汽油發(fā)動機的工作原理

題號一二三四五六七八九十總分得分得分評卷人設(shè)計題〔總分值100分〕請在以下題目中任選一項完成設(shè)計汽車運動控制系統(tǒng)設(shè)計；電烤箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計汽車減震系統(tǒng)建模仿真；汽車自動巡航控制系統(tǒng)的PID控制；汽車怠速系統(tǒng)的模糊PID控制；雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真自選測控工程〔給出你自選的題目〕本份試題選取工程為：汽油發(fā)動機的開環(huán)和閉環(huán)控制附評分細那么：評分標準本設(shè)計試題得分情況設(shè)計報告內(nèi)容清楚，格式正確〔30%〕程序設(shè)計合理〔20%〕結(jié)果調(diào)試正確〔30%〕態(tài)度與團隊合作情況〔20%〕《MATLAB工程應(yīng)用》期末考試設(shè)計報告概述按燃料供應(yīng)方式的不同，汽油發(fā)動機又可分為化油器式及噴射式〔或稱電噴式〕兩大類?；推鞒Ｒ娪诶宪囆偷陌l(fā)動機上，在噴射式汽油機中，汽油可在進氣口噴射，也可在進氣沖程期間直接向氣缸內(nèi)噴射;噴油過程可由計算機程序控制，燃料可更均勻地分配給各個氣缸;同時，由于不需要喉管而減少了進氣的阻力等，可提高氣缸內(nèi)的平均有效力和熱效率。此外，還可以減弱或防止爆震燃燒?；钊跉飧字猩闲兴艿竭_的最高位置稱為“上止點”，下行所能到達的最低位置稱為“下止點”。在許多發(fā)動機內(nèi)，在上止點時，活塞的頂部與氣缸體的頂部齊平，燃燒室容積就是活塞上方氣缸蓋內(nèi)的空腔容積，但這局部容積會因活塞頂部的形狀而稍有改變。因此，壓縮比的精確定義應(yīng)該是，下止點時總的氣缸容積與上止點時總的燃燒室容積之比。壓縮比是表征發(fā)動機性能的一個重要指標。從上止點到下止點之間的直線距離稱為沖程。發(fā)動機是將化學能轉(zhuǎn)化為機械能的機器，它的轉(zhuǎn)化過程實際上就是工作循環(huán)的過程，簡單來說就是是通過燃燒氣缸內(nèi)的燃料，產(chǎn)生動能，驅(qū)動發(fā)動機氣缸內(nèi)的活塞往復的運動，由此帶動連在活塞上的連桿和與連桿相連的曲柄，圍繞曲軸中心作往復的圓周運動，而輸出動力的。四沖程汽油機的工作過程是一個復雜的過程，它由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個行程〔沖程〕組成。進氣行程此時，活塞被曲軸帶動由上止點向下上止點移動，同時，進氣門開啟，排氣門關(guān)閉。當活塞由上止點向下止點移動時，活塞上方的容積增大，氣缸內(nèi)的氣體壓力下降，形成一定的真空度。由于進氣門開啟，氣缸與進氣管相通，混合氣被吸入氣缸。當活塞移動到下止點時，氣缸內(nèi)充滿了新鮮混合氣以及上一個工作循環(huán)未排出的廢氣。壓縮行程活塞由下止點移動到上止點，進排氣門關(guān)閉。曲軸在飛輪等慣性力的作用下帶動旋轉(zhuǎn)，通過連桿推動活塞向上移動，氣缸內(nèi)氣體容積逐漸減小，氣體被壓縮，氣缸內(nèi)的混合氣壓力與溫度隨著升高。膨脹行程此時，進排氣門同時關(guān)閉，火花塞點火，混合氣劇烈燃燒，氣缸內(nèi)的溫度、壓力急劇上升，高溫、高壓氣體推動活塞向下移動，通過連桿帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。在發(fā)動機工作的四個行程中，只有這個在行程才實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化為機械能，所以，這個行程又稱為作功行程。排氣行程此時，排氣門翻開，活塞從下止點移動到上止點，廢氣隨著活塞的上行，被排出氣缸。由于排氣系統(tǒng)有阻力，且燃燒室也占有一定的容積，所以在排氣終了地，不可能將廢氣排凈，這局部留下來的廢氣稱為剩余廢氣。剩余廢氣不僅影響充氣，對燃燒也有不良影響。排氣行程結(jié)束時，活塞又回到了上止點。也就完成了一個工作循環(huán)。隨后，曲軸依靠飛輪轉(zhuǎn)動的慣性作用仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，開始下一個循環(huán)。如此周而復始，發(fā)動機就不斷地運轉(zhuǎn)起來。汽油發(fā)動機的結(jié)構(gòu)：一般由以下各局部組成：機體：是發(fā)動機各部機件的裝配基體。它包括氣缸蓋、氣缸體、下曲軸箱〔油底殼〕。氣缸蓋和氣缸體的內(nèi)壁共同組成燃燒室的一局部。機體的許多局部又分別是其它系統(tǒng)的組成局部。2、曲柄連桿機構(gòu)：是發(fā)動機借以產(chǎn)生并傳遞動力的機構(gòu)，通過它把活塞的直線往復運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動而輸出動力。它包括活塞、活塞銷、連桿、帶有飛輪的曲軸和氣缸體等。3、配氣機構(gòu)：包括進氣門、排氣門、氣門挺桿和凸輪軸及凸輪軸正時齒輪〔由曲軸正時齒輪驅(qū)動〕等。它的作用是使可燃混合氣及時充入氣缸并及時從氣缸排出廢氣。4、燃料供應(yīng)系統(tǒng)：汽油機燃料供應(yīng)系統(tǒng)包括汽油箱、汽油泵、汽油濾清器、空氣濾清器、化油器、進氣管、排氣管、排氣消音器等。其作用是把汽油和空氣混合成適宜的可燃混合氣供入氣缸，以備燃燒，并將燃燒生成的廢氣排出發(fā)動機。5、冷卻系統(tǒng)：主要包括水泵、散熱器、鳳扇、分水管和氣缸體以及氣缸蓋里的水套。其功用是把高熱機件的熱量散發(fā)到大氣中去，以保證發(fā)動機正常工作。6、潤滑系統(tǒng)：包括機油泵、限壓閥、潤滑油道、集濾器、機油濾清器和機油散熱器等。其功用是將潤滑油供應(yīng)摩擦件，以減少它們之間的摩擦阻力，減輕機件的磨損，并局部地冷卻摩擦零件，清洗摩擦外表。7、起動系統(tǒng)：包括使發(fā)動機的起動機構(gòu)及其附屬裝置。無論是汽油發(fā)動機還是柴油發(fā)動機，它們都屬于內(nèi)燃機，都是燃燒燃料后通過推動氣缸內(nèi)活塞作往返運動來將燃料中的化學能量轉(zhuǎn)換成為驅(qū)動車輛前進的機械能量，因此兩者的工作原理大體是相同的。作為日常使用的燃料本身，柴油的能量密度最高，比液化天然氣高出近1倍，比汽油高出10%以上。與汽油相比，柴油不易揮發(fā)，著火點較高，不易因偶然情況被點燃或發(fā)生爆炸。由于兩者揮發(fā)性和燃點的不同，導致使用這兩種燃料的發(fā)動機有不同的點火方式。汽油發(fā)動機的特點：體積小、重量輕、起動性好。汽油發(fā)動機中，油氣混合氣進入氣缸后，在壓縮接近終了時由火花塞點燃。因此，汽油發(fā)動機需要一套控制何時讓火花塞工作的點火系統(tǒng)，此系統(tǒng)必須精確控制火花塞放電的時刻和火花能量的大小，才能保證汽油機的工作正常，汽油機的燃料供應(yīng)系和點火系是汽油機上發(fā)生故障比例較高的部位。此外，由于汽油的燃點較低，汽油機的壓縮比就不能太高，以免油氣自燃，因此其熱效率和經(jīng)濟性較柴油機為差。汽油機的優(yōu)點在于其體積小、重量輕、價格廉價；起動性好，最大功率時的轉(zhuǎn)速高；工作中振動及噪聲小，因此，在載客汽車，特別是轎車中，汽油機得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在我們國家生產(chǎn)的絕大多數(shù)轎車，都是采用汽油發(fā)動機作為自己的動力系統(tǒng)。傳統(tǒng)柴油發(fā)動機的特點：熱效率和經(jīng)濟性較好柴油機采用壓縮空氣的方法提高空氣溫度，使空氣溫度超過柴油的自燃燃點，這時再噴入柴油、柴油噴霧和空氣混合的同時自己點火燃燒。因此，柴油發(fā)動機無需點火系。同時，柴油機的供油系統(tǒng)也相對簡單，因此柴油發(fā)動機的可靠性要比汽油發(fā)動機的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油機壓縮比很高。熱效率和經(jīng)濟性都要好于汽油機，同時在相同功率的情況下，柴油機的扭矩大，最大功率時的轉(zhuǎn)速低，適合于載貨汽車的使用。但柴油機由于工作壓力大，要求各有關(guān)零件具有較高的結(jié)構(gòu)強度和剛度，所以柴油機比擬笨重，體積較大；柴油機的噴油泵與噴嘴制造精度要求高，所以本錢較高；另外，柴油機工作粗暴，振動噪聲大；柴油不易蒸發(fā)，冬季冷車時起動困難。由于上述特點，以前柴油發(fā)動機一般用于大、中型載重貨車上。小型高速柴油發(fā)動機的新開展：排放已經(jīng)到達歐洲III號的標準傳統(tǒng)上，柴油發(fā)動機由于比擬笨重，升功率指標不如汽油機〔轉(zhuǎn)速較低〕，噪聲、振動較高，炭煙與顆粒〔PM〕排放比擬嚴重，所以一直以來很少受到轎車的青睞。程序設(shè)計圖1發(fā)動機模型結(jié)構(gòu)圖該模型主要包括氣路及油路模塊、壓縮沖程模塊、檢測定時模塊、燃燒和動力輸出4個子系統(tǒng)模塊,其中氣路及油路模塊又有3個子系統(tǒng):節(jié)氣門模型,進氣管動態(tài)特性模型,燃油蒸發(fā)與油膜模型.各模塊的具體建?？蓞⒖嘉墨I[3]和文獻[4],在此簡單介紹一下所添加或改良模塊中的油膜模型和進氣、壓縮模型以及檢測定時模塊.對于四缸四沖程汽油機,由理想氣體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程以及速度密度方程可以得到下述動態(tài)模型[1,2]m?ap=n120Vsρ<c=n120Vs<crTipi(1)p?=-rTiVm?ap(n,pi)+rTiVm?aT(α,pi)=-n120VsV<cpi+rTiVm?at(α,pi)=-n120VsV(sipi-yi)+rTiVm?at(α,pi)(2)m?(α,pi)=m?at1β1(α)β2(p)i+m?at0(3)β1(α)=1-cos(α-α0)(4)β2(pi)=pr2k-prk+1k,pr≥2k+1kk-1kk′2k+1k+1k-1,pr<2k+1kk-1(5)式中,pi為進氣歧管壓力;Ti為進氣歧管溫度;V為進氣歧管容積;Vs為發(fā)動機排量;<c為發(fā)動機充量系數(shù);n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;m?at為通過節(jié)氣門的空氣流量;m?ap為進入氣缸的空氣流量;si,yi為擬合常數(shù);α0為常數(shù);α為節(jié)氣門開度;k為比;k=2k/(k-1);r為普適氣體常數(shù);ρ為空氣密度;pr為進氣管壓縮比,pr=pi/pa,pa為環(huán)境壓力。上述模型為非線性模型,結(jié)構(gòu)比擬復雜,無法滿足汽油機控制實時性的要求,為了簡化模型,進行了兩個假設(shè):(1)假設(shè)m?at1,m?at0為常數(shù),由式(3)知m?at與β=β1(α)β2(pi)為線性關(guān)系。下文進行的試驗中對此假設(shè)進行了驗證。(2)假設(shè)式(2)<cpi=si?pi-yi,且si和yi的值在發(fā)動機的各個工況下不變,即認為充量系數(shù)<c與進氣壓力pi的乘積與pi成線性關(guān)系,這一假設(shè)已經(jīng)在參考文獻[2]中得到驗證。圖2進氣模塊結(jié)構(gòu)圖圖3油門閥模塊結(jié)構(gòu)圖圖4進氣支管模塊結(jié)構(gòu)圖圖5壓縮模塊結(jié)構(gòu)圖圖6膨脹模塊結(jié)構(gòu)圖圖7排氣模塊結(jié)構(gòu)圖調(diào)試測試我們使用的時間控制器，這是適合的單片機實現(xiàn)。積分方程我因此必須與離散時間近似實現(xiàn)。作為典型的工業(yè)控制器，執(zhí)行與發(fā)動機的曲軸的旋轉(zhuǎn)同步?？刂破鞅磺度朐谝粋€觸發(fā)子系統(tǒng)是由上述值定時信號觸發(fā)?！翱刂破鳌弊酉到y(tǒng)的說明詳細的施工。值得注意的是它的采樣時間參數(shù)集的離散時間積分器的塊使用〔內(nèi)部〕。這說明，塊繼承其采樣時間，在這種情況下，執(zhí)行每次觸發(fā)子系統(tǒng)。組件使這一個觸發(fā)子系統(tǒng)的關(guān)鍵是“觸發(fā)”塊底部。任何子系統(tǒng)都可以轉(zhuǎn)化為一個子系統(tǒng)通過拖動的塊復制到觸發(fā)子系統(tǒng)圖仿真軟件的連接庫。運行結(jié)果顯示圖8發(fā)動機速度圖9油門閥和負載輸入總結(jié)本次工程設(shè)計我們組選的是對汽油發(fā)動機的開環(huán)和閉環(huán)的控制的分析，首先我們從汽油發(fā)動機的根本介紹開始，分析了汽油發(fā)動機