详情

原文传递基于旋转矢量坐标系的单气体燃料发动机建模及控制研究

论文题名：	基于旋转矢量坐标系的单气体燃料发动机建模及控制研究
关键词：	旋转矢量;坐标系;气体燃料发动机;建模;电子控制单元;稀薄燃烧;模型;发动机管理系统;氧传感器;燃烧控制;控制策略;实际应用;转矩;随机预估;实时在线;工作;发动机燃烧;指示;修正系数;算法
摘要：	近年来，由于全球石油资源的日渐匮乏和大气污染的日趋严重，代用燃料发动机成为发动机领域的重要研究方向。燃气发动机以其良好的排放性能和经济性能具有广泛的应用前景。本文的研究主要针对单气体燃料发动机的燃烧控制系统。本文的主要贡献在于：首先我们提出了应用于发动机燃烧建模的矢量控制方法。该方法从发动机与电动机在机械运动方面的共性出发，首次提出以气缸为坐标轴建立“虚拟”旋转矢量坐标系，并将该旋转坐标系应用到建立发动机逐缸模型中。通过三缸发动机采用均值模型与逐缸进气模型的排放比较，证明了该方法的优越性。我们提出了一种改进的“随机预估”算法。该算法能根据发动机的运行参数对指示转矩进行实时在线预估。首先利用原有的“随机预估”算法对指示转矩进行估算，这样得到的只是发动机某一特定工作状态的转矩值。我们在此基础上再根据发动机的当前工作参数(转速，进气歧管压力，负载，空燃比，油门开度等)对预估系数进行实时校正，从而满足发动机管理系统对转矩实时估算的需求。基于“虚拟”旋转欠量坐标系和“改进随机预估”算法，我们建立了单气体燃料发动机的逐缸燃气喷射模型。该模型能根据发动机工作需要对各个气缸的燃气量精确地供给。相比较以往的逐缸模型，该模型更简单、精确、可靠，更适合发动机电子控制单元(ECU)的实时运算。我们建立了角度域上的气缸动态充气量模型。在模犁中，首次给出了修正系数的具体算式，不再依靠实验的反复凑试对修正系数进行校正，减轻了发动机ECU的运算负担。在控制策略方面，我们提出了基于便宜、稳定的λ氧传感器的分工况稀薄燃烧控制策略。稀薄燃烧能降低燃料消耗及废气排放，但也会使输出动力恶化。所以，我们提出采取以转矩为中心的稀燃策略，在保证动力输出的前提下降低燃料消耗及废气排放。我们没有采用一般的稀燃系统所用的昂贵、易坏的线性氧传感器，而是提出依靠λ氧传感器的反馈和指示转矩的实时在线预估来计算空燃比，实现单气体燃料发动机的分工况稀薄燃烧，达到降低发动机管理系统的成本及提高系统的稳定性的目的。发动机管理系统的最终目的是对发动机的工作进行控制。针对单气体燃料发动机，我们运用本文所建立的逐缸燃烧模型及稀薄燃烧控制策略，给出了基于稀燃控制的电子节气门、燃气喷射、点火提前角和涡轮增压的控制策略。这里采用的是“前馈”+“反馈”(基于λ氧传感器和指示转矩在线预估)的控制方法，而不是简单的MAP图加λ氧传感器反馈的闭环控制。不仅提高了系统的控制精度，而且实现了真正地稀薄燃烧控制。理论的研究是为了更好地服务实际应用，本文的主要研究成果应用到我们研制开发出的具有自主知识产权的两种电子控制单元中。第一种是基于+24V电池供电的6102LPG单燃料发动机电子控制单元，该ECU不同于传统的ECU采用+12V电池供电，而是直接利用原6102柴油机的+24V供电电池，从而不需要增加供电电源或经过电源转换就可以直接工作。第二种是通用点燃式发动机电子控制单元。一般的ECU都是针对某一具体型号的发动机设计的，而该ECU可以应用在各种点燃式发动机上，并且用户可以根据需要对ECU的硬件和软件进行自主设定。这两种ECU采用我们所建立的发动机逐缸控制模型及稀薄燃烧控制策略，并已投入到实际应用中，在四川省、重庆市、广州市等地投入长时间的实际商业运行，获得了良好、稳定的运行效果，技术处于国内领先水平。在本研究中还通过大量的台架及实车试验验证了本文研究果的正确性、实用性与可靠性。节约能源，保护环境是国家产业政策的核心，也是未来控制理论应用的重点领域。通过研究发动机燃烧过程的模型和控制，一方面能提炼出许多有意义的理论课题和研究思想，另一方面有可能取得商业成功，最终实现理论研究与实际应用的良性循环。
作者：	胡静
专业：	控制理论与控制工程
导师：	罗飞
授予学位：	博士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文