汽油发动机的工作原理.doc

题号
一
二
三
四
五
六
七
八
九
十
总分
得分

得分
评卷人
一、 设计题（满分100分）
请在以下题目中任选一项完成设计

1. 汽车运动控制系统设计；
2. 电烤箱温度控制系统设计
3. 汽车减震系统建模仿真；
4. 汽车自动巡航控制系统的PID控制；
5. 汽车怠速系统的模糊PID控制；
6. 双闭环直流调速系统的设计与仿真
7. 自选测控项目（给出你自选的题目）
本份试题选取项目为： 汽油发动机的开环和闭环控制
附评分细则：
评分标准
本设计试题得分情况
设计报告内容清楚，格式正确（30%）

程序设计合理（20%）

结果调试正确（30%）

态度与团队合作情况（20%）

《MATLAB工程应用》期末考试设计报告
第1章 概述
1.1汽油发动机的基本介绍
按燃料供给方式的不同，汽油发动机又可分为化油器式及 喷射式（或称电喷式）两大类。化油器常见于老车型的发动机上，在喷射式汽油机中，汽油可在进气口喷射，也可在进气冲程期间直接向气缸内喷射;喷油过程可由计算机程序控制，燃料可更均匀地分配给各个气缸;同时，由于不需要喉管而减少了进气的阻力等，可提高气缸内的平均有效力和热效率。此外，还可以减弱或避免爆震燃烧。
活塞在气缸中上行所能达到的最高位置称为“上止点”，下行所能达到的最低位置称为“下止点”。在许多发动机内，在上止点时，活塞的顶部与气缸体的顶部齐平，燃烧室容积就是活塞上方气缸盖内的空腔容积，但这部分容积会因活塞顶部的形状而稍有改变。因此，压缩比的精确定义应该是，下止点时总的气缸容积与上止点时总的燃烧室容积之比。压缩比是表征发动机性能的一个重要指标。从上止点到下止点之间的直线距离称为冲程。
1.2汽油发动机的工作原理
发动机是将化学能转化为机械能的机器，它的转化过程实际上就是工作循环的过程，简单来说就是是通过燃烧气缸内的燃料，产生动能，驱动发动机气缸内的活塞往复的运动，由此带动连在活塞上的连杆和与连杆相连的曲柄，围绕曲轴中心作往复的圆周运动，而输出动力的。
四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程，它由进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个行程（冲程）组成。
进气行程
此时，活塞被曲轴带动由上止点向下上止点移动，同时，进气门开启，排气门关闭。当活塞由上止点向下止点移动时，活塞上方的容积增大，气缸内的气体压力下降，形成一定的真空度。由于进气门开启，气缸与进气管相通，混合气被吸入气缸。当活塞移动到下止点时，气缸内充满了新鲜混合气以及上一个工作循环未排出的废气。
压缩行程
活塞由下止点移动到上止点，进排气门关闭。曲轴在飞轮等惯性力的作用下带动旋转，通过连杆推动活塞向上移动，气缸内气体容积逐渐减小，气体被压缩，气缸内的混合气压力与温度随着升高。
膨胀行程
此时，进排气门同时关闭，火花塞点火，混合气剧烈燃烧，气缸内的温度、压力急剧上升，高温、高压气体推动活塞向下移动，通过连杆带动曲轴旋转。在发动机工作的四个行程中，只有这个在行程才实现热能转化为机械能，所以，这个行程又称为作功行程。
排气行程
此时，排气门打开，活塞从下止点移动到上止点，废气随着活塞的上行，被排出气缸。由于排气系统有阻力，且燃烧室也占有一定的容积，所以在排气终了地，不可能将废气排净，这部分留下来的废气称为残余废气。残余废气不仅影响充气，对燃烧也有不良影响。
排气行程结束时，活塞又回到了上止点。也就完成了一个工作循环。随后，曲轴依靠飞轮转动的惯性作用仍继续旋转，开始下一个循环。如此周而复始，发动机就不断地运转起来。
1.3汽油发动机的结构组成
汽油发动机的结构：一般由下列各部分组成：
1、 机体：是发动机各部机件的装配基体。它包括气缸盖、气缸体、下曲轴箱（油底壳）。气缸盖和气缸体的内壁共同组成燃烧室的一部分。机体的许多部分又分别是其它系统的组成部分。
2、曲柄连杆机构：是发动机借以产生并传递动力的机构，通过它把活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力。它包括活塞、活塞销、连杆、带有飞轮的曲轴和气缸体等。
3、配气机构：包括进气门、排气门、气门挺杆和凸轮轴及凸轮轴正时齿轮（由曲轴正时齿轮驱动）等。它的作用是使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸排出废气。
4、燃料供给系统：汽油机燃料供给系统包括汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、空气滤清器、化油器、进气管、排气管、排气消音器等。其作用是把汽油和空气混合成合适的可燃混合气供入气缸，以备燃烧，并将燃烧生成的废气排出发动机。
5、冷却系统：主要包括水泵、散热器、凤扇、分水管和气缸体以及气缸盖里的水套。其功用是把高热机件的热量散发到大气中去，以保证发动机正常工作。
6、润滑系统：包括机油泵、限压阀、润滑油道、集滤器、机油滤清器和机油散热器等。其功用是将润滑油供给摩擦件，以减少它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件，清洗摩擦表面。
7、起动系统：包括使发动机的起动机构及其附属装置。
1.4汽油发动机与柴油发动机的主要对比
无论是汽油发动机还是柴油发动机，它们都属于内燃机，都是燃烧燃料后通过推动气缸内活塞作往返运动来将燃料中的化学能量转换成为驱动车辆前进的机械能量，因此两者的工作原理大体是相同的。
作为日常使用的燃料本身，柴油的能量密度最高，比液化天然气高出近1倍，比汽油高出10%以上。与汽油相比，柴油不易挥发，着火点较高，不易因偶然情况被点燃或发生爆炸。由于两者挥发性和燃点的不同，导致使用这两种燃料的发动机有不同的点火方式。汽油发动机的特点：体积小、重量轻、起动性好。
汽油发动机中，油气混合气进入气缸后，在压缩接近终了时由火花塞点燃。因此，汽油发动机需要一套控制何时让火花塞工作的点火系统，此系统必须精确控制火花塞放电的时刻和火花能量的大小，才能保证汽油机的工作正常，汽油机的燃料供给系和点火系是汽油机上发生故障比例较高的部位。此外，由于汽油的燃点较低，汽油机的压缩比就不能太高，以免油气自燃，因此其热效率和经济性较柴油机为差。
汽油机的优点在于其体积小、重量轻、价格便宜；起动性好，最大功率时的转速高；工作中振动及噪声小，因此，在载客汽车，特别是轿车中，汽油机得到了广泛的应用，特别是在我们国家生产的绝大多数轿车，都是采用汽油发动机作为自己的动力系统。
传统柴油发动机的特点：热效率和经济性较好
柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。因此，柴油发动机无需点火系。同时，柴油机的供油系统也相对简单，因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好。
由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油机压缩比很高。热效率和经济性都要好于汽油机，同时在相同功率的情况下，柴油机的扭矩大，最大功率时的转速低，适合于载货汽车的使用。
但柴油机由于工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。
由于上述特点，以前柴油发动机一般用于大、中型载重货车上。
小型高速柴油发动机的新发展：排放已经达到欧洲III号的标准
传统上，柴油发动机由于比较笨重，升功率指标不如汽油机（转速较低），噪声、振动较高，炭烟与颗粒（PM）排放比较严重，所以一直以来很少受到轿车的青睐。

第2章 程序设计
2.1汽油发动机的工作原理建模
发动机的数学模型是整个电控系统计算机仿真的核心和基础.本文选用的是Crossley和Cook提出的四缸四冲程火花点火发动机模型,并对其中的一些细节进行了必要的修改.例如,增加了燃油蒸发与油膜子模型,改进了空气和燃油混合气的进气和压缩冲程等.改进后的模型主要是从工质流动和能量转换的角度对发动机运行进行分析和模拟.不仅适用于稳态,也适用于瞬态.所建的发动机数学模型仿真结构如图1所示

图1发动机模型结构图
该模型主要包括气路及油路模块、压缩冲程模块、检测定时模块、燃烧和动力输出4个子系统模块,其中气路及油路模块又有3个子系统:节气门模型,进气管动态特性模型,燃油蒸发与油膜模型.各模块的具体建模可参考文献[3]和文献[4],在此简单介绍一下所添加或改进模块中的油膜模型和进气、压缩模型以及检测定时模块.
2.2汽油发动机控制模块建模
对于四缸四冲程汽油机,由理想气体状态方程、质量守恒方程、能量守恒方程以及速度密度方程可以得到下述动态模型[1,2]  
m・ap=n120Vsρ<c=n120Vs<crTipi(1)
p・=-rTiVm・ap(n,pi)+rTiVm・aT(α,pi)=-n120VsV<cpi+rTiV
m・at(α,pi)=-n120VsV(sipi-yi)+rTiV
m・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为进气歧管压力;Ti为进气歧管温度;V为进气歧管容积;Vs为发动机排量;<c为发动机充量系数;n为发动机转速;m・at为通过节气门的空气流量;m・ap为进入气缸的空气流量;si,yi为拟合常数;α0为常数;α为节气门开度;k为比;k=2k/(k-1);r为普适气体常数;ρ为空气密度;pr为进气管压缩比,pr=pi/pa,pa为环境压力。
上述模型为非线性模型,结构比较复杂,无法满足汽油机控制实时性的要求,为了简化模型,进行了两个假设:(1)假设m・at1,m・at0为常数,由式(3)知m・at与β=β1(α)β2(pi)为线性关系。下文进行的试验中对此假设进行了验证。(2)假设式(2)<cpi=si・pi-yi,且si和yi的值在发动机的各个工况下不变,即认为充量系数<c与进气压力pi的乘积与pi成线性关系,这一假设已经在参考文献[2]中得到验证。

图2进气模块结构图

图3油门阀模块结构图

图4进气支管模块结构图

图5压缩模块结构图

图6膨胀模块结构图

图7排气模块结构图

第3章 调试测试

我们使用的时间控制器，这是适合的单片机实现。积分方程我因此必须与离散时间近似实现。作为典型的工业控制器，执行与发动机的曲轴的旋转同步。控制器被嵌入在一个触发子系统是由上述值定时信号触发。
“控制器”子系统的说明详细的施工。值得注意的是它的采样时间参数集的离散时间积分器的块使用（内部）。这表明，块继承其采样时间，在这种情况下，执行每次触发子系统。组件使这一个触发子系统的关键是“触发”块底部。任何子系统都可以转化为一个子系统通过拖动的块复制到触发子系统图仿真软件的连接库。
运行结果显示

图8发动机速度

图9油门阀和负载输入

第4章 总结
本次项目设计我们组选的是对汽油发动机的开环和闭环的控制的分析，首先我们从汽油发动机的基本介绍开始，分析了汽油发动机的工作原理，对汽油发动机的工作过程进行了了解，四冲程汽油发动机的工作过程从进气行程到压缩行程进而转到燃烧做功行程，最后是排气行程。我们对每个行程都进行了建模，更深层次的了解了汽油发动机的工作原理。
在本次设计我们从选题到完成设计，我们经历了两周的时间，在宋老师的讲解与指导下，我们从懵懂到理解。这次设计不仅让我学到了宝贵的知识，也让我懂得了团队合作，也增进了与老师的合作！
我们能顺利完成本次设计，多谢宋老师的指导及讲解与团队的团结合作！

第11页，共11页