用的要求。在进气压力的测量方法上考虑了在过渡工况下采样的精度；在节气门位置传感器信号的处理方面，可满足系统对于变工况下的快速响应要求。在各项试验和三种发动机的应用中，所设计系统的功能得到了较为全面的验证；其对过渡工况空燃比的控制效果是令人满意的；发动机的排放能够很好地满足现行排放法规的要求。
为了满足越来越严格的尾气排放要求，必须在为发动机开发清洁、经济气体燃料的同时，精确控制空燃比。本课题研究开发了LPG发动机的空燃比控制系统。该控制系统采用开环和闭环相结合的方式对LPG发动机的空燃比进行控制，并且应用模糊控制理论，实现PID控制参数的在线调整，使系统获得响应速度快和超调量小的控制效果。
　　首先，在开环控制部分，如果发动机发生突变，系统利用制好的二维MAP图查找所需喷气量，快速跟踪发动机喷气量的变化。
　　其次，在闭环控制部分，系统将氧传感器的信号转换成模糊语言，通过模糊推理得到合适的PID控制参数KP、KI和KD，然后将它们代入增量式PID控制中计算出喷气变化量，从而得到合适的喷气量。
　　此外，本课题利用上下位机的通信，设计了LPG发动机的监控系统。当发动机运行时，上位机可以显示并存储下位机上传的数据。在必要的时候，上位机还可以对发动机进行控制，这为本课题的研究起到了很大帮助作用。
　　经过实验证明：当发动机发生突变时，本控制系统的调整时间为1-2秒，超调量为3％，与文献[20]所研究的控制系统相比，在调整时间上，本系统提高3-4秒，在稳定性上，两系统的超调量相近；与文献[26]BRITISHLEYANGDCFI发动机相比，本系统的调整时间慢了0-1秒，而超调量缩小5倍。所以，从总体上说，本控制系统在调整时间和稳定性上都取得较好效果，改善了发动机的燃烧情况，为后续这方面的研究打下了基础。
随着能源形势的急剧变化和污染问题的同益严重，全球能源问题和汽车排放问题越来越受到国际社会的广泛关注。在能源结构变化和环境保护双重呼唤下，内燃直线发电集成动力系统应运而生，它本身所具有的特点能够实现汽车的节能环保，可以作为下一代混合动力车辆的动力源。
本论文依据系统中自由活塞发动机对控制系统的实时性要求和适用原则，主要完成了下述研究工作：
研发了自由活塞发动机样机的喷油模块和点火模块及其控制器，主要包括ecu及其附属电路、各传感器信号采集处理电路、喷油模块及点火模块电路设计。
设计开发了喷油器流量特性测试装置及测控界面，测定了不同燃油的电控喷油器流量特性，通过修正非线性段的流量值，在喷油器动态流量范围内，给出了指定脉宽下的喷油量计算公式。
研究了自由活塞发动机稀薄燃烧控制策略，采用缸内燃烧压力传感器检测燃烧压力信息，通过软计算控制方法，设计了虚拟氧传感器，利用其对空燃比进行调节，控制自由活塞发动机的燃烧过程，达到减少污染和节约能源的双重目的。
设计了点火时刻控制方案并对其进行了仿真计算，在点火时刻控制策略中应用缸内燃烧压力信息和活塞位移信号计算发动机指示功，实时修正发动机点火时刻。仿真结果表明了该控制策略的可行性和有效性。
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。
将基于观测器的滑模控制理论应用于煤层气发动机的空燃比控制,对于改善发动机的工作性能和充分发挥气体燃料的低排放优势具有非常重要的意义.相关传感器建模和控制算法的研究,是煤层气发动机电控系统的重要研究内容.本文基于此目的,做了如下工作:
首先,在热膜式空气质量流量传感器标定实验台架上,对传感器进行了静、动态标定实验,并主要针对arx、hammerstein和wiener以及线性神经网络模型,对热膜式传感器进行线性及动态非线性辨识.对于线性神经网络模型,通过改变延迟来使其模型拟合精度达到最高.对于haremerstein和wiener模型,对线性环节部分采用不同算法进行阶次选择,采用oe或arx模型结构,用多幅值输入实现块联模型线性环节的估计;再结合多项式辨识,实现非线性环节参数估计.该方法物理意义明显,计算简单且易行.
接着,设计并实现燃气发动机进气岐管压力基于状态观测器估计方法.首先根据平均值模型建立进气歧管动态方程,再进一步构造线性及非线性滑模观测器,使用matlab进行计算机仿真,结果表明线性观测器估计较为精确,但滑模观测器估计精度更高.
然后,采用前馈+反馈的空燃比控制方案,再建立进气流量动态模型及氧传感器动态模型,在此基础上构造滑模观测器以对空气流量、燃气流量以及空燃比进行估计,采用多组数据以及不同的滑模观测器参数,仿真结果表明观测器具有较好的鲁棒性及收敛性,滑模参数过大会导致震动产生,适当减小参数可以减小观测误差,提高估计精度.
最后,基于如前所述的空燃比控制结构,前馈环节仍采用基于煤层气发动机稳态工况实验数据制作的空燃气流量脉谱,在反馈环节加入控制器,以对空燃比进行精确地控制.其中反馈控制器分别采用pid控制、smc控制、rbf神经滑模控制算法,首先采用两组不同数据分别对三种控制器的跟踪性能进行比较,结果表明基于观测器的空燃比反馈控制效果较好,均能有效地将空燃比控制在理想值附近.此外,又对三种不同控制器的抗扰能力加以分析,因此在前馈环节中加入干扰,仿真表明pid控制无法同时兼顾跟踪与扰动抑制的功能,而smc控制及rbf神经滑模控制在跟踪响应速度、超调量及抗扰性能方面均优于pid控制,因此smc控制及rbf神经滑模控制更加适用于本文所提出的煤层气发动机空燃比控制结构.
本研究的目标是联合使用高过滤效率的红外再生微粒陶瓷过滤器和废气再循环(EGR),同时降低柴油机的微粒排放和NOX排放.试验结果表明:本文研究开发的柴油机微粒陶瓷过滤器平均过滤效率在95﹪以上,达到欧Ⅲ及以上微粒排放标准;基于宽范围氧传感器(UEGO)的闭环控制柴油机EGR系统能有效地降低NOX排放,NOX的降低率最高可达42﹪,平均降低率约为30﹪.首先通过试验对柴油机微粒过滤器的过滤特性和再生特性进行了基础研究.通过调整加热器流通孔的分布密度和调整电热丝在辐射盘上的分布密度,以及采用双层壳体过滤器,过滤器再生性能综合指标得到进一步提高.从多孔介质理论出发,推导了壁流陶瓷压力降与柴油机运行参数间的关系.由试验数据应用线性回归解出待定系数,得到壁流陶瓷压力降与柴油机转速和排气温度的关系.由上述关系确定的再生时机能将微粒物质量控制在适当的范围内,解决了实际应用中过滤器再生时机的确定这一关键技术难题.从流体力学基本原理出发,结合柴油机的特点,推导出了再生调节阀开度与负荷、排气温度和背压间的函数关系.在微粒过滤器的基础上,建立了具有清洁再循环废气的、基于宽范围氧传感器(UEGO)的闭环控制柴油机EGR系统.在柴油机稳态工况下,通过试验测定了不同空燃比时,NOX、HC、C0、烟度和油耗的变化.通过对测试数据的分析,确定了最佳空燃比MAP.应用系统辨识的理论和方法,通过离线参数估计,建立了以EGR阀开度为输入、以空燃比为输出的EGR系统的动态数学模型.检验结果表明,模型充分表达了系统的动态特性,具有较高的精度,为控制器的设计和分析奠定了基础.在EGR系统模型的基础上,根据控制系统的频域理论,采用频域法设计了鲁棒SMITH预估控制器.仿真和试验结果表明控制器动态性能良好,且对参数的变化具有很强的鲁棒性.结合EGR系统自身的特点,设计了具有自学习机制的EGR系统控制模式.选用80C196KB单片机作为控制器核心,设计了柴油机微粒过滤器和EGR系统两者整合后的一体化控制器.一年多的使用情况表明,控制器的设计是成功的,抗干扰能力强、工作可靠稳定,完全满足车用环境的要求.
电控系统作为减少发动机尾气排放，提高燃油效率最有效的技术手段之一，已被广泛应用到汽车控制系统中，考虑到成本价格、结构等因素，国内中小排量摩托车发动机长期以来仍以化油器式系统为主。随着发动机尾气排放国Ⅲ标准的推出及实施，必须研制出具有自主知识产权的摩托车发动机电控系统。　　
本文采用一种仿真技术对摩托车发动机的电子控制系统进行了仿真与实验研究，其中应用平均值理论建立了发动机模型。模型主要由三个子模块构成：进气系统、燃油(油膜)系统及动力输出系统。通过对模型进行仿真运算，分析比较了发动机节气门开度、进气歧管压力、进气歧管空气流量、缸内进气流量、转速、空燃比及输出扭矩等参数的变化规律。在此发动机模型的基础上，建立了基于故障容错性的发动机空燃比控制器模型，对该模型在不同传感器发生故障时的EFI系统空燃比控制进行了仿真研究，结果表明该模型能够在传感器发生故障的情况下，对空燃比进行有效控制。　　
本文还引入了怠速控制器模块实现发动机怠速工况初步控制策略。怠速控制器采用模糊-PID算法建立，通过模糊理论对PID控制参数进行实时修正来控制步进电机步进数，进而保证怠速控制的稳定性。　　
文中应用FLUENT软件对喷油器在不同喷射角度下进气道喷雾形态进行了数值分析研究，为化油器供油系统改造为进气道喷油系统提供了理论分析依据。此外，本文还进行了摩托车发动机电控系统的试验研究，为发动机平均值模型及怠速控制器仿真分析提供了试验验证。　　
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