11緒言1.1本課題的研究背景隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車產(chǎn)量和保有量與日俱增，汽車排放對大氣污染也日益嚴重，人類生活環(huán)境受到嚴重威脅。開發(fā)動力性、經(jīng)濟性和排放俱佳的汽車已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。世界各國都制定了日益嚴格的排放法規(guī)。1960年美國南部的加利福尼亞州制定了世界上第一個汽車排放污染限制法規(guī)，1968年美國又頒布了聯(lián)邦排放法規(guī)，以后一再修訂，日本與歐共體國家(即如今歐盟國家)也相繼制定出排放法規(guī)。排放法規(guī)的日益嚴格，使傳統(tǒng)的化油器及機械點火發(fā)動機難以滿足要求。也制定了相應(yīng)的政策。從2003年7月1日起，我國實行歐排放標準，而北京在2002年8月1日就提前執(zhí)行了歐排放標準，并計劃到2008年的奧運年將執(zhí)行接近于歐IV水平的新排放標準。世紀內(nèi)燃機問世以來，隨著各種新技術(shù)的不斷應(yīng)用，其性能有了顯著的提高。特別是近三、四十年內(nèi)，電子技術(shù)得到飛速發(fā)展，各種高性能和高可靠性的傳感器、微處理器和執(zhí)行器相繼問世，使得電控技術(shù)在發(fā)動機性能優(yōu)化中的應(yīng)用成為可能。電控技術(shù)所帶來的高燃油經(jīng)濟性、大功率輸出、低排放、優(yōu)良的冷啟動和暖機性能、怠速控制精確等優(yōu)點使其在現(xiàn)代發(fā)動機中處于舉足輕重的地位。其中，空燃比的精確控制是一直關(guān)注的焦點問題。眾所周知，空燃比是發(fā)動機運行時的一個重要參數(shù)，對尾氣排放、發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性都有很大的影響。隨著空氣污染的日益嚴重，對汽車尾氣排放要求越來越嚴格，需要對空燃比進行精確的控制。目前，電控燃油噴射結(jié)合三元催化轉(zhuǎn)化技術(shù)己成為車用發(fā)動機降低排放的最直接有效的方式。然而，三元催化器的轉(zhuǎn)化效率受空燃比的影響很大，研究表明，要想獲得較高的轉(zhuǎn)化效率(80%以上)，要求空燃比控制在化學計量比(即空燃比為14.71誤差不超過士3.5%2。進氣流量的精確測量是空燃比控制的基礎(chǔ)，按所采用的傳感器不同分為基于進氣壓力測量和基于進氣流量兩類，其中，基于進氣流量的空氣質(zhì)量傳感器在汽車上得到了較為廣泛的應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳感器的特性問題成為研究的重點，對傳感器的建模精度有了更高的要求，種傳感器都存在傳感器動態(tài)非線性，再使用線性動態(tài)模型和校正方法無法解決上述問題3。為此，國內(nèi)外專家開始研究傳感器的動態(tài)非線性問題，目前主要集中在傳感器的動態(tài)非線性建模上。有以下幾種模型:(1)volterra級數(shù)4。該模型的物理意義清晰，但系數(shù)較多，尤其是Volterra級數(shù)高階核非常復雜，還需要構(gòu)造特殊要求的輸入信號，不易辨識。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。神電控汽油發(fā)動機尾氣檢測裝置設(shè)計與分析2經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)為非線性，但其實時性差，計算量大，對傳感器輸入信號有要求。同時，模型存在收斂問題。(3)塊聯(lián)模型，典型的有Wiener和Hammerstein模型。此類模型結(jié)構(gòu)簡單，非線性和線性分開識別，大大降低識別復雜度。同時，也便于非線性校正。為了精確控制空燃比，需要研究關(guān)鍵傳感器的動態(tài)特性。針對上述傳感器，國內(nèi)外專家使用各種方法進行動態(tài)特性的研究。Buehler等提出以綜合信息方法分析和控制熱膜/線式MAF傳感器，以節(jié)流閥位置傳感器和發(fā)動機速度傳感器的信息，來預測空氣質(zhì)量流量傳感器的輸出，并將預測值與實測的空氣質(zhì)量流量傳感器輸出進行比較，調(diào)整模型參數(shù)，得到空氣質(zhì)量流量傳感器在不同進氣量下的特性，以控制進氣量5。Mrad等提出用時變自回歸滑動平均(TARMAX)模型描述MAF傳感器的動態(tài)非線性特性，預測傳感器的響應(yīng)6。FollmerWC和ZiesmerDA等人利用擾動測量技術(shù)對熱線式MAF傳感器小信號激勵下的響應(yīng)特性進行了研究7，但由于對其呈現(xiàn)出的整個變化特性缺乏了解，因而在ECU傳統(tǒng)的控制策略中傳感器的動態(tài)特性并未被充分考慮，以至于存在大的進氣脈動時，無法準確地測量平均進氣量8。但是這些方法或計算復雜，或難于實現(xiàn)，也不利于傳感器的動態(tài)校正。國內(nèi)，針對MAF傳感器動態(tài)特性和動態(tài)非線性建模的研究較少。上海理工大學的李長武等設(shè)計了適用于內(nèi)燃機的熱線式態(tài)性能的研究9。上汽集團工程研究院研制了熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器，但沒有進行動態(tài)性能研究10。長安大學的吳克剛從理論山分析了熱模式傳感器的動態(tài)特性11。但給出的數(shù)學模型與敏感元件的結(jié)構(gòu)、材料、電橋電路和放大器的參數(shù)有關(guān)，僅對傳感器設(shè)計有指導意義，無法用來分析產(chǎn)品型傳感器的實際特性。氧傳感器的響應(yīng)特性不僅影響到空燃比的精確測量，而且影響到反饋控制器的調(diào)節(jié)時間和控制精度。出于各種目的，人們通過實驗對不同氧傳感器的動態(tài)性能進行了研究。合肥工業(yè)大學的談建等在發(fā)動機實驗臺上，采用比較法對EGO傳感器進行了穩(wěn)態(tài)標定實驗，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，利用分段多項式法和非線性回歸分析法建立了傳感器的靜態(tài)模型，取得了較好的結(jié)果12。任好等初步設(shè)計了動態(tài)標定實驗方案，研究EGO傳感器的動態(tài)特性，并采用了塊聯(lián)模型的建模方法解決其動態(tài)非線性問題13。LiMaoqing等人將TioZ薄膜氧傳感器安裝在溫度恒定的電加熱爐內(nèi)，通過改變CO和CO2的流量或N2和O2的流量來調(diào)整爐內(nèi)氣壓，研究了傳感器動態(tài)特性，正、負階躍的時域響應(yīng)對比。為了估計氧傳感器的中毒情況，MassimoCarriero等人14通過采用兩個不同的加熱裝置(高溫硅油和電加熱器)把氣體加熱到實際廢氣溫度，利用計算機控制3種不同模擬氣體的流量，以實現(xiàn)N2/O2混合氣和N2/CO混合氣的快速切換，并利用N2來排出管道中的殘余氣體。根據(jù)一組在汽車上使用3過的氧傳感器的動態(tài)特性測量結(jié)果，得到了不同的兄傳感器開關(guān)特性與AFR漂移對稱性的關(guān)系。羅志安15等人在汽油發(fā)動機臺架上，對自行研制的HEGO傳感器響應(yīng)特性進行了研究。研究表明，若定義響應(yīng)時間為入值發(fā)生變化，傳感器輸出達到始、末狀態(tài)變化量的2/3所需時間，當入在0.961.04之間變化、排溫為350和800時，混合比由稀到濃和由濃到稀的傳感器響應(yīng)時間分別為95ms、600ms和80ms、580ms。為了研究不同工作條件對HEGO傳感器氧敏響應(yīng)特性的影響，林健等人16在氧傳感器專用測試平臺上進行了一系列實驗研究。結(jié)果表明，當定義響應(yīng)時間為傳感器輸出在300mV600mV之間的切換時間時，在排溫分別為350、650、850，從1.1變化到0.97和0.97變化到1.1時，氧傳感器響應(yīng)時間分別為6lms、106ms、144ms和98ms、30ms、22ms。根據(jù)CookJ.A等人的研究，認為ZrO:EGO傳感器對空燃比階躍變化的典型響應(yīng)時間小于300ms17。1.3本課題研究內(nèi)容簡介1.3.1研究意義目前，日益嚴重的全球環(huán)境惡化己威脅到人類的生存和社會的發(fā)展，環(huán)境問題己被公認是當今世界所面臨的最為嚴峻的挑戰(zhàn)，機動車尾氣排放是造成環(huán)境污染的主要原因之一18。據(jù)有關(guān)資料介紹，世界汽車保有量己經(jīng)達到6.5億輛以上，我國汽車也超過1000萬輛，汽車數(shù)量和行駛密度的不斷增加，加劇大氣污染程度。我國首都北京地區(qū)大氣環(huán)境中CO、HC、NOx的含量己經(jīng)超過國家二級標準的規(guī)定，大氣污染物中60.6%的CO、8.68%的HC、5.47%的NOx來自機動車輛的排放19。同時，有限的地下石油資源枯竭之日己近在眼前，據(jù)有關(guān)經(jīng)濟學家的反復論證，到2010年世界經(jīng)濟將發(fā)展到能源消耗的高峰，而世界上現(xiàn)已探明的石油儲量到屆時夠用時間已縮短到30年，原先的產(chǎn)油國在21世紀將變成進口能源的國家，各國為能源安全而展開的石油爭奪戰(zhàn)將更加激烈20。為此，減少同等汽車數(shù)量條件下的汽車排放，提高汽車對石油的使用效率成了如今的一個重要議題，其中，提高三元催化轉(zhuǎn)化裝置的轉(zhuǎn)化效率是一個重要的措施。然而，只有通過準確的將空燃比控制的14.7的水平，三元催化轉(zhuǎn)化裝置才能以最高的效率工作，本文就是研究怎樣將空燃比控制在14.7的水平。1.3.2研究內(nèi)容本課題研究燃用氣體燃料發(fā)動機的空燃比控制技術(shù)。在本課題中采用過量空氣系數(shù)。來表征發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中的空氣量和燃料量之比。當al.000時，說明這時混合氣狀態(tài)為稀。本課題所研究的空燃比控制器要求燃料空燃比控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的a況快速反應(yīng)，調(diào)整燃料噴射量，使發(fā)動機過址空氣系數(shù)a穩(wěn)定在三元催化轉(zhuǎn)化器有效工作范圍內(nèi)（0.995-1.005），實現(xiàn)良好的排放性能。另外為實現(xiàn)空燃比控制系統(tǒng)有效的轉(zhuǎn)化，本文還設(shè)計了實現(xiàn)此功能的控制電路；選擇了作為輸入裝置的廢氣氧傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器；燃油噴射時間和噴射時刻的控制電路。1.3.3研究方案與技術(shù)路線本課題運用開環(huán)和閉環(huán)來控制燃氣噴射量與噴油的時刻。當發(fā)動機處于過渡工況，如加載、卸載和加減速時，運用開環(huán)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號和節(jié)氣門位置信號對事先制取的燃氣噴射占空比MAP圖進行取值操作，從而控制噴油量和噴油時刻。當發(fā)動機處于穩(wěn)定工況時，系統(tǒng)就采用開環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的方式控制，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)中氧傳感器反饋的廢氧濃度信號不同，采取不同的空燃比控制策略實時計算噴氣占空比，使系統(tǒng)工況較快穩(wěn)定并達到較佳廢氣排放濃度。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，當廢氧濃度波形信號較大程度偏離理想波形信號時，系統(tǒng)就采用增量逼近法，使空燃比快速地逼近理想空燃比范圍(表現(xiàn)為過量空氣系數(shù)。處于在窗口內(nèi))；當廢氧濃度波形信號接近理想波形信號時，系統(tǒng)就采用PI控制，使空燃比穩(wěn)定于理想空燃比范圍:當廢氧濃度波形信號處于低速振蕩時，系統(tǒng)就采用固定增量法，使空燃比收斂于理想空燃比值。為實現(xiàn)研究目的，本課題主要