CN111677593A - 一种电控燃气发动机空燃比控制方法 - Google Patents

一种电控燃气发动机空燃比控制方法 Download PDF

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Abstract

一种电控燃气发动机空燃比控制方法，包括如下步骤：基于缸压得到残留气体份数r(k)，k为循环次数；获取气缸内总的空气质量的观测值
Figure DDA0002390223850000011
以及气缸内总的燃气质量的观测值
Figure DDA0002390223850000012
输入的新的空气质量Man0(k)；测量得到的空燃比
Figure DDA0002390223850000013
空燃比的观测值
Figure DDA0002390223850000014
确定设计参数L1(k)＞0、L2(k)＞0；计算得到输入的燃气质量：
Figure DDA0002390223850000015
其中λd为理想空燃比。本申请既解决了汽缸内总的空气质量Ma(k)和汽缸内总的燃气质量Mf(k)无法在线测量，不能用来做反馈控制的问题，又将ΔMan(k)对空燃比控制精度的影响抑制在水平γ之下。

Description

一种电控燃气发动机空燃比控制方法
技术领域
本申请涉及一种电控燃气发动机空燃比控制方法。
背景技术
在四冲程发动机排气冲程结束时，并不是气缸内所有的气体都被排出，这部分残留下来的气体称为残留气体。残留气体对空燃比控制精度的影响分为两方面：1.残留气体温度高，使得在进气阀开启瞬间气缸内的压强高于进气歧管内的压强。由于压强差的存在，在进气阀开启后，缸内的高温气体会流入进气歧管，而后与新鲜的空气一起在活塞运动形成的真空压力的作用下，被吸回气缸。即使是在稳态工况下，残留气体的波动也会导致实际吸入气缸的空气质量 Man(k)相应的波动ΔMan(k)，影响空燃比控制精度。2.由于残留气体中包括燃烧产物、残留的未燃烧的空气和残留的未燃烧的燃气，当残留气体、实际吸入气缸空气质量Man(k)和喷入气缸燃气量Mfn(k)三者混合以后，气缸内混合物的空燃比将发生变化。从而大大影响了控制的精度，而空燃比的控制精度对燃气发动机的经济性和排放性有极大地影响。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提出了一种电控燃气发动机空燃比控制方法，包括如下步骤：
基于缸压得到残留气体份数r(k)，k为循环次数；
获取气缸内总的空气质量的观测值
Figure RE-GDA0002614488900000011
以气缸内总的燃气质量的观测值
Figure RE-GDA0002614488900000012
输入的新的空气质量Man0(k)；
测量得到的空燃比
Figure RE-GDA0002614488900000014
空燃比的观测值
Figure RE-GDA0002614488900000013
确定设计参数L1(k)>0、L2(k)>0；
计算得到输入的燃气质量：
Figure RE-GDA0002614488900000021
Figure RE-GDA0002614488900000022
其中λd为理想空燃比。本申请通过调整输入的燃气质量来调节空燃比，从而使得空燃比在一个适宜的范围内波动。
优选的，所述
Figure RE-GDA0002614488900000023
优选的，所述
Figure RE-GDA0002614488900000024
优选的，Man(k)＝Man0(k)+ΔMan(k)，ΔMan(k)为残留气体引起的波动， Man(k)是实际吸入气缸的空气质量。
优选的，所述
Figure RE-GDA0002614488900000025
其中ε是气缸压缩比，n是多变常数，
Figure RE-GDA00026144889000000215
是排气冲程结束时的缸压，
Figure RE-GDA0002614488900000026
是排气冲程开始时的缸压。
优选的，所述观测值按照如下方式计算得到：
Figure RE-GDA0002614488900000027
优选的，还包括误差系统，所述误差系统包括e1(k)和e2(k)，
Figure RE-GDA0002614488900000028
Figure RE-GDA0002614488900000029
优选的，所述误差系统为：
Figure RE-GDA00026144889000000210
优选的，应用近似线性化，
Figure RE-GDA00026144889000000211
Figure RE-GDA00026144889000000212
得到，
Figure RE-GDA00026144889000000213
其中，
Figure RE-GDA00026144889000000214
本申请能够带来如下有益效果：既解决了汽缸内总的空气质量Ma(k)和汽缸内总的燃气质量Mf(k)无法在线测量，不能用来做反馈控制的问题，又将ΔMan(k)对空燃比控制精度的影响抑制在水平γ之下。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请的控制方法的示意图；
图2为数值仿真结构图；
图3为本申请的空燃比控制方法对精度的影响图；
图4为开环控制的空燃比控制方法对精度的影响图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本申请进行详细阐述。
在实施例中，如图1所示，一种电控燃气发动机空燃比控制方法，包括残留气体份数测量模型、气缸内总的空气质量和燃气质量观测器、喷入气缸燃气量控制器。
建立考虑残留气体份数的燃气发动机动态模型：
Figure RE-GDA0002614488900000031
其中Ma(k)是汽缸内总的空气质量，Mf(k)是汽缸内总的燃气质量，λd是理想空燃比，μ(k)是燃烧效率，r(k)是残留气体份数，Man(k)是吸入气缸空气质量， Mfn(k)是喷入气缸燃气量，k是循环数，一个循环定义为从压缩冲程开始到进气冲程完毕。将吸入气缸空气质量Man(k)建模为Man(k)＝Man0(k)+ΔMan(k)，其中 Man0(k)可通过空气质量传感器在线获取，ΔMan(k)是由残留气体引起的波动。
建立残留气体份数估计模型：
Figure RE-GDA0002614488900000032
其中ε是气缸压缩比，n是多变常数，
Figure RE-GDA0002614488900000033
是排气冲程结束时的缸压，
Figure RE-GDA0002614488900000041
是排气冲程开始时的缸压。
建立气缸内总的空气质量和燃气质量观测器：
Figure RE-GDA0002614488900000042
其中
Figure RE-GDA0002614488900000043
是Ma(k)的观测值，
Figure RE-GDA0002614488900000044
是Mf(k)的观测值，L1(k)>0和L2(k)>0是设计参数，λ(k)是空燃比测量值
Figure RE-GDA0002614488900000045
是空燃比观测值
Figure RE-GDA0002614488900000046
定义
Figure RE-GDA0002614488900000047
则(1)和(3)的误差系统为：
Figure RE-GDA0002614488900000048
应用近似线性化，
Figure RE-GDA0002614488900000049
将(5)代入(4)，误差系统为：
Figure RE-GDA00026144889000000410
其中
Figure RE-GDA00026144889000000411
选取李雅普诺夫函数
Figure RE-GDA00026144889000000412
其中e(k)＝(e1(k),e2(k))T，
Figure RE-GDA00026144889000000413
表示空燃比与其理想值的误差(因为
Figure RE-GDA00026144889000000414
)。
对
Figure RE-GDA00026144889000000415
取差分：
Figure RE-GDA00026144889000000416
取喷入气缸燃气量控制器Mfn(k)为：
Figure RE-GDA0002614488900000051
将(8)代入(7)，
Figure RE-GDA0002614488900000052
Figure RE-GDA0002614488900000053
其中γ>1是干扰抑制水平。取
Figure RE-GDA0002614488900000054
c为常数，
Figure RE-GDA0002614488900000055
其中设计参数
Figure RE-GDA0002614488900000056
代入(9)
Figure RE-GDA0002614488900000057
将(10)两边从k＝0加到
Figure RE-GDA0002614488900000058
Figure RE-GDA0002614488900000059
Figure RE-GDA00026144889000000510
移项
Figure RE-GDA00026144889000000511
由(12) 知，利用上述方法，既解决了汽缸内总的空气质量Ma(k)和汽缸内总的燃气质量 Mf(k)无法在线测量，不能用来做反馈控制的问题，又将ΔMan(k)对空燃比控制精度的影响抑制在水平γ之下。
对于控制器的有效性，可以通过在MATLAB/Simulink里搭建燃气发动机的数值仿真模型来验证，用公式(1)、(3)、(8)，进入气缸空气流速模型、平均指示扭矩模型、发动机转速模型、进气歧管压强模型、节气门空气流速模型：
进入气缸空气流速模型：
Figure RE-GDA0002614488900000061
Figure RE-GDA0002614488900000062
——进入气缸的空气的流速(kg/s)；ρa——空气的密度(kg/m3)；
Vd——气缸的排量(m3)；
ηv——容积效率；
ωe——发动机转速(rpm)；
Pm——进气歧管压强(Pa)。
平均指示扭矩模型：
Figure RE-GDA0002614488900000063
Te——平均指示扭矩(Nm)；
ηi——指示热效率；
Hu——燃气的低热值(J/kg)；
R——理想气体常数(J/(kgK))；
Tm——进气歧管的温度(K)。
发动机转速模型：
Figure RE-GDA0002614488900000064
J——转动惯量(m2kg)；
Tl——负载扭矩(Nm)。
进气歧管压强模型：
Figure RE-GDA0002614488900000065
Vm——进气歧管的容积(m3)。
节气门空气流速模型：
Figure RE-GDA0002614488900000066
Figure RE-GDA0002614488900000067
——通过节气门的空气流速(kg/s)；
s0——节气门的面积(m2)；
φ——节气门的开度(degree)；
Pa——大气压强(Pa)；
R——理想气体常数(J/(kgK))。
数值仿真结构图如图2所示。
将提出的燃气发动机空燃比控制方法(8)与开环控制方法的空燃比控制效果在发动机转速为1200rpm、外部负载为60Nm的工况下做了比较，见图3以及图4，其中开环控制方法表达式：
Figure RE-GDA0002614488900000071
开环控制未考虑残留气体对空燃比控制精度的影响。从图3、图4可以看出，提出的燃气发动机空燃比控制方法下空燃比波动范围小于开环控制下空燃比波动范围。
令
Figure RE-GDA0002614488900000072
其中N表示燃气发动机运行的循环数，得到下表。
表1
N 10000 20000 30000 40000 50000
J(N) 0.0224 0.0224 0.0225 0.0225 0.0225
由γ>1可知，提出的一种电控燃气发动机空燃比控制方法在10000-50000 循环，均可将ΔMan(k)对空燃比控制精度的影响抑制在水平γ之下。
由图3、图4和表1可看出，提出的通过控制燃气输入量的方式来进行燃气发动机空燃比控制的方法能够有效抑制残留气体的影响，提高空燃比的控制精度。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种电控燃气发动机空燃比控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
基于缸压得到残留气体份数r(k)，k为循环次数；
获取气缸内总的空气质量的观测值
Figure RE-FDA0002614488890000011
以及气缸内总的燃气质量的观测值
Figure RE-FDA0002614488890000012
输入的新的空气质量Man0(k)；
测量得到的空燃比
Figure RE-FDA0002614488890000013
Figure RE-FDA0002614488890000014
空燃比的观测值
Figure RE-FDA0002614488890000015
确定设计参数L1(k)＞0、L2(k)＞0；
计算得到输入的燃气质量：
Figure RE-FDA0002614488890000016
Figure RE-FDA0002614488890000017
其中λd为理想空燃比。
2.根据权利要求1所述的一种电控燃气发动机空燃比控制方法，其特征在于：所述
Figure RE-FDA0002614488890000018
3.根据权利要求1所述的一种电控燃气发动机空燃比控制方法，其特征在于：所述
Figure RE-FDA0002614488890000019
4.根据权利要求1所述的一种电控燃气发动机空燃比控制方法，其特征在于：Man(k)＝Man0(k)+ΔMan(k)，ΔMan(k)为残留气体引起的波动，Man(k)是实际吸入气缸的空气质量。
5.根据权利要求1所述的一种电控燃气发动机空燃比控制方法，其特征在于：所述
Figure RE-FDA00026144888900000110
其中ε是气缸压缩比，n是多变常数，
Figure RE-FDA00026144888900000111
是排气冲程结束时的缸压，
Figure RE-FDA00026144888900000112
是排气冲程开始时的缸压。
6.根据权利要求1所述的一种电控燃气发动机空燃比控制方法，其特征在于：所述观测值按照如下方式计算得到：
Figure RE-FDA00026144888900000113
Figure RE-FDA0002614488890000021
7.根据权利要求6所述的一种电控燃气发动机空燃比控制方法，其特征在于：还包括误差系统，所述误差系统包括e1(k)和e2(k)，
Figure RE-FDA0002614488890000022
Figure RE-FDA0002614488890000023
8.根据权利要求7所述的一种电控燃气发动机空燃比控制方法，其特征在于：所述误差系统为：
Figure RE-FDA0002614488890000024
9.根据权利要求8所述的一种电控燃气发动机空燃比控制方法，其特征在于：应用近似线性化，
Figure RE-FDA0002614488890000025
Figure RE-FDA0002614488890000026
得到，
Figure RE-FDA0002614488890000027
其中，
Figure RE-FDA0002614488890000028
Figure RE-FDA0002614488890000029
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