小排量汽油机燃油喷射控制系统及其优化技术研究

论文摘要

发动机电喷控制技术是提高其动力性、燃油经济性和降低排放污染的一项重要措施，已广泛地应用到各类车用发动机上，成为汽车工业节能和降低排放污染的主流技术。文中针对K162FM摩托车用小排量汽油发动机，开展了电控燃油喷射与系统优化技术的研究。根据摩托车用小排量汽油机自身的特点及研究的需要，建立了发动机性能测试试验台。对发动机进气系统、供油系统进行了重新设计和选配；提出了本课题的软硬件设计原则和要求。采用美国Cygnal公司先进的混合信号系统芯片设计了发动机电控单元（ECU）硬件系统，按照“中断+主控程序”的设计思想设计了电控单元的软件系统；应用扩展的卡尔曼滤波理论研究了瞬态工况下发动机循环进气量的最优估计算法，获得更接近真值的进气量，提高空燃比的控制精度，并针对发动机的不同工况，制定了相应的燃油喷射控制策略。为了满足小排量汽油发动机电喷系统控制参数优化匹配试验的需要，研究了电控汽油机控制参数上位机标定系统，通过RS-232C接口实现与电控单元的实时通信。该系统能够进行数据分析与计算，确定各工况最佳工作状态点，绘制最优喷油和点火提前角MAP图，为电喷发动机精确控制提供最优控制参数。根据系统辨识原理，设计了怠速工况模型的辨识试验。通过离线参数估计，建立了小排量汽油机怠速工况动态数学模型，并进行了简化和修正。在此基础上，设计了怠速工况预测PID控制器，对发动机怠速稳定性进行预测控制研究和仿真分析。结果表明预测PID控制器具有良好的控制效果，能够实现怠速工况的转速稳定性控制。控制参数优化是电喷发动机研究中的重要环节。文中引入多目标优化理论，根据不同性能指标下的数据优化，获取发动机某一工况下的最优控制量。在此基础上，进行了电控发动机的经济性、动力性和排放性试验研究，并与原机进行了对比分析。试验结果显示电控发动机的油耗率、排放指标均比原机有较大幅度的降低，动力性较原机略有提高。研究表明本课题电控系统的研制是成功的，控制策略和优化方法是正确的，具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和研究的意义
• 1.1.1 节能与环保的技术需求
• 1.1.2 市场竞争与企业发展的需要
• 1.2 车用发动机电喷技术研究现状
• 1.2.1 发动机电喷技术的发展
• 1.2.2 车用发动机的排放与净化控制技术
• 1.2.3 电子控制技术的应用
• 1.2.4 发动机控制模型的研究
• 1.2.5 摩托车用发动机发展趋势
• 1.3 主要的研究工作
• 第2章 电喷发动机试验系统设计
• 2.1 发动机台架试验设计
• 2.1.1 台架设计原则
• 2.1.2 台架系统构成
• 2.2 燃油供给系统设计
• 2.2.1 燃油供给方式的确定
• 2.2.2 燃油喷射器选择及其性能测定
• 2.2.3 电压对喷油器喷射量的影响研究
• 2.2.4 压力调节器
• 2.2.5 电动燃油泵
• 2.3 进气系统设计
• 2.3.1 节气门体设计
• 2.3.2 喷油器安装位置及角度的设计
• 2.4 小排量汽油机电子控制方案设计
• 2.4.1 电控系统设计要点
• 2.4.2 发动机信息采集系统传感器选择
• 2.4.3 控制方案规划
• 2.5 本章小结
• 第3章 电控系统设计及其实现
• 3.1 设计原则与要求
• 3.1.1 硬件设计原则
• 3.1.2 软件设计方法
• 3.2 电控系统硬件设计
• 3.2.1 系统硬件整体设计
• 3.2.2 发动机ECU主控单片机的应用特性
• 3.2.3 电源电路设计
• 3.2.4 电控单元输入信号处理电路设计
• 3.2.5 电控系统后向驱动电路
• 3.2.6 标定系统通信接口的硬件设计
• 3.3 电控系统软件设计
• 3.3.1 电控系统软件总体设计
• 3.3.2 典型工况软件控制流程
• 3.3.3 转速及执行模块的软件控制流程
• 3.4 发动机标定系统软件设计
• 3.4.1 电控发动机标定系统软件组成
• 3.4.2 标定系统功能模块设计
• 3.5 电控系统的抗干扰设计
• 3.5.1 空间电磁干扰的防护措施
• 3.5.2 供电系统抗干扰设计
• 3.5.3 信号采集抗干扰设计
• 3.5.4 驱动电路的抗干扰设计
• 3.5.5 加强电路板的抗干扰能力
• 3.5.6 软件抗干扰设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 燃油电喷系统控制策略
• 4.1 汽油机燃油喷射系统的控制方式
• 4.2 电喷发动机喷油量的计算
• 4.2.1 气缸循环充气量的计算
• 4.2.2 喷油量的计算
• 4.2.3 进气温度对喷油量的影响
• 4.3 基于发动机工况的燃油喷射控制策略
• 4.3.1 起动工况
• 4.3.2 运转喷油控制
• 4.3.3 断油控制
• 4.3.4 反馈控制
• 4.4 稳态工况下的空燃比控制
• 4.5 瞬态工况下的空燃比精确控制
• 4.5.1 瞬态工况特性
• 4.5.2 瞬态工况空燃比控制存在的问题
• 4.5.3 瞬态工况下的循环进气量最优估计
• 4.5.4 瞬态空燃比控制试验分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 小排量汽油机怠速控制仿真研究
• 5.1 怠速控制要求
• 5.2 怠速工况数学模型的建立
• 5.2.1 怠速工况数学模型辨识试验设计
• 5.2.2 辨识信号的选择
• 5.2.3 模型检验方法的选择
• 5.2.4 M序列输入信号的设计
• 5.2.5 试验数据的测取
• 5.2.6 怠速工况数学模型结构的确定
• 5.2.7 怠速模型的降阶及分析
• 5.3 基于预测的怠速PID控制算法研究
• 5.3.1 预测控制基本原理
• 5.3.2 怠速工况预测PID控制系统设计
• 5.4 怠速预测PID控制仿真
• 5.5 本章小结
• 第6章 电控系统性能优化与发动机特性试验
• 6.1 标定试验设计
• 6.2 参数优化方法研究
• 6.2.1 以单一性能为目标的参数优化研究
• 6.2.2 综合性能优化的多目标优化研究
• 6.3 控制参数优化与插值运算
• 6.3.1 优化试验方法分析
• 6.3.2 插值算法
• 6.4 匹配优化试验
• 6.4.1 工况节点划分
• 6.4.2 经济工况喷油脉宽匹配优化研究
• 6.4.3 大负荷区喷油脉宽匹配优化试验
• 6.4.4 怠速工况喷油脉宽匹配优化试验
• 6.4.5 点火提前角MAP图的优化
• 6.5 冷起动时的喷油脉宽及点火提前角的匹配
• 6.5.1 冷起动时喷油量的标定
• 6.5.2 冷起动时点火提前角与缸温的关系
• 6.6 匹配优化试验结果
• 6.7 电控汽油机特性试验与分析
• 6.7.1 怠速稳定性与排放特性
• 6.7.2 负荷变化对耗油量的影响
• 6.7.3 转速特性试验
• 6.7.4 排放性能试验
• 6.8 本章小结
• 第7章 全文总结与工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 下一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文、研究工作