汽油机燃油动态特性的标定.pdf

年第$期%&(!)*+,-(,-./*01234(35+657289:;!=$=$!?:*,:-:A2 0(B(228&.!5+;F2A2+:7-2(:D83:(/8/7:G2H+%(B 68:32&.IJ9K L(28(5+J2&25834 J27:8.!);MD2(B E./5(2+5 N K.F5A%/*.2 5+;D83:(/8/7:G2+%H(B:*%A5(32%OB4=/82(B4/22+&=*D25&P+?/,%?;65H28 9:;!?:*,:-:A2 0(B(228(B.!:(/8 68:32&(B:*%A5(32%N5H285+&：Q45+2(B2&5(%I77:8,(2&.68:322%(B&:L(28(5H:(5+Q:(282(32:(*%A5(32%G2+%(BRS:(B 1234(:+:B?F5+5(.Q4(5.I3!T!U.!;（责任编辑文楫）修改稿收到日期为!年$月!#日。汽油机燃油动态特性的标定顾维东万冬杨延相蔡晓林刘建峰（天津大学）【摘要】在空燃比传输延迟时间和V0WI传感器（宽域氧传感器）响应时间常数确定以后，利用燃油扰动法打破油膜平衡状态，用V0WI传感器记录汽油机混合气空燃比的变化过程，采用最小二乘法对空燃比测量值进行处理，从而得到燃油动态特性参数值。介绍了标定过程及数据处理方法，并对标定结果进行了验证。主题词：燃油动态特性最小二乘法标定中图分类号：V)#);$X$文献标识码：*文章编号：$=UXU（!#）$=?）【7%3&1】*28 42%2+5?-2:58=,2+85:85(&-&:(5(%42 82&7:(&2-2 3:(&5(582%228-(2%.P82542 P5+5(32&52:+-4 42,2+%&,8P5(32-24:%.5(%42(823:8%42 345(B2 78:32&:42 58=,2+85:442 V0WI&2(&:8&.42(78:32&42-25&,82%55:58=,2+85:4 42+25&_,582-24:%.4282P?:P5(42 A5+,2:,2+%?(5-3 3458528&3142 35+P85:(78:32&2&5(%55 78:32&(B-24:%582(8:%,32%.5(%42 35+P85(B 82H&,+&582 A282%;8-/9(&:3：+,-#:/)0$1 12&1-&$3$1;前言燃油进气道喷射车用汽油机由于燃油直接喷射在气道而不是气缸中，因此一部分燃油会与进气道和进气门表面发生撞击，从而形成一层油膜$。油膜的存在使发动机加、减速等过渡工况时进入气缸的燃油量不等于喷射量。为了保证三元催化器高效的转化效率，把空燃比控制在当量值的目标，必须对燃油的这种动态特性进行补偿。目前，车用发动机普遍采用的是基于燃油动态特性的1DQ（185(&2(D,2Q:-72(&5:(，过渡工况燃油补偿）策略，补偿效果非常显著!.U。影响进气道内燃油动态特性的因素很多，目前获取燃油动态特性参数的主要途径是通过试验进行标定。因此，制定一套完善、合理的标定燃油动态特性的试验方法是很有必要的。基于燃油进气道喷射发动机的工作特点，逐一分析了标定过程中需要考虑的问题。给出了采用燃油扰动法标定燃油动态特性的试验过程，并利用最小二乘法对试验结果进行处理，获得了燃油的动态特性参数。燃油补偿试验表明，基于文中方法标定的燃油动态参数能够对发动机的过渡工况进行有效的补偿。?燃油动态特性分析在发动机燃油补偿控制中，普遍采用的是Q;D;*_,(:提出的燃油动态特性模型$，如图$所示。设计 计算 研究 汽车技术图!燃油动态特性模型喷油器所喷出燃油的一部分（!）沉积在进气道和进气门壁面形成一层油膜，与此同时，壁面油膜以一定速率不断蒸发与喷油器所喷出的其余部分燃油（!#!）一同进入气缸。可用如下公式表示：#$%&（!）#$%()*$+!（!）*$+&!#$%(*$+!（$）式中，#$%为进入发动机缸内的燃油流量；#$%(为喷油器所喷出的燃油流量；*$+为壁面沉积油膜质量；!为喷油器所喷出燃油的沉积系数，!为油膜蒸发时间常数。当发动机处于稳态工况时，燃油处于动态平衡状态，进入缸内的燃油量和喷油器喷出的燃油量相等，此时燃油的动态特性没有表现出来。在发动机处于加、减速等过渡工况时，油膜的平衡状态被打破，进入缸内的燃油量和喷油器喷出的油量不再相等，燃油的动态特性对发动机空燃比的影响开始表现出来。!空燃比测量过程分析在发动机工作过程中，空气流量和燃油流量的比值称为空燃比。即,-.%#/$0#$%（&）通常利用安装在排气管上的()*传感器测量排气以获得混合气的空燃比。由于测量空燃比的位置在排气管中，因此由进气管中燃油阶跃引起的混合气的空燃比变化并不能马上被()*传感器感知，而是存在一定的传输延迟，如图$所示。考虑传输延迟后，公式（&）可修正为：,-.（1123+/4）&#/$0#$%（+）()*传感器对排气管中空燃比的测量需要一定的响应时间。在发动机空燃比处于当量值附近时可认为它是具有固定时间常数的一阶测量仪器&，于是有：!5,-#.),-.&,-.（,）式中，,-.为()*传感器测量的空燃比示值；!5为()*传感器的时间常数。图$空燃比传输延迟示意!#空燃比传输延迟!#$%&空燃比的传输延迟123+/4主要由两部分组成：-.发出喷油命令后，燃油喷入进气管到排气门打开所经历的时间1!。/.废气从排气门处运动到()*传感器的时间1$。1!与发动机喷油相位和排气门打开时的曲轴转角有关，对于在进气门关闭时喷射燃油的单缸四冲程发动机，假设燃油在喷出后接下来的进气冲程能够到达气缸，则1!可由下式表示：1!%3$%(0%（0）式中，3为排气门打开时的曲轴转角；$%(为喷油时刻的曲轴转角；%为发动机转速。废气传输时间1$可由下式确定：1$%6/107#38（1）式中，6/10为排气管容积，与排气管的结构和()*的安装位置有关；7#38为废气的体积流速。有：7#38&.938:38#38（2）式中，.为气体常数；938为排气温度，与发动机负荷有关；:38为排气管的压力；#38为废气的质量流速。!$%&(传感器时间常数()*传感器作为一阶响应特性的测量仪器，有很多方法可以测量其时间常数。比较简单易行的方法是测量其对阶跃信号的响应，从而求出时间常数。一阶系统的单位阶跃响应如图&所示。响应曲线的斜率初始值为!9，其随时间的推移 设计 计算 研究 0!#年第$期而下降。根据一阶系统的初始斜率特性即可确定一阶系统时间常数。图%一阶系统的单位阶跃响应由于进气道中油膜的存在，阶跃的燃油（汽油）扰动并不能产生阶跃的空燃比信号，因此通常需要使用不会形成油膜的气体燃料（如&(）来产生阶跃的空燃比信号，从而辨识)*+,传感器的时间常数。!试验方法及数据处理方法为了计算!和!，必须打破油膜的平衡状态，本文采用了燃油扰动法!。燃油扰动法标定试验的具体过程为：保持发动机的转速和节气门开度不变，在测功机作用下，使发动机处于当量值空燃比附近的稳态工况后，控制喷油量，进行阶跃增油或减油（增减燃油量应不使发动机转速发生变化为好，约为稳态喷油量的$-!）。同时记录下喷油阶跃开始时间和随时间变化的发动机空燃比数据。根据燃油动态特性公式，当喷油器所喷出的燃油从稳态流量#阶跃变化到#$#后，进入缸内的燃油流量的变化过程为：%&（(）.#$#（$/!0)(*!）（1）若发动机进气流量%#+&,保持不变，上述燃油流量阶跃变化引起发动机空燃比的变化为：-./（(）.%#+&,%#&（(）.$#%#+&,2#%#+&,（$/!0)(*!）（$）燃油阶跃过程中，假设发动机前、后两个稳态工况下的空燃比分别为-./$和-./!，代入公式（$）得：-./（(）.$-./$2$-./!/$-./$!$/!0)(3!（$）)*+,传感器对上述空燃比变化的测量值随时间变化的表达式为：0（(）1-./$22（()3）（-./（3）)-./$）43（$!）式中，2（(）.$!40/(!4为一阶测量仪器)*+,传感器的单位脉冲响应。采用最小二乘法对试验数据进行拟合处理，正确的!和!将使理论模型预测的空燃比波形与实测的波形差方和最小，即：5（3，!）.#（0（(）)-./5（(）!4(（$%）5（3，!）（$(）3，!根据其物理意义，范围如下：636$，!7根据公式（$）可知，在采用燃油扰动法标定发动机动态特性参数过程中，只须保持发动机进气流量不变，并不需要测量发动机的喷油流量和进气流量，试验过程较为简单。把上述最小二乘法编成独立的处理软件时，即可把大量的试验结果进行批量处理。标定试验在一台单缸89:-电喷汽油机上进行了燃油动态特性的标定试验。试验采用!;?)(!型)*+,氧传感器测量发动机空燃比的变化，)*+,传感器安装在距离排气门1 A5的排气管上。首先确定空燃比传输延迟时间。当)*+,传感器距排气门较近时，可近似认为废气在排气管中以声速传播到传感器所在位置#。据此，本文忽略了废气从排气门处运动到)*+,传感器所需的时间，最终确定空燃比传输延迟约为$-个发动机工作循环。其次，标定了试验使用的)*+,传感器的响应特性，平均响应时间约为$5B。最后，采用燃油扰动法对发动机不同工况下的!、!进行了标定。图(是发动机转速为!C35DE、节气门开度为!、发动机温度为FG H时的一次标定过程实际得到的发动机空燃比测量值中存在均值为的白噪声!，噪声的存在使燃油阶跃引起的空燃比变化的始点很难从空燃比测量值中准确分辨出来，这就需要根据事先标定的空燃比传输延迟时间和发出燃油阶跃控制命令时刻计算得到。根据公式（$%）、（$(）所述的最小二乘法对图(的试验数据进行拟合。拟合结果!.-、!.!-B，拟5DE3，!设计 计算 研究 F汽车技术合出的空燃比变化曲线如图!所示。图燃油阶跃后的空燃比变化图!最小二乘法拟合结果试验结果表明，燃油动态特性主要受温度和发动机转速影响，负荷对其影响较小，与文献#所述一致。因此，在发动机转速和温度确定后，不同节气门开度下的燃油补偿均可采用相同的燃油动态特性参数标定结果验证在发动机工作过程中，进气量增加或减小时都需要进行燃油补偿。对于给定的目标空燃比!#，补偿的燃油量由燃油动态特性决定。当发动机进气量为$%&(时，所需进入缸内的燃油量为$%&($!#，根据公式（%），可求出需要的喷油量为：$%)*&$%&(!#$+,$!$!（%-）（%!）该喷油量包括基本喷油量$%.&/0和补偿喷油量$%12$3两部分，基本喷油量可由喷油()*得到，所以最终补偿燃油量为：$%12$3&（$%.&/0!-$+,$）$!（%-）（%+）式中，油膜质量$+,$可由公式（#）随时间积分得到。根据文中所述方案的标定结果，对该标定工况点下节气门快速打开过程进行了燃油补偿试验利用测功机使发动机转速稳定在#,-$./0，用步进电机控制节气门在1,.2内从#,!开度匀速打开到!,!开度，发动机的进气量采用节气门速度法确定，不考虑进气道的充排效应。节气门打开过程中有燃油动态特性补偿和无补偿条件下的空燃比变化如图+所示。图+节气门打开过程中空燃比变化从图+中可以看出，在进行燃油动态特性补偿后，节气门打开过程中的空燃比能够很快回复到当量值附近，而不进行补偿过程的空燃比最稀约偏离了当量值#左右，并且偏离的时间相对较长。结束语作为345控制策略的基础，准确标定发动机不同工况下的-和!，是保证发动机过渡工况时空燃比控制精度的关键。建立一套完善合理的标定方法是开发电喷发动机控制策略的必要条件。67在求得空燃比传输延迟、89:;传感器的响应特性后，打破油膜平衡，对混合气空燃比进行测量，采用最小二乘法对所测结果进行拟合，可得到燃油动态特性参数。/0?5 473-602/0A)$4 5?0A-?B 5C6-6DA-/2A/D2?E AC!F/GA-50A-6B 4B H0IDA/?0 90J/07K)9*6L-M%,NO%NM%#KC6PB-*Q A 6B7RA-./0/0J 4B 3-602L?-A 5C6-6DA-/2A/D2E?-(/SA-5?0A-?BR-/0J3-602/0A;L-6A/?027H(DC9O(9*O%NN114TA U*A 6B7(?VBW62V)/-4B X6A/?5?0A-?B?E 6 FG60(BA/5PB/0V-90J/07 K)9*6L-N!,M+O%NN!张文海等7发动机空燃比传输特性的研究7车用发动机O%NNY（!）：%M#7!杨延相等7应用于四冲程摩托车的4)H技术7摩托车技术O#,1（%,）：#!#M7+5C60J 5 47 90J/0)/-4B X6A/?5?0A-?B 82/0J 60 9Z0AW6G2V;2-Z7K)9*6L-N1,Y+O%NN1（责任编辑付蓉）修改稿收到日期为#,!年%#月M日。设计 计算 研究 M