電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣檢測裝置設(shè)計(jì)與分析說明書畢業(yè)論文.doc

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(duì)大氣污染也日益嚴(yán)重，人類生活環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。開發(fā)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(yán)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(gè)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(yán)格，使傳統(tǒng)的化油器及機(jī)械點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)行歐排放標(biāo)準(zhǔn)，而北京在2002年8月1日就提前執(zhí)行了歐排放標(biāo)準(zhǔn)，并計(jì)劃到2008年的奧運(yùn)年將執(zhí)行接近于歐IV水平的新排放標(biāo)準(zhǔn)。世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)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(dòng)機(jī)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(jì)性、大功率輸出、低排放、優(yōu)良的冷啟動(dòng)和暖機(jī)性能、怠速控制精確等優(yōu)點(diǎn)使其在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)問題。眾所周知，空燃比是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)尾氣排放、發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都有很大的影響。隨著空氣污染的日益嚴(yán)重，對(duì)汽車尾氣排放要求越來越嚴(yán)格，需要對(duì)空燃比進(jìn)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(dòng)機(jī)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(xué)計(jì)量比(即空燃比為14.71誤差不超過士3.5%2。進(jìn)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(jìn)氣壓力測量和基于進(jìn)氣流量兩類，其中，基于進(jìn)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(diǎn)，對(duì)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(dòng)態(tài)非線性，再使用線性動(dòng)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(dòng)態(tài)非線性問題，目前主要集中在傳感器的動(dòng)態(tài)非線性建模上。有以下幾種模型:(1)volterra級(jí)數(shù)4。該模型的物理意義清晰，但系數(shù)較多，尤其是Volterra級(jí)數(shù)高階核非常復(fù)雜，還需要構(gòu)造特殊要求的輸入信號(hào)，不易辨識(shí)。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。神電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣檢測裝置設(shè)計(jì)與分析2經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)為非線性，但其實(shí)時(shí)性差，計(jì)算量大，對(duì)傳感器輸入信號(hào)有要求。同時(shí)，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(shí)別，大大降低識(shí)別復(fù)雜度。同時(shí)，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(dòng)態(tài)特性。針對(duì)上述傳感器，國內(nèi)外專家使用各種方法進(jìn)行動(dòng)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(dòng)機(jī)速度傳感器的信息，來預(yù)測空氣質(zhì)量流量傳感器的輸出，并將預(yù)測值與實(shí)測的空氣質(zhì)量流量傳感器輸出進(jìn)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(jìn)氣量下的特性，以控制進(jìn)氣量5。Mrad等提出用時(shí)變自回歸滑動(dòng)平均(TARMAX)模型描述MAF傳感器的動(dòng)態(tài)非線性特性，預(yù)測傳感器的響應(yīng)6。FollmerWC和ZiesmerDA等人利用擾動(dòng)測量技術(shù)對(duì)熱線式MAF傳感器小信號(hào)激勵(lì)下的響應(yīng)特性進(jìn)行了研究7，但由于對(duì)其呈現(xiàn)出的整個(gè)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(dòng)態(tài)特性并未被充分考慮，以至于存在大的進(jìn)氣脈動(dòng)時(shí)，無法準(zhǔn)確地測量平均進(jìn)氣量8。但是這些方法或計(jì)算復(fù)雜，或難于實(shí)現(xiàn)，也不利于傳感器的動(dòng)態(tài)校正。國內(nèi)，針對(duì)MAF傳感器動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)非線性建模的研究較少。上海理工大學(xué)的李長武等設(shè)計(jì)了適用于內(nèi)燃機(jī)的熱線式態(tài)性能的研究9。上汽集團(tuán)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(jìn)行動(dòng)態(tài)性能研究10。長安大學(xué)的吳克剛從理論山分析了熱模式傳感器的動(dòng)態(tài)特性11。但給出的數(shù)學(xué)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(duì)傳感器設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義，無法用來分析產(chǎn)品型傳感器的實(shí)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(shí)間和控制精度。出于各種目的，人們通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同氧傳感器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了研究。合肥工業(yè)大學(xué)的談建等在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，采用比較法對(duì)EGO傳感器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用分段多項(xiàng)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(jì)了動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方案，研究EGO傳感器的動(dòng)態(tài)特性，并采用了塊聯(lián)模型的建模方法解決其動(dòng)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(dòng)態(tài)特性，正、負(fù)階躍的時(shí)域響應(yīng)對(duì)比。為了估計(jì)氧傳感器的中毒情況，MassimoCarriero等人14通過采用兩個(gè)不同的加熱裝置(高溫硅油和電加熱器)把氣體加熱到實(shí)際廢氣溫度，利用計(jì)算機(jī)控制3種不同模擬氣體的流量，以實(shí)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(dòng)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(duì)稱性的關(guān)系。羅志安15等人在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，對(duì)自行研制的HEGO傳感器響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。研究表明，若定義響應(yīng)時(shí)間為入值發(fā)生變化，傳感器輸出達(dá)到始、末狀態(tài)變化量的2/3所需時(shí)間，當(dāng)入在0.961.04之間變化、排溫為350和800時(shí)，混合比由稀到濃和由濃到稀的傳感器響應(yīng)時(shí)間分別為95ms、600ms和80ms、580ms。為了研究不同工作條件對(duì)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(tái)上進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)定義響應(yīng)時(shí)間為傳感器輸出在300mV600mV之間的切換時(shí)間時(shí)，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(shí)，氧傳感器響應(yīng)時(shí)間分別為6lms、106ms、144ms和98ms、30ms、22ms。根據(jù)CookJ.A等人的研究，認(rèn)為ZrO:EGO傳感器對(duì)空燃比階躍變化的典型響應(yīng)時(shí)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(yán)重的全球環(huán)境惡化己威脅到人類的生存和社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境問題己被公認(rèn)是當(dāng)今世界所面臨的最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，機(jī)動(dòng)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(dá)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)動(dòng)車輛的排放19。同時(shí)，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(jì)學(xué)家的反復(fù)論證，到2010年世界經(jīng)濟(jì)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(chǔ)量到屆時(shí)夠用時(shí)間已縮短到30年，原先的產(chǎn)油國在21世紀(jì)將變成進(jìn)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(duì)石油的使用效率成了如今的一個(gè)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(gè)重要的措施。然而，只有通過準(zhǔn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的空氣量和燃料量之比。當(dāng)al.000時(shí)，說明這時(shí)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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)良好的排放性能。另外為實(shí)現(xiàn)空燃比控制系統(tǒng)有效的轉(zhuǎn)化，本文還設(shè)計(jì)了實(shí)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(shí)間和噴射時(shí)刻的控制電路。1.3.3研究方案與技術(shù)路線本課題運(yùn)用開環(huán)和閉環(huán)來控制燃?xì)鈬娚淞颗c噴油的時(shí)刻。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于過渡工況，如加載、卸載和加減速時(shí)，運(yùn)用開環(huán)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)和節(jié)氣門位置信號(hào)對(duì)事先制取的燃?xì)鈬娚湔伎毡萂AP圖進(jìn)行取值操作，從而控制噴油量和噴油時(shí)刻。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定工況時(shí)，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(hào)不同，采取不同的空燃比控制策略實(shí)時(shí)計(jì)算噴氣占空比，使系統(tǒng)工況較快穩(wěn)定并達(dá)到較佳廢氣排放濃度。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，當(dāng)廢氧濃度波形信號(hào)較大程度偏離理想波形信號(hào)時(shí)，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(dāng)廢氧濃度波形信號(hào)接近理想波形信號(hào)時(shí)，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(dāng)廢氧濃度波形信號(hào)處于低速振蕩時(shí)，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(shí)現(xiàn)研究目的，本課題主要